玉米基燃料乙醇的綜合效益分析

鈕勁濤，陶 梅，金寶丹

（遼寧工程技術(shù)大學資源與環(huán)境工程學院，遼寧 阜新 123000）

全球經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展帶動了能源需求量的日益增加，目前能源緊缺已成為全球性問題。為緩解能源緊張，人類對開發(fā)利用生物質(zhì)能源寄與厚望。在各生物質(zhì)能源中，燃料乙醇是其中的一個重要方向。中國作為目前世界第二大能源消費國和最大的農(nóng)業(yè)國，發(fā)展燃料乙醇對緩解中國石油短缺具有更加重要的意義。中國于2001年啟動“十五酒精能源計劃”，并要求在汽車運輸行業(yè)中推廣使用燃料酒精。經(jīng)過近10 a的發(fā)展，我國燃料乙醇的年產(chǎn)量已接近200萬t，這其中大部分都是利用玉米、小麥、木薯等為原料生產(chǎn)的。

依據(jù)我國政府規(guī)定，燃料乙醇主要是以E10（添加10%的乙醇）汽油的形式作為汽車燃料來使用的。雖然我國目前已經(jīng)在推廣使用E10汽油，但是大規(guī)模的以農(nóng)作物為原料生產(chǎn)燃料乙醇，并且用其部分代替化石燃料是否可行仍需要進行全面深入的可行性分析。大規(guī)模推行生物質(zhì)燃料乙醇的生產(chǎn)和使用，將不可避免的對推廣使用地區(qū)的社會、經(jīng)濟、能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境與生態(tài)平衡等造成影響。

生命周期評價是一種評估產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝以及活動對環(huán)境產(chǎn)生壓力的客觀過程。它貫穿于產(chǎn)品、工藝和活動的整個生命周期，包括原材料提取與加工、產(chǎn)品制造、運輸以及銷售、產(chǎn)品的使用、再利用和維護、廢物循環(huán)和最終廢物棄置[1]。生命周期評價的傳統(tǒng)指標主要是 3E（Environment，Energy，Economy），但鑒于燃料乙醇的推廣使用會對我國的社會經(jīng)濟和人民生活產(chǎn)生重要影響，所以部分研究者在進行燃料乙醇生命周期評價時又加入了社會影響評價，組成了 3E+S（Social）[2]評價。因此文章在以玉米原料生產(chǎn)燃料乙醇為研究對象進行全生命周期內(nèi)的綜合效益分析時，主要考察其生命周期內(nèi)的環(huán)境性能、能源消耗、經(jīng)濟性以及社會性等方面。通過客觀的綜合效益分析來論證大規(guī)模生產(chǎn)使用燃料乙醇的可行性及現(xiàn)實意義。

1 乙醇汽油的燃料特性

乙醇（C2H5OH）是一種含氧的碳氫化合物，而汽油則是不含氧的C4～C12烴混合物，因而燃料乙醇比汽油更利于發(fā)動機的燃燒完全，具有較高自燃溫度和辛烷值的乙醇可以增強發(fā)動機的抗爆性，并利于提高發(fā)動機的效率。乙醇汽油隨乙醇摻混比例不同其特性變化如表1所示。

（1）隨著乙醇含量的增加，其密度、辛烷值、體積膨脹量都會增加，當摻入量為10%時，密度增加0.6%，辛烷值增加4.2，體積膨脹量增加0.23個百分點。可見E10汽油比普通汽油具有更好的抗爆性能。

表1 乙醇摻入量對燃油的性能影響[3-4]

（2）隨著乙醇含量的增加，其熱值和理論空燃比都略有下降，當摻入量為10%時，熱值和理論空燃比分別減小3.25%、4.05%。可見E10汽油同普通汽油相比其單位熱量降低很有限，一般的汽車發(fā)動機不需改裝就可直接使用，且對汽車的行駛性能不會有明顯影響。

（3）乙醇汽油的含水能力會隨著乙醇添加比例和溫度的增加而增加，因而比汽油具有更強的吸水能力，為了防止因水分過多而影響使用，必須在儲運時做好密封，并盡量減少儲存時間。

