張歡歡，王圓圓，閻振麗，杜朝軍，趙子高，陳玉潔，常春，4

（1.鄭州大學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.車用生物燃料技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 南陽(yáng) 473000；3.南陽(yáng)理工學(xué)院鄭州大學(xué)南陽(yáng)研究院，河南 南陽(yáng) 473004；4.河南省杰出外籍科學(xué)家工作室，河南 鄭州450001）

0 引言

化石能源的消耗以及由其引發(fā)的碳排放問(wèn)題正迫使人們尋求新的可再生能源。作為綠色生物燃料，燃料乙醇一直備受關(guān)注。燃料乙醇是指體積濃度達(dá)到99.5%以上的無(wú)水乙醇，可補(bǔ)充替代化石能源，減少溫室氣體和污染物的排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球燃料乙醇總產(chǎn)量為986.44億L，混配出的乙醇汽油超過(guò)同期全球車用汽油消耗總量的60%。美國(guó)是全球第一大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)和乙醇汽油消費(fèi)國(guó)，其燃料乙醇年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的53%，其次是巴西和中國(guó)[1]。我國(guó)力爭(zhēng)到2025年實(shí)現(xiàn)纖維素燃料乙醇規(guī)?；a(chǎn)，實(shí)現(xiàn)CO2減排37%，并計(jì)劃到2030年減排43%[2]，2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

在“雙碳”目標(biāo)下，大力發(fā)展生物燃料乙醇是我國(guó)長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略。但是，燃料乙醇生產(chǎn)工藝具有流程復(fù)雜、技術(shù)集成度低、成本高等問(wèn)題，而且生產(chǎn)和使用燃料乙醇過(guò)程中可能會(huì)在臭氧層破壞、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化等方面對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。因此，全面分析燃料乙醇生物煉制技術(shù)，優(yōu)化燃料乙醇煉制系統(tǒng)，開(kāi)展燃料乙醇全生命周期分析，有助于客觀評(píng)價(jià)燃料乙醇技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性和對(duì)環(huán)境的影響，促進(jìn)燃料乙醇煉制技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新。

1 燃料乙醇煉制技術(shù)

典型的燃料乙醇生產(chǎn)工藝主要由預(yù)處理、酶解、發(fā)酵、精餾、廢醪液處理及副產(chǎn)品利用等單元組成。目前，以糧食為原料的燃料乙醇已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)，但如何進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)以纖維素為原料的燃料乙醇商業(yè)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如纖維素酶價(jià)格高、乙醇收率較低、原料預(yù)處理和乙醇精餾過(guò)程能耗大、廢水處理會(huì)增加環(huán)境成本等。需要指出的是，在燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程中，在得到目標(biāo)產(chǎn)品的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生木質(zhì)素、酒糟等高附加價(jià)值副產(chǎn)物，將這些副產(chǎn)物增值利用可以增加收益，有效抵償燃料乙醇的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)性。

1.1 生物質(zhì)原料

根據(jù)生產(chǎn)原料的不同，將燃料乙醇分為四代（1G，2G，3G和4G），四代不同燃料乙醇所用原料、轉(zhuǎn)化工藝及特點(diǎn)如表1所示。其中，第二代（2G）燃料乙醇是本文論述的對(duì)象。

表1 四代不同燃料乙醇所用原料Table 1 Raw materials used for four generations of different fuel ethanol

