稻谷原料燃料乙醇生产工艺的探讨

稻谷原料燃料乙醇生产工艺的探讨

祁坛 雷显志 张龙伟 张福军

中粮生化能源（肇东）有限公司 黑龙江省绥化市 151100

摘要：随着人们生活水平的提高，作为日常主粮的水稻消耗在逐年减少，而种植技术的提高和受部分粮食进口的影响，水稻市场供应量远远大于需求量。稻谷不易储存，容易陈化和发霉变质。一般储存三年以上的陈化稻谷，有害物含量超标，不可直接作为口粮，也不能直接用于动物养殖，需进行加工后才可进入动物食物链中。如何合理利用陈化粮资源，做到梯级利用，许多企事业单位率先进行探讨。燃料乙醇对原料品质的要求没有食用酒精那么严格，若利用陈化水稻生产燃料乙醇不仅可以有效控制陈化粮流入粮食加工市场，调节粮食供求关系，提高我国粮食安全，促进农业供给侧改革，还能进一步缓解燃料乙醇行业原料紧缺的状况。

关键词：稻谷原料燃料乙醇；生产工艺；探讨

引言

燃料乙醇作为一种可再生的清洁能源，由于具有辛烷值高、易完全燃烧、抗爆性能好以及CO2排放量少等优点，被认为是一种理想的化石能源替代品受到了全世界的广泛关注。中国是世界上栽培水稻最古老的国家之一，很早就已成为世界上播种面积最大、稻谷产量最多的国家。根据国家粮食局统计数据，中国水稻种植面积达4.55亿hm2，每年产量超2亿吨，截止2018年末，我国稻谷库存超1.25亿吨，水稻市场供应远远大于需求。

1生物燃料乙醇产业发展现状

燃料乙醇产业是国家重点推广的新型产业，是基于石油危机和控制大气污染所产生的新兴绿色产业之一，目前我国生物燃料乙醇主要生产方式有粮食乙醇和纤维素乙醇。使用生物发酵法制乙醇在我国主要经历了三个发展阶段：1代燃料乙醇以玉米、小麦等陈粮为原料，通过生物发酵，由淀粉转化为乙醇；1.5代燃料乙醇以非粮农作物（木薯）为原料，同样通过发酵将淀粉转化为乙醇，虽然此路线可避免与人争粮问题，但目前该原料主要依赖于进口；2代燃料乙醇主要是纤维素乙醇，最大的优势是原料充足，但由于我国在纤维素乙醇关键技术方面还没有实现突破，所以成本与粮食乙醇相比偏高。总体看来，我国燃料乙醇生产水平处于1代到1.5代过渡阶段，2代纤维素乙醇将是未来生物燃料乙醇的主流路线。2018年，全球约有2000家燃料乙醇工厂正在运行，全年燃料乙醇产量达到8.5×107t，同比增长5.28%。国际能源署（IEA）于2018年10月发布了《2018年可再生能源：2018—2023年市场分析和预测》，预测可再生能源将继续扩张，占全球能源消费增长的40%，其中生物燃料产量将增长15%，到2023年达到1.65×1011L（约1.3×108t）。根据美国可再生燃料协会（RFA）公布的数据，美国作为燃料乙醇的主要生产国，2018年燃料乙醇产量达到4.796×107t，占全球总产量的56%；巴西是乙醇全球第二大生产国，2018年乙醇产量达到2.365×107t，约占全球总产量的28%；欧盟1993年生物燃料乙醇产量仅为4.8×104t，经过10余年发展，2004年达到4.2×105t，随后开始大幅增长，2006年超过百万吨（1.2×106t），2018年，燃料乙醇产量达到4.27×106t。无论是起步时间还是增长速度，欧盟生物燃料乙醇产业均不能和美国、巴西等生物燃料乙醇大国相比，但整体来看，欧盟仍具备了较为牢固的生物燃料乙醇产业基础。世界上多数国家均已出台明确推广的相关法律，燃料乙醇产业前景可期。生产效率的提升一直是燃料乙醇生产关键技术的研发核心。生产效率的提升将使生产企业在多方面受益，一是提高现有装置产能、提升设备利用率、各操作单元的转化效率；二是优化产品结构，通过分级利用带来产品的价值最大化；三是节约能源及水的消耗；四是降低“三废”排放；五是降低新增产能的投资成本、降低现有装置的生产成本、提升装置整体效益。未来的装置工艺过程将会更加简洁、绿色，设备更加稳定可靠，使产品在全生命周期的碳排放及净能量、污染物排放方面有更大的提升。合成生物学和分子生物学作为先进生物技术的最高成就，将在燃料乙醇产业未来的发展中起到重要作用。

