玉米燃料乙醇生命周期能耗分析

第31卷第6期哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報vol.31№.62010年6月Journal of Harbin Engineering UniversityJun.2010doi:10.3969/jisn.1006-7043.2010.06.016玉米燃料乙醇生命周期能耗分析丁文武,原林,湯曉五,肖澤儀(四川大學(xué)化工學(xué)院,四川成都61065)摘要:利用生命周期評價(jià)原理對玉米燃料乙醇生產(chǎn)能耗和產(chǎn)投比進(jìn)行了分析以期為膜生物反應器發(fā)酵等新工藝的能耗分析以及玉米燃料乙醇的可再生性分析提供依據在計入和忽略副產(chǎn)品能值的2種情況下,玉米燃料乙醇生命周期的凈能量值都為負值能量產(chǎn)投比都小于1,如果不計副產(chǎn)品能值則凈能量為-16556.15M,能量產(chǎn)投比為0.618,計入副產(chǎn)品能值則凈能值為-8765.15M能量產(chǎn)投比為0753每噸乙醇所耗玉米中含有的可再生能量為40993.60MJ,可再生能量回收率為653%,乙醇的發(fā)酵生產(chǎn)只是一種能源形式的轉變過(guò)程通過(guò)現有研究結果的比較發(fā)現,國內研究中玉米燃料乙醇生命周期的凈能值為正的結果值得商榷關(guān)鍵詞:玉米燃料乙醇;凈能值;能量產(chǎn)投比;可再生能量回收率;生命周期中圖分類(lèi)號:S216.2文獻標識碼:A文章編號:1006-7043(2010)0640773407Analysis of net energy production in the corn ethanol life cycleDING Wen-wu, YUAN Lin, TANG Xiao-yu, XIAO Ze-yiSchool of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)Abstract: The energy consumption and energy-making efficiency of com ethanol were analyzed with life cycle as-sessment principles to provide analysis basis for the renewable capability of corn ethanol and the energy consumptionof ethanol fermentation in membrane bioreactor. The net energy of the corn ethanol was negative and the energy-making efficiency was less than 1, whether or not the energy of by-products was calculated. If the energy of by-products was neglected, the net energy was -16 556. 15 MJ, and the efficiency was 0. 618. When by-productswere included, the net energy was -8765. 15 MJ, and the efficiency was 0. 753. The renewable energy from oneton of ethanol was 40 993 60MJ and its recovery efficiency was 65. 3%. Corn ethanol production was just a transformation of energy types. Based on the comparative results of the present study, domestic studies that showed thenet energy production of the corn ethanol life cycle as positive should be questionedKeywords: com ethanol; net energy; energy-making efficiency; recovery efficiency of renewable energy; life cycle隨著(zhù)燃料危機的日益加劇,燃料乙醇雖然得到策略和方向在燃料乙醇生命周期能耗的計算中,由了迅速地發(fā)展,但是由于其生產(chǎn)能耗較大而受到嚴于其邊界范圍劃分的復雜性以及計算方法的不同,重限制,因此包括膜生物反應器在內的新型生產(chǎn)技雖然許多研究者對燃料乙醇的生命周期能耗及凈能術(shù)得到了廣泛而深入的研究1.