酒精行业产业生态化的实现.ppt

酒精行业产业生态化的实现 黑龙江省肇东市玉米酒精生态工程结构设计 南开大学环境科学与工程学院南开大学环境科学与工程学院 2006 2006 博士博士 耿兵耿兵 1. 概述 1.1 酒精行业发展概况 酒精工业是国民经济重要的基础原料产业。其作为酒基 、浸提剂、洗涤剂、溶剂、表面活性剂等广泛应用于酿酒、 化工、橡胶、油漆涂料、电子、照相胶片、医药、香料、化 妆品等行业领域。目前，我国酒精生产企业(包括车间)己达 900多个，遍布全国各地，酒精年生产能力约3.5106t，仅次 于美国、俄罗斯和巴西，居世界第四位。随着我国国民经济 的发展，酒精的需求量将会进一步增加。 我国酒精生产以发酵法为主，80%左右的酒精都用淀粉 质原料生产，其中6570%的工厂采取薯干为原料，但在广 东、广西、福建、四川、台湾等省主要以甘蔗糖蜜发酵生产 酒精；华北、东北、西北地区则以甜菜糖蜜发酵生产酒精者 较多，采用糖蜜为原料生产酒精约有15%的厂家。其他尚有 以亚硫酸盐纸浆废液和木屑酸水解液为原料生产酒精，产量 约占酒精总产量的1.5%；我国合成酒精的生产才开始起步， 产量还较小，约占酒精总产量的3.5%。近年来，随着引进设 备及工艺的应用及农作物结构的变化，用谷物（主要是玉米 ）原料制酒精的工厂发展速度较快。 我国酒精行业年排放废水总量超过3108m3，其中酒精 糟废液的年排放超过4107m3，年排BOD5约1.15106t， CODCr约2.2106t，分别占全国工业废水BOB5总量的18和 CODCr排放总量的12.5，是我国有机污染物排放量高、造 成环境污染严重的行业之一。 1.2 酒精行业存在的主要问题 我国酒精行业存在的主要问题有： （1）继石油危机和美国大力发展汽油醇后，发达国家的酒 精生产技术和设备发展很快。因此，我国的酒精生产在节 能、自动化、综合利用和废渣水治理等方面与先进国家尚 有很大的差距。 （2）酒精企业酒精糟的污染是食品与发酵工业最严重的污 染源之一，由于投资、生产规模、技术、管理等原因，大 部分企业的综合利用率较低。同时，废水治理则是刚起步 。特别是有些企业虽然有废水治理设施，但由于运行成本 高，不能坚持运行。 （3）有识之士认为，酒精行业应向规模型、集团化、综合 型、多元化等方向发展或开展新的原料资源，从而增强企 业综合竞争实力。 （4）需调整原料结构和产品结构。酒精生产原料结构应由 薯类为主调整为以玉米为主，以利于实现经济效益和环境 效益的统一。 因此,采取一切行之有效的节能措施，合理利用酒精生产 过程中一切可以利用的废热能源，搞好酒精生产过程中能源的 综合利用，对降低酒精生产能源消耗水平，降低酒精生产成本 ，提高企业的经济效益具有积极的现实意义。这些目标单靠传 统思路和方法已经无法解决，必须寻求新的突破。生态工程和 产业生态学理论为这一问题的解决提供了良好的理论基础和方 法论指导。 2. 传统的酒精生产工艺 这个系统（图1）在产出酒精的同时，又伴生了如 CO2、酒糟废渣、酒糟废液和废水等多种副产品。这些产 品都具有一定利用价值，但直接排放会给环境带来很大危 害。 原 料 粉 碎 拌 料 酒 精 酒 母 酒精糟和废液 发 酵 蒸 煮 糖 化糖化剂或糖化酶 冷 却 CO2 杂醇油蒸 馏 冷 却 耐高温-淀粉酶高温或中温 30 60 图图1 1 传统的酒精生产工艺传统的酒精生产工艺 3. 酒精生态工程结构设计 酒精的生产工艺是一种人工生态系统。人工生态系统是 由多种结构单元组成，各结构单元通过不同的组合方式，形 成了长短不一、功能各异的结构链，结构链又通过相互组合 形成了结构网。目前许多系统发展不可持续的关键就是因为 系统结构不合理。这种不合理性一方面表现为结构单元的选 择不当，另一方面表现为单元之间构成的结构链及由此组成 的结构网关系不协调。不仅导致系统生态平衡的失调，而且 ，还有可能造成系统能流受阻，物质循环中断，影响系统功 能正常发挥。解决问题的关键是针对不同系统的不同情况， 对系统结构进行设计。 以黑龙江省肇东市玉米酒精生态工程为例。黑龙江省肇 东市是我国玉米主产区，玉米常年播种面积占全市耕地总面 积的68%，总产100多万t，占粮食总产量的80%以上。