使用化石燃料带来严重的大气污染,促使人们加快寻找廉价、清洁和环境友好的可再生能源。生物燃料是目前替代交通运输燃料最具潜力的可再生能源,成为各国研发的重点。其中,生物乙醇是迄今为止最为成功的液体替代燃料。燃料乙醇还可以用作汽油添加剂,提高汽油中的氧含量,促进碳氢化合物的充分燃烧,从而减少排放到大气中的污染物。乙醇还具有输送方便、可与汽油以任意比互溶的优点,因此现有的汽油输送系统也可以用于乙醇输送,添加20%乙醇的汽油-乙醇混合物可以直接用于的汽车发动机中。2017年9月13日,国家发改委、国家能源局等15部委联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》,提出以生物燃料乙醇为代表的生物能源是国家战略性新兴产业,并明确到2020年要在全国范围内推广使用车用乙醇汽油,基本实现全覆盖。生物乙醇的生产按照原料不同可以分成三类:第一代生物乙醇、第二代生物乙醇和第三代生物乙醇。第一代生物乙醇是以粮食为主要原料生产的,如玉米、小麦等;第二代生物乙醇是以木质纤维素生物质为原料,主要有三大类:第一类是糖类生物质原料,包括甜高粱、甘蔗、甜菜等;第二类是淀粉类生物质原料,包括木薯、菊芋、橡子等;第三类是木素纤维素类原料,包括作物秸杆、林业边脚料等。第三代生物乙醇是以藻类为原料。目前,生物乙醇主要由粮食、糖类或淀粉类作物生产。但是,随着粮食价格的不断上涨,土地资源日益紧张,第一代生物乙醇面临“与人争粮,与粮争地”的质疑,因此以粮食为原料的生物乙醇发展受到限制。由木质纤维素类生物质生产的第二代生物乙醇具有突出的资源优势,可以避免与粮食原料的竞争,并且可有效减少温室气体的排放,已成为世界范围内生物乙醇技术的发展趋势。当今世界许多国家将发展生物乙醇技术作为能源战略的重要内容,并在关键生产技术上取得了重要的进展,已建成或在建多套中试生产线及示范性工厂。美国是世界上最大的燃料乙醇生产和使用国,其中绝大多数是以玉米原料的第一代燃料乙醇,2017年,年产量约为4719万吨。巴西是全球第二大生物乙醇生产国,该国50%的甘蔗产量用于生产生物乙醇,2017年产量达2108万吨。欧盟地区的生物乙醇产量也在逐渐上升,2017年产量达423万吨。我国生物乙醇的产量以每年7%¹0%的速度增长,主要以玉米、小麦、陈化水稻、木薯等为原料,生物乙醇产量约为每年260万吨。随着玉米等粮食作物的价格上涨以及国家相关政策的调整,第一代生物乙醇逐渐向第二代生物乙醇过渡,生产原料变为木薯、甜高粱、农作物秸杆、甘蔗等。我国生物质资源十分丰富、分布广、种类多、发展潜力大,每年仅农作物秸秆的产量就达7亿多吨。中国政府十分重视可再生能源产业发展,可再生能源包含生物质能已列入国家战略性新兴产业发展规划,在国家“十二五”、“十三五”可再生能源战略中明确鼓励开发以木质纤维素生产乙醇、丁醇等生物燃料产业化的关键技术。中粮、中石油、河南天冠、山东龙力、安徽丰原等一批企业在纤维素乙醇发展领域投入巨大资金,推动生物乙醇技术的研发。木质纤维素生物质是由纤维素（40⁶0%）、半纤维素（15³5%）、木质素（15²5%）和少量蛋白质、脂类和灰分组成的天然高分子有机聚合物。其中,纤维素是D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键结合的链状聚合物,是植物细胞壁的主要成分之一,化学分子式为(C₆H₁₀O₅)_n,分子量约为2000²0,000,具有结晶结构,不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂,不易被酸或碱水解。半纤维素是指除纤维素和果胶物质以外的,可以溶于碱的细胞壁多糖类的总称,是由两种或两种以上单糖基组成的聚糖类,如D-木糖基、D-甘露糖基和D-葡萄糖基或半乳糖基,其中木聚糖含量占50%以上。