第3讲 燃料乙醇
燃料乙醇制备与应用课件
05
燃料乙醇的环境影响与 可持续发展
CHAPTER
燃料乙醇的环境影响
温室气体排放
水资源消耗 土地利用变化
燃料乙醇的可持续发展策略
提高能效
通过改进生产工艺和设备，提高 燃料乙醇生产的能效，减少能源 消耗和温室气体排放。
开发可再生能源
利用可再生能源如太阳能、风能 等替代传统能源，减少对化石燃 料的依赖。
燃料乙醇制备与应用 课件
目 录
• 燃料乙醇概述 • 燃料乙醇的制备技术 • 燃料乙醇的生产流程 • 燃料乙醇的应用现状与前景 • 燃料乙醇的环境影响与可持续发展 • 燃料乙醇制备与应用的案例分析
contents
01
燃料乙醇概述
CHAPTER燃料乙醇Fra bibliotek定义与性质燃料乙醇定 义
燃料乙醇性 质
燃料乙醇具有高辛烷值、低污染物排 放等特点，是一种清洁、高效的能源。
生物柴油转化法
总结词 详细描述
化学合成法
总结词
通过化学反应将煤、天然气等化石燃料转化为燃料乙醇。
详细描述
化学合成法是一种间接制备燃料乙醇的方法。该方法利用煤、天然气等化石燃料 作为原料，通过一系列化学反应转化为燃料乙醇。化学合成法具有原料来源稳定、 工艺成熟等优点，但同时也存在能耗高、成本较高等缺点。
优化种植结构
通过优化种植结构，提高原料作 物的产量和品质，降低生产成本 和对环境的影响。
燃料乙醇的政策与法 规
政府支持政策
01
法规监管
02
国际合作与交流
03
06
燃料乙醇制备与应用的 案例分析
CHAPTER
某生物发酵法制备燃料乙醇的案例
总结词
详细描述
燃料乙醇技术讲座(二)燃料乙醇的生产方法
燃料乙醇技术讲座(二)燃料乙醇的生产方法燃料乙醇是一种常见的可再生能源，对于减少碳排放和保护环境具有重要意义。
在本文中，我们将为大家介绍燃料乙醇的生产方法。
燃料乙醇通常是由生物质或石油化工原料制成。
目前，生物质燃料乙醇的生产方法是最为成熟和广泛应用的。
生物质燃料乙醇主要由玉米、木薯、甜菜、红甜菜和其他淀粉质和糖类植物材料制成。
其制备方法可分为两种基本类型：一是糖类发酵法，包括口腔清洗(玉米、木薯)、硫酸水解(木薯、搽鼻、红甜菜)、酶解(甜菜)等方法；二是纤维素生物质制乙醇，通过热水预处理、酸碱处理及发酵来提取纤维素中的乙醇。
其中，口腔清洗法是一种最常见的生产方法。
其生产过程包括清洗、磨碎、酸化、发酵和蒸馏。
首先，将玉米或木薯粉末清洗干净，然后磨成细粉。
接下来，将粉末的PH值酸化至4-4.5，使其中的淀粉质和糖类顺利发酵，并在恰当的温度范围内进行发酵反应。
发酵结束后，需要进行蒸馏，以去除杂质和纯化乙醇。
相对于口腔清洗法，硫酸水解法更常用于处理木薯、搽鼻、红甜菜等杂能源原料。
其原理是使用硫酸将木薯中的淀粉水解成葡萄糖，成为发酵过程的葡萄糖溶液。
纤维素生物质制乙醇则是通过三步方法获得乙醇。
第一步是用热水预处理纤维素生物质，使其晶格结构松散，易于生物酶降解。
之后，加入硫酸等酸成分，使木质素溶解，并将纤维素降解。
第三步，进行发酵，利用酵母对糖类成分进行发酵，最终得到乙醇产物。
此方法具有非常重要的应用价值，既能有效利用大量的秸秆、木片等废弃物，同时也为多种产业提供了新的发展方向。
总之，燃料乙醇的生产方法众多，但都可以分为这些基本的类型。
这些技术的持续发展和优化，是燃料乙醇领域不断推进的重要环节。
燃料乙醇作为一种可再生能源，在现代社会中的应用越来越广泛。
在这个过程中，我们需要遵循一些原则和规则，以确保燃料乙醇的生产和使用是可持续和环保的。
在本文中，我们将分析燃料乙醇的相关数据，以了解其市场前景和生产技术性能的基本情况。
燃料乙醇
E90# E93#
种类
E95# E97#
乙醇汽油概述
一、 乙醇汽油介绍 性质： 性质： 1） （1）增加辛烷值 （2）增加雷德蒸汽压（RVP） ）增加雷德蒸汽压（ ） （3）减压蒸馏 ） （4）容水量 ） （5）影响乙醇汽油总体积 ）