1.2 預(yù)處理

近年來(lái)，除了傳統(tǒng)預(yù)處理方法的組合外[如稀酸（Dilute Acid，DA）與水熱預(yù)處理（Hydrothermal Pretreatment，HTP）組合等]，研究報(bào)道了一些新穎的預(yù)處理方法，如離子液體（Ionic liquids，ILs）預(yù)處理、γ-戊內(nèi)酯（γ-valerolactone，GVL）預(yù)處理、低共熔溶劑或稱深度共熔溶劑（Deep Eutectic Solvents，DESs）預(yù)處理、共溶劑增強(qiáng)木質(zhì)纖維素分餾（Co-solvent Enhanced Lignocellulosic Fractionation，CELF）預(yù)處理、氨浸（Extractive Ammonia，EA）預(yù)處理、微生物聯(lián)合體生態(tài)位預(yù)處理[9，10]。這些方法能更有效地實(shí)現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分離，同時(shí)具有綠色經(jīng)濟(jì)、安全高效和環(huán)境友好的特點(diǎn)，有助于后續(xù)纖維素酶的選擇、酶解工藝優(yōu)化和酶解機(jī)理研究等。此外，固體酸催化劑（如碳基固體酸）具有選擇性高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，也被應(yīng)用于LCB預(yù)處理過(guò)程中。一些預(yù)處理技術(shù)匯總?cè)绫?所示。

表2 預(yù)處理技術(shù)Table 2 Pretreatment technology

生物質(zhì)類型、組成和預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)生物煉制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和規(guī)模擴(kuò)大有重要影響，如：甘蔗渣用SE預(yù)處理，纖維中C6糖的回收率和液體中C5糖的回收率均較高；經(jīng)氨溶液預(yù)處理的玉米秸稈已被證明有較高的糖產(chǎn)量[14]；青霉菌能夠有效降解LCB，添加0.3%的青霉菌可提高漆酶的活性，同時(shí)提高秸稈中木質(zhì)纖維素的降解率[15]。因此，應(yīng)根據(jù)生物質(zhì)原料的物理化學(xué)性質(zhì)，選擇合適的預(yù)處理方法、組合現(xiàn)有的預(yù)處理方式或開(kāi)發(fā)一種通用的預(yù)處理方法來(lái)高值化利用不同的生物質(zhì)，以促進(jìn)生物燃料和增值產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。

1.3 水解糖化與發(fā)酵

水解糖化分為酸水解與酶水解；發(fā)酵分為連續(xù)發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵和分批發(fā)酵。發(fā)酵過(guò)程與酶水解耦合。糖化發(fā)酵工藝分為5種：直接微生物轉(zhuǎn)化（Direct Microbial Transformation，DMT）法[又稱聯(lián)合生物加工（Combined Biological Processing，CBP）法]、非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵（Non-isothermal Simultaneous Saccharification Fermentation，NSSF）法、分步水解發(fā)酵（Step by Step Hydrolysis Fermentation，SHF）法、同步糖化共發(fā)酵（Simultaneous Saccharification and Co-fermentation，SSCF）法和同步糖化發(fā)酵（Simultaneous Saccharification and Fermentation，SSF）法[16]。其中，SHF法發(fā)酵時(shí)間較長(zhǎng)，所需設(shè)備多、投資大，能耗高，但乙醇產(chǎn)率高；與SHF法相比，SSF法成本低、周期短、效率高，更具潛力，但產(chǎn)物中的乙醇含量較低；SSCF法利用基因工程，重組酵母，但菌種不易獲得；CBP法是乙醇和發(fā)酵酶共生，由于纖維素酶生產(chǎn)成本低，可有效降低燃料乙醇的生產(chǎn)成本，但CBP法的乙醇產(chǎn)量低，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)菌種難度大[17]。此外，還有采用固定化細(xì)胞技術(shù)進(jìn)行發(fā)酵[18]，其設(shè)備利用率高，可連續(xù)發(fā)酵，且發(fā)酵周期短，固定化細(xì)胞可反復(fù)使用，乙醇產(chǎn)率高、污染小，但固定化載體易結(jié)垢、易受雜菌污染。

