朱青，王慶申，趙書陽，楊曉帆

（中國(guó)石油化工集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100029）

2017年9月十五部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》提出，到2025年，力爭(zhēng)纖維素燃料乙醇實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，先進(jìn)生物液體燃料技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)整體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，形成更加完善的市場(chǎng)化運(yùn)行機(jī)制。纖維素廣泛分布于農(nóng)作物秸稈、皮殼當(dāng)中，秸稈的能源化利用對(duì)加強(qiáng)我國(guó)環(huán)境保護(hù)以及促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等具有比較現(xiàn)實(shí)的意義。從目前的工藝技術(shù)看，纖維素燃料乙醇達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)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(jìng)爭(zhēng)力，為推動(dòng)纖維素燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要國(guó)家出臺(tái)相關(guān)的財(cái)稅扶持政策。

1 我國(guó)纖維素燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀

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

我國(guó)纖維素燃料乙醇生產(chǎn)由于存在技術(shù)瓶頸，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較慢。2006年中糧集團(tuán)生化能源（肇東）有限公司與中國(guó)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(tuán)公司在河南省南陽市建設(shè)了300噸/年纖維素燃料乙醇項(xiàng)目，隨后又建成了3萬噸/年纖維素燃料乙醇?xì)怆娐?lián)產(chǎn)裝置，但因原料供應(yīng)、成本價(jià)格等問題尚未開工；圣泉集團(tuán)于2012年建成并投產(chǎn)年產(chǎn)2萬噸纖維素乙醇生產(chǎn)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(shè)年產(chǎn)8萬噸纖維素燃料乙醇項(xiàng)目，年發(fā)電1.2億千瓦，截至2016年，該項(xiàng)目只有聯(lián)產(chǎn)電力部分開工。

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

2 纖維素燃料乙醇的工藝技術(shù)

纖維素原料主要有農(nóng)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(shù)量大、可再生、價(jià)格低廉，溫室氣體減排效果顯著。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，纖維素生物質(zhì)原料將成為未來生物燃料乙醇工業(yè)的主要原料來源。

用農(nóng)作物秸稈等纖維素原料生產(chǎn)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(fā)酵生產(chǎn)乙醇。纖維素燃料乙醇工藝主要包括原料預(yù)處理、纖維素水解、糖發(fā)酵制乙醇、乙醇產(chǎn)品脫水精制四個(gè)過程。

2.1 木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理

原料預(yù)處理的目的是使原料中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素從混合物結(jié)構(gòu)中分離，釋放出可以進(jìn)行水解的半纖維素和纖維素。原料預(yù)處理階段，大部分半纖維素轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為木糖；7%～8%的纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖。目前，原料預(yù)處理方法主要包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。

物理法主要包括機(jī)械粉碎、高溫?zé)崴驼羝频取ＭǔＧ闆r下，物理法對(duì)環(huán)境污染較小，過程簡(jiǎn)單，但預(yù)處理過程需要較高的能量和動(dòng)力，相應(yīng)增加生產(chǎn)成本。化學(xué)法主要是指以酸、堿、有機(jī)溶劑作為預(yù)處理劑，破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，打破木質(zhì)素與纖維素的連接，同時(shí)使半纖維素溶解。酸處理被認(rèn)為是對(duì)木質(zhì)纖維素最有效的預(yù)處理方法，酸處理的兩個(gè)主要方法是低溫濃酸法和高溫稀酸法，其中濃酸處理法對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，酸回收過程能耗較高，且處理過程會(huì)產(chǎn)生乙醇發(fā)酵的抑制物；稀酸預(yù)處理法的優(yōu)點(diǎn)是半纖維素糖的收率較高，稀酸預(yù)處理是研究最多的預(yù)處理工藝之一，并且是工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)先選項(xiàng)，通過優(yōu)化反應(yīng)器和有效參數(shù)，可以降低工藝缺點(diǎn)的影響，但廢酸對(duì)環(huán)境的影響仍不能消除。

物理化學(xué)法主要有氨纖維爆裂和CO2爆裂。生物法是采用分解木質(zhì)素的微生物降解木質(zhì)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(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)、能耗低、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。但是，生物法處理時(shí)間長(zhǎng)、占地面積大、生產(chǎn)效率低。因此，可考慮與化學(xué)處理方法聯(lián)合使用。幾種預(yù)處理工藝對(duì)比詳見表1。

表1 幾種預(yù)處理工藝對(duì)比

2.2 纖維素水解糖化

纖維素水解又稱糖化過程，根據(jù)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(shù)較為成熟，但對(duì)反應(yīng)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，并會(huì)造成環(huán)境污染。同時(shí)，葡萄糖在酸性條件下會(huì)進(jìn)一步分解，對(duì)其后產(chǎn)物產(chǎn)生影響，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率不高。