乙醇汽油概述
二、燃料乙醇生产技术 合成法(即乙烯水合法) 生物法
增加慢性呼吸道 疾病的发病率， 导致酸雨的发生
引起损害神经系 统贫血等
我国发展乙醇汽油的必要性
二、面临环境保护的巨大压力
乙醇汽油与普通汽油燃烧结果比较
汽油的辛烷值增加１ 汽油的辛烷值增加１～２个单位 抗爆指数增加２ 抗爆指数增加２个单位 co排放量减少２５％～３０％ 排放量减少２５％～３０ 排放量减少２５％～３０％ 挥发性物质排放量减少１０ １０％ 挥发性物质排放量减少１０％ 碳氢化合物下降１０ １０％ 碳氢化合物下降１０％
油 碳 石 气 煤 能 核 其 然 他 天
石油 天然气 煤碳 核能 其他
2002年我国能源消费结构 图3 2002年我国能源消费结构
2002年国际能源机构成员国能源消费结构 图2 2002年国际能源机构成员国能源消费结构
我国发展乙醇汽油的必要性
二、面临环境保护的巨大压力
一方面，汽车市场蓬勃的发展相比；另一方面， 一方面，汽车市场蓬勃的发展相比；另一方面， 尾气污染正严重威胁着人们的健康。 正严重威胁着人们的健康。
（2）降低了炭烟生成的可能性。作为微粒核 心的炭烟，其生成条件是高温和缺氧，在均 匀可燃混合气中，缺氧不多则更多生成CO CO 很少生成炭烟，而汽油醇中含有氧，C/O比 较纯汽油小，所以生成炭烟的可能性就小。
（3）测量结果显示，烷烃和醇类生成臭氧的 活性（单位质量有机物生成臭氧的质量）较 低。 （4）由于乙醇的加入，使组分中的C/O减小， 也减少了CO排放量。
燃料乙醇简介演示
燃料乙醇的生产方法
01
02
03
发酵法
将淀粉质或糖质原料通过 酶解转化为葡萄糖，再通 过酵母发酵产生乙醇。
直接液化法
将木质纤维素原料通过高 温高压和催化剂作用直接 液化成乙醇。
气化合成法
将煤或天然气等化石燃料 通过气化转化为合成气， 再经催化剂作用合成乙醇 。
燃料乙醇的发展前景
政策支持
随着环保意识的提高和政 策的推动，燃料乙醇的需 求和市场将进一步扩大。
技术进步
随着技术的进步，燃料乙 醇的生产成本和存储运输 问题有望得到解决。
国际合作
国际合作有助于推动燃料 乙醇的研发和应用，共同 应对气候变化和能源安全 挑战。
04
燃料乙醇的生产与市场
燃料乙醇的生产情况
燃料乙醇作为化学原料
燃料乙醇可以转化为乙烯、乙酸等化 学原料，用于生产塑料剂
燃料乙醇具有较好的杀菌作用，可以用于消毒、杀菌。
燃料乙醇作为食品添加剂
在某些食品中添加一定量的燃料乙醇可以起到保鲜、防腐的作用。
03
燃料乙醇的优势与局限性
燃料乙醇的优势
可再生性
燃料乙醇燃烧后产生的二氧化碳可被生物吸收，实现碳循环，减少温室气体排放。
燃料乙醇的种类
第一代燃料乙醇
以玉米、甘蔗等淀粉质或糖质原 料通过发酵工艺制备，生产过程 中需要消耗大量粮食和水资源。
第二代燃料乙醇
以木质纤维素原料（如秸秆、木材 废弃物等）通过酶解和发酵工艺制 备，生产过程更加环保和可持续。
第三代燃料乙醇
交通燃料需求
随着环保意识的提高和可再生能 源的推广，燃料乙醇作为生物燃 料在交通领域的需求不断增长。
燃料乙醇技术讲座(三)燃料乙醇发酵技术
燃料乙醇技术讲座(三)燃料乙醇发酵技术燃料乙醇发酵技术是把利用微生物而产生的乙醇作为能源的过程。
在这个过程中，微生物会将各种转变成糖类的碳水化合物通过发酵转变成乙醇和二氧化碳。
一般而言，燃料乙醇发酵技术是通过酒精发酵把食品作物和作为饲料的粮食的典型氨基酸和糖转化成乙醇而形成的。
燃料乙醇发酵技术的基本过程是什么？- 收集可发酵的质料。
蔗糖、淀粉、纤维素、聚糖等是燃料乙醇发酵的基本原料。
一般可通过淀粉糖化来生产乙醇。
- 淀粉糖化：将淀粉分解成大量葡萄糖。
淀粉糖化后的基础即可用于常规的酿造酒精的方法，因为乙醇只能在物质转换成糖之后才能进行酵母发酵。
- 发酵：将淀粉糖化过程中产生的果糖和葡萄糖通过酒精发酵转化成乙醇。