酶解糖化與發(fā)酵過(guò)程中存在纖維素酶活性低、重復(fù)利用率低以及酶水解生產(chǎn)周期長(zhǎng)致使成本增加等問(wèn)題，因此，研制高效的酶制劑、設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器（如微流體反應(yīng)器，可提高生物乙醇的質(zhì)量和產(chǎn)量[19]）、將纖維素酶生產(chǎn)工藝與乙醇發(fā)酵工藝相結(jié)合是有效的解決措施，可有效減少酶成本，構(gòu)建高效經(jīng)濟(jì)的糖平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)纖維素燃料乙醇煉制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[20]。Liu X開(kāi)發(fā)了一種無(wú)酶機(jī)械催化糖化工藝，將P2O5與木質(zhì)纖維素混合研磨，然后連續(xù)水解成可發(fā)酵糖，用NaOH中和水解產(chǎn)物，得到磷酸鈉（作為一種營(yíng)養(yǎng)，可促進(jìn)酵母生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵）。因此，無(wú)酶機(jī)械催化工藝可能成為L(zhǎng)CB酶解糖化工藝的一種有競(jìng)爭(zhēng)力的替代方法，并為生產(chǎn)燃料乙醇和充分利用整個(gè)生物質(zhì)組分提供了可能[21]。

1.4 蒸餾技術(shù)

乙醇的蒸餾技術(shù)有很多，如簡(jiǎn)單雙塔體系、三塔差壓蒸餾體系、真空精餾體系、蒸汽再壓縮體系、多效蒸餾體系、六塔試劑乙醇體系、精餾聯(lián)合分子篩脫水、膜法滲透汽化技術(shù)等。在美國(guó)應(yīng)用最廣泛的ICM（International Creative Management）工藝，即采用全負(fù)壓的精餾方式，將粗塔、精塔和汽提塔相結(jié)合，供熱可采用低品位蒸汽，同時(shí)，采用熱耦合技術(shù)為熱液化、精餾及蒸發(fā)供熱[22，23]。此外，通過(guò)熱耦合技術(shù)將余熱綜合利用，能夠顯著降低熱能消耗，節(jié)省生產(chǎn)成本，提高綜合效益。膜法滲透汽化技術(shù)也是一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。鄧衍宏提出了繼代晶種法合成NaA分子篩膜（具有重復(fù)性好、通量高、選擇性高和致密的優(yōu)點(diǎn)）技術(shù)，該技術(shù)可對(duì)廢棄的母液進(jìn)行有效利用，具有良好的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，為膜法生物燃料乙醇的生產(chǎn)提供了技術(shù)支持[24]。

2 煉制系統(tǒng)優(yōu)化

燃料乙醇煉制系統(tǒng)是一個(gè)具有多反應(yīng)底物、多反應(yīng)類型（物理、化學(xué)、生化）、多物流和能流耦合的復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)。由于目前還沒(méi)有成熟的商業(yè)化生產(chǎn)模式，研究者多采用系統(tǒng)流程模擬的方法對(duì)其進(jìn)行建模及優(yōu)化。常用的流程模擬軟件有ProSim，PROⅡ，gPROMS，ChemCAD，SuperPro Designer和Aspen Plus等。近年來(lái)，許多研究者基于燃料乙醇煉制系統(tǒng)模擬方法，嘗試對(duì)燃料乙醇煉制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并取得了重要的優(yōu)化結(jié)果。

Silva A R G D[25]使用Aspen Plus軟件模擬玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的生物煉制過(guò)程，模擬了DA，HTP，SE，AFEX和OS等預(yù)處理方法對(duì)燃料乙醇煉制系統(tǒng)的影響，模擬結(jié)果表明：DA預(yù)處理方法可獲得最高的乙醇轉(zhuǎn)化率，但成本較高；AFEX和OS預(yù)處理方法在低壓蒸汽、中壓蒸汽和冷卻水等方面的消費(fèi)成本最高，CO2排放量最高，分別為78.8萬(wàn)t/a和76.3萬(wàn)t/a，而SE預(yù)處理方法的CO2排放量為48.6萬(wàn)t/a；DA預(yù)處理方法的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)為3 920萬(wàn)$/a，CO2排放量為8.4萬(wàn)t/a；AFEX預(yù)處理方法的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)為1 990萬(wàn)$/a，CO2排放量為6.8萬(wàn)t/a。