酶水解具有選擇性高、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，纖維素酶催化可以高效水解木質(zhì)纖維素生產(chǎn)單糖，可在常溫下反應(yīng)，水解副產(chǎn)物少，糖化得率高，不產(chǎn)生有害發(fā)酵物質(zhì)，可以和發(fā)酵過程耦合。酶水解生產(chǎn)周期長(zhǎng)，纖維素酶活性不高，重復(fù)利用率低導(dǎo)致使用成本昂貴。纖維素酶的成本是纖維素乙醇生產(chǎn)成本中的關(guān)鍵因素，酶制劑效率的提高及價(jià)格的降低是纖維素乙醇經(jīng)濟(jì)效益的核心因素，也是纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的助推劑。纖維素水解工藝對(duì)比詳見表2。

信息采集的主要內(nèi)容包括規(guī)劃標(biāo)高、建筑高度的測(cè)量與面積的測(cè)量與測(cè)算，停車泊位的位置與面積的測(cè)量與測(cè)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(cè)算，層數(shù)、結(jié)構(gòu)、使用性質(zhì)、戶型與戶數(shù)，建筑物退界距離、建筑間距、退線距離的測(cè)量與測(cè)算，建筑工程用地界址等數(shù)據(jù)信息的采集工作[1]。

2.3 糖發(fā)酵制乙醇

糖發(fā)酵制乙醇是以纖維素水解得到的糖為原料，通過細(xì)菌、真菌和酵母進(jìn)行發(fā)酵制乙醇的過程，可采用間歇法和連續(xù)法。利用釀酒酵母生產(chǎn)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(chǎn)的關(guān)鍵是如何進(jìn)一步利用半纖維素水解得到的木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。最好是能夠找到同時(shí)利用五碳糖和六碳糖的酵母，也就是共發(fā)酵技術(shù)。

表2 纖維素水解工藝對(duì)比

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

SHF法纖維素酶水解和糖發(fā)酵水解時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備多、投資大，但乙醇產(chǎn)率高，能耗低；SSF法比SHF法工藝更具潛力，但發(fā)酵酒精度低，能耗高；同步糖化共發(fā)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(fā)酵功能的酵母，但瓶頸在于共發(fā)酵酶種不好找；CBP法乙醇和發(fā)酵酶共生，被認(rèn)為是最具前景的方法。糖化和發(fā)酵工藝對(duì)比詳見表3。

2.4 乙醇提取和脫水

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

表3 糖化和發(fā)酵工藝對(duì)比

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

3 纖維素燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 我國(guó)秸稈原料資源及價(jià)格

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生了大量的農(nóng)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(guó)秸稈還田和做飼料過腹還田的比例約占總產(chǎn)量的32%，用作工業(yè)原料的秸稈量約為總量的20%，而浪費(fèi)或焚燒的秸稈資源量為45%以上。

我國(guó)每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量超過7億噸。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2015年全國(guó)玉米種植面積57 179萬畝、小麥種植面積36 212萬畝，全國(guó)玉米、小麥產(chǎn)量分別為2.3億噸、1.3億噸。根據(jù)草谷比分析，我國(guó)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(jì)算，可用秸稈量約為4.4～4.7億噸。目前我國(guó)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(fā)電、造紙等。當(dāng)前我國(guó)秸稈利用率還比較低。

3.2 秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式

由于秸稈分布分散、收獲季節(jié)性強(qiáng)，秸稈收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸成為秸稈大規(guī)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(yùn)輸成本高；秸稈打捆、儲(chǔ)存占地面積較大、干燥秸稈堆放期間容易發(fā)熱起火，長(zhǎng)期儲(chǔ)存需做好防雨防火措施，因此秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本較高。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，我國(guó)秸稈收儲(chǔ)運(yùn)主要有集中收儲(chǔ)運(yùn)、分散型收儲(chǔ)運(yùn)、企業(yè)自行收集等模式，集中收儲(chǔ)運(yùn)模式適用于農(nóng)場(chǎng)大規(guī)模機(jī)械化秸稈收集，秸稈收儲(chǔ)運(yùn)公司需要建設(shè)大型秸稈收儲(chǔ)站，占用土地多，需要進(jìn)行防雨、防潮、防火和防雷等設(shè)施建設(shè)，進(jìn)行必要的日常維護(hù)和管理，成本較高，此方式可提高秸稈利用效率，為企業(yè)提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的秸稈原料；分散型收儲(chǔ)運(yùn)由分散的農(nóng)戶收集秸稈原料，秸稈收購(gòu)經(jīng)紀(jì)人從農(nóng)戶手中收購(gòu)秸稈，定期向企業(yè)提供秸稈原料；企業(yè)自行收集主要是直接向農(nóng)戶收集秸稈，采用“農(nóng)戶＋基站＋工廠”方式進(jìn)行收集。

