|
蘇小軍1，熊興耀1，譚興和2，劉明月1
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南長沙410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南長沙410128)
摘要：我國能源安全正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，潔凈的可再生能源燃料乙醇被認(rèn)為是化石能源的理想替代物。首先介紹了馬鈴薯的基本屬性和以其為原料生產(chǎn)燃料乙醇的必要性；其次在同其它幾種原料比較了生產(chǎn)性能的基礎(chǔ)上，認(rèn)為發(fā)展馬鈴薯燃料乙醇具有一定的優(yōu)勢；最后指出以馬鈴薯為原料生產(chǎn)燃料乙醇在我國有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。
能源是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基本動(dòng)力。長期以來，盡管煤、石油和天然氣的應(yīng)用大大推動(dòng)了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，但其資源卻在不可逆消耗當(dāng)中，無法實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。按照已探明的儲備量和開采速度推算，我國石油的平穩(wěn)供應(yīng)只能維持將近30a，天然氣不足60a，煤炭不足100a。
同時(shí)，石油等化石能源的消費(fèi)也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。我國2001年能源消費(fèi)的CO2排放量約為31.12×108t，占全球能源消費(fèi)CO2排放總量的13.14%，占我國CO2排放總量的90%以上，已成為僅次于美國的世界第二大溫室氣體排放國。大城市污染物中，40%以上的氮氧化合物、80%以上的一氧化碳和70%以上的碳?xì)浠衔锞鶃碜云囄矚馀欧牛囄矚庹莵碜云偷娜紵Ｎ覈鳶O2的排放量已位居世界第一位。煤炭燃燒則是SO2排放的主要來源，占全國大氣塵埃總排放量的87%。SO2排放后所形成的酸雨區(qū)和污染區(qū)已達(dá)我國國土面積的40%以上。可見，我國能源安全正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，發(fā)展?jié)崈舻目稍偕茉匆殉蔀榭沙掷m(xù)發(fā)展的必然選擇。
燃料乙醇是指未加變性劑的、可作為燃料用的無水乙醇，也稱燃料酒精。它是以生物質(zhì)為原料，通過發(fā)酵法，再經(jīng)蒸餾、脫水得以制成。燃料乙醇既可直接作為燃料，也可以作為汽油的添加劑，替代石油等化石能源，廣泛應(yīng)用于燃料、電力、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域。
燃料乙醇是一種清潔的可再生能源，在它的整個(gè)生產(chǎn)與使用循環(huán)中，可以實(shí)現(xiàn)CO2的自身平衡，不增加溫室氣體的排放。而作為車用燃料，它具有以下兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是辛烷值高，抗爆性能好；二是氧含量較高，添入到汽油中后，可增加汽油的含氧量，使其燃燒更充分，從而降低尾氣中一氧化碳、碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)的排放。研究表明，往汽油中加入10%的燃料乙醇后，可使其辛烷值提高3%，含氧量增加3.5%；尾氣中一氧化碳排放量減少30%以上，碳?xì)浠衔锱欧帕拷档?0%以上。
“十五”期間，我國將燃料乙醇的發(fā)展列為十大重點(diǎn)工程之一，并投資50余億元，批準(zhǔn)建立4個(gè)以消化小麥、玉米等陳化糧為主要目標(biāo)的燃料乙醇企業(yè)，年總生產(chǎn)能力超過100萬t。按照“十五”規(guī)劃，我國發(fā)展燃料乙醇分三步走：第一步以陳化糧為原料生產(chǎn)燃料乙醇，并作為含氧添加劑在汽油中摻入10%；第二步在有條件的省區(qū)利用當(dāng)?shù)貎?yōu)勢資源進(jìn)行燃料乙醇生產(chǎn)；第三步就是利用植物秸稈、稻殼等纖維素生產(chǎn)燃料乙醇，并全面推廣。
1馬鈴薯的基本屬性