Liu F[26]研究了以LCB為原料，結(jié)合熱和電生產(chǎn)乙醇和木糖的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要由預(yù)處理、木糖和乙醇生產(chǎn)、廢水處理和熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Heat and Power，CHP）系統(tǒng)組成，年處理能力約為34萬(wàn)t玉米芯，年產(chǎn)無(wú)水乙醇4萬(wàn)t，木糖晶體5.16萬(wàn)t，由于副產(chǎn)物木糖的價(jià)值較高，該系統(tǒng)單位生物質(zhì)原料的產(chǎn)值比其他系統(tǒng)高得多。劉芳[27]利用能量分析軟件Aspen Energy Analyzer對(duì)CHP系統(tǒng)的用能情況進(jìn)行了分析，從Aspen Plus模型中提取冷、熱流股，按照夾點(diǎn)理論的基本原則設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明，乙醇-木糖-熱和電的生物煉制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型的冷、熱流股通過(guò)10個(gè)換熱器進(jìn)行換熱，可減少36.8%的冷公用工程用量和60.6%的熱公用工程用量。

周凱[28]利用Aspen Dynamic軟件，采用NRTL（Non-random two liquid）物性方法在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上對(duì)乙醇-水體系的精餾塔裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)湊試法和系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試法進(jìn)行驗(yàn)證并對(duì)比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential coefficient，PID）參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以保持液位、流量、壓力和溫度等過(guò)程參數(shù)穩(wěn)定。結(jié)果表明，當(dāng)過(guò)程參數(shù)波動(dòng)很小時(shí)，采用PID控制器可使過(guò)程參數(shù)快速趨于穩(wěn)定，而當(dāng)過(guò)程參數(shù)波動(dòng)較大時(shí)，需要采用比值控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化過(guò)程控制，進(jìn)而優(yōu)化精餾塔裝置的控制結(jié)構(gòu)。

蔣亞楠[29]研究了含有異丁醇、異戊醇和正丙醇的多組分乙醇分離體系，以二甲基亞砜為萃取劑，提出了熱集成等效四塔萃取精餾、常規(guī)四塔萃取精餾和熱集成三塔萃取精餾。采用Aspen Plus軟件對(duì)3個(gè)萃取精餾流程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，Aspen Dynamics軟件對(duì)精餾塔進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)比分析可知：熱集成等效四塔萃取精餾流程有效降低了萃取乙醇的年度總費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)性；采用高值選擇器輔助回流比控制器改善了進(jìn)料擾動(dòng)時(shí)的滯后問(wèn)題，減小了瞬時(shí)偏差；采用雙溫度控制結(jié)構(gòu)可減小穩(wěn)態(tài)偏差，提高產(chǎn)品純度。

通過(guò)以上對(duì)燃料乙醇煉制系統(tǒng)優(yōu)化的分析可知，利用Aspen Plus軟件對(duì)燃料乙醇的生物精煉廠進(jìn)行模擬時(shí)，大多數(shù)研究都是基于穩(wěn)態(tài)模擬，但在化工生產(chǎn)過(guò)程中，裝置運(yùn)行效率、產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量、生產(chǎn)操作的經(jīng)濟(jì)性與安全性均受到諸多因素的影響。例如，對(duì)精餾系統(tǒng)進(jìn)行熱集成改造過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果顯示，改進(jìn)后的過(guò)程可取得顯著的節(jié)能效果，但對(duì)過(guò)程的可控性、過(guò)程在擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)情況以及在何處設(shè)置換熱器來(lái)保證過(guò)程的可操作性能等問(wèn)題，均不能通過(guò)穩(wěn)態(tài)模擬解決，因此，需要用Aspen Plus Dynamics軟件對(duì)燃料乙醇煉制工藝進(jìn)一步完善。