为实 现玉米资源利用的规模化和产业化，提高生产效率，肇东市 建立了以金玉公司为龙头的玉米加工企业，加工生产食用酒 精，年加工能力45万t。 结构元是组成系统的基本单元或元素，是系统组分的结 构化概念。结构链是结构单元通过一定联系形成完成一定功 能的基本结构关系。结构网是不同结构链以一定方式联合形 成的网络状结构关系。所以可以从结构元、链和网3个层次对 系统结构设计的效果进行了研究。 3.1 结构元的设计 按照原有的运行规模，肇东市年加工45万t玉米粒可 以产生酒精13万t，CO211.3万t，干酒糟7万t，玉米胚7万t ，酒糟废液180万t。CO2、干酒糟、玉米胚和酒糟废液等 都属于构成玉米加工系统的结构单元，需要进行设计。 3.1.1 玉米胚综合利用 酒精生产过程中年可产玉米胚7万t，根据玉米的出油率， 设计利用7万t玉米胚可以生产食用玉米油，设计产量为 1.34万t。 3.1.2 CO2综合利用 根据全国醋酸供需形势和肇东市具有丰富的天然气资源的 优势，设计利用CO2生产甲醇或醋酸。按CO2年产量11.5 万t计，设计到期可以生产醋酸1520t，剩余部分CO2生产 干冰。 3.1.3 酒糟废渣综合利用 由于酒糟废渣产量高，难贮存。因此,，设计将其与玉米粕 联合生产便于贮存运输的颗粒饲科，设计规模为12万t。产 品分别供给周围农民和本公司的饲养场。其中饲养场的生 猪设计规模为年出栏20万头。根据公司电厂粉煤灰处理难 ，公司猪粪含水量大，气味浓，运输和使用不方便，农民 使用的积极性不高的状况，通过对复合肥生产市场的调查 研究，设计将猪粪、无机肥和粉煤灰配合生产一种新型有 机无机复合肥，以进一步实现产品的增值和物质的充分合 理利用。 3.1.4 酒糟废液利用设计 (1)生产单细胞蛋白 根据化验，酒糟废水中含COD35000mg/L，含氮112mg/L， 含磷30mg/L，总固形物2.5%3.0%，其中悬浮的不溶固体 物约占2.0%2.5%，可溶性固体物0.5%左右。由于其中含 有大量有机物质，可以作为单细胞蛋白的培养基。该菌菌丝 体含粗蛋白55%56%,是一种优质蛋白，与一般酵母相当， 可作为饲料添加剂，并且仅需过滤就可收获产品。对酒糟废 液进行的单细胞蛋白培养试验表明，酒糟废液的单细胞蛋白 回收率一般可达1.5%2%以上。这一方法对COD为 3000040000mg/L左右废水的去除率达83%，处理后废水 的COD和BOD均有大幅度降低。 (2)废液贮存暴气 经过上述处理后废水的COD浓度仍在6000mg/L左右，根据 肇东土地丰富，且盐碱地比重比较大的现状，为实现废水的 综合治理，并获得相应效益，按照实际地形，设计了总容积 为78.66万m3的8个4级废水贮水池。贮水能力近80万m3，贮 水量占公司废水年总排放量的44.44%，相当于接纳并处理 全公司近半年的生产废水。贮存的目的是高温季节通过生物 化学过程，降低其中有机物质的含量和浓度。低温季节贮存 待温度适宜后再进行生物处理，从而达到回用和减少环境负 荷的目的。吉林省果树厂利用同样的方法取得了比较理想的 效果。 (3)养鱼 金玉公司以北的土地全部为盐碱地，地势平坦，土质细密， 抗渗漏性能好，极易改造成鱼池。结合公司发展规划，设计 筹建了面积约1.3万hm2，池深23m的4个养鱼池，总容积 为26万m3。 3.2 结构链设计 根据结构元之间的相互关系，并按市场发展和实际生产的 可能，将结构元按一定比例组合，构成结构链。根据设计， 可以将多种结构元组合成5条相互联系的产业结构链，多条结 构链分别实现多种生产目的。5条结构链包括酒精生产主导链 、玉米胚综合利用链、CO2综合利用链、酒糟综合利用链和酒 精废水综合利用链。各结构链的结构关系和数量关系如下： ()玉米粒(45万t)玉米粉(38万t)食用酒精(13万t) ()玉米粒(45万t)胚(7万t)玉米油(1.34万t)+玉米粕(5万t)玉 米粕(5万t)颗粒饲料(12万t)猪(7万头)粪便复合肥(2万 t) ()玉米粒(45万t)玉米粉(38万t)CO2(11.5万t)甲醇醋酸 (20万t) ()玉米粉(38万t)干酒糟(7万t)+玉米粕(5万t)颗粒饲料(12万 t)猪(7万t)粪便+化肥+粉煤灰复合肥(2万t) ()玉米粉(38万t)酒糟废液(180万t)分离废液(150万t)饲料 蛋白(0.77万t)+废水(51万t)废水(51万t)土地处理系统+4级 氧化塘鱼池 设计后的酒精生产主导链，玉米1次转化利用率达到3.46 % ，高于全国平均水平。