然而要對膜生物量值情況進(jìn)行了計算和分析但是其計算結果至今反應器等新型發(fā)酵技術(shù)的能耗情況進(jìn)行分析,需要仍然難以取得一致.巴西主要以甘蔗為原料生產(chǎn)燃個(gè)可以比較和借鑒的量化依據,由于對燃料乙醇料乙醇,經(jīng)研究得出其燃料乙醇的凈能量值為正值生命周期能耗情況的分析,不僅可以達到這一目的,能量產(chǎn)投比平均達到92,最高可達到11.26;美國更重要的是還可以為燃料乙醇的可持續化發(fā)展提供主要臣督立醇其研究結果差異收稿日期:20090605很大,中國煤化工為玉米燃料乙醇基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(20276041,20776088)的生CNMHG而 Pimentel等作者簡(jiǎn)介:丁文武(1980-),男,博士研究生肖澤儀(1960-),男,教授博士生導師,E-mal:mgch@的研究結果則正好與之相反,認為燃料乙醇的生產(chǎn)通僧作者:肖澤儀不僅不能夠節約能源,還要造成能源浪費和巨大的774哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報第31卷環(huán)境問(wèn)題H;中國目前主要以玉米和小麥為原料1.1玉米種植生產(chǎn)燃料乙醇胡志遠、李勝、張治山等分別對以木玉米種植階段分為耕地播種、灌溉、收割以及薯、小麥和玉米為主要原料生產(chǎn)燃料乙醇的生命周脫粒等部分,實(shí)際投入部分包括種子、地膜、化肥、農期能耗進(jìn)行了分析,結果其凈能量值都為正藥、人工以及柴油和電等由于種植階段的機械作業(yè)值,但是張阿玲等通過(guò)研究表示目前國內燃料乙醇用油量或者用電量很難準確統計,在此本文選用各生產(chǎn)的凈能量值應為負值,遺憾的是,文中沒(méi)有種已知功率的機型進(jìn)行估算,詳見(jiàn)表1,對于耕地所列出詳細的計算過(guò)程和數據投入的能量則是直接引用文獻中的數據2,灌溉用鑒于目前燃料乙醇生命周期的能量分析結果仍水量為3900m3/ha,種子、化肥用工以及玉米產(chǎn)量然存在巨大爭議本文根據我國吉林黑龍江、山東、等則根據統計年鑒取204-200年統計數據的平安徽的玉米生產(chǎn)情況及吉林和安徽燃料乙醇公司實(shí)均值2)(表2),由于年鑒中的復合肥沒(méi)有給出具際生產(chǎn)情況,利用生命周期評價(jià)2原理對玉米燃體組成,在此選用貴州宏福阿城配肥分公司(黑龍料乙醇生命周期能耗及其影響因素重新進(jìn)行了分江)生產(chǎn)的玉米專(zhuān)用肥(規格31-12-10)進(jìn)行換析以期為膜生物反應器發(fā)酵等新技術(shù)的節能計算算,吉林和黑龍江兩省都使用過(guò)地膜,但是用量不是和分析以及玉米燃料乙醇的可再生性分析提供一個(gè)很大,在此本文將其省略不計,孫麗梅等實(shí)際調可借鑒和比較的量化依據查了1996年和2005年山東恒臺玉米的農藥使用量1分析方法為分別為364kg/ha和5.67kg/ha,而李奇峰等調查了吉林中部糧食主產(chǎn)區玉米種植的農藥投入為玉米燃料乙醇生命周期的邊界劃分以及能量流3.693.69kg/ha,據此,本文農藥的使用量估計為動(dòng)如圖1所示,整個(gè)生命周期由原料生產(chǎn)、乙醇轉化4kg/ha.種子、化肥、農藥以及用工的能量折算值源及玉米運輸和乙醇輸配等幾個(gè)部分組成,進(jìn)入系統于公開(kāi)出版的資料和文獻232)的能量主要有太陽(yáng)能(Es)和化石能(EF),從系統出表1玉米種植所用機械來(lái)的能量包括燃料乙醇的內能,即通過(guò)燃料乙醇燃Table 1 Machineries used in corn cultivation燒所得熱能(E1)、副產(chǎn)品的能量(E)以及各種能量機種水泵播種機收割機脫粒機損失(EL).