我國纖維素燃料乙醇工藝概況和經濟性分析

朱青，王慶申，趙書陽，楊曉帆

（中國石油化工集團公司經濟技術研究院，北京 100029）

2017年9月十五部委聯合發布的《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》提出，到2025年，力爭纖維素燃料乙醇實現規?；a，先進生物液體燃料技術、裝備和產業整體達到國際領先水平，形成更加完善的市場化運行機制。纖維素廣泛分布于農作物秸稈、皮殼當中，秸稈的能源化利用對加強我國環境保護以及促進能源結構調整等具有比較現實的意義。從目前的工藝技術看，纖維素燃料乙醇達到規?；a仍將有一段距離。由于纖維素燃料乙醇成本較高，與糧食燃料乙醇相比沒有競爭力，為推動纖維素燃料乙醇產業的發展，需要國家出臺相關的財稅扶持政策。

1 我國纖維素燃料乙醇發展現狀

目前我國燃料乙醇總產能約253萬噸，現有產能主要以糧食為主要原料，以木薯為原料的燃料乙醇產能為25萬噸。山東龍力生物科技有限公司是當前唯一獲得國家批復的第二代纖維素燃料乙醇定點生產企業，其5萬噸/年纖維素燃料乙醇裝置是將生產木糖醇后的玉米芯渣作為燃料乙醇生產的原料。

我國纖維素燃料乙醇生產由于存在技術瓶頸，產業化發展較慢。2006年中糧集團生化能源（肇東）有限公司與中國石化、諾維信合資，建成一套500噸/年以玉米秸稈為原料的纖維素燃料乙醇中試裝置；同年，天冠集團公司在河南省南陽市建設了300噸/年纖維素燃料乙醇項目，隨后又建成了3萬噸/年纖維素燃料乙醇氣電聯產裝置，但因原料供應、成本價格等問題尚未開工；圣泉集團于2012年建成并投產年產2萬噸纖維素乙醇生產裝置；大唐新能源公司和杜邦公司于2014年合作，擬在吉林建設年產8萬噸纖維素燃料乙醇項目，年發電1.2億千瓦，截至2016年，該項目只有聯產電力部分開工。

目前我國建成的纖維素燃料乙醇裝置大多都存在技術和成本過高等問題，基本處于停產狀態。

2 纖維素燃料乙醇的工藝技術

纖維素原料主要有農作物秸稈、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造紙廠和造糖廠含有纖維素的下腳料、生活垃圾的一部分等。纖維素原料來源廣、種類多、數量大、可再生、價格低廉，溫室氣體減排效果顯著。從可持續發展的角度來看，纖維素生物質原料將成為未來生物燃料乙醇工業的主要原料來源。

用農作物秸稈等纖維素原料生產乙醇，主要目的是充分利用原料中的半纖維素和纖維素，使之水解糖化以后，通過糖發酵生產乙醇。纖維素燃料乙醇工藝主要包括原料預處理、纖維素水解、糖發酵制乙醇、乙醇產品脫水精制四個過程。

2.1 木質纖維素原料預處理

原料預處理的目的是使原料中木質素、半纖維素和纖維素從混合物結構中分離，釋放出可以進行水解的半纖維素和纖維素。原料預處理階段，大部分半纖維素轉化為可溶性的五碳糖或低聚合度的五碳糖，其中約90%的木聚糖轉化為木糖；7%～8%的纖維素轉化為葡萄糖。目前，原料預處理方法主要包括物理法、化學法、物理化學法和生物法。

物理法主要包括機械粉碎、高溫熱水和蒸汽爆破等。通常情況下，物理法對環境污染較小，過程簡單，但預處理過程需要較高的能量和動力，相應增加生產成本?；瘜W法主要是指以酸、堿、有機溶劑作為預處理劑，破壞纖維素的晶體結構，打破木質素與纖維素的連接，同時使半纖維素溶解。酸處理被認為是對木質纖維素最有效的預處理方法，酸處理的兩個主要方法是低溫濃酸法和高溫稀酸法，其中濃酸處理法對設備腐蝕嚴重，酸回收過程能耗較高，且處理過程會產生乙醇發酵的抑制物；稀酸預處理法的優點是半纖維素糖的收率較高，稀酸預處理是研究最多的預處理工藝之一，并且是工業應用的優先選項，通過優化反應器和有效參數，可以降低工藝缺點的影響，但廢酸對環境的影響仍不能消除。

物理化學法主要有氨纖維爆裂和CO2爆裂。生物法是采用分解木質素的微生物降解木質素，從而提高纖維素和半纖維素的酶解糖化率。生物法具有反應條件溫和、專一性強、能耗低、環境污染小等優點。但是，生物法處理時間長、占地面積大、生產效率低。因此，可考慮與化學處理方法聯合使用。幾種預處理工藝對比詳見表1。