食用玉米油生产链的出油率为19.14%， 实现了玉米胚的2次利用。实施的醋酸生产链，成为该公司的第 二大支柱产业，对进一步开拓玉米资源的利用途径具有重要意 义。复合肥生产链利用粪便和电厂生产的粉煤灰作原料，生产 有机无机复合肥，其产品的转化利用率达到100%。由于酒糟废 液所含的污染物浓度大，单个组分或少数组分无法起到对废液 的良好处理作用。因此,需要通过组分多样性开发，将这一过程 分为几个连续的步骤和环节，每个步骤或环节又包含几种结构 单元，每种单元完成特定的功能，最后实现对废液较为完全的 处理和利用。第一步是通过分离蒸发掉30万t，再通过工艺措施 回用掉99万t，剩余废液的含量只有51万t，到此酒糟废液的利用 率已达72.22%。再通过工程、土地、氧化塘及生物处理，废水 处理率将达到设计要求。 3.3 结构网的设计 结构元和结构链的设计是结构设计的关键，将耦合关系合 理的结构链通过适当连接，就可以组合成一个比较完整的结 构网(图2)。结构网的形成使系统构成了一个完整的整体，对 于从系统水平上提高物质的循环利用效率，实现增产增效， 具有良好作用。其设计效果可以从系统的运行情况得到反映 。 玉米粉 38104t 玉米粒 45104t 发酵 杂醇油 6000t 回用 粉碎 150104t 99104t 食用酒精 13104t 酒糟废液 180104t 分离废液 51104t 玉米粕5104t 胚 7104t 食用玉米油 1.34104t 机械脱胚 浸油 颗粒饲料 复合肥 猪粪 猪 出售30104t 玉米农田 堆肥脱臭 6万head 无机肥 粉煤灰 CO2 11.5104t CO甲醇 30104t 还原 天然气 醋酸 酒糟干酒糟 7104t 干燥 分离 四级氧化池 鱼池鱼 微生物饲料蛋白 图2 肇东玉米生态工程结构设计方案 通过对工程的重新设计，该公司生产玉米油1.34万t， 生产颗粒饲料22万t，生产干冰200t，生产杂醇油6000t开 发利用养鱼水面近1.3万hm2，出栏生猪6万多头，实现总 产值近10亿元，利税1.5亿元，利税占全市总额的56%， 成为肇东市第一支柱企业。废水基本实现内部大循环，废 渣资源得到综合利用，系统对外部环境的压力大大减轻。 同时,企业的发展还为11个乡镇的1.5万农户的1.3万hm2农 田找到了稳定的销售途径，并为社会新增就业机会近4000 个，系统运行的生态、经济和社会效益明显。 4.几点思考 4.1 生态工程是应用生态系统中物种共生与循环再生的原理， 结合系统工程的最优化方法，设计分层多级利用物质的生产工 艺系统。在技术层次上，它不同于传统的“资源消费产品 废物排放”线性物质流动的产业模式。其技术特征表现为废物 减量化、物质的循环利用、回收利用。它的实施具有高度的综 合性，它涵盖社会各方面的生产、消费活动，需要各种技术作 为支撑，要求法律、法规的保障。黑龙江省肇东市玉米酒精生 态工程结构设计很好地体现了这种思想，在一定程度上实现了 社会、经济、生态三大效益的统一。 4.2 金玉公司充分利用法律法规作为企业发展的法律保障体 系。近年来我国政府颁布实施了一系列环保法律法规，这对 企业当然是压力，没有这些法律法规，有的企业会一如既往 地边生产边污染；但环保法规还是动力，它迫使这些污染企 业关门，为环保型企业创造更有利的市场环境：一方面竞争 对手减少了，另一方面又得到政府减免税收等政策支持，而 且企业因环保行为而受到社会的鼓励、赞赏，提高了自身影 响力，在全球绿色采购链中处于有利地位，促进了市场的开 拓，创造了环境与发展的双赢局面。 4.3 要设计出科学合理的生态工程主要靠进步的技术。充 分利用适宜技术是金玉公司建立适于酒精行业生态工程模 式的重要组成之一。离开技术保障，再强大的政策法律也 无法推动生态工程的实现，只能迫使企业倒闭关门。这种” 鱼死网破”的败局当然不是环境保护的初衷。因为社会需要 产品，工人