这个过程不仅会产生乙醇，还可以产生糖醇、小分子的脂肪酸、香精油等。
- 提取乙醇：将发酵得到的乙醇从糟中提取出来，可以通过纯化和脱水过程极大地提高其纯度。
因为乙醇是水性的，所以乙醇往往在蒸馏的时候会与其他水溶液混合在一起，所以过程中需要使用脱水剂来分离乙醇和其他溶质。
- 再生副产品：燃料乙醇发酵后的副产品是一种大约拥有45%的剩余工程。
副产品中含有的酵母和能量还可以进行饲料和垫料的生产。
燃料乙醇发酵技术的应用燃料乙醇可以用于工业用途的能源，其中最常见的是用于代替汽油的清洁燃料。
燃料乙醇与汽油相比没有对环境造成的污染，在燃烧过程中可以减少大量有害物质的排放。
此外，燃料乙醇还可以作为燃气里的替代品。
由于燃气已经成为建筑物和工业设施的常规燃料，使用燃料乙醇替代燃气可以更好地保护环境，减少使用传统燃料所造成的污染。
再者，燃料乙醇不仅可以作为汽油的替代品，还可以作为液化气和天然气的替代品。
由于燃料乙醇原材料的来源可以是农产品和生物质残渣，因此它可以成为一种可再生的能源资源。
燃料乙醇还可以被作为氢气的源头。
氢气已被公认为是一种功能最强，最干净的新能源。
以乙醇为原料制取氢气可以确保成本低廉，同时可以把有害的碳排放降到最低。
燃料乙醇技术讲座_三_燃料乙醇发酵技术
·153·可再生能源Renewable Energy Resources第28卷第3期2010年6月Vol.28No.3Jun.20101乙醇发酵工艺按照发酵过程中物料所处状态，乙醇发酵方法分为固体发酵法、半固体发酵法和液体发酵法。
按照发酵醪注入发酵罐的方式，乙醇发酵的方式分为间歇式、连续式和半连续式。
固体发酵法和半固体发酵法主要采取间歇发酵方式；液体发酵法既可以采取间歇发酵方式，也可以采取连续发酵或半连续发酵方式。
1.1间歇式发酵间歇式发酵是指全部发酵过程始终在一个发酵罐中进行。
由于发酵罐容量和操作工艺的不同，间歇发酵有以下几种方法。
（l ）一次加满法将糖化醪冷却到27～30℃后，接入大约为糖化醪量10%的酒母混合均匀，经60～72h 的发酵即成熟。
此法操作简便，易于管理，但酒母用量大，适用于糖化锅与发酵罐容积相等的小型乙醇厂。
（2）分次添加法将发酵罐容积1/3左右的糖化醪入罐后，接入10%酵母进行发酵；2～3h 后，第2次加入糖化醪；再隔2～3h ，第3次加入糖化醪，直至加到发酵罐容积的90％为止。
此法适用于糖化锅容量小而发酵罐容量大的工厂。
（3）连续添加法先将一定量的酒母打入发酵罐，然后根据生产量，确定流加速度。
流加速度与酵母接种量有密切关系。
如果流加速度太快，则发酵醪中酵母细胞数太少，不能造成酵母繁殖的优势，易被杂菌所污染；如果流量太慢，会造成后加糖化醪中的支链淀粉不能被彻底利用。
一般应在接种酵母6～8h 将罐装满。
该法适合于采用连续蒸煮、连续糖化的乙醇生产厂。
（4）分割主发酵醪法将处于旺盛主发酵阶段的发酵醪分出1/3～1/2至第2罐，然后加新料将两罐补满，继续发酵。
待第2罐发酵正常，又处于主发酵阶段时，再分出1/3～1/2发酵醪至第3罐，并加新鲜糖化醪至第2、第3罐。
如此连续分割其他各罐，并将前面各罐发酵成熟的醪液送去蒸馏。
该过程可以省去了酒母的制作过程，但对无菌操作的要求高。
第3讲-燃料乙醇
nzymes (Cellulase & b-Glucosidase)
Plant Biomass
预处理
糖化
发酵
（水解）
ETHANOL
Section of a pine board
Somerville, 2006
3 nm Polymerized glucose
植物细胞壁
燃料
缓慢高成本步骤
“recalcitrance”
燃料乙醇：未加变性剂、可作为燃料用的无水乙醇（无水酒精）。
无水乙醇：原料经发酵、蒸馏、脱水后制得的水含低于0.5%（v/v）的 乙醇。
燃料乙醇与实用酒精有何区别？