表1 幾種預處理工藝對比

2.2 纖維素水解糖化

纖維素水解又稱糖化過程，根據所用催化劑的不同，可分為酸水解和酶水解。

酸水解工藝技術較為成熟，但對反應設備腐蝕嚴重，并會造成環境污染。同時，葡萄糖在酸性條件下會進一步分解，對其后產物產生影響，反應轉化率不高。

酶水解具有選擇性高、反應條件溫和、環境友好、設備簡單等優點，纖維素酶催化可以高效水解木質纖維素生產單糖，可在常溫下反應，水解副產物少，糖化得率高，不產生有害發酵物質，可以和發酵過程耦合。酶水解生產周期長，纖維素酶活性不高，重復利用率低導致使用成本昂貴。纖維素酶的成本是纖維素乙醇生產成本中的關鍵因素，酶制劑效率的提高及價格的降低是纖維素乙醇經濟效益的核心因素，也是纖維素乙醇產業化的助推劑。纖維素水解工藝對比詳見表2。

信息采集的主要內容包括規劃標高、建筑高度的測量與面積的測量與測算，停車泊位的位置與面積的測量與測算，單體建筑建筑面積與占地面積、建筑密度、總占地面積與建筑面積、容積率、建筑物的名稱、綠地面積等測算，層數、結構、使用性質、戶型與戶數，建筑物退界距離、建筑間距、退線距離的測量與測算，建筑工程用地界址等數據信息的采集工作[1]。

2.3 糖發酵制乙醇

糖發酵制乙醇是以纖維素水解得到的糖為原料，通過細菌、真菌和酵母進行發酵制乙醇的過程，可采用間歇法和連續法。利用釀酒酵母生產乙醇的主要問題之一是該酵母不能吸收和利用五碳糖。因此，纖維素乙醇生產的關鍵是如何進一步利用半纖維素水解得到的木糖發酵生產乙醇。最好是能夠找到同時利用五碳糖和六碳糖的酵母，也就是共發酵技術。

表2 纖維素水解工藝對比

根據糖化和發酵工藝的聯合方式，可以將糖化發酵工藝分為：分步水解糖化發酵法（SHF法）、同步糖化發酵法（SSF法）、非等溫同時糖化發酵法（NSSF法）、同步糖化共發酵法（SSCF法）和聯合發酵技術（CBP法）。

SHF法纖維素酶水解和糖發酵水解時間較長，設備多、投資大，但乙醇產率高，能耗低；SSF法比SHF法工藝更具潛力，但發酵酒精度低，能耗高；同步糖化共發酵工藝（SSCF法）是借助于基因工程，組合具有五碳糖、六碳糖共發酵功能的酵母，但瓶頸在于共發酵酶種不好找；CBP法乙醇和發酵酶共生，被認為是最具前景的方法。糖化和發酵工藝對比詳見表3。

2.4 乙醇提取和脫水

糖液發酵后的發酵醪液含有乙醇、微生物和未反應的原料，通過精餾可得到95%（v）的乙醇溶液，再經過脫水后可作為燃料乙醇使用。工業上用于乙醇脫水制燃料乙醇的技術主要有共沸精餾法、生物質吸附法和滲透汽化法。 共沸精餾法為傳統乙醇脫水方法，工藝成熟，應用廣泛；生物質吸附法以玉米粉等生物質為吸水劑，同時可以作為原料使用，可降低燃料乙醇生產成本；滲透汽化法利用滲透汽化膜進行乙醇脫水，制得無水乙醇。

表3 糖化和發酵工藝對比

目前，以木質纖維素原料生產燃料乙醇存在兩大障礙，第一是需要克服木質素對纖維素水解的阻礙；第二是需要尋找效率更高、價格更低的生物催化劑。纖維素酶的效率及價格是纖維素乙醇是否能夠具有經濟性的重要因素。纖維素糖化后的發酵液同時含有五碳糖和六碳糖，能夠同時吸收和利用五碳糖和六碳糖的酵母也是纖維素乙醇產業化的關鍵因素。糖化發酵后的乙醇提取和脫水工藝已是非常成熟、完善的工業技術。

3 纖維素燃料乙醇的經濟性分析

3.1 我國秸稈原料資源及價格

隨著我國農業生產規模的不斷擴大，產生了大量的農作物秸稈，秸稈種類包括水稻、小麥、玉米、豆類、薯類、棉花、油料、甘蔗秸稈等，全國秸稈還田和做飼料過腹還田的比例約占總產量的32%，用作工業原料的秸稈量約為總量的20%，而浪費或焚燒的秸稈資源量為45%以上。

我國每年農作物秸稈產量超過7億噸。根據國家統計局數據，2015年全國玉米種植面積57 179萬畝、小麥種植面積36 212萬畝，全國玉米、小麥產量分別為2.3億噸、1.3億噸。根據草谷比分析，我國玉米秸稈量約為4.6億噸、小麥秸稈量約1.7億噸。若玉米、小麥秸稈留田量按25%～30%計算，可用秸稈量約為4.4～4.7億噸。目前我國秸稈利用方式主要有青貯飼料、秸稈粉碎還田以及能源化利用三種，能源化利用主要是發電、造紙等。當前我國秸稈利用率還比較低。