2 玉米基燃料乙醇的生命周期分析

一般產(chǎn)品的生命周期主要分為3個階段，即原材料開采和材料使用階段、產(chǎn)品生產(chǎn)及其使用階段、產(chǎn)品報廢及其后處理階段。據(jù)此可將玉米基燃料乙醇的生命周期劃分為玉米生產(chǎn)、乙醇生產(chǎn)、乙醇使用及后處理3個大的階段，如圖1所示。在玉米生產(chǎn)過程需要投入種子、化肥、農(nóng)藥、機械、灌溉用電及柴油等，其產(chǎn)品主要是玉米和秸稈；乙醇生產(chǎn)過程中需要投入煤、電、水和其他輔助原料，其產(chǎn)物除了目的產(chǎn)品乙醇外，還有酒糟飼料（Distiller’s Dried Grains with Solubles,DDGS）、玉米油、面筋粉和沼氣等副產(chǎn)品。這3個階段中除產(chǎn)生了所需要的產(chǎn)物外還伴隨產(chǎn)生了大量的環(huán)境排放，其中有不少是主要的污染物，需要進行環(huán)保處理達標后排放。

圖1 玉米基燃料乙醇生命周期

3 玉米基燃料乙醇的綜合效益分析

玉米基燃料乙醇作為能源使用在其生命周期內(nèi)的各個階段，都對能源、經(jīng)濟、環(huán)境和社會發(fā)展有很大的影響，為判定其是否適宜作為能源大規(guī)模使用，需要從能源、經(jīng)濟、環(huán)境和社會4個方面對玉米基燃料乙醇進行效益分析。

3.1 玉米基燃料乙醇的能源效益分析

燃料乙醇的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)中耗費了大量的能源，為了確定是否適合作為替代燃料使用，必須對燃料乙醇進行全過程的生命周期分析，了解其整個生命周期內(nèi)的能源消耗與產(chǎn)出比率。燃料乙醇生命周期內(nèi)的能量輸入主要有：原料生產(chǎn)過程中的種子、肥料、人力、機械、電力和柴油；乙醇生產(chǎn)過程中的煤、電和人力；整個運輸過程中的燃油、機械、人力等。其中玉米種植和乙醇生產(chǎn)兩個階段，其能源消耗占總能源消耗的90%以上[3]。燃料乙醇生命周期內(nèi)的能量輸出主要是燃料乙醇及副產(chǎn)品（DDGS、玉米油、電能、沼氣）能量。燃料乙醇凈能量值等于生命周期內(nèi)能量總產(chǎn)出減去能量總消耗，這里的能量只考慮從原料種植到燃料乙醇生產(chǎn)過程中的所有一次能量消耗。副產(chǎn)品的能量值對于燃料乙醇的凈能量值有很大的影響，不同原料生產(chǎn)乙醇，產(chǎn)生的副產(chǎn)品種類和數(shù)量差別較大。依據(jù)能量替換法計算玉米原料生產(chǎn)的燃料乙醇能量值可知，在玉米基燃料乙醇的整個生命周期內(nèi)，乙醇的總能量投入是38 842.5 MJ/t，燃料乙醇所產(chǎn)副產(chǎn)品能量為20 587.5 MJ/t，再加上乙醇的能量29 744.8 MJ/t，則生產(chǎn)乙醇的總能量產(chǎn)出達50 362.3 MJ/t，除去投入后的凈能量為11 519.8 MJ/t，投入產(chǎn)出比為77.13%，其值小于1，可知從能量角度分析以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇是可行的。

3.2 玉米基燃料乙醇的經(jīng)濟效益分析

以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇的企業(yè)在循環(huán)經(jīng)濟模式下其內(nèi)部可以形成5個產(chǎn)業(yè)鏈，即玉米→乙醇→DDGS；玉米→玉米油→DDGS；廢水→沼氣→燃料；廢水→污泥→燃料；煤→灰渣→建材[8]。如年產(chǎn)40萬t燃料乙醇的企業(yè)每年還可以生產(chǎn)副產(chǎn)品DDGS 32.8萬t，玉米油2.25萬t，灰及廢渣27.936萬 t，CO233.173萬 t，沼氣 0.352萬 t[5]。這些副產(chǎn)品的銷售或利用可以有效的降低燃料乙醇的單位生產(chǎn)成本，如2006年吉林玉米基燃料乙醇生產(chǎn)成本為4 988.4元/t，但經(jīng)過副產(chǎn)品折算后降為3 921.1元/t[5]。燃料乙醇的成本主要由玉米價格和煤油電價格決定，結(jié)合近4 a我國企業(yè)商品價格指數(shù)CGPI計算后[9]，2010年的生產(chǎn)成本為4 813.2元/t。以國家對燃料乙醇的定向收購價為5 000元/t計，加上生產(chǎn)乙醇政府補貼1 373元/t[10]，玉米基燃料乙醇生命周期內(nèi)的經(jīng)濟效益分析表明，補貼前的利潤率僅為3.88%，加上政府補貼后的利潤率可達32.41%。結(jié)合企業(yè)實際可知，目前該企業(yè)生產(chǎn)模式中還有一些不足，倘若再增補CO2回收、有機肥及其他一些下游產(chǎn)業(yè)鏈[11]，則企業(yè)內(nèi)部的循環(huán)經(jīng)濟模式將更加完善，乙醇成本將進一步降低，所以從經(jīng)濟效益上分析發(fā)展玉米基燃料乙醇也是可行的。