3 燃料乙醇碳減排

3.1 生命周期評(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是系統(tǒng)性的從源頭防止和降低環(huán)境影響的評(píng)價(jià)工具。LCA研究包括目的和范圍的確定、生命周期清單分析、影響評(píng)價(jià)和解釋，4個(gè)階段相互關(guān)聯(lián)[30]，對(duì)產(chǎn)品整個(gè)工藝過(guò)程的資源利用、經(jīng)濟(jì)效益、能源效益、環(huán)境影響和社會(huì)影響進(jìn)行全面分析。因此，研究者們采用全生命周期分析方法對(duì)燃料乙醇進(jìn)行可持續(xù)性分析，有助于預(yù)防和減少環(huán)境污染、提高產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)研究產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向及政策制定具有重要參考意義。LCA常用軟件有eBalance，GREET，SimaPro，OpenLCA，Gabi等。

3.2 燃料乙醇碳排放分析

目前，依據(jù)LCA基本原理，常見(jiàn)的碳足跡測(cè)量方法有3種。第一種是以過(guò)程分析為基礎(chǔ)的“自下而上”模型，又稱生命周期分析法（LCA）；第二種是以投入產(chǎn)出分析為基礎(chǔ)的“自上而下”模型，該模型根據(jù)產(chǎn)品生命周期流程圖，收集并定量描述各工藝單元的溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放數(shù)據(jù)，GHG排放用CO2當(dāng)量表征，GHG排放強(qiáng)度也被稱為碳強(qiáng)度（Carbon Intensity，CI），CI表示一種燃料提供1 MJ能量所產(chǎn)生的CO2當(dāng)量（CO2，CO，CH4，HC，N2O，CF4和NOx的CO2當(dāng)量值分別為1，31，21，12，269，6 500和282）[31]；第三種是基于聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）清單碳足跡核算法，各種GHG的排放量采用IPCC編制的國(guó)家GHG清單和對(duì)應(yīng)排放因子進(jìn)行計(jì)算，其數(shù)據(jù)易得、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)捷，但間接GHG排放不易計(jì)算，且選取區(qū)域性排放因子有一定困難[31]。

歐盟利用LCA法研究了不同原料生產(chǎn)乙醇的CO2固存能力，并規(guī)定CO2固存能力低于60%的燃料將不再被認(rèn)定為“生物燃料”[32]。以玉米、小麥、甘蔗、纖維素和秸稈為原料生產(chǎn)乙醇的CO2固存能力分別為31%，34%，71%，90%和87%[32]，由此可知，相比于1 G燃料乙醇，以秸稈和纖維素生物質(zhì)為原料的2G燃料乙醇具有很大的碳減排潛力。

燃料乙醇的工藝路線眾多，多數(shù)研究顯示出燃料乙醇具有明顯的碳減排效用。Dunn J B[33]研究了LCA在玉米秸稈、柳枝稷和芒草生產(chǎn)乙醇中的應(yīng)用，以及生物燃料可能導(dǎo)致土地利用變化（Land Use Change，LUC）的GHG排放估計(jì)。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)汽油相比，芒草燃料乙醇減排GHG的效果最好，其次是玉米秸稈燃料乙醇、柳枝稷燃料乙醇。隨著LCA方法和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完善，預(yù)測(cè)LUC、地上碳、地下碳以及影響土地的其他物理變化的經(jīng)濟(jì)模型也在不斷改善，LCA實(shí)踐者應(yīng)將這些改善納入生物燃料生命周期GHG排放的估計(jì)中。