3.2 秸稈收儲運模式

由于秸稈分布分散、收獲季節性強，秸稈收集、儲存和運輸成為秸稈大規模能源化利用的主要瓶頸。新鮮秸稈含水量大、含雜量較高，運輸成本高；秸稈打捆、儲存占地面積較大、干燥秸稈堆放期間容易發熱起火，長期儲存需做好防雨防火措施，因此秸稈收儲運成本較高。

根據實地調研，我國秸稈收儲運主要有集中收儲運、分散型收儲運、企業自行收集等模式，集中收儲運模式適用于農場大規模機械化秸稈收集，秸稈收儲運公司需要建設大型秸稈收儲站，占用土地多，需要進行防雨、防潮、防火和防雷等設施建設，進行必要的日常維護和管理，成本較高，此方式可提高秸稈利用效率，為企業提供長期穩定的秸稈原料；分散型收儲運由分散的農戶收集秸稈原料，秸稈收購經紀人從農戶手中收購秸稈，定期向企業提供秸稈原料；企業自行收集主要是直接向農戶收集秸稈，采用“農戶＋基站＋工廠”方式進行收集。

構建合理的秸稈收集儲運體系對纖維素燃料乙醇裝置能否正常運行至關重要。秸稈收儲要綜合考慮項目周邊秸稈資源的可獲得性、秸稈收割條件、與纖維素燃料乙醇產能相匹配的原料收集半徑、運輸條件、倉儲條件等因素，確定適合項目的秸稈收儲運模式。

3.3 纖維素燃料乙醇經濟性分析

結合我國實際情況進行案例分析，裝置建設地點考慮在黑龍江玉米產區，纖維素燃料乙醇裝置設定為3.5萬噸/年，考慮醇氣電聯產方式，投資估算約6.5億元。工藝技術采用稀酸預處理方式、酶水解、同步糖化發酵、蒸餾脫水工藝。

按照每噸纖維素燃料乙醇消耗絕干玉米秸稈5～6噸，絕干秸稈價格800元/噸，生物質發電價格為0.75元/千瓦時考慮，在此條件下，裝置滿負荷運行時燃料乙醇保本價格為12 500元/噸。

根據測算結果，纖維素原料成本和酶制劑成本占纖維素燃料乙醇成本的75%以上。降低纖維素燃料乙醇成本，首先需要降低纖維素原料價格和酶制劑成本。秸稈原料價格取決于秸稈的收儲運成本。降低秸稈成本需要在秸稈收割收購、打捆、儲運等各環節降低成本；纖維素酶制劑的成本將會隨著生物學技術的不斷進步和成熟而降低。

若未來纖維素燃料乙醇技術取得進步，秸稈收儲運瓶頸得到解決，則可大幅降低纖維素燃料乙醇的成本。經濟性分析將測算基準條件進行如下調整：投資降低至5.5億元、絕干秸稈價格下降至400元/噸、酶制劑成本降低30%，調整后測算燃料乙醇保本價格為7 400元/噸。

通過測算分析，當前纖維素燃料乙醇成本是玉米燃料乙醇的2倍左右，若沒有財政補貼纖維素燃料乙醇企業將嚴重虧損。因此，發展纖維素燃料乙醇需要國家財稅政策的大力扶持。

4 結論及建議

我國纖維素燃料乙醇發展目前處于初始階段，多年來我國乙醇生產企業一直積極參與纖維燃料乙醇示范裝置的建設，已建成的裝置因技術、成本等問題未能實現商業化運營。

結合我國原料資源特點，燃料乙醇發展需因地制宜，在秸稈資源豐富地區，布局建設纖維素燃料乙醇裝置。新建裝置應考慮資源的綜合利用，可采用醇電氣聯產的建設模式，提高裝置的經濟性。

目前缺乏完善的秸稈收儲運模式，企業原料收購成本較高，從而大幅增加了纖維素燃料乙醇的成本。未來應加強秸稈收儲運體系的研究，構建合理的秸稈收儲運模式，保證纖維素燃料乙醇裝置連續工業化生產的原料需求，降低原料成本。

纖維素燃料乙醇在原料預處理、纖維素酶、提高五碳糖轉化率等技術上存在瓶頸。我國發展纖維素燃料乙醇還需加大技術研發力度，開發高效、低污染的原料預處理技術；開發低成本水解酶，提高酶制劑效率；利用基因工程技術培育微生物菌株，開發五碳糖和六碳糖共發酵技術，提高乙醇收率，有效降低纖維素燃料乙醇成本。

纖維素燃料乙醇產業鏈較長，涉及糧食種植、收割、儲運、生產、銷售等諸多環節。纖維素燃料乙醇能否商業化運作取決于其經濟性，目前纖維燃料乙醇成本較高，與普通糧食燃料乙醇相比沒有競爭力。因此需要國家出臺相關財稅扶持政策，促進纖維素燃料乙醇產業的發展。

我國秸稈原料資源豐富，為纖維素燃料乙醇產業發展提供了可靠的原料保障。未來隨著技術的日趨成熟完善，我國纖維素燃料乙醇將實現大規模裝置的商業化運營。