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糖醇能源化工產業

糖醇能源化工產業

以可發酵糖為基礎原料,發酵生產能源產品如乙醇、丁醇等替代汽油、煤油、柴油,或生產化工產品如乙酸、乳酸、檸檬酸、乙烯、化纖、橡膠等替代石油化工產品。這個從植物種植、可發酵糖(工業糖漿)獲得,到生產使用這類能源化工產品的產業稱為糖醇能源化工產業。提出糖醇能源化工產業,以期全部或部分替代石油能源化工產業。

玉米秸稈、高粱秸稈、甘蔗等植物中含有大量的果糖、葡萄糖、蔗糖等可發酵糖,把這些糖從植物中提取並製成糖漿儲存起來。這些糖漿主要用工業發酵,因此稱其為工業糖漿,以區別食用糖漿和製糖工業的廢糖蜜;為便於生產使用上的計量方便,我們又把含可發酵糖50%的工業糖漿稱之為標準工業糖漿,簡稱標漿。標漿獲得的過程如同石油的勘探、鑽井、開採和原油脫水、脫氣、去泥沙製成標準原油一樣。

工業糖漿可長期儲存,遠距離運輸。有了大量恆量、長期穩定的標漿,就可以像現有石油能源化工一樣大量生產糖醇能源化工產品,滿足社會對內燃機用液體能源和有機化工產品的需求。

糖醇能源化工相對於石油能源化工來說,一是可再生的,二是清潔零碳排放。但是石油能源化工對現代社會太重要了,人類須臾不能離開,一旦離開人類便不會過日子了!全球2015年使用石油43億噸,比消耗的糧食(26億噸)還要多,我們能否生產如此海量的工業糖漿呢?!不光是數量要能代替石油,而且在化工品種上、應用領域上也要能完全替代!

一、工業糖漿(標漿)可生產量預測

單糖(果糖,葡萄糖)、雙糖(蔗糖,麥芽糖)等可發酵糖在地球上廣泛存在,所有的植物都是通過光合作用將水和空氣中的二氧化碳合成為單糖,然後再合成為雙糖(蔗糖)、澱粉(糧食)、油脂(大豆、芝麻)、纖維素(棉、麻)、木質素(樹木)等。單糖存在於所有植物的全生命周期中,草木植物一歲一枯榮,從種子發芽到生命結束的周期中,單糖既是植物自養的唯一物質,也是植物成長中合成根、莖、葉、花、果的重要物質。玉米、高粱、甘蔗等農作物在結束生命周期之時,植物莖稈中還合有大量的單糖物質。甘蔗等莖生植物的單糖是為了來年發芽以延續生命周期,玉米、高粱等種子植物植株中的單糖則隨植株死亡,隨時間逐漸分解成二氧化碳重回大氣之中。玉米高粱植株高大,單位面積生物學產量高,經我公司十幾年的資源調查,實驗分析,在其果實(糧食)成熟收穫時,植株中含這些可發酵糖大約在鮮植株總重量的10%左右。以玉米秸稈為例,玉米成熟收穫時,若玉米產量在600公斤/畝時,玉米秸稈產量約2000公斤(2噸),即這2噸玉米鮮秸稈中含有果糖、葡萄糖、麥芽糖等可發酵糖在200公斤/畝,合含可發酵50%的標漿400公斤/畝。但是我們不可能將這些可發酵糖全部提盡,我們目前的工業水平大約只能榨汁60%,汁液含糖10%,做成標漿240公斤/畝(2000×60%×10%÷50%=240),提凈率約60%(240÷400=60%),若提凈率達到80%,則可生產標漿320公斤/畝(400×80%=320)。

若平均每畝玉米秸稈生產300公斤(0.3噸)標漿,5.5億畝(2015年)玉米秸稈可生產1.65億噸標漿(5.5×0.3=1.65)。另外現有生物質中還有0.5億畝高粱秸稈、4億畝秸稈、0.7億畝紅薯葉藤,還有大量的歪瓜劣棗、林間落果、蔬菜剩餘物、甘蔗葉梢、甜菜莖葉等,這些生物質在其青鮮時(而非乾燥后)都可以直接提取可發酵糖生產工業糖漿,我把這些生物質統稱為「糖源」。