馬鈴薯又名土豆、山藥蛋等，在我國分布極其廣泛，北起黑龍江，南至南海諸島，東抵沿海之濱和臺灣省，西到青藏高原和新疆，均有種植。由于豐產(chǎn)性好、適應(yīng)性廣、耐旱耐瘠，馬鈴薯已逐步成為人類重要的糧食、蔬菜、飼料和工業(yè)原料。
馬鈴薯塊莖中含豐富的淀粉，高則可達(dá)其鮮重的30%以上。皮層和淀粉層中含豐富的含氮物質(zhì)，這對于微生物發(fā)酵有很重要的作用，可供給酵母菌養(yǎng)料，所以馬鈴薯是天然良好的培養(yǎng)基。從淀粉結(jié)構(gòu)上來看，馬鈴薯淀粉顆粒較大，平均粒徑在30～40μm，微結(jié)晶結(jié)合力較弱，結(jié)構(gòu)松散，吸水膨脹力大，易于糊化。此外，馬鈴薯淀粉分子中還含有親水性較強(qiáng)的磷酸基，也使得其易于吸水膨脹。因此，馬鈴薯可作為燃料乙醇生產(chǎn)的理想原料。薯塊、碎塊、剔除的、未成熟的和受傷的馬鈴薯及馬鈴薯廢棄物等均可被轉(zhuǎn)化成乙醇。
2馬鈴薯燃料乙醇的發(fā)展機(jī)遇
2.1是進(jìn)一步擴(kuò)大我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的需要
我國是一個(gè)能耗大國，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，能源消費(fèi)總量也在不斷增加。“十一五”期間，我國經(jīng)濟(jì)計(jì)劃保持7.5%左右的增長速度，依據(jù)能源消費(fèi)彈性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能源消費(fèi)增長速度將維持在3.375%的水平。如果設(shè)定2010～2020年我國GDP平均增長速度在7%左右，則計(jì)算得出2010～2020年期間我國能源消費(fèi)的增長速度為2.8%。由此推測可知，2010年我國能源需求量將達(dá)到25.47億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2020年將達(dá)到33.57億t標(biāo)準(zhǔn)煤。可見，我國能源供應(yīng)正面臨著越來越大的壓力。
按照《變性燃料乙醇及車用乙醇汽油“十一五”發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》，“十一五”期間，我國將生產(chǎn)燃料乙醇500萬t，到2020年生產(chǎn)燃料乙醇1500萬t。目前，我國燃料乙醇的總生產(chǎn)能力還不足200萬t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到國家的總體需求。因此，無論是為了滿足車用燃油的需求，還是為了緩解能源的供應(yīng)壓力，進(jìn)一步擴(kuò)大燃料乙醇產(chǎn)業(yè)已成了我國能源可持續(xù)發(fā)展的必然要求。
2.2符合燃料乙醇生產(chǎn)原料多樣化的要求
“十五”期間，我國以玉米、小麥等陳化糧為原料生產(chǎn)燃料乙醇的目的是為多余糧食的消費(fèi)找到一條新途徑，增加農(nóng)民的收入和生產(chǎn)的積極性，同時(shí)也可減輕國家保存舊糧的負(fù)擔(dān)，目前這一任務(wù)已基本完成。現(xiàn)階段我國燃料乙醇的生產(chǎn)已經(jīng)開始使用新糧。為了保障國家糧食安全，發(fā)改委明確指出，我國燃料乙醇的進(jìn)一步發(fā)展，不能再用主要糧食作物為原料，需建立新的生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)原料多樣化。
以發(fā)展的眼光看，最終解決燃料乙醇大量使用時(shí)的原料問題，就必須依靠生物技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，通過篩選種植高能、高產(chǎn)生物資源，利用我國大量的農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢棄物資源，實(shí)現(xiàn)纖維素燃料乙醇生產(chǎn)的商業(yè)化。但是，在此之前，包括目前乃至今后較長一段時(shí)間，開發(fā)糧食替代資源，如薯類、甘蔗、甜高粱等經(jīng)濟(jì)作物，才是解決我國目前燃料乙醇生產(chǎn)成本高、原料有限的根本出路。
2.3更加有效地拓展馬鈴薯深加工業(yè)