对水分和杂醇的要求不同：在食用酒精生产中水和乙醇在蒸馏时产生共 沸，因此食用酒精中最多含有95.5%(m/m)的乙醇，并对杂醇含量进行 控制。而无水乙醇是采用其它方法将水含量脱到0.5%(v/v)以下的乙醇， 对杂醇含量控制不严。
Current
$0.194 $0.168
Mature
$0.083 $0.079
$0.00 Laser and Lynd, 2007
With Coproducts
Corn (dry mill)
With Coproducts
With Coproducts
Cellulosic Biomass
Consolidated Bio-processing, CBP
燃料乙醇为何要控制水分？
如果乙醇汽油与水接触，乙醇和水将从乙醇汽油中分离出来，产生分层， 使乙醇汽油不能正常燃烧。
车用乙醇汽油罐内侵入过多的水分，乙醇将会从汽油中分离出来，造成 相分离。出现这种情况时，油罐上层为组分油和少量的乙醇；下层由大 约20％的水、70％乙醇和10％的组分油组成。
燃料乙醇制备与应用
中国燃料乙醇产业面临主要问题
➢ 目前我国的燃料乙醇生产成本较高，企业不能完全通过生产燃料乙醇来盈 利，为鼓励燃料乙醇推广，国家对于批准生产的燃料乙醇企业实行定额补贴 政策。即免征用于调配车用乙醇汽油的变性燃料乙醇5%的消费税；企业生产 调配车用乙醇汽油用变性燃料乙醇的增值税实行先征后返；企业生产调配车 用乙醇汽油用变性燃料乙醇所使用的陈化粮享受陈化粮补贴政策；变性燃料 乙醇生产和调配、销售过程中发生的亏损实行定额补贴。 ➢ 纤维素酶的成本，是纤维素乙醇能否实现工业化生产的关键因素。目前全 世界只有两家企业能够生产用于纤维素工业化水解的酶，一家是丹麦的诺维 信,一家是美国的杰能科，后者2005年4月已经被丹尼斯克公司全资收购。两 家公司目前垄断着全球酶制剂市场份额的65%以上，并拥有全球最先进的研究 设施和菌种库。两家公司目前拥有近4000项专利，而且新型酶制剂开发路径 也被诺维信公司注册专利加以保护。
➢ 生物质含硫、含氮都较低，灰分含量也很少，燃烧后SO2、NOx和灰尘排放量比化石燃料小得多，是一 种清洁的燃料。
➢ 生物质资源分布广、产量大，转化方式多种多样。 ➢ 生物质的分布比较分散，收集、运输和预处理的成本较高。
二、发展生物质能源的必要性
➢ 传统能源面临枯竭，开 发新能源已成为人类发展 中的紧迫课题。
生产工艺流程
第二代燃料乙醇生产技术
特点：
➢ 以木质纤维素质为原料
➢与第一代技术相比，第二代燃料乙 醇技术首先要进行预处理，即脱去 木质素，增加原料的疏松性以增加 各种酶与纤维素的接触，提高酶效 率。
◆ 预处理技术
生产工艺比较
燃料乙醇国内外发展概况
国家
原料
推广使用
使用的乙醇燃料
巴西
甘蔗
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蒸汽爆破设备
蒸汽爆破前后原料对比
Steam gun
Receiving vessel
料仓
处理后的玉米秆
稀酸辅助汽爆处理
• 与汽爆相同的温度和压力 • 添加下列物质促进效果
辛烷值 汽化潜热(kJ/kg)
3.971 0.7893
78.5 -114 1.2 111(RON) 904
汽油 C4-12烃合物
95—120 85—88 12—15
0 5.6—7.4 0.72—0.78 30—200
-57 0.65—0.85 91(RON)
297
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
➢功能Functions:
➢降低原料尺寸Size reduction ➢降低结晶度Degree of crystallinity
➢高耗能过程High energy costs
辐射处理Irradiations
• 辐射Irradiation:
– γ射线辐射Gamma-ray irradiation – 电子束辐照Electron-beam irradiation – 微波辐照Microwave irradiation
