液體生物燃料技術(shù)

生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國家工程實驗室

2013.11

第五講液體生物燃料技術(shù)楊世關(guān)

當年美國社會經(jīng)濟發(fā)展建立在高能耗的基礎(chǔ)上的，如今也要經(jīng)歷痛苦的轉(zhuǎn)型，走向綠色經(jīng)濟。恰恰悍馬身上所包藏著頑固的高能耗基因，注定它必然遭遇新一代社會心理上的抵制。悍馬的終結(jié)讓人們重新思考汽車業(yè)的走向和未來，悍馬之死，可以說是死得其所。悍馬之死——高油耗汽車時代的終結(jié)

2009年5月19日，奧巴馬政府公布了1項汽車節(jié)能減排計劃。其目標是到2016年，美國境內(nèi)新生產(chǎn)的客車和輕型卡車百公里油耗不超過6.62升，二氧化碳排放量比現(xiàn)有車輛平均減少1/3。這項計劃將從2012年起實施，汽車節(jié)能標準將每年提高5%以上，直至2016年實現(xiàn)預期目標。預計這項計劃可使美國在2012-2016年間減少原油消耗18億桶，減少溫室氣體排放9億噸。提高能效——奧巴馬能源新政措施之一Total11,693mil.Bu.（1）第零代生物燃料，是生物燃料的彷徨時代，受到石化燃料的競爭和排擠，生物燃料在1970年代前未有顯著發(fā)展；（2）第一代生物燃料，是生物燃料的糧食時代，主要以糧食為原料，發(fā)展日受非議和限制；（3）第二代生物燃料，將跳出糧食時代邁向纖維素時代，目前正處在大規(guī)模商業(yè)化的前夜；（4）第三代生物燃料，一個微藻制取生物燃料，美國、以色列、歐洲、加拿大、阿根廷、澳大利亞等國正在積極研究。生物燃料的發(fā)展發(fā)展歷程：第零代生物燃料：1900年:RudolfDiesel發(fā)明了直接燃用花生油的內(nèi)燃機。這是一臺固定的，低轉(zhuǎn)速內(nèi)燃機

（<300rpm）11第一代生物燃料：第二代生物燃料：第三代生物燃料：微藻的優(yōu)勢海洋硅藻的生產(chǎn)不需要占用良好的農(nóng)業(yè)用地不需要有淡水資源無需進行無需使用肥料土地平整殺蟲劑和除草劑利用效率高德國的商業(yè)化光生物反應器多種的培養(yǎng)方式更多的培養(yǎng)方式……產(chǎn)量兆凱生物研發(fā)中心已經(jīng)穩(wěn)定達到每天每升培養(yǎng)液中0.2克干藻產(chǎn)量。

在他們的開放式光生物反應器中，20cm的水深就可以每年每公頃生產(chǎn)干藻：120噸生產(chǎn)微藻的最高總脂含量為24%，相當于每年每公頃養(yǎng)殖面積生產(chǎn)28,800kg油脂。粗略估計潛在生物柴油產(chǎn)量為每年每公頃25000升。目前有望將油脂含量提高到25%以上。1（一）燃料乙醇燃料酒精（AlcoholFuel）主要是指通過生化工藝生產(chǎn)的前四種脂肪族酒精（甲醇、乙醇、丙醇、丁醇），他們的物理化學特性與汽油相似，是替代汽油的重要發(fā)展方向，一般采用生化工藝生產(chǎn)，也稱作生物酒精（Bioalcohol）。脂肪族酒精的化學式是CnH2n+1OH，辛烷值都與汽油相近，但是能量密度差異較大，n值越大能量密度越大。丁醇是汽油的最佳替代品，但是相對于甲醇和乙醇，丙醇和丁醇的生產(chǎn)工藝復雜。甲醇極易揮發(fā)而且有劇毒性和腐蝕性，難以作為交通工具燃料廣泛應用，而且能量密度最低，無法直接在汽油引擎中燃用。燃料酒精主要以燃料乙醇（Bioethanol）為主。基本概念燃料乙醇（EthanolFuel），也被稱為生物乙醇(Bioethanol)，是燃料酒精中最為成熟、發(fā)展最快的一種。基于能量密度的差異，汽油引擎無需改進便可以燃用15%以下比例的乙醇汽油，經(jīng)過改進后便可以正常燃用任何比例的乙醇汽油?；靖拍畲碱惾剂吓c汽油的對比性質(zhì)甲醇乙醇汽油化學式CH3OHC2H5OHC4-12烴合物相對分子質(zhì)量324695—120碳(%)37.552.585—88氫(%)12.51312—15氧(%)5034.80C/H33.9715.6—7.4密度(20℃)(kg/L)0.7920.78930.72—0.78沸點(℃)64.878.530—200凝固點(℃)-98-114-57粘度(20℃)(mPa·s)0.61.20.65—0.85辛烷值或十六烷值112(RON)111(RON)91(RON)汽化潛熱(kJ/kg)1109904297汽油的辛烷值越高，抗爆性就越好，發(fā)動機就可以用更高的壓縮比。這樣既可提高發(fā)動機功率，增加行車里程數(shù)，又可節(jié)約燃料，對提高汽油的動力經(jīng)濟性能是有重要意義的?；靖拍钴囉闷偷呐铺柺前凑招镣橹祬^(qū)分的。如93，97號等。93號車用汽油即表明該汽油辛烷值不低于93。根據(jù)辛烷值的實測結(jié)果可判定屬哪一牌號的車用汽油；淀粉原料乙醇生產(chǎn)工藝流程纖維燃料乙醇生產(chǎn)工藝流程29CelluloseFiberHemicelluloseLigninPectinOtherpolysaccharides生物質(zhì)原料的結(jié)構(gòu)纖維素呈結(jié)晶狀擰合成纖維束半纖維素和其他多聚糖纏繞著纖維束木質(zhì)素像膠水一樣覆蓋和凝合著各種物質(zhì)水解酶或其他化學物質(zhì)很難滲透到纖維素表面纖維束半纖維素木質(zhì)素果膠質(zhì)其他多聚糖