我國是世界最大的馬鈴薯生產(chǎn)國，擁有豐富的馬鈴薯資源。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的統(tǒng)計(jì)，2005年全世界馬鈴薯的種植面積為1865萬hm2，總產(chǎn)量為32197萬t，我國的種植面積為440萬hm2，總產(chǎn)量為7377萬t，約占全世界的23%。并且在未來幾年里，由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，比較效益明顯的馬鈴薯種植面積將會(huì)大幅度增加。此外，由于耕作方式的改變，如南方冬閑田的利用，也會(huì)使我國馬鈴薯的種植面積快速增長。
盡管我國馬鈴薯的生產(chǎn)居世界第一位，但加工業(yè)卻很薄弱。與發(fā)達(dá)國家相比，我國馬鈴薯的精深加工業(yè)只是剛剛起步，且產(chǎn)品主要為附加值低的初級加工品，真正用于附加值高產(chǎn)品生產(chǎn)的馬鈴薯所占比例很小；而發(fā)達(dá)國家如美國卻高達(dá)50%，深加工企業(yè)多達(dá)300多家。從行業(yè)利用上看，發(fā)達(dá)國家80%的馬鈴薯淀粉用于醫(yī)藥、紡織、造紙及能源工業(yè)等領(lǐng)域，而我國目前90%的馬鈴薯淀粉是用于食品和飼料工業(yè)。因此，面臨當(dāng)前形勢，如何以創(chuàng)新的思路更加有效地發(fā)展我國馬鈴薯深加工業(yè)，是迫切需要解決的問題。
3馬鈴薯生產(chǎn)燃料乙醇的性能比較分析
3.1單位面積燃料乙醇產(chǎn)量的比較
根據(jù)淀粉水解成葡萄糖再轉(zhuǎn)化為乙醇的化學(xué)反應(yīng)過程，可以推算出，1t淀粉理論上可產(chǎn)無水乙醇0.5679t。從表1可以看出，馬鈴薯、甘薯和木薯單位面積乙醇產(chǎn)量較高，小麥最低，玉米其次(均取平均值進(jìn)行比較，下表同)。
3.2生產(chǎn)燃料乙醇的原料成本比較
由表2可以看出，每生產(chǎn)1t燃料乙醇，所需小麥的原料成本最高，其次為玉米；與前兩者相比，馬鈴薯、木薯和甘薯的則較低，具有明顯的比較優(yōu)勢。
3.3生產(chǎn)燃料乙醇的綜合比較
不同類型原料單位面積乙醇產(chǎn)量穩(wěn)定性相對較好，權(quán)重系數(shù)定為60%，分值界定為60～100分。木薯的乙醇產(chǎn)量最高，定為100，小麥的最低，定為60，其余按比例取值。由于原料價(jià)格影響因素多，敏感性強(qiáng)，變動(dòng)性較大，因此原料成本的權(quán)重系數(shù)定為40%，分值界同樣為60～100分。木薯最低，定為100，小麥的最高，定為60，其余按比例取值。單位面積乙醇產(chǎn)量和單位乙醇原料成本均按表1和表2中平均值計(jì)算。
綜合比較結(jié)果按所得分值大小依次為：木薯100、馬鈴薯95、甘薯94、玉米77、小麥60(表3)。需要指出的是，由于原料價(jià)格影響因素多，敏感性強(qiáng)，如果價(jià)格略有變化以及權(quán)重系數(shù)的變化，目前比值接近的原料類別的排序?qū)?huì)發(fā)生變化。
4結(jié)束語
能源、環(huán)境和“三農(nóng)”問題是長期困擾我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的三大重要問題。發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)不僅有助于保證我國能源供應(yīng)安全，改善生態(tài)環(huán)境，而且還能拓寬農(nóng)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，為農(nóng)民增收開辟新途徑。因此，“十一五”期間，進(jìn)一步發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，對于構(gòu)建我國能源安全新體系和促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。
