(四川煤氣化有限責任公司，四川瀘州，646300)

專題與評述

煤基燃料乙醇技術工業(yè)化進展及前景展望

龍逢興吳沐霜趙堯
(四川煤氣化有限責任公司，四川瀘州，646300)

介紹目前已工業(yè)化或處于研發(fā)階段煤基燃料乙醇技術路線，對煤基燃料乙醇與生物基燃料乙醇成本上進行分析比較，并對煤基燃料乙醇工業(yè)化前景進行展望。

燃料乙醇生 物基燃料乙醇 煤基燃料乙醇 應用前景

1 乙醇基本性質(zhì)

乙醇又名酒精，化學式：CH3CH2OH。乙醇是無色、透明、易揮發(fā)和易燃燒的液體，具有酒的氣味和刺激性辛辣味，能跟水以任意比互溶，可與乙酸、丙酮、苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、乙二醇、甘油和甲苯等溶劑混溶。有吸濕性，與水形成共沸物，能溶解許多有機化合物和若干無機化合物。其蒸汽與空氣混合能形成爆炸混合物。工業(yè)酒精含乙醇約95%，含乙醇達99.5%以上的酒精稱為無水乙醇，也稱為燃料乙醇。

2 燃料乙醇優(yōu)點及應用前景

2.1 燃料乙醇優(yōu)點

2.1.1 提高燃油品質(zhì)

燃料乙醇按一定比例將添加至汽油后稱為乙醇汽油，乙醇汽油中的乙醇既是一種能源，又是一種性能優(yōu)良的汽油品質(zhì)改良劑。首先，乙醇作為“綠色”增氧劑，可完全替代汽油中抗爆劑(MTBE)使用。乙醇按10%的比例混配入汽油中，可使氧含量達到3.5%，助燃效果好，使汽油燃燒更充分，提高燃燒效率。另外由于乙醇中的辛烷值(RON)指數(shù)可達111個單位，按10%的比例混配入汽油中，可使汽油辛烷值提高2～3單位，提高汽油抗爆性[4]。

2.1.2 降低尾氣有害排放

眾所周知汽車尾氣對環(huán)境不友好，現(xiàn)已成為一種嚴重的環(huán)境污染源。乙醇汽油由于燃燒充分，可使汽車有害尾氣排放總量降低33%以上[1]。根據(jù)中國汽車研究中心于2001年所做的車用乙醇汽油8萬公里行車試驗檢測數(shù)據(jù)表明：尾氣排放中CO排放明顯降低，最大降低率達55%，算術平均降低率30.8%，碳氫化合物算術平均降低率為13.4%[4]。

2.1.3 燃燒充分、減少積炭

車用乙醇汽油由于燃燒徹底，解決了普通汽油燃燒不完全所形成的炭粒積聚現(xiàn)象，能有效地預防和消除發(fā)動機燃燒室、氣門、火花塞、排氣管、消聲器等部位積炭的產(chǎn)生，避免了因積炭形成而引起的故障，延長了發(fā)動機使用壽命。

2.2 燃料乙醇應用前景

改性燃料乙醇做汽油改良劑和替代品使用：

(1)根據(jù)美國科研機構研究結論MTBE因其降解性差，對地下水資源有潛在污染風險，美國加州、紐約州和康涅狄格州等州于2004年前已立法禁止汽油添加MTBE，改為添加燃料乙醇。燃料乙醇可代替MTBE作為汽油的改良劑。2014年國內(nèi)MTBE表觀消費量為664萬噸，按年均增加3.5%計算，2016年國內(nèi)MTBE表觀消費量約711萬噸，作為MTBE替代品潛在市場約700萬噸。

(2)燃料乙醇混入汽油中成為乙醇汽油，2016年國內(nèi)汽油表觀消費量約1.2億噸，以每噸加入10%燃料乙醇(發(fā)改委推廣為乙醇加10%)計，2016年全國市場燃料乙醇理論需求量應為1200多萬噸。

3 燃料乙醇生產(chǎn)工藝技術路線

3.1 生物質(zhì)制乙醇技術

生物質(zhì)制乙醇技術由最初提倡消化陳糧(以玉米、小麥等陳糧為原料生產(chǎn)乙醇)的第1代技術發(fā)展至以木薯為原料的第1.5代技術，目前已發(fā)展至以纖維素(秸稈、玉米芯等)為原料的第2代技術。