Lask J[34]對(duì)芒草燃料乙醇的生命周期進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)液體熱水（Liquid Hot Water，LHW）、稀硫酸和稀氫氧化鈉預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：芒草乙醇在交通運(yùn)輸領(lǐng)域具有減少GHG排放的潛力，對(duì)生命周期氣候變化的影響（以提供1 MJ能量所產(chǎn)生的CO2當(dāng)量計(jì)）為0.03～0.061 kg/MJ；就不同的預(yù)處理方式而言，稀硫酸和LHW預(yù)處理的減排潛力要大得多。魏庭玉[35]計(jì)算了生物化學(xué)轉(zhuǎn)化制取燃料乙醇、快速熱解超臨界乙醇提質(zhì)制取生物油、氣化費(fèi)托合成制取生物航空燃料3條路線中各環(huán)節(jié)的環(huán)境影響潛值，主要考慮7種環(huán)境影響：全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP）、酸化潛值（Acidification Potential，AP）、富營(yíng)養(yǎng)化潛值（Eutrophication Potential，EP）、非生物資源耗盡潛值（Depletion Potential of Abiotic Resources，ADP）、光化學(xué)臭氧生成潛值（Photochemical Ozone Creation Potentials，POCP）、臭氧層耗盡潛值（Ozone Depletion Potential，ODP）、人類毒性潛值（Human Toxicity Potential，HTP）。研究結(jié)果顯示：玉米種植與秸桿收集過(guò)程導(dǎo)致了GWP和HTP的升高，主要原因在于我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)藥、化肥大量甚至過(guò)量使用及其上游生產(chǎn)過(guò)程的能耗與排放造成的；預(yù)處理和水解發(fā)酵過(guò)程中使用的化學(xué)品較多，GWP分別占13.7%和1.6%，ADP分別占24.5%和18.1%；產(chǎn)物分離與后處理階段包含了廢棄物處理與排放過(guò)程，尤其是燃燒煙氣（含有少量酸性氣體，如SOx，NOx）和無(wú)機(jī)鹽廢水排放，對(duì)環(huán)境影響較大，AP，ODP，EP分別為86.6%，99.8%和96.7%。

生物質(zhì)能-碳捕集與封存（Bioenergy with Carbon Capture and Sequestration，BECCS）是一種有價(jià)值的碳減排技術(shù)，可有效助力負(fù)碳的生物經(jīng)濟(jì)并提供碳中性能量。Yang M[36]研究了使用高粱生產(chǎn)燃料乙醇過(guò)程中的沼氣升級(jí)為可再生天然氣（Renewable Natural Gas，RNG）和CO2捕集與封存（CO2Capture and Storage，CCS）技術(shù)對(duì)生命周期溫室氣體和經(jīng)濟(jì)的影響。結(jié)果表明：與汽油（GHG排放量為93 g/MJ）相比，高粱燃料乙醇具有減少約70%GHG排放的潛力，有利于減少生物精煉廠的碳足跡；采用CCS技術(shù)可顯著降低GHG足跡，并能將碳減排成本降低至52～78$/t。Lask J[37]用芒草結(jié)合CCS技術(shù)生產(chǎn)燃料乙醇，使用芒草燃料乙醇替代汽油時(shí)，可有助于減少交通領(lǐng)域的GHG排放，減少潛力為104%～138%。因此，BECCS是實(shí)現(xiàn)“碳中和“的有效策略，但其面臨土地可用性和CO2儲(chǔ)存能力的限制、社會(huì)經(jīng)濟(jì)障礙、政策保障充分性、實(shí)施困難以及其他可持續(xù)性問(wèn)題，仍需深入探索，以確保BECCS是一種經(jīng)濟(jì)上可行的技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外很多研究者采用不同生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇并采用不同的方法進(jìn)行全生命周期分析，進(jìn)一步證實(shí)了燃料乙醇的低碳環(huán)保優(yōu)勢(shì)。Lyu H[38]提出了利用纖維素C5糖等全組分生產(chǎn)燃料乙醇的綜合工藝，研究了纖維素C5糖不同利用方式對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)的影響，結(jié)果表明，以纖維素C5糖為原料的燃料乙醇生產(chǎn)工藝性能較好，其凈能量比和可再生性分別為0.94，1.09，GWP為2 929 kg CO2當(dāng)量。QinZ C[39]采用LCA方法對(duì)燃料乙醇的GHG排放量進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，燃料乙醇全生命周期的GHG排放（36～39 g/MJ）符合美國(guó)環(huán)境保護(hù)局為D3乙醇制定的GHG減排閾值。Pang B[40]提出并評(píng)價(jià)了乙醇、木糖和膠粘劑（Ethanol-Xylose-Adhesive，EXA）生物煉制工藝，該工藝以農(nóng)業(yè)廢料玉米芯為原料，可連續(xù)生產(chǎn)乙醇、木糖和粘合劑，總碳利用率為79.6%，通過(guò)將蒸汽源由煤改為生物質(zhì)，GHG排放減少60%。Vera I[41]研究了8種木質(zhì)纖維素能源作物（芒草、柳枝稷、巨型蘆葦、蘆葦金絲雀草、刺菜薊、楊樹(shù)、柳樹(shù)和桉樹(shù)）生產(chǎn)燃料乙醇的碳足跡。結(jié)果表明，利用來(lái)源于邊際性土地的能源作物生產(chǎn)纖維素燃料乙醇可以減少CO2排放，且木本能源作物生產(chǎn)乙醇工藝的碳減排表現(xiàn)優(yōu)于草本能源作物。利用邊際土地種植木質(zhì)纖維素能源作物以獲得可持續(xù)生物質(zhì)，可以最大限度地減少土地競(jìng)爭(zhēng)，減少負(fù)面環(huán)境影響。因此，合理利用并量化邊際土地生產(chǎn)的LCB可以優(yōu)化生物質(zhì)能源系統(tǒng)的實(shí)際可用潛力。

