当前课程知识点：能源化学工程概论 > 第五章 生物质能 > 第二节 生物质制取燃料乙醇 > 生物质制取燃料乙醇
大家好
本节我们来学习生物质制取燃料乙醇
生物质液体燃料是
唯一的以液体为储能方式的可再生能源形式
利用非粮生物质资源生产燃料乙醇
并实现能源化利用
是推动能源生产和消费革命
突破能源和环境约束
以及增加能源供给的重要手段
那什么是燃料乙醇呢
燃料乙醇是指浓度为95％左右的乙醇
经过进一步脱水
和添加变性剂所得的变性无水乙醇
其水分小于0.8％
变性剂一般为无铅汽油或无铅的烃类
由于燃料乙醇含氧较高
在内燃机里燃烧更完全
废气排放量更少
并且与传统化石能源制备的汽油相比
抗爆性更好可以提高汽油车运行的平稳性
但燃料乙醇在运输和储存过程中
对含水量的要求十分苛刻
含水量一旦超标就会分层
影响使用效果
此外其对金属和橡胶部件
有腐蚀和溶胀作用
当然燃料乙醇还可与传统化石燃料混合使用
我们通过一小段视频来了解一下
下面我们了解一下燃料乙醇的应用和发展历史
燃料乙醇的应用经历了三个阶段
第一阶段为缓慢发展期
在1950年左右
当时石油价格较低
来源于石油的乙烯产量巨大
通过化学法制备的乙醇比例非常高
大概占到总乙醇产量的70%
第二阶段为稳步发展时期
1980年开始出现了石油危机
通过化石能源而来的乙烯产量缩减
人类开始以生物质为原料制备乙醇燃料
当时美国和巴西都出台了“燃料乙醇计划”
加拿大 法国 西班牙和瑞典等国家
也都从生物质中获取乙醇
第三个阶段为快速发展时期
开始于本世纪
由于石油枯竭 油价上涨 空气污染
全球变暖等环境问题日趋严重
燃料乙醇受到极大关注
美国和巴西开始大力发展燃料乙醇产业
2001年到2011年期间
美国的燃料乙醇产量增长了8.5倍
巴西增长了2.4倍
而我国增长了115倍
接下来我们学习燃料乙醇的生产方法
从生产工艺来看燃料乙醇生产
主要有化学合成法和生物转化法两大类
化学合成法于20世纪30年代首先出现在美国
是利用石油 天然气 煤气 生物质气
等制备的乙烯为原料来生产乙醇的方法
包括间接水合法和直接水合法
间接水合法是指先将乙烯
与浓硫酸反应生成硫酸氢乙酯
再水解生成乙醇
该法制备乙醇的单程转化率高
对原料纯度的要求不苛刻
反应温度及压力不高
但生产过程中产生大量的稀硫酸
对设备有严重的腐蚀
直接水合法就是在高温
加压和催化剂条件下
乙烯和水直接合成乙醇的方法
上述反应是放热
分子数减少的反应
理论上低温高压有利于平衡
向生成乙醇的方向移动
但实际考虑到反应速率
和水的饱和蒸气压的限制
需在230-300摄氏度较高温度下进行
直接水合法工业上采用
负载于硅藻土上的磷酸催化剂
直接水合法因其工艺流程合理
对设备腐蚀小易规模化生产等优点
逐渐代替间接水合法
但直接水合法合成的乙醇溶液中大部分是水
乙醇浓度仅为 10%～15%左右
其中还含有少量乙醚 乙醛 丁醇
及其他有机化合物
生物转化法以玉米 甘蔗 木薯
等生物质发酵制取乙醇
目前在我国及世界范围内
使用最广的是生物发酵法
发酵法是以可发酵糖为原料
通过酵母等微生物的代谢来产生乙醇
发酵法制得的乙醇的质量分数为6％～10％
并含有乙醛 高级醇 酯类等杂质
经精馏后可得到质量分数为95％的
工业乙醇并副产杂醇油
发酵法根据原材料
和工艺的不同分为第1代 第1.5代和第2代
其中以玉米等粮食作物
为原料的第1代燃料乙醇生产技术
最为成熟稳定
是目前国内最主要的方式
但过度使用容易威胁粮食安全
以秸秆等废弃物
为原料的第二代燃料乙醇生产工艺
目前在国内已经具备产业化示范条件
其原材料来源广泛
是未来我国燃料乙醇的主要发展方向
发酵原料中的主要成分不同
发酵制取燃料乙醇
所采用的生产工艺也不同
表中给出了糖类 淀粉类
和纤维素类生物质
发酵生产乙醇的工艺及技术特点
可见预处理和水解/糖化阶段的区别较大
发酵和乙醇提取精制属于共性技术
差异较小
需要注意
发酵微生物只可利用
可发酵性糖为原料进行发酵
因此发酵时
生物质首先要被水解为糖类才行
例如以甜高粱为原料的进行发酵时
需要经过茎秆初加工 茎秆粉碎 蒸料
酵母引种混合 入池发酵等环节
在酵母菌引入时需要加入蔗糖水解酶
再比如
以淀粉为主要成分的木薯来发酵时
需要经过粉碎 蒸煮 糖化 发酵 蒸馏等环节
在蒸煮阶段使淀粉软化 糊化
在糖化阶段要加入酸或水解酶
当以纤维素为主要成分的
秸秆类生物质为原料发酵时
预处理步骤更复杂
需要除去木质素
溶解半纤维素及破坏纤维素的晶体结构
从而增大酶与纤维素的可接触表面
提高水解产率
其工艺与淀粉和糖类原料
生产燃料乙醇的差别
仅在于预处理与水解工艺
下面我们来了解一下
发酵法制取燃料乙醇的发酵工艺
按照发酵醪注入方式不同
可分为间歇式半连续式
和连续式三种方式
按照物料存在状态可分为固态法发酵
半固态法发酵和液态法发酵
一般固态法和半固态法发酵
都采用间歇式操作
而液态发酵法
既可采用间歇式上发酵醪注入方式
也可采用半连续式和连续式的方式
发酵后的产物中除了乙醇外
还含有大量杂质
其中最主要的组分是水
因此需要对乙醇进行脱水处理
由于95%的乙醇蒸馏时
乙醇与水会形成恒沸物
很难通过蒸馏法进一步提纯得到无水乙醇
为了得到99.5%的无水乙醇
可利用其他类型的脱水方法
例如溶剂萃取 吸附分离
汽提分离 渗透气化等
最后我们了解一下燃料乙醇的应用展望
石油短缺和环保法规的日益苛刻
乙醇替代石油燃料已成为新秀
目前世界上有近20个国家
在大力推广使用乙醇汽油
乙醇汽油呈现出迅猛的发展势头
未来需要继续降低纤维素原料
生产燃料乙醇的成本
生产燃料乙醇的成本
预处理以及水解过程的成本仍然很高
有待在技术和菌种上进一步突破
此外还需要扩大乙醇的利用范围
目前95％来自石油的合成聚合物
都可以从生物质制取乙醇出发
最后还要提高生物质转化工程的技术经济性
总之生物质燃料乙醇技术是一个新兴领域
未来发展空间广阔
好本节内容到此结束谢谢大家
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