工藝路線如圖1。

圖1 生物質(zhì)制乙醇工藝路線圖

以生物質(zhì)制乙醇，以玉米為主要原料，噸乙醇消耗玉米3.2噸，蒸汽消耗4.96噸，電耗489.3kW·h。以目前玉米價格1760元/噸計，玉米制乙醇物耗成本約6620元/噸[2]。

以干木薯為主要原料，噸乙醇消耗木薯2.9噸，蒸汽消耗4.5噸，電耗417.1kW·h[2]。以目前干木薯價格1850元/噸計，木薯制乙醇物耗成本約6248元/噸。

以秸稈等纖維素為主要原料，噸乙醇消耗約7.0噸，蒸汽消耗6.6噸，電耗581.5kW·h。以目前秸稈價格650元/噸計，纖維素制乙醇物耗成本約5830元/噸[3]。

3.2 煤制乙醇技術

目前已建成中試裝置或已工業(yè)化煤制乙醇技術路線有四條：(1)合成氣微生物發(fā)酵法；(2)醋酸直接加氫法；(3)醋酸酯化加氫法；(4)合成氣、甲醇經(jīng)二甲醚羰基化加氫制乙醇法。

3.2.1 煤制合成氣微生物發(fā)酵法制乙醇

該工藝技術原理為煤制合成氣中的有效氣體CO、H2通過微生物發(fā)酵轉化為乙醇混合溶液，首先通過膜分離將乙醇混合溶液中微生物分離回收利用，乙醇混合溶液再經(jīng)分離濃縮得到無水乙醇。

該技術國內(nèi)示范裝置為上海寶鋼與新西蘭朗澤新能源有限公司合建乙醇示范工廠，該工廠乙醇產(chǎn)能300噸/年，于2012年3月正式投入運行，基本實現(xiàn)一系列關鍵指標。該微生物氣體發(fā)酵制乙醇技術通過了國家發(fā)改委專家組的技術評審[5]。

該技術存在以下不足：(1)發(fā)酵液的乙醇濃度較低，乙醇的提純過程將消耗能量高；(2)因發(fā)酵需要有周期性，導致難連續(xù)化生產(chǎn)；(3)受生物技術限制選擇性低，乙醇溶液中雜質(zhì)多分離困難，產(chǎn)品成本高。

3.2.2 醋酸直接加氫技術

該工藝技術以塞拉尼斯(TCX?技術)為代表，上海景浦化工建有中試裝置，塞拉尼斯在南京已有規(guī)模20萬噸/年裝置。

工藝路線如圖2。

圖2 醋酸直接加氫制乙醇工藝路線圖

該技術生產(chǎn)一噸乙醇需消耗1.345噸醋酸，1018Nm3氫氣，產(chǎn)391千克水。公用工程介質(zhì)噸產(chǎn)品單耗為：冷卻水106噸，電90kW·h，燃料煤0.31噸，儀表空氣25Nm3。醋酸成本3000元/噸，氫氣1.2元/Nm3計，噸乙醇物耗成本5698元[6]。

3.2.3 醋酸酯化加氫技術

該技術以西南化工研究院為代表，已經(jīng)過小試、中試試驗，西南化工研究院與河南順達化工科技有限公司簽訂“20萬噸酯化加氫制乙醇”合作協(xié)議，裝置已于2016年6月投產(chǎn)。

工藝路線如圖3。

圖3 醋酸酯化加氫制乙醇工藝路線圖

該技術可得到乙醇、乙酯兩種產(chǎn)品，兩種產(chǎn)品的比例可進行調(diào)整。產(chǎn)品為乙醇時，噸乙醇醋酸耗量1.36噸，氫氣1025Nm3；產(chǎn)品為乙酯時，噸乙酯醋酸耗量1.37噸，氫氣10Nm3。公用介質(zhì)噸乙醇消耗情況為：蒸汽3.6噸，電160kW·h，循環(huán)水350噸，冷凍水12噸，儀表空氣20Nm3，氮氣5Nm3。醋酸成本3000元/噸，氫氣1.2元/Nm3計，噸乙醇物耗成本6031元[7]。

3.2.4 合成氣、甲醇經(jīng)二甲醚羰基化加氫還原制乙醇技術

該技術以大連化物所為代表，大連化物所與陜西興化集團公司合作規(guī)模為10萬噸/年裝置已投產(chǎn)，規(guī)模為20萬噸/年與50萬噸/年工藝包已編制完成。