聚合度比较低,所含糖单元数在60²00个,分子链较短,有支链,结构比纤维素复杂。木质素是一种无定形的、主要由苯基丙烷单元组成的高分子聚合物,不是多糖。主要分为三种类型,即愈创木基木质素、紫丁香基木质素和对羟基苯基木质素,主要起着保护细胞、输导营养物质的作用。半纤维素、纤维素和木质素通过共价键和氢键紧紧相连,结构稳定,使得任何一种单一的处理方式都很难破坏这种结构。纤维素乙醇的生产过程主要包括预处理、纤维素水解、五碳糖六碳糖发酵、乙醇精馏脱水等单元。木质纤维素原料先经机械粉碎后,采用物理、化学或者生物的预处理方法对原料进行预处理;然后对预处理后的原料进行水解,利用酸或酶将原料中的多糖降解为单糖,降解产物主要是葡萄糖,另外还有部分木糖;接着利用微生物将水解液进行发酵,再经过精馏、脱水等过程变为燃料乙醇。纤维素乙醇生产工艺可以分为四类:分步水解发酵工艺（SHF）、同步糖化发酵工艺（SSF）、同时糖化和共发酵工艺（SSCF）以及直接微生物转化工艺（DMC或CBP）。SHF的特点是纤维素的水解和发酵在不同的容器中进行,因此水解和发酵均可以在最适宜的条件下进行。但是,葡萄糖积累对纤维素酶有抑制作用,水解效果不甚理想;另外,由于在不同容器进行反应,在转移水解产物时容易造成微生物污染。而SSF则正好相反,水解和发酵在同一容器中进行,而且由于水解和发酵同时进行,避免了葡萄糖对纤维素酶的抑制作用。缺点是水解和发酵不能在各自最适宜的条件下进行,温度的高低对微生物的影响很大。SSCF是利用五碳糖和六碳糖共发酵菌株进行同步发酵,提高底物转化率,增加乙醇产量。CBP是选择合适的微生物,使纤维素酶的生产、纤维素的水解和发酵同时进行,直接得到生物乙醇。但是该方法的生产周期较长以及需要寻找高效的微生物,从而限制了该方法的应用。木质纤维素类原料结构复杂、性质稳定,难于被微生物降解。世界各国对于纤维素乙醇的研究虽然取得了很大的进展,但目前仍处于示范工程阶段,仍有较多的技术难题亟需解决,如预处理能耗较高、且对糖的转化效率难以达到理想效果,使后续糖化过程中加入大量纤维素酶以维持较高糖转化率,而纤维素酶的大量使用使生产成本大幅提升;自然界中高效的乙醇发酵菌株几乎都无法利用木糖,目前利用基因工程技术获得的微生物菌株的五碳糖和六碳糖共代谢效率仍然较低,距离工业化应用还相去甚远;另外,在纤维素乙醇生产过程中会产生大量水解残渣,富含纤维素或木质素,是尚未完全利用的生物质资源。水解残渣产量大、来源集中,如不加以处置利用,会造成严重的环境污染。对水解残渣的综合利用程度也影响着水解发酵工艺的经济性。除此之外,纤维素乙醇工厂还会产生另一类有机固体废弃物——污泥,来自污水处理过程,含水率高,有机物含量高,也是需要合理利用的。近年来,传统的污泥处理方式,如土地填埋、农田利用、直接燃烧等技术容易造成二次污染,正面临着越来越严格的行业标准和处理要求。而污泥气化作为一种新兴清洁技术,是一种有效的污泥处理方式,可以消灭病原体、实现减量化,还可以从中回收能量,正受到越来越多的关注。制取的合成气可为生产系统提供蒸汽和动力,有效解决纤维素乙醇工厂固体废弃物的处理处置问题。综上所述,如何充分利用生物质中的各个组分和系统产生的各种废弃物,开发先进的生物炼制技术,提高纤维素乙醇系统的集成水平,从而提高整个系统的经济性,对纤维素乙醇的可持续发展有着重要意义。本课题以农业废弃物玉米芯为原料,建立了玉米芯产乙醇-木糖-热和电的纤维素乙醇生物炼制系统的稳态模型,为减少生产过程中的能量消耗,根据夹点理论设计换热网络。然后,利用有效能分析法和生命周期评价法对生物炼制系统的能量利用效率和对环境造成的影响进行分析评价。最后,对纤维素乙醇生产过程中产生的水解残渣和污水处理系统产生的剩余污泥进行共气化实验,生产高品质燃气,为固体废物能源化寻找新的处理方案。