纤维素乙醇生产的经济性分析

田 龙，王林风，鲁云风，屈凌波*

(1.南阳师范学院 生命科学与技术学院，河南 南阳 473061 ； 2.河南天冠企业集团有限公司 车用生物燃料技术国家重点实验室，河南 南阳 473000)

2017年9月，我国出台了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》。预计至2020年，将在全国范围内实现车用乙醇汽油全覆盖，力争到2025年实现纤维素乙醇规模化生产。进入21世纪以来，化石燃料日趋枯竭，生物炼制受到世界各国的关注，纤维素乙醇的研发越来越接近商业化。我国农林废弃物资源丰富。近年来，生物技术的进步推动了生物炼制技术的发展。然而，当前纤维素乙醇的生产成本仍然很高[1]。常规的预处理技术所占的成本比例较大，纤维素乙醇企业的利润很少或亏损。原因之一是当前的研究重点集中在酸法水解(如稀酸水解等)、高温热水水解、蒸汽爆破等方面，忽视了生物炼制的应用，导致纤维原料仅有部分被利用[2]。根据以上分析，本文在生物炼制相关成果的基础上，探讨以小麦秸秆为原料生产纤维素乙醇的完整流程，对各工段的现有技术进行比较分析，以确定经济合理的技术路线，并提出以秸秆为原料的综合利用新工艺，旨在降低纤维素乙醇的生产成本，促进纤维素乙醇行业的产业化进程。

1 纤维素燃料乙醇生产工艺流程

1.1 原料收集半径及原料成本的确定

秸秆作为纤维素乙醇的原料，价格约60元/t，再加上收集、运输、人工的费用，最终原料成本将会上升到300～400元/t[3]。

工厂选址应选择建在原料丰富的地区，以降低原料收购成本和运输成本。生产规模由秸秆可用量、收割打包成本、运输费用、储存场地和费用及销售半径等决定。原料产量、种植集中度、可收集系数都会影响原料的供应量，并决定工厂的生产能力。

原料收集半径R可用式(1)表示[4]：

(1)

式中：R，原料收集半径，km；F，原料需求，t/d；a，秸秆可收集系数；b，作物种植系数；Y，生物质产量，t/(hm2·a)。

现阶段我国纤维素乙醇中试及示范工厂的生产规模一般在300～3 000 t/a，通常认为进一步放大时，至30 000～50 000 t/a的生产规模较为合理。

假设某纤维素乙醇工厂的生产规模为年产5万t燃料乙醇，如果生产效率为6 t秸秆产1 t乙醇，则该工厂年处理30万t小麦秸秆。对于年产5万t纤维素乙醇的企业来说，其小麦秸秆原料供应量约为1 000 t/d。

取秸秆可收集系数为0.1。一般认为在半径70 km以内呈线性关系。农作物种植系数根据当地种植集中程度高的地区计算：收集半径为70 km时，农作物种植系数为0.72；收集半径为50 km时，作物种植系数为0.51。至于生物质产量，一般情况下，我国的可利用秸秆资源密度为307 t/km2，因此，可认为每年的生物质产量为3.07 t/hm2。

将上述参数代入式(1)，可知，年产5万t纤维素乙醇的原料收集半径R约为50 km。工厂规模和原料运输成本之间的关系可用式(2)表示[5]：

原料运输成本和工厂规模间的关系为：

(2)

普通货物k取值为0.3～0.4，秸秆是疏松的货物，在不打捆压实的情况下，运输效率比较低，文献指出k取值为1.5，本文认为较为合理， 取值为1.3[6]。于是上式简化为：

原料到厂价格还和散料收购价格、中间人工费、堆拆垛费、装卸车费有关，如果秸秆原料到厂价格为W，则

W=300+l.3R

(3)

由式(3)可知，随着工厂规模(原料需求F)的不断增大，原料成本也越来越高。比如，当原料需求达到4 000 t/d时，原料到厂价格将超过400元/t，因此，合理的原料收集半径R应控制在40～70 km的范围。此时，F的范围是1 000～4 000 t/d，计算可知，原料到厂价格为350～410元/t。

本文综合考虑，确定原料收集半径R为50 km，此时原料成本为365元/t。

1.2 预处理

目前原料预处理方法很多，其中稀酸预处理生产成本低，应用最广泛，但该方法反应温度较高，对设备腐蚀严重[7-8]。本文采用丙酸预处理分离小麦秸秆主要组分，可得到纤维素、半纤维素和木质素三种初级产品，为后续的生物量全利用奠定基础。

1.3 酶解

酶解是利用纤维素酶的作用得到可发酵单糖，当前国产的纤维素酶效率较低，主要依靠进口诺维信和杰能科的酶产品，因而大幅降低纤维素酶的成本是加快纤维素乙醇企业扭亏为盈的关键[9]。现场产酶的模式值得参考，该方式能够降低运输费用，同时还可减少酶储存过程中所加稳定剂的费用。

1.4 发酵

木质纤维素水解后能产生戊糖和己糖两种不同的单糖，其中纤维素水解产生葡萄糖；半纤维素水解产生木糖、阿拉伯糖等戊糖，甘露糖、半乳糖、葡萄糖等己糖。普通的酿酒酵母很难将戊糖发酵为乙醇，有的企业试图采用基因工程菌共发酵己糖和戊糖，但又存在基因重组菌的变异等问题，目前技术并不过关，因此，利用戊糖生产其他高附加值产品成为降低乙醇成本的重要环节。