3.3 玉米基燃料乙醇的環(huán)境效益分析

玉米基燃料乙醇在其生命周期內(nèi)產(chǎn)生了許多環(huán)境排放，環(huán)境排放又可以分為直接排放和間接排放，兩者之和稱為完全排放。直接排放是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中直接產(chǎn)生的排放；間接排放是指生產(chǎn)過程投入的原料和能源，在其生產(chǎn)中產(chǎn)生的排放，如玉米種植過程中使用的化肥和柴油，在化肥和柴油生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的排放對于玉米種植過程而言就是間接排放。分析玉米基燃料乙醇的環(huán)境效益，必須考慮其生命周期內(nèi)的完全排放。表2即為單位質(zhì)量玉米基燃料乙醇配比成的E10燃料和普通汽油生命周期內(nèi)的排放值[2，5，12-13]。由于乙醇的熱值小于汽油，因而以汽油能量為基準折算后的排放量將進一步減小，其折算后數(shù)據(jù)與汽油排放量之差和汽油排放量的比值附于表2。

表2 E10燃料和汽油的生命周期排放 （mg/kg）

由表2可知，在整個生命周期內(nèi)，E10燃料的總排放量和汽油的總排放量相當，其中VOC、NOx、CH4和N2O稍大于汽油的排放，而CO、PM10、SOx和CO2明顯小于汽油的排放。則由環(huán)境效益分析可得出，玉米基燃料乙醇部分替代汽油使用總量上不僅沒有增加環(huán)境中污染物的排放，相反還較大幅度的減小了空氣酸化及全球變暖趨勢。

3.4 玉米基燃料乙醇的社會效益分析

燃料乙醇整個生命周期內(nèi)的各個階段都與社會發(fā)展息息相關(guān)，綜合分析其生命周期內(nèi)對社會的影響后總結(jié)其社會效益主要有以下幾個方面：

（1）以玉米為原料生產(chǎn)乙醇并部分替代汽油使用符合中國目前的國情。目前中國北方地區(qū)常年有部分玉米陳化糧難于消化，而中國目前已成為世界第二大石油進口國，能源缺口日益加大，已部分威脅國家能源安全，為此，發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)符合國家需要。

（2）目前政府扶植燃料乙醇企業(yè)，對其產(chǎn)品進行補貼，表面看受益者只有企業(yè)及其員工，實際上廣大的玉米等原料種植戶也從出售原料過程中獲得了利益，這就有利于提高農(nóng)民的收入水平[14]，農(nóng)民的增收必將促進農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展進而鞏固國家糧食安全。

（3）當前的幾家燃料乙醇企業(yè)都是較大規(guī)模的企業(yè)，這些企業(yè)為了提高經(jīng)濟效益，紛紛采用先進的生產(chǎn)技術(shù)并依照循環(huán)經(jīng)濟模式來挖掘企業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)業(yè)鏈，這就不僅使企業(yè)自身達到清潔生產(chǎn)[15-16]，而且還大大地促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的興起，為形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)集群提供了源動力，這也為其他行業(yè)提供了示范作用。

（4）燃料乙醇部分替代汽油使用雖然從排放量上看作用有限，但是考慮到汽油屬于不可再生資源，而乙醇的基礎(chǔ)原料農(nóng)產(chǎn)品是可再生的，所以發(fā)展玉米基燃料乙醇可以提高社會的可持續(xù)發(fā)展性。

（5）燃料乙醇作為一個新的產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)，不僅增加了國家的GDP，而且還增加了社會對知識型人才的需求量，這就有利于提高社會勞動者的整體文明程度。

4 結(jié)論

發(fā)展玉米基燃料乙醇部分替代汽油使用是可行的，但是從能源、經(jīng)濟、環(huán)境和社會角度分析可知，目前的能源利用率還不高，在沒有國家補貼情況下，盈利空間較小，且易受國內(nèi)外原油價格影響，環(huán)境排放上只稍優(yōu)于汽油。因此，在燃料乙醇的未來發(fā)展中，應注重生命周期內(nèi)的綜合效益分析，努力提高玉米產(chǎn)量和乙醇產(chǎn)出比；不斷改進乙醇生產(chǎn)工藝，提高能源利用率；加大科技投入，進一步挖掘新的產(chǎn)業(yè)鏈，以實現(xiàn)廢棄物的綜合循環(huán)利用。

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