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玉米及其秸秆作为可再生能源利用模式的探讨

信息来源:eoozoo.com  时间:2006-05-30  浏览次数:137

  农村多以农作物秸秆作为能源做饭、烧水和取暖。秸秆直接燃烧既浪费秸秆又不卫生,还造成环境污染。有的农民在大地里焚烧秸秆,不但浪费资源,污染环境,有时还会影响飞机的正常起飞和降落。面对石油供需矛盾和常规能源日渐枯竭和秸秆的不科学利用,我们应该开发和利用可再生能源研究出科学利用秸秆的方法,解决能源不足和大量焚烧秸秆带来的问题。
  多年来,人们对玉米及其秸秆作为可再生能源利用进行了大量的研究,成功地探索出玉米及其秸秆作为可再生能源利用的新设备、新技术和新模式。实践证明,玉米不仅是粮食作物和经济作物,也是可再生能源作物。
  1玉米作为可再生能源的开发与利用
  20世纪70年代世界发生石油危机,巴西政府为了既要发展农业种植业又要解决能源危机问题,制定了以酒精为燃料替代汽油的计划。通过大量的实验和研究,将酒精成功地应用在汽车上,是世界上第一个不供应汽油的国家。据报道,巴西现在已经有1 550万辆汽车,350万辆摩托车使用乙醇汽油,有220万辆汽车使用含水酒精作燃料。据报道,现在世界上已经有20多个国家推广使用乙醇汽油。
  自1999年以来,我国开始着手研究以玉米为原料制造燃料乙醇。
  1.1以玉米为发酵原料制造燃料乙醇
  1.1.1燃料乙醇的制造。用玉米制造乙醇是一种生物转化的太阳能,是一种用之不竭的可再生能源。以玉米作为原料通过发酵、蒸馏等工艺就可以制成乙醇。制造乙醇过程中还可以获得蛋白质饲料、二氧化碳、玉米油和酒精糟液等副产品。生产1l乙醇大约需要3.3 t玉米。2001年我国最大的以玉米为原料制造乙醇项目在吉林省吉林市开始动工,2003年吉林燃料厂投人生产,年产乙醇30万t,该厂计划以后把产量提高到60万t_2J。
  1.1.2乙醇汽油的推广应用。乙醇汽油是将乙醇和汽油按一定的比例配制成的混合物。由于乙醇和汽油在燃料性能上存在着一定的差别,因此在使用乙醇汽油的方法上有两种。一种是应用原有汽油发动机,也就说对原有的汽油发动机不作任何改动。应用原有汽油发动机时,应控制乙醇的加入量。一般情况下将乙醇的加入量控制在5%~22%。另一种是专用发动机,所谓专用发动机就是专门为使用乙醇汽油而研制的发动机。应用专用发动机的乙醇加入量为85%~100%。
  目前,我国推广应用乙醇汽油都是应用原有的汽油发动机,乙醇的加入量为10%,这样不会影响原有汽油发动机的油耗和动力。2003年在吉林省试点推广使用乙醇汽油。2004年,国家发改委等8部委联合发布了《车用乙醇汽油扩大试点方案》。黑龙江、吉林、辽宁、河南和安徽5个省为全省推广应用乙醇汽油。目前,吉林省车用乙醇汽油市场覆盖率接近90%,21304年乙醇汽油销售量达到80万t,辽宁、黑龙江和河南4省省内覆盖率平均达到80%以上。河北、山东、江苏和湖北4个省为部分地区推广应用乙醇汽油,现在我国推广应用乙醇汽油的省份达到9个。
  1.1.3推广应用乙醇汽油的意义。
  (1)乙醇作为能源可替代石油。目前,我国每年消耗汽油4000万t,若全部加入10%的乙醇,则需要400万t乙醇,400万t乙醇可替代400万t汽油。据测算,生产lt汽油需要原油5.7 t,那么400万t乙醇可替代5.7×400=2 280万t原油,几乎接近胜利油田的产量。
  (2)有利于保护环境。乙醇是一种汽油品质改良剂和绿色增氧剂。在汽油中加入乙醇完全可以替代普通汽油中的 MTBE(甲基叔丁基醚)含氧添加剂。由于MTBE对地下水资源有危害作用,因此,在汽油中加入乙醇替代MTBE可以减少对地下水的污染。在汽油中加入10%的燃料乙醇,可使汽油的辛烷值提高3%,氧含量增加3.5%,从而改善了汽油的使用性能,使汽油燃烧更充分、更彻底,能够减少和消除汽车尾气烟雾的形成。据吉林省环保局对省内9个城市使用乙醇汽油的汽车尾气进行跟踪检测的报告显示,与使用普通汽油的汽车比较,使用乙醇汽油的汽车尾气中一氧化碳平均浓度下降了11%,碳氢化合物的平均浓度下降了9.6%。
  (3)有利于粮食转化,促进农民增产增收。玉米长期储藏,致使黄曲霉菌超标,不能食用,变成陈化粮。用陈化粮玉米作原料制造乙醇,使陈化粮玉米转化成能源。吉林省的中西部是黄金玉米带,盛产玉米。常常出现农民增产不增收,卖粮(玉米)难的问题。用玉米生产乙醇可以消耗大量的玉米。假定每年生产400万t乙醇,就可以消耗1 320万t玉米。这样用玉米生产乙醇既可以节省常规能源,又可以解决陈化粮转化问题,同时又解决了农民卖粮(玉米)难的问题。据吉林省和黑龙江省乙醇汽油推广办公室统计,自2004年9月以来,两个省约有100多万辆汽车使用乙醇汽油,拉动地方经济5个百分点,农民人均增加收入56元。