燃料乙醇生命周期的凈能值(EN)能量機型TOP4043BYF34YQW25TYDs5產(chǎn)投比(En)以及可再生能量回收率(E)用以下公常州太騰河南省三榮成市海山式計算,其中E為可再生能量:生產(chǎn)動(dòng)力機械門(mén)峽通用機制逝黑龍江五常刀具E1有限公司機械廠(chǎng)限公司Ew=E1+EB-E,En=E-EB””ERx100%功率/8.8~11.341.3~60另外,本系統中沒(méi)有計入生產(chǎn)化石燃料、農用機械、廠(chǎng)房建設以及生產(chǎn)設備等所需要的能量效率40m%h0.250.3ha/h0.4h/h12-16U/h太陽(yáng)能石燃料表2玉米產(chǎn)量及種植階段部分投入Table 2 Corn yield and some inputs of cultivation吉林黑龍江安徽山東壓米種玉米運輸“已醇轉化一醇輸種子/(kg·ha-1)50.9636.6839.9444用工/(d·ha1)66.00124.20127.99化肥/(kg·ha-)208.24263.63331.61能量損失能址損為副產(chǎn)品乙醇燃燒77226.93253.40中國煤化圖1玉米燃料乙醇生命周期能耗分析圖928.746.55Fig. 1 Energy consumption analysis of com ethanol inCNMHG& 7.93 31玉米產(chǎn)量/6526.54424.54153.06305.3第6期丁文武,等:玉米燃料乙醇生命周期能耗分析775·1.2乙醇轉化運輸能耗最少,僅占總能耗的0.55%左右,對總能乙醇發(fā)酵方法有干法和濕法2種,主要工序有耗的影響很少;機械作業(yè)和用工在玉米種植過(guò)程中原料預處理,液化、糖化、發(fā)酵蒸餾和脫水等,由于能耗也較大,但是兩項總值也僅占總能耗的23%左濕法生產(chǎn)工藝可以充分利用原料,獲得更好的經(jīng)濟右,對整個(gè)玉米種植能耗的總值影響也不是很明顯效益,因而我國燃料乙醇公司都以濕法工藝生產(chǎn)燃因此,在玉米種植過(guò)程中,合理使用化肥,降低氮肥料乙醇根據資料,吉林燃料乙醇公司每噸酒使用量科學(xué)種植玉米才是降低玉米種植能耗的精的能耗折標煤為0.824t,安徽燃料乙醇公司每噸關(guān)鍵乙醇耗電414.334kW·h,蒸汽4.543t,其中每噸表3玉米種植及運輸能量消耗蒸汽折標煤0.185t3Table 3 Energy consumption of com cultivation and1.3物料、產(chǎn)品等運輸MJ/ha化肥農藥和乙醇的運輸距離采用張阿玲的吉林黑龍江安徽山東估算值,本文假設總運輸距離中的100km為公路運840.12604.59658.37740.59輸,其余為鐵路運輸;吉林公司的玉米主要來(lái)源于本用工1841.861119.362106.432170.67省玉米產(chǎn)區,因此假設其運輸半徑為100km,主要機械作業(yè)4483.174474.854473.784482.30為公路運輸,安徽的玉米5/8來(lái)源于東北,14來(lái)源農藥408.36408.36408.36408.36于本省,1/8來(lái)源于華北(本文假設為山東)],據化肥20136.4314344.5821346.7324239.34此假設東北和山東玉米運輸到安徽的鐵路距離分別N19113.0013601.8520888.6323324.67為1800km和500km,公路運輸都為100km,本省POe728.00595.65385.14623.18的運輸半徑為100km,并且為公路運輸.