燃料乙醇为何要控制水分？
如果乙醇汽油与水接触，乙醇和水将从乙醇汽油中分离出来，产生分层， 使乙醇汽油不能正常燃烧。
车用乙醇汽油罐内侵入过多的水分，乙醇将会从汽油中分离出来，造成 相分离。出现这种情况时，油罐上层为组分油和少量的乙醇；下层由大 约20％的水、70％乙醇和10％的组分油组成。
我国车用乙醇汽油的混配比例是多少？
sugars
enzyme chemical digestion pretreatments
Fermentation
Cellulose microfibril
ethanol
Cosgrove, 2006
Parallel strands of glucose polymers
1.预处理
木质素
纤维素
无定形区 结晶区
- Wet oxidation
- Ozone
木质素溶剂提取:
- Ethanol-water extraction
- Benzene-water extraction
- Ethylene glycol extraction
- Butanol-water extraction
- Swelling agents
联合生物加工工艺：利用一种微生物在同一个反应器中 完成纤维素酶制备、纤维素糖化及乙醇发酵的全过程
纤维乙醇生产工艺进展
纤维素酶制备 O2
SHF
SSF
O2
SSCF O2
CBP
纤维素水解（糖化）
己糖发酵
戊糖发酵
_____________
SHF: Separate hydrolysis & fermentation SSF: Simultaneous saccharification & fermentation
Saccharification and fermentation
12%
Cellulase Distillation and Solids
Recovery
Wastewater Treatment
9% 10% 4%
4%
Boiler/Turbogenerator
Utilities
4%
Storage
1%
(0.20)
6% 2%
22% 41%
提高乙醇浓度
11%
CBP工艺后提高乙醇浓度
6%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
成本降低幅度
CBP面临的难题及解决方向：
目前仍没有发现一种天然微生物能同时具备高效降解纤维素和高选择 性生产乙醇的能力, 这已成为发展CBP 技术所需解决的关键问题
利用基因工程技术, 对现有微生物进行基因重组是解决该问题的有效 途径。
SSCF: Simultaneous saccharification & co-fermentation
CBP: Consolidated bioprocessing
技术进步对成本的影响
提高水解效率
3%
纤维素酶负荷减半
13%
消除预处理 联合生物加工CBP C5 & C6 糖的同时利用
增加发酵产率
爆破:
- Steam, Ammonia, CO2, SO2 , Acids
碱处理: - NaOH, NH3, (NH4)2SO3 酸处理:
- Sulfuric, Hydrochloric &
Phosphoric acids
气体处理: - ClO2, NO2, SO2 氧化:
- Hydrogen peroxide
Plant Biomass
预处理
糖化
发酵
（水解）
ETHANOL
能源植物：玉米、柳枝稷、白杨
纤维乙醇成本构成
折旧费 电网电费
原料费 工厂电费
工艺电费 固定成本
(0.30)
Biomass Feedstock
Feed Handling
5%
Pretreatment / Conditioning
18%
原料分散---集运增加成本 组分复杂---必先预加处理 多酶体系---效率亟待提高 戊糖难用---酵母先要改造
