液体生物燃料技术

生物质发电成套设备国家工程实验室

2013.11

第五讲液体生物燃料技术杨世关

当年美国社会经济发展建立在高能耗的基础上的，如今也要经历痛苦的转型，走向绿色经济。恰恰悍马身上所包藏着顽固的高能耗基因，注定它必然遭遇新一代社会心理上的抵制。悍马的终结让人们重新思考汽车业的走向和未来，悍马之死，可以说是死得其所。悍马之死——高油耗汽车时代的终结

2009年5月19日，奥巴马政府公布了1项汽车节能减排计划。其目标是到2016年，美国境内新生产的客车和轻型卡车百公里油耗不超过6.62升，二氧化碳排放量比现有车辆平均减少1/3。这项计划将从2012年起实施，汽车节能标准将每年提高5%以上，直至2016年实现预期目标。预计这项计划可使美国在2012-2016年间减少原油消耗18亿桶，减少温室气体排放9亿吨。提高能效——奥巴马能源新政措施之一Total11,693mil.Bu.（1）第零代生物燃料，是生物燃料的彷徨时代，受到石化燃料的竞争和排挤，生物燃料在1970年代前未有显著发展；（2）第一代生物燃料，是生物燃料的粮食时代，主要以粮食为原料，发展日受非议和限制；（3）第二代生物燃料，将跳出粮食时代迈向纤维素时代，目前正处在大规模商业化的前夜；（4）第三代生物燃料，一个微藻制取生物燃料，美国、以色列、欧洲、加拿大、阿根廷、澳大利亚等国正在积极研究。生物燃料的发展发展历程：第零代生物燃料：1900年:RudolfDiesel发明了直接燃用花生油的内燃机。这是一台固定的，低转速内燃机

（<300rpm）11第一代生物燃料：第二代生物燃料：第三代生物燃料：微藻的优势海洋硅藻的生产不需要占用良好的农业用地不需要有淡水资源无需进行无需使用肥料土地平整杀虫剂和除草剂利用效率高德国的商业化光生物反应器多种的培养方式更多的培养方式……产量兆凯生物研发中心已经稳定达到每天每升培养液中0.2克干藻产量。

在他们的开放式光生物反应器中，20cm的水深就可以每年每公顷生产干藻：120吨生产微藻的最高总脂含量为24%，相当于每年每公顷养殖面积生产28,800kg油脂。粗略估计潜在生物柴油产量为每年每公顷25000升。目前有望将油脂含量提高到25%以上。1（一）燃料乙醇燃料酒精（AlcoholFuel）主要是指通过生化工艺生产的前四种脂肪族酒精（甲醇、乙醇、丙醇、丁醇），他们的物理化学特性与汽油相似，是替代汽油的重要发展方向，一般采用生化工艺生产，也称作生物酒精（Bioalcohol）。脂肪族酒精的化学式是CnH2n+1OH，辛烷值都与汽油相近，但是能量密度差异较大，n值越大能量密度越大。丁醇是汽油的最佳替代品，但是相对于甲醇和乙醇，丙醇和丁醇的生产工艺复杂。甲醇极易挥发而且有剧毒性和腐蚀性，难以作为交通工具燃料广泛应用，而且能量密度最低，无法直接在汽油引擎中燃用。燃料酒精主要以燃料乙醇（Bioethanol）为主。基本概念燃料乙醇（EthanolFuel），也被称为生物乙醇(Bioethanol)，是燃料酒精中最为成熟、发展最快的一种。基于能量密度的差异，汽油引擎无需改进便可以燃用15%以下比例的乙醇汽油，经过改进后便可以正常燃用任何比例的乙醇汽油。基本概念醇类燃料与汽油的对比性质甲醇乙醇汽油化学式CH3OHC2H5OHC4-12烃合物相对分子质量324695—120碳(%)37.552.585—88氢(%)12.51312—15氧(%)5034.80C/H33.9715.6—7.4密度(20℃)(kg/L)0.7920.78930.72—0.78沸点(℃)64.878.530—200凝固点(℃)-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)汽化潜热(kJ/kg)1109904297汽油的辛烷值越高，抗爆性就越好，发动机就可以用更高的压缩比。这样既可提高发动机功率，增加行车里程数，又可节约燃料，对提高汽油的动力经济性能是有重要意义的。基本概念车用汽油的牌号是按照辛烷值区分的。如93，97号等。93号车用汽油即表明该汽油辛烷值不低于93。根据辛烷值的实测结果可判定属哪一牌号的车用汽油；淀粉原料乙醇生产工艺流程纤维燃料乙醇生产工艺流程29CelluloseFiberHemicelluloseLigninPectinOtherpolysaccharides生物质原料的结构纤维素呈结晶状拧合成纤维束半纤维素和其他多聚糖缠绕着纤维束木质素像胶水一样覆盖和凝合着各种物质水解酶或其他化学物质很难渗透到纤维素表面纤维束半纤维素木质素果胶质其他多聚糖