  1.2以玉米酒精糟液为厌氧发酵原料生产沼气玉米酒精糟液是以玉米为原料生产乙醇的废液。生产lf乙醇,大约产生12。15 m3废液。玉米酒精糟液中COD、BOD、SS含量极高,水温很高,pH值呈酸性。玉米酒精糟液是良好的沼气发酵原料。玉米酒精糟液通过大型沼气发酵装置厌氧发酵制取沼气,所制取的沼气可通过输气管道输送到用户直接作为燃料。据报道,河南省南阳天冠集团年产酒精10万t,日产沼气50000 m3,可供40 000户居民生活用气。
  2玉米秸秆作为可再生能源的开发与利用
  2.1玉米秸秆气化生产可燃气近几年来,我国在秸秆热分解气化技术和秸秆气化设备方面做了大量研究工作,自行研制的秸秆气化集中供气技术处于世界领先地位。例如, XFF型生物气化机组及集中供气系统配套技术和用户燃气系统已经进入商品化阶段,并被列人“星火”示范工程,深受农民的欢迎。据报道,秸秆发电项目在青岛市签约。该项目由加拿大瑞威集团再生能源有限公司投资,采用国际上先进的热分解技术,日处理秸秆800t,装机容量为3.6万kW。
  2.1.1秸秆气化原理。以玉米秸秆、玉米蕊等为原料,粉碎后经过气化设备热解、氧化和还原反应转换成可燃气体。秸秆在气化炉里进行不完全燃烧,是在缺氧情况下加热反应的过程,在此过程中碳、氢元素变成一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气。
  玉米秸秆和玉米蕊含水量不超过20%时,l kg玉米秸秆和玉米蕊可产2 m3可燃气。据有关部门检测,一般情况下,司燃气含CO 11%~20%,H,10%一16%,CH4 0.5%~5%, C02 10%~14%,02低于l%,以及少量的硫化氢、焦油和灰尘。可燃气的燃烧值为4000~5 000 kJ/m3。
  2.1.2效益。①秸秆气可以替代常规能源。按l rn3秸秆气替代0.25 l(g标准煤,一户4口之家每天用6 m3秸秆气,每户每年用秸秆气为2 190 m3,则每户每年使用秸秆气可替代548 kg标准煤。②环境效益显著。按lt秸秆替代0.7 t煤计算,则1万t秸秆可替代7 003t煤炭,那么,利用1万t秸秆就可以减少c02排放1.4万t、s02排放140 t、烟尘排放100 t。对于农村家庭来说,使用秸秆气要比直接燃烧秸秆干净得多。③减轻劳动强度和减少做饭时间。使用秸秆气与直接燃烧秸秆比较,可以减轻家庭妇女的劳动强度,同时还可以减少用于做饭的时间1.5~2 h/d。
  2.2以玉米秸秆为厌氧发酵原料生产沼气用秸秆作厌氧发酵原料制取沼气,在我国南方已经推广多年。用秸秆制取沼气常用专用沼气池。把玉米秸秆切成3~5 cm长,入沼气池前在池外堆沤7 d左右,再把玉米秸秆和人畜粪便按照一定的比例装入沼气池内进行厌氧发酵就可以制取沼气。发酵浓度一般控制在25%左右,发酵周期为2~3个月,平均池容产气率为0.4 m3/(m3·d)。所制取的沼气通过输气管道输送到用户作为燃料。据报道,lt玉米秸秆可产沼气1130 m3左右,1 m3沼气热值为20900~22 990 kJ,相当于0.76t标准煤。制取沼气的同时还可获得副产品沼渣和沼液。沼渣可用来喂养猪、鱼等,沼肥可作为有机肥和土壤改良剂,沼液可用来浸种等。
  2.3玉米秸秆过腹后再入沼气池生产沼气玉米秸秆是良好的家畜饲料。玉米秸秆含有30%以上的碳水化合物,2%~4%的蛋白质和0.5%~1%脂肪。一般情况下,玉米秸秆可以直接被食草家畜消化利用,但玉米秸秆经过青贮、黄贮、氨化等处理后,能够提高营养,增加家畜的口感,提高利用率。牛马粪可用来作厌氧发酵原料生产沼气。据报道,聊城市全市建立青贮池80多万m3,年青贮秸秆60万t,养牛11万头,年生产沼气157万m3,沼气用户达6262户。
  2.4以玉米秸秆为原料制造燃料乙醇有关专家指出,目前,全国农村每年能产秸秆7亿t,可转化为1亿t酒精,相当于3个大庆油田。我国每年的玉米秸秆大约有1.5亿t以上,因此,利用玉米秸秆制造燃料乙醇有着良好的前景。但是,目前来看,从技术上我们还要做大量的研究工作。
  3玉米及其秸秆作为可再生能源利用模式
  综上所述,我们归纳出玉米及其秸秆作为可再生能源的利用模式(图1)。
  4建议
  (1)要千方百计地提高玉米的产量。从我国的玉米产量来看,每年能用于生产燃料乙醇的玉米只有1 000多万t,这与我国2004年进口原油达1.227 2亿t相比,相差太多。因此,应该划出专用玉米(生产燃料乙醇专用玉米)生产区,采用转基因等多项技术提高玉米的单产和总产量。
  (2)要加大秸秆制造燃料乙醇技术的研究力度。我国的秸秆产量很高,如果能把秸秆生产成燃料乙醇加以利用,其效益相当可观。
  (3)要研究专用发动机。这里所说的专用发动机是指专门使用乙醇汽油的发动机。随着燃料乙醇的推广应用,乙醇在汽油中的加入量将会逐渐增加,原有的汽油发动机将不再适用,因此必须研究新的专用发动机。
  安徽农业科学,2005,33(11)
  杨春华(吉林农业工程职业技术学院,吉林公主岭136100)

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