30秸桿或其他原料組分分離預處理酶制劑生物降解乙醇分離從秸桿到乙醇燃料31CrystallineRegionAmorphousRegionCelluloseLigninHemicellulosePretreatment預處理的作用預處理纖維素木質(zhì)素無定形區(qū)結(jié)晶區(qū)半纖維素Source:F.O.Licht(in“NewtrendstotheethanolsupplychaininBrazil”,Simoes,R.B.,MasterThesis,UniversiteitVanTilburg,Holanda,Jul-2006)小麥玉米甜菜甘蔗燃料乙醇生產(chǎn)過程能源平衡能量產(chǎn)出/能量投入醇是一種溶劑，發(fā)動機使用初期，燃油系統(tǒng)零部件、油路和燃油管壁上沉積物會剝落，導致濾清器堵塞，一些黑色金屬和有色金屬將腐蝕。長期使用醇-汽油混合燃料，潤滑油酸值和粘度將會增加，在發(fā)動機進氣系統(tǒng)部件中，易產(chǎn)生油污，導致拉缸。使用摻醇汽油后，汽車燃油耗和發(fā)動機動力性有所下降。醇的氣化潛熱比汽油高，在寒冷地區(qū)會使混合燃料難以氣化，不易起動。容易分層，使汽油和醇互溶性變差，影響燃油的品質(zhì)。汽車燃用醇類燃料時應注意的問題：

序號企業(yè)名稱核準能力原料組成1吉林燃料乙醇有限公司50玉米2河南天冠企業(yè)集團有限公司30小麥、玉米為主3安徽豐原生物化工有限公司32玉米小麥為主4中糧生化能源肇東有限公司10玉米5廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司20木薯合計142國內(nèi)主要燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)情況

(萬噸/年)

國內(nèi)燃料乙醇原料逐步以玉米為原料,玉米占原料比例從2001年的59%提高到2007年的86%。我國燃料乙醇生產(chǎn)能力2007-2008年各地區(qū)燃料乙醇產(chǎn)量統(tǒng)計表（單位百萬加侖）國家/地區(qū)美國巴西歐盟中國加拿大泰國哥倫比亞印度澳大利亞其它合計2007年6,4995,019570486211797553268213,1012008年9,0006,4727345022389079662612817,335全球燃料乙醇產(chǎn)量持續(xù)增長美國燃料乙醇發(fā)展目標2007年頒布的可再生能源標準(RFS)2005年能源政策法案產(chǎn)量目標(十億加侖)乙醇和生物柴油傳統(tǒng)生物燃料（淀粉）生物柴油纖維素乙醇其它先進生物燃料先進生物燃料

(包括纖維乙醇)傳統(tǒng)生物燃料（淀粉）能力150億加侖/年

2007年美國國會通過能源獨立與安全法（EISA）→包括新的可再生燃料標準（RFS），強制要求生物燃料的用量在2022年達到1.08億噸美國的發(fā)展進程加速！巴西燃料乙醇發(fā)展情況巴西現(xiàn)有96家專門生產(chǎn)乙醇的工廠，233家工廠即生產(chǎn)乙醇又生產(chǎn)蔗糖，2007年共生產(chǎn)蔗糖3100萬噸，生產(chǎn)乙醇1784萬噸。2008年共生產(chǎn)蔗糖3130萬噸，生產(chǎn)乙醇2040萬噸（257億升）。巴西乙醇生產(chǎn)供應鏈上共有7萬多家甘蔗供應商、330余個乙醇廠、261個批發(fā)商和618個零售商，其中巴西石油公司在全國建有8個乙醇收集中心、67個調(diào)配中心、1萬公里輸送管道和1千萬立儲罐現(xiàn)有1條乙醇管道，規(guī)劃到2012年前，將新建2條乙醇輸送管道，新增輸送能力1350萬噸/年，總投資23億美元。強制在汽油中添加燃料乙醇的比例提高到25%奧巴馬政府推出稅收