更重要的是還有10億畝以上的可治理沙漠沙地鹽鹼地及退化草場,這些土地資源經改造后都可以種植高產高糖的甜高粱生產工業糖漿。我在專著《工業糖漿及糖醇能源化工概述》中預測,工業糖漿(標漿)的年產量可達12億噸。全球其他國家不像的國情一樣人多地少,非洲、澳洲、南北美洲及西亞中亞都是人少地多,我預測到2040年全球可年產標漿200億噸。

二、糖醇能源化工產品品種及應用領域

石油能源化工的產生和發展,帶動人類進入了前所未有的繁榮發展時期,石油能源化工深入到人類生產生活的方方面面,其重要性甚至比糧食還要大,比原子彈的威力還強大!正因為如此,對石油能源化工的研究探索也詳盡深入,在石油能源化工的基礎上發展出一門叫《有機化學》的專科。《有機化學》研究出世界上各種有機物質的區別、聯繫和相互變化的規律性。

石油在《有機化學》中稱之為烴類化合物,是取石油中兩個基本化學元素碳(tan)的聲母和氫(qing)的韻母組成的一個新字烴(ting),因此石油也成為碳氫化合物。糖是《有機化學》中的碳(tan)、氫(qing)、氧(yang)化合物,取碳的聲母(t)和氧的韻母(ang)叫糖(tang)。

自從人類發現了石油的能源化工的用途后,其研究、應用的熱性一直不減。石油的能源用途汽油、煤油、柴油使人類跨越距離障礙的時間變短了,人類的活動範圍變大了,活動強度更強了;石油農業使糧食大幅增產,人類不再遭受飢餓之苦;石油化纖使人類不再唯依賴棉、麻、皮,免遭天氣寒冷之脅迫;石油塑料器具製品比金屬易得比陶器耐用;石油橡膠取代天然橡膠等。另有醫藥、化妝品、香精香料、抗菌殺蟲、洗澡用品等等用途。石油能源化工產品有幾十萬種之多,並且現在仍在持續發展中!以是觀之,借用佛語可謂「功德無量」!

石油能源化工產品品種繁多,應用領域廣泛,有人說石油化工工程師比其他類所有的工程師還要多。但是石油的根本弱點在於其不可再生性,人類剛使用百年便消耗過半;石油的另一個缺點是其污染性,不管怎麼說,石油能源化工都是將地底下的碳元素變成二氧化碳排放到大氣中。因此,石油是不可持續的,人類一定要找到其替代品。糖類化合物與石油的化學組成類似,因此糖類化合物是替代石油的首先目標。

從大類別來論,石油有能源用途和化工用途,那麼糖醇能源化工生產的產品品種和應用領域上是否可以全部替代石油的這兩大用途呢?答曰:可以全部替代,甚至可以開發出更多品種和更廣泛的應用領域!

1、糖醇能源

①、乙醇燃料:乙醇的化學性質與汽油類似。2015年,美國用玉米生產了4400萬噸乙醇燃料,巴西用甘蔗生產了1800萬噸,用部分多餘的糧食和木薯生產了230萬噸,加上歐盟及其他國家,全世界共生產7000多萬噸。應該說乙醇內燃機燃料是已經規模化生產了的,只是因為原料問題而不能繼續大規模擴產。現在我們提出了工業糖漿和糖醇能源化工的概念,在理論上工業糖漿的產量比石油還要多,就可以大規模產業化地生產乙醇燃料。

工業糖漿生產乙醇燃料的化學方程式如下:

可發酵糖生產乙醇的轉化率51%,標漿含可發酵糖50%,考慮到發酵過程的糖損失和乙醇蒸餾過程中的乙醇逃逸率,約4.4噸標漿可生產1噸燃料乙醇(4.4×50%×51%=1.1≈1)。

2015年消費1.2噸汽油,石油原油產成品油率約在60%,1.2億汽油約需2億噸原油(1.2÷60%=2)。若全部換成乙醇,需要約5.3噸標漿(1.2×4.4≈5.3)生產。

乙醇替代汽油還有幾個優點,一是石油煉化汽油需要高溫高壓,脫硫除烯等,設備複雜,能耗物耗高,而標漿發酵生產乙醇在常溫常壓下即可,也無需排雜除害,因此設備簡單,生產安全。二是乙醇燃料的化學成分單純,在內燃機爆燃也容易調整燃點,燃燒充分,其尾氣排放不會有硫化物(SOx)、不會有碳黑碳粒等積碳。

②、丁醇燃料:丁醇的燃燒性質與柴油煤油類似。華北製藥公司和南陽天冠集團都有成熟的生產流水線。丁醇燃料發動機(內燃機)也已經研發成熟,天冠集團接送職工上下班的廠車就是使用的丁醇燃料發動機。