構(gòu)建合理的秸稈收集儲(chǔ)運(yùn)體系對(duì)纖維素燃料乙醇裝置能否正常運(yùn)行至關(guān)重要。秸稈收儲(chǔ)要綜合考慮項(xiàng)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(chǎn)能相匹配的原料收集半徑、運(yùn)輸條件、倉(cāng)儲(chǔ)條件等因素，確定適合項(xiàng)目的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式。

3.3 纖維素燃料乙醇經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況進(jìn)行案例分析，裝置建設(shè)地點(diǎn)考慮在黑龍江玉米產(chǎn)區(qū)，纖維素燃料乙醇裝置設(shè)定為3.5萬噸/年，考慮醇?xì)怆娐?lián)產(chǎn)方式，投資估算約6.5億元。工藝技術(shù)采用稀酸預(yù)處理方式、酶水解、同步糖化發(fā)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(jià)格800元/噸，生物質(zhì)發(fā)電價(jià)格為0.75元/千瓦時(shí)考慮，在此條件下，裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃料乙醇保本價(jià)格為12 500元/噸。

根據(jù)測(cè)算結(jié)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(jià)格和酶制劑成本。秸稈原料價(jià)格取決于秸稈的收儲(chǔ)運(yùn)成本。降低秸稈成本需要在秸稈收割收購(gòu)、打捆、儲(chǔ)運(yùn)等各環(huán)節(jié)降低成本；纖維素酶制劑的成本將會(huì)隨著生物學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟而降低。

若未來纖維素燃料乙醇技術(shù)取得進(jìn)步，秸稈收儲(chǔ)運(yùn)瓶頸得到解決，則可大幅降低纖維素燃料乙醇的成本。經(jīng)濟(jì)性分析將測(cè)算基準(zhǔn)條件進(jìn)行如下調(diào)整：投資降低至5.5億元、絕干秸稈價(jià)格下降至400元/噸、酶制劑成本降低30%，調(diào)整后測(cè)算燃料乙醇保本價(jià)格為7 400元/噸。

通過測(cè)算分析，當(dāng)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(cái)政補(bǔ)貼纖維素燃料乙醇企業(yè)將嚴(yán)重虧損。因此，發(fā)展纖維素燃料乙醇需要國(guó)家財(cái)稅政策的大力扶持。

4 結(jié)論及建議

我國(guó)纖維素燃料乙醇發(fā)展目前處于初始階段，多年來我國(guó)乙醇生產(chǎn)企業(yè)一直積極參與纖維燃料乙醇示范裝置的建設(shè)，已建成的裝置因技術(shù)、成本等問題未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

結(jié)合我國(guó)原料資源特點(diǎn)，燃料乙醇發(fā)展需因地制宜，在秸稈資源豐富地區(qū)，布局建設(shè)纖維素燃料乙醇裝置。新建裝置應(yīng)考慮資源的綜合利用，可采用醇電氣聯(lián)產(chǎn)的建設(shè)模式，提高裝置的經(jīng)濟(jì)性。

目前缺乏完善的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式，企業(yè)原料收購(gòu)成本較高，從而大幅增加了纖維素燃料乙醇的成本。未來應(yīng)加強(qiáng)秸稈收儲(chǔ)運(yùn)體系的研究，構(gòu)建合理的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式，保證纖維素燃料乙醇裝置連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的原料需求，降低原料成本。

纖維素燃料乙醇在原料預(yù)處理、纖維素酶、提高五碳糖轉(zhuǎn)化率等技術(shù)上存在瓶頸。我國(guó)發(fā)展纖維素燃料乙醇還需加大技術(shù)研發(fā)力度，開發(fā)高效、低污染的原料預(yù)處理技術(shù)；開發(fā)低成本水解酶，提高酶制劑效率；利用基因工程技術(shù)培育微生物菌株，開發(fā)五碳糖和六碳糖共發(fā)酵技術(shù)，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(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，涉及糧食種植、收割、儲(chǔ)運(yùn)、生產(chǎn)、銷售等諸多環(huán)節(jié)。纖維素燃料乙醇能否商業(yè)化運(yùn)作取決于其經(jīng)濟(jì)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(jìng)爭(zhēng)力。因此需要國(guó)家出臺(tái)相關(guān)財(cái)稅扶持政策，促進(jìn)纖維素燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

我國(guó)秸稈原料資源豐富，為纖維素燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了可靠的原料保障。未來隨著技術(shù)的日趨成熟完善，我國(guó)纖維素燃料乙醇將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模裝置的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。