乙醇作為燃料，不僅可作為高端產(chǎn)品用于車用燃油領(lǐng)域，而且還可作為低端產(chǎn)品用于替代工業(yè)燃煤和民用燃料，如用于鍋爐和酒精爐。前者對乙醇的純度要求較高，生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，成本高；而后者則要求較低，生產(chǎn)的工藝簡單，成本低。從市場需求來看，無論是乙醇的高端產(chǎn)品，還是低端產(chǎn)品，在我國都有巨大的市場潛力。因此，進(jìn)一步發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，拓寬生產(chǎn)途徑，也是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求。
原料問題是我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展所需要解決的首要問題。目前由于受成本高、環(huán)境污染大等因素限制，纖維素燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化前景還不明朗，糖質(zhì)和淀粉質(zhì)仍是生產(chǎn)的主要原料來源。我國馬鈴薯不僅資源豐富，而且發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ覈戏浆F(xiàn)有水稻種植地約2000萬hm2，在冬季，除了少部分用于種植油菜外，其余大部分都處于閑置狀態(tài)。
如果拿一部分這些冬閑地，假設(shè)為700萬hm2來種植馬鈴薯，則可使我國的馬鈴薯種植面積翻一番多。按667m2產(chǎn)2t計(jì)算，則可生產(chǎn)馬鈴薯2億t，進(jìn)而可產(chǎn)燃料乙醇2000萬t以上。若讓這些冬閑田全部種上馬鈴薯，則生產(chǎn)出的燃料乙醇比我國汽油的年消費(fèi)總量還多。目前，這種南方冬閑田馬鈴薯栽培技術(shù)已經(jīng)成熟。此外，南方地區(qū)還有大量的山丘荒地可發(fā)展馬鈴薯種植業(yè)。因此，在原料供應(yīng)的規(guī)模和潛力上，馬鈴薯符合我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的要求，可為原料多樣化開辟一條新途徑。同時(shí)，與傳統(tǒng)原料玉米和小麥相比，從上述分析可知，無論是在乙醇產(chǎn)量還是生產(chǎn)成本上，以馬鈴薯生產(chǎn)燃料乙醇均具有明顯的比較優(yōu)勢。而作為一種替代能源，馬鈴薯燃料乙醇的發(fā)展具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：一是馬鈴薯適應(yīng)性強(qiáng)，種植范圍廣，全國各地都可種植。二是馬鈴薯光合效率高，生物產(chǎn)量大，可生產(chǎn)大量的原料，形成產(chǎn)業(yè)；三是馬鈴薯耐干旱、耗水少，種植技術(shù)容易掌握，生產(chǎn)成本較低；四是馬鈴薯既可作為糧食，又可以轉(zhuǎn)化成能源，糧食不足時(shí)它是糧食，糧食有余時(shí)它可加工成燃料乙醇，能夠把國家糧食安全和能源安全有機(jī)地結(jié)合起來；五是能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高耕地的生產(chǎn)效率。
此外，發(fā)展馬鈴薯燃料乙醇產(chǎn)業(yè)也為馬鈴薯的消費(fèi)、產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化和增值提供了一個(gè)新的渠道，可形成一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長領(lǐng)域。它還可帶動(dòng)馬鈴薯種植業(yè)的發(fā)展，最終形成一個(gè)馬鈴薯大產(chǎn)業(yè)，在推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，馬鈴薯燃料乙醇產(chǎn)業(yè)能直接為農(nóng)民創(chuàng)造收入，讓他們能夠從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得實(shí)實(shí)在在的利益。
綜上所述，利用我國的馬鈴薯資源優(yōu)勢，進(jìn)一步發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，對于構(gòu)建國家能源、糧食安全新體系，建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村和促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展有重要意義，前景十分廣闊。 |