工業糖漿生產丁醇燃料的總方程式如下:

可發酵糖生產丁醇的轉化率為41%。標漿含可發酵糖50%,考慮發酵時糖損失及蒸餾時的逃逸率,約5.5噸標漿可生產1噸燃料丁醇(5.5×50%×41%≈1)。2015年消費柴油煤油約2億噸,約需3.4億噸原油煉製(2÷6%≈3.4)。若全部換成丁醇,需要約11億噸標漿(2×5.5=11)。

③糖電池或乙醇電池:以乙醇或直接以糖為原料,利用原電池的工作原理,使乙醇或糖通過空氣電化學緩慢氧化產生電流為蓄電池充電,再用蓄電瓶驅動電動機工作。在糖源(標漿)充足的社會條件下,也許有一天,汽(油)車將變為糖車或醇車。

2、糖醇化工

石油化工按大類分有兩種,一是生產用量多或基礎性強的化工,如乙烯、塑料、橡膠、化纖、人造革等;二是要求精純精準的精細化工,如化妝品、醫藥、洗滌用品、殺蟲劑等。石油實現化工的基本方法是在高溫高壓條件,使其烷烴分子裂解,裂變成烯類、苯類化合物,再進行合成、聚合等。石油裂解,反應條件苛刻(750-850℃),裂解物成分複雜,需要深冷(零下幾十至一百多度)才能將其分擇出來…

有了這些烯類、苯類物質,才能合成樹脂、橡膠、化纖、人造革等,才能進行精細化工。

①糖醇化工之大化工

乙烯產量消費量是衡量一個國家現代化水平的重要基礎數據,由於石油不足,生產量只有0.2億噸/年,消費量0.3億噸/年。為了彌補缺口,還進行了大量的煤(或甲醇)制烯烴的工作(如寧東煤化工),耗資巨大,價格高昂!

以糖為原料生產烯烴就簡單成熟的多了,例如糖制乙烯,先由糖發酵生產乙醇,乙醇分子內部脫水。總反應式如下:

年使用約0.3億噸乙烯,約需1億噸標漿(1×31%≈0.3),生產設備簡單,反應條件溫和,無環境污染排放物。

②糖醇化工之精細化工

精細化工的原料都是來自於大化工,有了糖→醇→烯技術路徑,就有了大化工的所有原料。不僅如此,實際上有許多精細化工的原料可以接直接由糖而得,比如乙酸就可以直接由乙醇氧化而得,產品質量更純,價格更便宜。有了大化工的各種原料,其他精細化工都可以像石油精細化工的路徑獲得。

三、糖醇能源化工全面替代石油能源化工的大型計算機高模擬模擬

1、2015年消耗石油5.6億噸,生產了3億噸能源(汽、煤、柴油)和0.2億噸乙烯產品,估計到2030年前後石油消費頂峰時,石油消耗量達7億噸,按照當量等量替代。需要約25億噸標準工業糖漿。標漿達峰時可年產約12億噸,還需要進口13億噸。

2、糖醇能源化工在產品生產流通、系統管理等方面與石油能源化工類似,可以在不做大的改造情況後繼續使用已有的石化系統。

3、最大的問題還是能否生產足夠替代石油原油的工業糖漿。經過多年研究,我提出了工業糖漿糖源的三大工程:

①、《玉米秸稈收儲運工程》。該工程主要內容是在玉米成熟收穫時,將玉米鮮秸稈(而不是乾燥后秸稈)收起榨汁、制工業糖漿,每畝產0.3噸標漿,有玉米5.5億畝,美國有6億畝,全球有28億畝。與此類似的還有《水稻秸稈收儲運工程》。

②、《甜高粱工程》。該工程主要是說整治沙漠沙地,恢復生態,種植高產高糖的甜高梁,每畝可生產1噸標漿,有這樣的邊際土地10多億畝,全世界有250多億畝。

③、《碎片化糖源收儲運工程》。該工程主要是說把其他農作物制余物、瓜果蔬菜剩餘物等碎片化糖源收集起來利用。這類糖源在時間上時有時無,在數量上時多時少,在地域上稀密不定,我們把這種情況稱之為「碎片化糖源」。——農業將再沒有廢棄物!