美国玉米用途
Source: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation
nzymes (Cellulase & b-Glucosidase)
预处理 半纤维素
预处理的目的:
将纤维素从木质纤维素结构中释放出来:
脱除或水解半纤维素 脱除木质素
降低纤维素的结晶度 为酶提供足够多的可及面
脱除抑制物
预处理方法
物理方法
化学及物理化学方法
生物方法
粉碎:
- Ball milling - Two-roll milling - Hammer milling - Colloid milling - Vibro energy milling
(0.10)
-
0.10
0.20
0.30
NREL Analysis
33%
0.40
Fermentable Carbohydrate Cost ($/kg)
玉米乙醇与纤维乙醇成本对比
$0.30
$0.25
$0.20 $0.15
$0.152 $0.148
$0.10
$0.05
Enzyme Operating (non-enzyme) Capital (non-enzyme) Feedstock
提高发动机功率，增加行车里程数，又可节约燃料。
3. 乙醇生产工艺流程
Pretreatment
Biomass
Hydrolysis
Ethanol
Fermentation
Distillation
淀 粉 原 料 乙 醇 生 产 工 艺 流 程
木质纤维素原料
木
质
纤
预处理
维
素
原
水解糖化、发酵和蒸馏
料
乙
醇 生
• 水解作用的产生是由于乙酸等羧酸的生成 • 优点:
– 不需添加化学品No addition of chemicals, – 处理后不需要中和No neutralization afterward, – 对反应器无腐蚀No corrosion-resistant materials for reactor, – 可以跟木质素分离方法结合Could be combined with e.g. a delignification
Current
$0.194 $0.168
Mature
$0.083 $0.079
$0.00 Laser and Lynd, 2007
With Coproducts
Corn (dry mill)
With Coproducts
With Coproducts
Cellulosic Biomass
Consolidated Bio-processing, CBP
我国虽然对E7.7、E10、E15不同变性燃料乙醇含量的车用乙醇汽油进 行了试验工作，但为了在推广应用时便于管理和监督，参照美国经验， 只推广使用E10一种车用乙醇汽油。
乙醇汽油的排放属性如何？
车用乙醇汽油能够降低HC和CO的排放，其中CO的排放可减少近30％， 虽然NOX的排放略有增加，但汽车尾气的排放总量减少。
燃料乙醇与汽油有何区别？
Energy content
汽油 100%
乙醇 67%
生物柴油 86%
燃料乙醇与汽油有何区别？
性质 化学式 相对分子质量 碳(%) 氢(%) 氧(%)
乙醇 C2H5OH
46 52.5 13 34.8
C/H 密度(20℃)(kg/L)
沸点(℃) 凝固点(℃) 粘度(20℃)(mPa·s)
燃料乙醇：未加变性剂、可作为燃料用的无水乙醇（无水酒精）。
无水乙醇：原料经发酵、蒸馏、脱水后制得的水含低于0.5%（v/v）的 乙醇。
燃料乙醇与实用酒精有何区别？
对水分和杂醇的要求不同：在食用酒精生产中水和乙醇在蒸馏时产生共 沸，因此食用酒精中最多含有95.5%(m/m)的乙醇，并对杂醇含量进行 控制。而无水乙醇是采用其它方法将水含量脱到0.5%(v/v)以下的乙醇， 对杂醇含量控制不严。
nzymes (Cellulase & b-Glucosidase)