具体研究内容如下:（1）首先,在Aspen Plus平台上建立了玉米芯产乙醇-木糖-热和电的生物炼制系统稳态模型（new scenario,系统图见图1）。玉米芯中的半纤维素没有用来生产乙醇,而是生产高附加值的化学品——木糖,主要出于两点考虑:一是自然界中高效的乙醇发酵菌株几乎都无法利用木糖,目前利用基因工程技术获得的微生物菌株的五碳糖和六碳糖共代谢效率仍然较低,未实现产业化;二是纤维素乙醇的生产工艺复杂、能耗高、成本高,燃料乙醇的国内出厂价格等于90#汽油出厂价格乘以0.911,如果将半纤维素用来生产高附加值的木糖,可以抵消纤维素乙醇生产成本较高的劣势,从而提高整个系统的经济性。New scenario年处理玉米芯87.5万吨,年产10.7万吨纤维素乙醇和10.4万吨木糖、36 MW生物质发电系统。为了比较分析,另外建立了两个参考案例basecase 1（年处理玉米芯87.5万吨、年产10.7万吨纤维素乙醇,48 MW生物质发电系统）和basecase 2（年处理玉米芯87.5万吨、年产18.5万吨纤维素乙醇,38 MW生物质发电系统）,三个纤维素乙醇生物炼制系统所使用的原料、处理规模、运行时间均相同。对三个生物炼制系统进行全流程模拟,包括原料预处理、同步水解发酵、乙醇精馏脱水、污水处理系统和热电系统,并进行物料衡算和能量衡算,分析生产系统的水耗和能耗。然后,在全流程模拟的基础上,利用能量分析软件Aspen Energy Analyzer对系统的用能情况进行诊断,从Aspen Plus模型中提取系统中的冷热流股,按照夹点理论的基本原则设计换热网络（HEN）,回收可利用的余热,减少公用工程用量,为优化纤维素乙醇系统、提高资源利用效率、降低生产成本提供理论依据。New scenario中每吨干玉米芯产乙醇193.1 L（153.2 kg）,小于basecase 2每吨干玉米芯产乙醇334.2 L（265.2 kg）。如果考虑产品的经济价值,new scenario每吨干玉米芯转化的产品的价值为611.8美元,远高于basecase 1的145.2美元和basecase 2的237.8美元。这是因为在new scenario中,玉米芯中的半纤维素组分用来生产高附加值的化学品——木糖。冷热流股通过10个换热器进行换热,可减少36.8%的冷公用工程用量和60.6%的热公用工程用量。消耗蒸汽的单位主要位于原料预处理和木糖浓缩过程,其中,预处理过程的蒸汽消耗占总蒸汽消耗量的12%,木糖浓缩过程的蒸汽消耗量占85%,相当于每生产1 kg木糖消耗蒸汽11.9千克。提高木糖液多效蒸发环节的效率,对整个系统的节能有着重要意义。（2）然后,利用有效能分析法对三个纤维素乙醇生物炼制系统进行有效能评价,通过分析整个系统和各个单元的有效能损失和有效能效率,找出系统中能量转化的薄弱环节,为系统优化和节能改造提供理论依据。计算结果表明:三个生物炼制系统的净能效比为1.4¹.8,表明热电系统产生的电能和热能不仅能满足自身生产需要,过多的电和热可以对外出售。纤维素乙醇生物炼制系统的总有效能效率为64.0⁷1.7%,其中乙醇生产系统的有效能效率最高,为85.0⁸9.9%,高于污水处理系统的总有效能效率69.4⁷1.8%和热电系统的总有效能效率65.5⁶7.0%。热电系统的总有效能效率最低,有效能损失主要是由传热过程造成的。而污水处理系统的有效能损失主要是由于在厌氧和好氧处理过程中有机污染物的降解、热量的散失以及排出系统的废物引起的。（3）接下来,对纤维素乙醇生物炼制系统进行环境影响评价,考察乙醇汽油E10和E85的生产、运输、混配、使用等各个阶段对环境造成的影响,并与传统液体燃料——汽油进行比较。同时,文中的3个模型也与美国可再生能源实验室（NREL）的纤维素乙醇生产模型进行对比。