4、糖醇能源化工對糧食(食物)安全的影響,對全世界糧食(食物)的影響。

5、糖醇能源化工對和全球環境安全的影響。

6、糖醇能源化工對及全球經濟、軍事、政治等影響如何?

……

上述的各種疑問還有許多,需要預先考慮。因此,我設想邀請農業專家、石油能源化工專家、大型計算機模擬模擬專家、經濟專家、政府官員等,對糖醇能源化工全面替代石油能源化工進行全面的計算機模擬,既是提出問題、解決問題的過程,也是徵詢意見、完善方案、利益平衡、達成共識的過程。

四、糖醇能源化工的優勢及政策建議

我苦心研究近二十年,誕生了這個「糖醇能源化工」概念,「人家的莊稼好,自己的孩子好」,對自己這個「孩子」難免偏愛。當然這些理念也是我研究的動力:

1、糖醇能源化工是人類的終極能源化工之一,達到了能源安全、糧食安全、環境安全的高度統一!道德經(17)有言「太上,不知有之,……功成事遂,百姓皆謂我自然。」,石油能源化工引導人類進入生產力爆發時代,但是人類不能永遠躺在這個「搖籃」里不長大——石油更像上帝為嬰孩期人類準備的「奶水」,有且僅有,不是無限的。石油開闢了市場、積累了技術,人類要利用這些智慧進入一個新階段——待那一天,百姓皆曰:「人類怎麼會永遠開採石油?!本來就應該發掘植物中的糖類物質來生產能源化工呀!」

2、再無汽車尾氣污染,沒有飛機的過境碳排放,全世界沒有了石油產業的每年百億噸的二氧化碳排放!石油產業的從業人員、技術設備等全轉入糖醇能源化工產業。

3、石油號稱為現代工業的血液,糖醇替代石油,等於為工業換血了!這將是一場深刻的社會革命,對世界的政治、經濟、軍事的影響將是深遠的!至於達到何種程度,我不敢妄言。但是該事件可以使站在產業技術制高點、道德輿論制高點!

基於以上認識,我斗膽向中央高層建言:

1、把糖醇能源化工產業定位於國家優先重點發展的戰略產業專攻。組織相關專家進行理論論證、方案優化,制定專項政策並進行國家級的《產業規劃》。鼓勵企業特別是中石油、中石化這樣的大型央企進入該產業。

2、先易后難,先同后異。

糖源工程的三大工程《玉米秸稈收儲運工程》、《甜高粱工程》、《碎片化糖源收儲運工程》中,《玉米秸稈收儲運工程》較為容易,不同的意見也較少。因為《玉米秸稈收儲運工程》也是農業公共基礎工程,更重要的是將玉米秸稈全面積全量化收集起來,就不會秸稈露天焚燒而導致空氣霧霾了。在《玉米秸稈收儲運工程》獲得大量的工業糖漿以後,全社會就會對糖源工程有一個全新的認識,這時再開展《甜高粱工程》和《碎片化糖源收儲運工程》,就容易取得共識,不會激化矛盾。

3、國內國際同時展開

的基本國情是人多地少,在大家對糖醇能源化工產業還沒有清晰認識的時候,有人會指責《甜高梁工程》與民爭糧、與糧爭地、破壞生態等。一方面,我們要在國內做試點示範,比如在內蒙古的興安盟、通遼市或吉林省白城市這些治理條件較好的沙化地鹽鹼地的地區開展試點,請社會各界參觀考察以凝聚共識,共同發展。

另一方面本項目也要走出去。澳洲、南美洲、非洲等人少地多,他們也在創造條件吸引投資。比如澳大利亞的「北部大開發」計劃,主要針對的是投資:那裡地廣人稀,只有農業項目才有可能大面積用地以繁榮起來,而農產品(食品)在全世界普遍過剩。工業糖漿是農產品而不是食品,其功用主要是替代石油生產能源化工產品,因此沒有過剩之憂!在這些地方開展本項目,就不要再試點示範了,而是直接規模化的做項目——投資大,地方歡迎;搶得先機(土地資源),優先發展。

4、最後,誠摯地邀請各位專家、領導到現場參觀、考察、指導!10月份玉米收穫時,請各位專家領導到我公司的試點工廠,看看玉米鮮秸稈是不是有糖、有多少糖?看看工廠是如何把玉米秸稈田變成「石油田」的——當然,由於全國全球都還沒有開展這項工作,我們的整個工藝還是比較艱難的!但是我們相信你們看后,會認同這個項目的,會幫助我們把該項目更好地運作起來的!

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