工藝路線如圖4。

圖4 合成氣、甲醇經(jīng)二甲醚羰基化加氫還原制乙醇工藝路線圖

該技術產(chǎn)品為乙醇，副產(chǎn)品為重組分量約1%。該技術噸乙醇消耗甲醇0.7噸，合成氣(CO/H2為2:1)1462Nm3。公用介質(zhì)噸乙醇消耗情況為：蒸汽3.2噸，電520kW·h，循環(huán)水400噸，冷凍水56噸，儀表空氣20Nm3，氮氣4Nm3。以甲醇成本2500元/噸，合成氣1.2元/Nm3計，噸乙醇物耗成本約4310元。

4 燃料乙醇行業(yè)現(xiàn)狀

4.1 國內(nèi)燃料乙醇行業(yè)狀況

4.1.1 國內(nèi)生物質(zhì)制燃料乙醇企業(yè)分布情況

2016年，國內(nèi)燃料乙醇產(chǎn)量約210萬噸，進口量55萬噸，使用量約265萬噸，理論使用量約320萬噸(封閉推廣6省按E10標準理論使用量)。生物基燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)主要分布在廣西、黑龍江、吉林、河南、安徽、山東、內(nèi)蒙七省市自治區(qū)。國內(nèi)生物制燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)共計12家，規(guī)模已達218.8萬噸/年。具體情況詳見表1。

表1 國內(nèi)主要生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇生產(chǎn)廠家及基本情況

4.1.2 國內(nèi)生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇市場份額

截止2016年底，國內(nèi)共有7家燃料乙醇定點生產(chǎn)企業(yè)，其中中糧旗下3家：中糧肇東、中糧安徽、中糧廣西，三家燃料乙醇市場份額為49.05%，吉林燃料所占市場份額為28.3%，河南天冠為14.15%，中興能源占4.72%，山東龍力占2.36%，國能生物占1.42%。

4.1.3 煤基燃料乙醇現(xiàn)狀

國內(nèi)已投產(chǎn)煤基燃料乙醇裝置產(chǎn)能為53萬噸，擬建或在建煤基燃料乙醇裝置能力約724.5萬噸，預計2022年煤基燃料乙醇產(chǎn)能將達到650萬噸。國內(nèi)已投產(chǎn)、擬建或在建煤基燃料乙醇項目詳見表2。

圖5 國內(nèi)生物基燃料乙醇產(chǎn)能分布圖(按企業(yè)劃分) 圖6 國內(nèi)生物基燃料乙醇產(chǎn)能分布圖(按區(qū)域劃分)

表2 國內(nèi)已投產(chǎn)、擬建或在建煤基燃料乙醇項目一覽表

4.2 國際燃料乙醇行業(yè)狀況

美國是世界上最大的乙醇汽油生產(chǎn)和消費國。目前美國已經(jīng)有50個州在推廣使用乙醇汽油。美國燃料乙醇的生產(chǎn)量和消費量逐年上升，2015年產(chǎn)量達4422萬噸，占全世界產(chǎn)量的58%。全美玉米產(chǎn)量的40%都用來生產(chǎn)燃料乙醇[12]。

巴西則發(fā)展以甘蔗為原料的燃料乙醇，2015年產(chǎn)量達1980萬噸，占全世界產(chǎn)量的26%，巴西約40%的汽車使用純乙醇取代汽油，成為世界上第一個不銷售純汽油的國家。

歐盟也是重要的乙醇汽油生產(chǎn)區(qū)和消費區(qū)，乙醇汽油消費量由2002年的0噸迅猛提升至2015年的約450萬噸，占全世界產(chǎn)量的6%。推廣消費乙醇汽油為E5～E8標準[12]。

圖7 國際燃料乙醇產(chǎn)能分布圖

5 燃料乙醇行業(yè)發(fā)展趨勢及展望

5.1 國內(nèi)燃料乙醇行業(yè)發(fā)展趨勢

5.1.1 生物制燃料乙醇路線

2016年，國家“十三五”規(guī)劃，生物質(zhì)能源發(fā)展目標是燃料乙醇規(guī)模達400萬噸。在國家大力推行清潔能源的背景下，非糧食法生產(chǎn)燃料乙醇行業(yè)發(fā)展趨勢良好。

5.1.2 醋酸加氫制乙醇路線

2014年，全求醋酸產(chǎn)量約1108萬噸，裝置開工率60%，中國產(chǎn)量約626萬噸，裝置開工率78%。我國醋酸行業(yè)產(chǎn)能已大量過剩，產(chǎn)品經(jīng)濟效益差，同時醋酸下游產(chǎn)品需求增長緩慢，因此很多醋酸裝置開發(fā)醋酸加氫制燃料乙醇，消化過剩產(chǎn)能。