具体研究内容如下:利用生命周期评价软件SimaPro,采用两种功能单位（中型轿车行驶1 km的距离和纤维素乙醇工厂每年处理玉米芯的量）,按照原料和产品的化学有效能对环境影响进行分配,定量分析三个生物炼制系统各阶段（玉米种植、玉米芯运输阶段、乙醇生产阶段、乙醇和汽油的混配与使用阶段）对各种环境负荷（化石燃料消耗、温室气体排放、人体毒性、臭氧层消耗、光化学氧化、酸化、富营养化等）造成的影响,并与传统的汽油生产系统进行对比分析,用于控制纤维素乙醇生物炼制过程对环境造成的影响和指导制定针对性的节能减排措施。研究发现:当使用1 km的行驶距离为功能单位时,乙醇汽油（E10和E85）在化石燃料消耗、温室气体排放和人体毒性方面造成的影响比使用纯汽油要小,这表明E10和E85的使用可以减少对化石燃料的依赖,减小温室气体排放和对人类的毒性。与使用纯汽油相比,每行驶1 km的距离,使用E10的车辆可节省6%的化石燃料,温室气体排放量减小3%¹2%;使用E85的车辆可节省67%⁷2%的化石燃料,温室气体排放量减小21%¹29%。由此可见,使用乙醇汽油对环境造成的影响比汽油要小,且E85要好于E10。然而,如果考虑其他环境指标,生产和使用乙醇汽油在臭氧层消耗、酸化、富营养化等方面造成的环境影响要大于使用纯汽油。从这个角度讲,汽油要优于乙醇汽油。当使用生命周期评价的结果作为制定政策的依据时,目前大多数决策者关注的环境影响是化石燃料消耗和温室气体排放。除此之外,还应适当考虑对其他环境负荷的影响,避免过于片面。相比之下,玉米芯产乙醇-木糖-热和电的生物炼制系统对各个环境负荷造成的影响均较小,这主要是因为该系统除了生产乙醇外,还生产较多的副产品,如木糖、电力和木糖母液,这些副产品可以与乙醇一起分配环境负荷。因此建议开发先进的生物炼制系统,充分利用生物质中的各个组分,生产高附加值的化学品,以达到经济发展和环境保护的双赢目标。（4）最后,以玉米芯生产乙醇后剩余的水解残渣（AHR）和污水处理系统产生的剩余污泥（SS）为原料进行共气化实验,生产高品质的可燃气。以空气为载气、CaO为催化剂,在下吸式固定床气化炉中进行共气化实验,流程图如图2。考察了气化床温度（600⁸00°C）,SS含量（0¹00 wt.%）和当量比（ER,0.15⁰.30）等因素对可燃气品质（组成、热值、产率、焦油产率）和冷气效率（CGE）的影响,为轻工业企业产生的固体残渣提供新的处理方案。首先,将玉米芯水解残渣和污泥分别自然风干、粉碎、过筛,取0.20⁰.45 mm颗粒备用。然后,将两种样品按一定比例混合均匀。将煅烧后的CaO装填在气化炉膛内部距离气化炉底部1/3¹/2位置处,通入空气作为载气。待温度稳定后,将混合颗粒加入气化炉进行反应,气化产物经冷凝、过滤、干燥,得到净化的合成气。实验结果表明最佳的共气化条件为:800°C,SS含量为50 wt.%,CaO/C（摩尔比）为1,ER为0.22,生成的可燃气热值（LHV）为6.83 MJ/Nm³,CGE为70.68%,粗燃气焦油产率为5.84 g/Nm³。在CaO存在的条件下,气化温度的影响可以概括为两方面:低温（600°C）时,CaO主要作为CO₂吸收剂,可以降低可燃气中CO₂的含量;高温（700⁸00°C）时,CaO主要作为催化剂,促进焦油裂解,从而改善燃气品质（提高热值和降低焦油含量）,提高气化效率CGE。AHR和SS在共气化过程中可以发生协同效应,在AHR中添加50wt.%的SS,可以改善燃气品质,气体热值和CGE分别达到最大值6.42 MJ/Nm³和67.33%。可能是由于SS中含有的金属元素充当催化剂,促进了AHR和SS的热化学转化过程,协同效应的机制将在今后的工作中深入探讨。实验结果表明,AHR和SS共气化可以作为轻工业企业固体废物处理和能量回收的一种技术参考,如食品、饮料、添加剂、调味料、医药等行业产生的甘蔗渣、白酒糟、酒精糟、醋糟、茶渣、咖啡渣、中药渣和菌渣等,以及城市污泥处理厂产生的污泥或其它工业污泥。