將不同研究者對(duì)不同原料生產(chǎn)的燃料乙醇的碳減排分析結(jié)果匯總于表3。由表3可以看出，無(wú)論采用何種纖維素原料，即使將LUC的GHG排放也算在內(nèi)，生物燃料乙醇也比汽油更能減少GHG排放，這主要是由于乙醇中的生物源碳取代了汽油中的化石碳。

表3 不同原料纖維乙醇碳減排分析Table 3 Carbon reduction analysis of cellulosic ethanol from different raw materials

4 結(jié)語(yǔ)

①開(kāi)發(fā)綠色高效的預(yù)處理技術(shù)、酶解發(fā)酵技術(shù)、高效生產(chǎn)菌株及工程改造技術(shù)、分離提純技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)，并將技術(shù)優(yōu)化集成，是提高生物煉制系統(tǒng)效率和燃料乙醇產(chǎn)能的關(guān)鍵。利用生物質(zhì)廢棄物進(jìn)行燃料乙醇與其他附加值產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn)是提高燃料乙醇競(jìng)爭(zhēng)力的有效策略。

②利用Aspen Plus軟件對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)工藝進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化，可以探索出經(jīng)濟(jì)高效的工藝路線。而實(shí)際生產(chǎn)中存在多種不確定因素，如進(jìn)料量或進(jìn)料組成的改變均會(huì)對(duì)整個(gè)工藝造成影響，所以后續(xù)可以利用Aspen Plus Dynamic軟件對(duì)各個(gè)精餾塔的動(dòng)態(tài)控制開(kāi)展模擬研究，使模擬過(guò)程更接近實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，從而為纖維素燃料乙醇生產(chǎn)工業(yè)化提供理論指導(dǎo)。

③燃料乙醇代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑCA研究表明，與化石燃料相比，生物煉制系統(tǒng)可以節(jié)能減排，對(duì)促進(jìn)“碳中和”具有重要意義。充分利用BECCS技術(shù)、土壤碳封存技術(shù)等環(huán)保有效的CO2減排技術(shù)，可以帶來(lái)更多的減排效益，有利于建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。