2稻谷原料燃料乙醇生产工艺

2.1脱壳与否以及脱壳比例的确定

不脱壳情况下，因稻壳坚硬、粉碎难度大且对设备和管道磨损严重，同时易造成管道、设备堵塞；脱壳采用全糙米发酵工艺，蛋白质影响塔板热传质，酒糟固液分离时板框无法形成滤层，卧螺分离湿糟水分高，干燥难度大。从工艺优化配置和安稳长满优运行统筹考虑，根据安徽中粮生化燃料酒精有限公司的实践经验，建议稻谷部分脱壳，脱壳比例50-65%左右，粉碎和物料输送磨损程度大大降低，采用清液发酵或板式塔蒸馏工艺均顺畅，使用板框或卧螺均能顺利进行固液分离。

2.2固液分离方式的确定

板框压滤机适合纤维含量高的物料固液分离，卧式螺旋离心机适合纤维含量低的物料固液分离。玉米和木薯原料物料固液分离，选用板框或卧螺均能满足工艺需求。但如使用稻谷原料，因稻壳占比大，且其纤维含量高，如稻谷脱壳率≤65%时，无论清液还是全糟发酵工艺，均建议选择板框压滤，因其压滤水分低，利于节约蒸汽；如稻谷采用脱壳率大于65%工艺生产运行时，无论清液还是全糟发酵工艺，选择卧式螺旋离心机过滤比较合适（板框无法形成滤层，压滤困难）。

2.3发酵工艺的确定

全糟发酵是玉米和木薯原料的主流发酵工艺，因其具有粮耗低，辅料消耗成本低等优势，但稻谷全糟发酵存在堵塞蒸馏浮阀醪塔、污水处理难度大（因为氮磷含量高，污水处理过程产生大量的鸟粪石）等问题。清液发酵具有流动性好、不堵塞蒸馏浮阀醪塔（大部分氮磷在固液分离时被截留）、污水处理难度小等优势，虽其粮耗较高（比全糟发酵粮耗高7-8%），但污水处理成本大大降低，吨水处理费用仅1.5-1.8元，运行十分平稳。综合比较，采用清液发酵比较合适。

2.4其他工艺

因陈化稻谷作为燃料乙醇原料，其价格相对玉米和木薯便宜，且酒糟过滤烘干可生产DDG/DDGS，目前除了国内几家大型燃料乙醇生产企业率先完成工艺摸索并实施规模化生产外，其他企业和机构也在不断探索经济可行的生产工艺。研究使用全脱壳糙米混合木薯原料发酵工艺，并摸索出糙米添加比例25%时，发酵效果最好，DDGS中蛋白含量可达20%以上，大大提高了副产品的价值，降低了生产成本，提高了生产效益；利用稻谷生料发酵生产燃料乙醇，水稻脱壳粉碎后不经过蒸煮直接添加糖化酶，节省蒸汽30%-40%，稻壳加入液化酶后经过长时间微生物和酶作用，分解部分纤维来提高乙醇产量，并联产制得高蛋白饲料，生料发酵的优势在于不需使用高温淀粉酶，节省大量能耗，出酒率高，缺点在于发酵易染菌，液化酶用量大。

结语

燃料乙醇产业是集生物、化工、能源产业于一体的复合流程产业，巨大的生物质资源是未来生产燃料乙醇来源最为广泛的原料，“融合”将是未来燃料乙醇工厂发展的新模式。在国家工业化与信息化融合的发展战略推动下，通过大数据、数字孪生技术、5G+工业互联网、区块链等新技术的应用，将各种新技术进行深度融合，可带来燃料乙醇产业在生产过程、安全生产和商业管理模式上的显著变化，建立数字化、产供销研一体化的企业新模式，从而实现对现有生产技术合理的升级和改造，促进企业经济效益和社会效益最大化。

参考文献

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