纤维素经纤维素酶水解后，生成的葡萄糖可进入不同的发酵途径，选择合理的发酵工艺， 并对工艺中不利于发酵的因素加以改善，可促进成本的降低。SSF应用最广泛，它可以消除葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制，且可减少反应器的数量[10-11]。最近，科研工作者发现纤维小体自身能产生降解纤维素的酶，同时将葡萄糖发酵为乙醇[12]。

1.5 粗分离

粗分离是将发酵醪通过粗馏和精馏得到合适的乙醇产品，同时得到副产物杂醇油。粗分离工段在整个燃料乙醇生产过程中能耗最大，占总能耗的60%～70%[13-14]。

1.6 精制

精制的目标是得到99.8%左右的无水乙醇。目前工业上乙醇脱水方法主要有恒沸精馏、萃取精馏、吸附和膜分离4种方法。恒沸精馏的单位能耗最高，分子筛和渗透汽化的能耗较低。综合考虑，分子筛精制较为经济。

1.7 副产物利用

传统的纤维素乙醇企业对半纤维素和木质素等组分关注不够，本文采用生物炼制的方法，充分利用木质纤维素原料的各种组分，联产乙醇和副产物。尤其是作为秸秆三大组分之一的木质素，含量约为原料20%，一般的纤维素乙醇企业均是将其燃烧供热，造成资源浪费。

假定小麦秸秆主要成分的含量如下：纤维素39.8%，半纤维素28.5%，木质素20.2%。以小麦秸秆为原料生产燃料乙醇工艺中主要成分物料衡算如下：小麦秸秆30万t、纤维素12万t、半纤维素9万t、木质素6万t、其他3万t，则生产产品乙醇5万t。生产过程中还副产CO2、酵母、杂醇油、木质素、低聚木糖、活性炭等，按年产 5 万t燃料乙醇计，能产生3.75万t CO2；每年副产215 t杂醇油、3万t低聚木糖、1.8万t活性炭，均可以增加企业的收入。可见，在纤维素乙醇的生产中，如果积极引入生物炼制的理念，就能实现小麦秸秆的综合利用，变废为宝，提高产品附加值，摊薄成本，扭亏为盈，推动纤维素乙醇产业化进程。

2 技术经济分析

2.1 生产工艺流程

假定某纤维素乙醇工厂的生产规模为年产燃料乙醇5万t，每年生产天数按照300天计，则日处理小麦秸秆1 000 t。该工厂采用的生物炼制路线具体是： 小麦秸秆粉碎后，用一定浓度的丙酸在一定的温度下预处理一段时间，固液分离，得到纤维素含量较高的粗纤维，加入纤维素酶和耐高温活性酵母，同步糖化发酵后得到发酵液，固液分离后，液体进入蒸馏工段，该工艺采用双效差压蒸馏，最后通过分子筛脱水得到无水乙醇。丙酸回收之后，适当浓缩即可继续使用，而小麦秸秆中的半纤维素，在丙酸的作用下，水解进入混合溶液，此时，可加水进行分离，木质素不溶于水，可过滤分离。半纤维素水解糖适当浓缩后，可加入木聚糖酶制备低聚木糖，分离纯化之后，得到附加值较高的功能性低聚木糖产品。木质素可用于制备高品质活性炭。

2.2 经济成本和效益评估

采用系数因子法对固定成本和经营成本进行估算[15]。本工艺的主要设备固定成本见表 1，总成本约4 340万元。

表1 主要设备的购置成本 万元

单位产品成本分析见表2，纤维素乙醇的基本成本为8 155.6元/t，原料成本为58.7%。

表2 年产5万t纤维素乙醇单位产品成本估算

表3给出了年产5万 t 纤维素乙醇企业的全部产品价值情况。由表3可知，如果采用生物炼制路线，则生产每吨乙醇，可以得到副产品的价值如下：

CO2，相当于每吨乙醇收益360元；杂醇油，相当于每吨乙醇收益40元；低聚木糖，相当于每吨乙醇收益800元；活性炭，相当于每吨乙醇收益300元。以上的副产品保守合计，相当于每吨乙醇额外收益1 500元。

表3 年产5万t燃料乙醇的产品价值

表4 年产5万t燃料乙醇的经济效益分析

表4显示了年产5万t燃料乙醇的经济效益分析。其中，总投资约为48 114万元，设备投资约占总投资的10%，其余为征地、拆迁安置、基础建设、流动资金等。在无补助的情况下，企业的毛利率为9.8%，投资回收期12.5年，每年的净利润3 872万元；如果享受1 000元/t 的综合补贴，则企业的毛利率为18.8%，投资回收期5.8年，每年净利润为11 103万元。

3 结论

确定了纤维素乙醇工厂的原料收集半径为50 km，生产规模以年产5万t燃料乙醇为宜。在此基础上，对纤维素乙醇的生产工艺进行成本和经济评价，结果表明，乙醇的最低成本为8 155.6元/t。