5.1.3 合成氣、甲醇經(jīng)二甲醚羰基化加氫制乙醇路線

該工藝技術已建有10萬噸的工業(yè)裝置，在產(chǎn)品成本上均低于生物制乙醇技術和醋酸加氫制乙醇，生物法制乙醇產(chǎn)生大量廢水和廢渣環(huán)保壓力較大，醋酸加氫制乙醇由于存在酸腐蝕的風險，因此對設備要求較高，設備投入和維護成本較高。綜合比較，合成氣、甲醇經(jīng)二甲醚羰基化制乙醇路線發(fā)展?jié)摿薮?。但該技術同時也受到合成氣直接合成乙醇技術的潛在競爭。

5.2 煤制燃料乙醇展望

燃料乙醇作為汽油的改良劑和可再生替代品，在石油資源日漸匱乏、環(huán)保問題日益嚴峻的趨勢下成為世界性的發(fā)展方向，隨著汽車保有量的快速增加，其生產(chǎn)規(guī)模迅速擴大的趨勢已勢不可擋。第一代燃料乙醇因“與民爭糧”而備受爭議，未來以木薯、甜菜、高粱及秸桿、木質(zhì)纖維素為原料的第二代燃料乙醇技術將成為生物發(fā)酵制乙醇主發(fā)展方向。

煤基合成燃料乙醇技術已成功地工業(yè)化應用，將有效彌補石油資源不足、緩解燃料乙醇對糧食的依賴，為世界能源安全和糧食安全提供有力保障。煤基合成燃料乙醇路線與生物制燃料乙醇路線相比較，成本上和環(huán)保上具有很強的競爭優(yōu)勢。隨著能源結構的不斷變化，可燃冰等新能源的開采技術的進步和新能源汽車的大力推進，燃料乙醇發(fā)展空間也將受到一定的擠壓。在目前的原料結構形式下，大力推進煤制乙醇工業(yè)化技術，有利于降低成本和改善環(huán)境。

[1] 陳瑜奇.發(fā)展燃料乙醇和生物柴油碳排放效應綜述[J].可再生資源,2015(33):257-264.

[2] 岳國君.中糧(安徽)非糧乙醇技術改造能量投入/產(chǎn)出分析[J].化工進展,2014(33):2032-2037.

[3] 陳鐵,李瑞.國家能源局完成驗收萬噸級纖維乙醇項目[J].粘接,2012,33(02):20.

[4] 中國新能源網(wǎng).燃料乙醇優(yōu)點及意義.http://www.china-nengyuan.com/tech/6323.html.

[5] 石理.上海寶鋼工業(yè)尾氣制乙醇中試裝置開工建設[J]. 石油化工技術與經(jīng)濟,2011,27(03):53.

[6] 凌晨,唐麗.醋酸直接加氫制乙醇工藝及經(jīng)濟性分析[J].天然氣化工(C1化學與化工),2013,38(02):60-62.

[7] 沈洪源. 醋酸制乙醇工藝路線的技術經(jīng)濟分析[J].化工管理,2015,(22):107-109+150.

[8] 王瑞.合成氣制乙醇的研究進展[J].廣州化工,2013,41(13):51-52.

[9] 陳英贊,喻益,劉殿華,等.合成氣與甲醇制乙醇工藝的研究[J].石油化工,2016,45(11):1310-1314.

[10] 錢伯章.大連化物所甲醇制乙酸甲酯中試技術通過鑒定[J].石油化工應用,2017,36(03):152.

[11] 李振宇,李頂杰,黃格省,等. 燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀及思考[J].化工進展,2013,32(07):1457-1467.

[12] 郭孝孝,羅虎,鄧立康. 全球燃料乙醇行業(yè)進展[J].當代化工,2016,45(09):2244-2248.

[13] 翁天杭.燃料乙醇產(chǎn)業(yè)競爭力的國際比較及發(fā)展前景預測[D].杭州:浙江大學,2013.

IndustrializationProgressandProspectofFuelEthanolTechnologyBasedonCoal

LongFengxing,WuMushuang,ZhaoYao
(SichuancoalgasificationCo.Ltd,Luzhou646300,Sichuan,China)

This paper introduces the technical route of coal-based fuel ethanol which has been industrialized or in the research stage,The cost of coal-based fuel ethanol and bio-based fuel ethanol was analyzed and compared,The prospect of coal-based fuel ethanol application prospect is also forecasted.

fuel ethanol; bio-based fuel ethanol; coal-based fuel ethanol; application prospect