30秸杆或其他原料组分分离预处理酶制剂生物降解乙醇分离从秸杆到乙醇燃料31CrystallineRegionAmorphousRegionCelluloseLigninHemicellulosePretreatment预处理的作用预处理纤维素木质素无定形区结晶区半纤维素Source:F.O.Licht(in“NewtrendstotheethanolsupplychaininBrazil”,Simoes,R.B.,MasterThesis,UniversiteitVanTilburg,Holanda,Jul-2006)小麦玉米甜菜甘蔗燃料乙醇生产过程能源平衡能量产出/能量投入醇是一种溶剂，发动机使用初期，燃油系统零部件、油路和燃油管壁上沉积物会剥落，导致滤清器堵塞，一些黑色金属和有色金属将腐蚀。长期使用醇-汽油混合燃料，润滑油酸值和粘度将会增加，在发动机进气系统部件中，易产生油污，导致拉缸。使用掺醇汽油后，汽车燃油耗和发动机动力性有所下降。醇的气化潜热比汽油高，在寒冷地区会使混合燃料难以气化，不易起动。容易分层，使汽油和醇互溶性变差，影响燃油的品质。汽车燃用醇类燃料时应注意的问题：

序号企业名称核准能力原料组成1吉林燃料乙醇有限公司50玉米2河南天冠企业集团有限公司30小麦、玉米为主3安徽丰原生物化工有限公司32玉米小麦为主4中粮生化能源肇东有限公司10玉米5广西中粮生物质能源有限公司20木薯合计142国内主要燃料乙醇生产企业情况

(万吨/年)

国内燃料乙醇原料逐步以玉米为原料,玉米占原料比例从2001年的59%提高到2007年的86%。我国燃料乙醇生产能力2007-2008年各地区燃料乙醇产量统计表（单位百万加仑）国家/地区美国巴西欧盟中国加拿大泰国哥伦比亚印度澳大利亚其它合计2007年6,4995,019570486211797553268213,1012008年9,0006,4727345022389079662612817,335全球燃料乙醇产量持续增长美国燃料乙醇发展目标2007年颁布的可再生能源标准(RFS)2005年能源政策法案产量目标(十亿加仑)乙醇和生物柴油传统生物燃料（淀粉）生物柴油纤维素乙醇其它先进生物燃料先进生物燃料

(包括纤维乙醇)传统生物燃料（淀粉）能力150亿加仑/年

2007年美国国会通过能源独立与安全法（EISA）→包括新的可再生燃料标准（RFS），强制要求生物燃料的用量在2022年达到1.08亿吨美国的发展进程加速！巴西燃料乙醇发展情况巴西现有96家专门生产乙醇的工厂，233家工厂即生产乙醇又生产蔗糖，2007年共生产蔗糖3100万吨，生产乙醇1784万吨。2008年共生产蔗糖3130万吨，生产乙醇2040万吨（257亿升）。巴西乙醇生产供应链上共有7万多家甘蔗供应商、330余个乙醇厂、261个批发商和618个零售商，其中巴西石油公司在全国建有8个乙醇收集中心、67个调配中心、1万公里输送管道和1千万立储罐现有1条乙醇管道，规划到2012年前，将新建2条乙醇输送管道，新增输送能力1350万吨/年，总投资23亿美元。强制在汽油中添加燃料乙醇的比例提高到25%奥巴马政府推出税收