另外,本文K,029542147012.97291.50中的公路運輸均設為雙程鐵路運輸均設為單程鐵化肥農163.55116.41路和公路的運輸能耗則根據中國交通年鑒中的鐵路146.82藥運輸運輸主要經(jīng)濟技術(shù)指標統計和公路運輸行業(yè)基本情總值27873.4921068.1529140.4832況統計的數據,分別換算為8.39×102M/2.2乙醇轉化運輸能耗及副產(chǎn)品能值(t·km)和218MJ/(t·km)如表4所示,在乙醇生產(chǎn)階段兩公司的能耗相1.4副產(chǎn)品差不大,但是,由于安徽公司的玉米單耗比吉林公司副產(chǎn)品能值的估算主要有以下幾種基本方法:要大一些,進(jìn)而導致了其整個(gè)玉米燃料乙醇生命周能值法、市場(chǎng)價(jià)值法能量投入分攤法以及替代法期的總能耗要比吉林公司要大很多(見(jiàn)后文表6)等,本文以能量替代法估算副產(chǎn)品的能值此法根據張阿玲等的統計數據(∞),中國燃料乙醇的優(yōu)秀假設由于酒精副產(chǎn)品的產(chǎn)生,使得生產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝能耗大約為22CJ/t,可以看出兩家公司生其他部門(mén)減少生產(chǎn),從而節省了相應的能量吉林燃產(chǎn)燃料乙醇的能耗都接近優(yōu)秀生產(chǎn)工藝的能耗;兩料乙醇公司每噸乙醇產(chǎn)全干燥蛋白飼料( distil1公司副產(chǎn)品能值相差也不大,但是從表中的數據可dried grains with solubles,DDCS)0.8t,玉米油以看到,玉米油的能值相對較少,DDCS的能值是副0.056t,安徽燃料乙醇公司每噸乙醇產(chǎn)DDCS產(chǎn)品能值的主要部分.需要說(shuō)明的是,本文副產(chǎn)品的093t,替代產(chǎn)品的能量因子采用Km3的數據,并替代能值分別是以大豆為原料生產(chǎn)大豆油和大豆飼根據國內的實(shí)際生產(chǎn)情況加以修正,以減少因國內料所需要的能值,由于大豆本身固氮作用,使得大豆外生產(chǎn)情況的不同所帶來(lái)的誤差在生產(chǎn)過(guò)程中所投入的氮肥比玉米要少很多,因而2結果與討論生產(chǎn)大豆所需的能量比生產(chǎn)玉米所需能量也要少很多,因中國煤化工替代大豆產(chǎn)品將2.1玉米種植階段能量投入會(huì )對NIA凵弓外,有研究者認為CNM如表3,通過(guò)對4省玉米種植及運輸能耗的統為了工壤,D5厘以骰理到土壤中,以便減計計算得到,化肥是最大的能量投入,占總能耗的少現代農業(yè)的不可逆性,因此,DDGS的值不應該被65%以上,氮肥又是其中的最大投入;化肥和農藥的計入產(chǎn)出能量中776·哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報第3卷衰4乙醇轉化運輸能耗及副產(chǎn)品能值要投入25134.23M,因此目前的乙醇生產(chǎn)過(guò)程能Table 4 Energy consumption of ethanol conversion,量收益非常少,僅僅是一種能源形式的轉變而已transportation and energy of by-products24生命周期能耗以及凈能值和能量產(chǎn)投比吉林安徽平均值玉米燃料乙醇生命周期的總能耗、凈能量以及玉米單耗/能量產(chǎn)投比如表6所示從表中可以看出無(wú)論統計3.203.37(t·t")(乙醇)副產(chǎn)品能值與否,凈能值都為負值,能量產(chǎn)投比都小乙醇生產(chǎn)能耗于1,所以生產(chǎn)玉米燃料乙醇是一個(gè)能量損失過(guò)程,24148.1426120.3225134.23/(MJ·t)(乙醇)在未計副產(chǎn)品能值的情況下,能量產(chǎn)投比僅為乙醇運輸能耗0.618,每噸乙醇將虧損16556.15M的能量,即使498.50488.43493.47(MJ·t)(乙醇)統計上副產(chǎn)品能值,能量產(chǎn)投比也僅僅達到0.753玉米油能值生產(chǎn)每噸乙醇也將虧損8765.15M的能量.(MJ·t")(乙隙)1050表6生命周期總能耗及凈能值和產(chǎn)投比Table 6 Total energy consumption, net energy andDDGS能值78127266energy-making efficiency in corn ethanol life cycle(MJ·t)(乙醇)M·(乙醇)副產(chǎn)品總能值吉林安徽平均值78127791(MJ·t1)(乙醇)生命周期39709.7846958.5143334.1523可再生能量及其回收率總能耗凈能值表5可再生能量及其回收率(未計副產(chǎn)品)12931.78-20180.51-16556.15Table 5 Renewable energy and its recovery efriciency產(chǎn)投比0.6740.618林安徽平均值未計副產(chǎn)品)凈能值玉米屮能量161.78-12368.51-8765.1552752.0058323.9355537.97(計副產(chǎn)品)產(chǎn)投比0.8380.6840.753種植所投能量(計副產(chǎn)品)12351.6216737.1214544.37可再生能量/40400.3841586.8140993.60(M·t)(乙醇)可再生能量66.365.3回收率/%本文認為進(jìn)入系統的可再生能量只有太陽(yáng)能、種子和人工的能量,所投入的其他能量都是不可再A生的.淀粉熱量為17.7KJ/kg,葡萄糖熱量為玉米運輸玉米生產(chǎn)乙醇生產(chǎn)乙醇運輸15.7KJ/kg列,由淀粉的組成可得到,每千克淀粉水解大約生成1.11kg葡萄糖所以其生成葡萄糖圖2玉米燃料乙醇生命周期各階段能耗Fig 2 Energy consumption at different stages of的總熱量為174kJ/kg,與淀粉的熱量幾乎相等因而玉米發(fā)酵的前期預處理過(guò)程沒(méi)有增加原料的能燃料乙醇生命周期總能耗中各階段能耗情況如量,而發(fā)酵又是放熱過(guò)程,因此乙醇中的能量全部來(lái)圖自于玉米,即來(lái)自于可再生能量.由表5可以看到,中國煤化工是主要的能量消耗,每噸乙醇所耗玉米中含有可再生能量為CNMHG39.M,乙醇轉4099150M,而每噸乙醇的內能為26778M因化階段投入2514.23m,分刑占總能耗的37%和而可再生能量回收率為63%,同時(shí),乙醇的生產(chǎn)需58%,玉米運輸投人164653M,占總能耗的3.8%,由圖可以看出,安徽公司的玉米雖然經(jīng)過(guò)長(cháng)第6期丁文武,等:玉米燃料乙醇生命周期能耗分析777途運輸,但是,其玉米運輸的能耗與吉林公司的能耗高但是玉米只有在含水分低于14%時(shí)才能存儲相差不大,因此玉米來(lái)源地不會(huì )限制燃料乙醇的發(fā)因此必須考慮玉米烘干的能耗,然而,戴杜在文中沒(méi)展,乙醇運輸的能耗更低,每噸乙醇僅493.46M,有表明這一能耗.在乙醇轉化的能耗上張治山直接占總能耗的114%.因此要使凈能量值轉為正值應使用了國外生產(chǎn)數據, Pimentel在2001年的計算該在玉米生產(chǎn)和乙醇轉化2個(gè)階段大幅降低能耗.可能是由于統計數據較老,所以能耗較高;副產(chǎn)品能3國內外研究結果比較值的計算爭議比較大,計算方法也很多,表中所列只有戴杜使用了市場(chǎng)價(jià)格分配法,所以其計算出的能近幾年,中美對玉米燃料乙醇生命周期能量分值相對較高.生命周期總能耗各研究結果參差不齊,析的部分研究結果如表7所示通過(guò)比較可以看到,主要原因是由于各研究的邊界范圍劃分以及各個(gè)階國內研究所統計的氮肥使用量都明顯高于美國不段能耗不同造成的例如表中 Pimentel1在2005年同的是每個(gè)研究所統計的生產(chǎn)氮肥的能量不同玉的計算中考慮了玉米種植中生產(chǎn)機械的能耗以及生米乙醇轉化率中美差距不大,需要指出的是,戴杜的產(chǎn)乙醇的廠(chǎng)房、設備等能量的投入計算中玉米的濕度為30%,因而其玉米單耗相對較衰7不同研究的玉米乙醇生命周期能量分析結果Table 7 Energy analysis results of corn ethanol life cycle in different studies乙醇生產(chǎn)能耗/總能耗/副產(chǎn)品能值凈能值玉米產(chǎn)量/氮肥用量氮肥能值′玉米單耗(M·t)(M·t)(MJ·t-)(M·t)(kg·ha-)(kg·ha")(M·kg)(t·t'乙醇)乙醇)(乙醇)(乙醇)7971-11994742.743.24185042759951367542Pimentel[3]8655張治山750053205590°3140l1103戴杜{1)650049.06°本文5352208.93.3743334.1577918765注:a為干法工藝計算數據;b為濕法工藝計算數據;e為美國阿岡國家實(shí)驗室的GRET模型中的數據目前國內玉米燃料乙醇生命周期的能耗分析象,,所以這些數據都難以全面地代表實(shí)際的生中,其凈能量值都為正值,有以下3個(gè)重要的原因:產(chǎn)情況1)大量采用了國外的統計數據,在張治山等的3)系統邊界劃分以及計算方法造成不同計算計算中種子、化肥以及農藥的能量折算值甚至是生結果,在以上兩位研究者的邊界劃分也都忽略了生產(chǎn)乙醇的單位能耗都采用了國外的數據,而戴杜等產(chǎn)化石能源等所需的能量,同時(shí)采用了不同的計算的計算也引入了美國阿岡國家實(shí)驗室的 GREET模方法也是可能成為凈能量值為正的原因型中的數據,然而,國內的化肥、乙醇等生產(chǎn)水平與國外相比仍然有較大差距國內的生產(chǎn)能耗比國外4結論要大很多,這必然造成其計算結果與國內的實(shí)際情1)利用生命周期評價(jià)基本原理對玉米燃料乙況難以相符2·;醇生命周期能耗情況進(jìn)行了分析,每噸乙醇生命周2)統計數據不全面,張治山的計算中,化肥的期的總能耗為43334.15M1在統計和忽略副產(chǎn)品投入量和玉米產(chǎn)量采用了試驗條件下的最佳使用量能值中國煤化工能量值都為負值,能及產(chǎn)量,戴杜的玉米產(chǎn)量和化肥投入也只是統計了量CNMHO能值每噸乙醇的凈幾個(gè)地區的生產(chǎn)情況,有一定的片面性,因國內的玉能量為-16556.15M,能量產(chǎn)投比為0.618,計入米種植仍存在濫用化肥農藥等不科學(xué)種植現副產(chǎn)品能值每噸乙醇的凈能值為-8765.15MJ,能哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報第31卷量產(chǎn)投比為0.753[5]原林陳春燕周一慧,等膜生物反應器乙醇發(fā)酵下游2)玉米燃料乙醇生命周期總能耗中,原料生產(chǎn)工藝[J]釀酒科技,2008(12):17-20和乙醇轉化是主要的能量消耗,每噸乙醇需要投入YUAN Lin, CHEN Chunyan, ZHOU Yihui, et al. Down-原料能耗為16039.06M,乙醇轉化投入stream processing techniques of ethanol fermentation by useof membrane bioreactor[ J]. Liquor-making Science and5134.23M,分別占總能耗的37%和58%,玉米和乙醇的運輸能耗分別為1646.53M和493.46[6 MACEDO I C. Greenhouse gas emissions and energy balMJ,僅占總能耗的3.8%和1.14%;每噸乙醇所耗ance in bio-ethanol production and utilization in Brazil [J]玉米中含有的可再生能量為40993.60MJ,可再生Biomass and Bioenergy, 1998, 14(1): 77-81能量回收率為65.3%,乙醇的發(fā)酵生產(chǎn)只是一種能[7] LORENZ D, DAVID M. How much energy does it take to源形式的轉變過(guò)程make a gallon of ethanol? Revised and updated[Z]. Wash3)國內一些研究中,玉米乙醇燃料生命周期的gton DC: Institute for Local Self-Reliance, 1995凈能量值為正值是由于運用了國外的統計數據統8 SHAPOURI H, DUFFIELD J A, GRABOSKIM S. Estimating the net energy balance of com ethanol[ R]//Agricul-計不全面以及系統邊界劃分和計算方法造成的,因tural Economic Report 721. Washington DC: US Depart而國內玉米燃料乙醇生命周期的凈能量為正值的情ment of Agriculture, 1995況并不樂(lè )觀(guān)[9]SHAPOURI H, DUFFIELD J A, WANG M. 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