燃料乙醇的發(fā)展及應(yīng)用研究

趙婷婷，胡亞楠，孫玉蘭

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順113001； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

燃料乙醇的發(fā)展及應(yīng)用研究

趙婷婷1，胡亞楠2，孫玉蘭2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順113001； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

由于汽車保有量的持續(xù)增加所帶來的能源與環(huán)境污染雙重壓力使得汽車替代能源的研究顯得越發(fā)迫切。主要闡述了燃料乙醇研發(fā)的必要性,介紹燃料乙醇的國內(nèi)外發(fā)展概況，指出我國在燃料乙醇的發(fā)展過程中存在的主要問題，并提出我國未來燃料乙醇的發(fā)展方向。

乙醇汽油；替代能源；前景

隨著汽車保有量的增加，環(huán)境問題和能源安全問題日益凸顯，減少化石能源消耗、發(fā)展替代能源是實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。我國是個石油對外依存度很高的國家，研發(fā)替代能源更顯緊迫。乙醇汽油已成功地用于汽油機上，在緩解石油能源消耗的同時，能顯著地降低有害氣體的排放。然而，任何事物都存在多面性，隨著清潔替代能源的發(fā)展，乙醇汽油現(xiàn)有工藝生產(chǎn)成本高、利潤低及與民爭糧等弊端日益凸顯，又面對種種困難。

1 乙醇汽油的主要理化特性

乙醇汽油(Ethanol gasoline)是變性燃料乙醇與無鉛汽油以體積比1∶9的比例組成的混合物[1]。表1為乙醇的主要理化特性。

乙醇的研究法辛烷值為108，在汽油中加入乙醇后可提高汽油的辛烷值，可以替代甲基叔丁基醚(MTBE)，消除甲基叔丁基醚帶來的環(huán)境污染問題。另外，由于加入乙醇后燃料的辛烷值提高，可以通過提高壓縮比的方式來提高發(fā)動機的熱效率。乙醇的含氧量為34.8%，汽油中加入乙醇后可以提高混合燃料中的含氧量，使燃料燃燒更加充分，從而使汽車尾氣中的CO和HC含量減少。因此，發(fā)展燃料乙醇在環(huán)境保護(hù)、緩解能源危機、促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展等方面具有重大意義。

表1 汽油和乙醇的主要理化特性Table 1 Main physical and chemical properties of gasoline and ethanol

2 燃料乙醇的國外發(fā)展概況

能源基金會中國2014年5月發(fā)布的題為《世界主要國家生物液體燃料產(chǎn)業(yè)政策》的研究報告指出，燃料乙醇的生產(chǎn)國主要分布在北美、中美、南美以及歐洲和亞洲。2013年美國燃料乙醇以3 990萬t的產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的56.77%，位居第一位，其次是巴西，其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的26.75%。2013年世界各國燃料乙醇的產(chǎn)量分布如圖1所示。

2.1 美國燃料乙醇的發(fā)展概況

為了緩解能源危機和解決環(huán)境污染問題，1978年，美國開始發(fā)展生物乙醇。從上世紀(jì)90年代美國實現(xiàn)燃料乙醇的商業(yè)化生產(chǎn)開始，其乙醇產(chǎn)量一直處于平穩(wěn)增長狀態(tài)。自2006年生物燃料乙醇產(chǎn)量超過巴西以后，美國一直穩(wěn)居世界最大燃料乙醇生產(chǎn)國的位置。2011年美國乙醇產(chǎn)量達(dá)到4 170萬t，這使美國減少了4.8 億桶石油的進(jìn)口[2]。正因如此，2012 年4 月，美國環(huán)保署（EPA）通過了一項計劃，汽油中乙醇調(diào)合比例由先前的10%提高到15%，以供2001 年及以后生產(chǎn)的汽車和卡車使用。這意味著美國將近三分之二的車輛都可以使用含有15%乙醇的乙醇汽油混合燃料，足以證明乙醇汽油在節(jié)能減排方面所具有的優(yōu)勢。

圖1 2013 年世界燃料乙醇產(chǎn)量分布Fig.1 Yield distribution of the world fuel ethanol in 2013

2.2 巴西燃料乙醇的發(fā)展概況

巴西不僅是世界上最早使用生物燃料的國家，也是世界上最早通過強制手段推廣使用乙醇汽油混合燃料的國家。早在1931年，巴西政府就通過法令，要求全國所有地區(qū)必須銷售含有2%～5%無水乙醇的汽油。

為了緩解石油危機所帶來的能源壓力，巴西政府在1973 年決定給予財政補貼以增加燃料乙醇的使用量。巴西的乙醇工業(yè)直到1975年才真正開始，巴西政府充分利用本國的土地資源，以甘蔗為主要原料生產(chǎn)乙醇燃料。目前，巴西乙醇汽油混合燃料中乙醇所占比重是世界上最高的，巴西也是世界上唯一不供應(yīng)純汽油作為汽車燃料的國家。而且巴西燃料乙醇生產(chǎn)成本是世界上最低的，其成本僅為中國以玉米為原料的1/2，為歐洲以小麥為原料的1/3。

至2008 年3 月，巴西國內(nèi)有50%的汽油為生物乙醇所取代，全國共有33 000個加油站供應(yīng)100%乙醇燃料，使用純生物乙醇作為汽車燃料的車輛達(dá)400 萬輛，其他車輛使用的燃料中乙醇所占比例為25%[3]。2013年，巴西以約1880.1萬t的乙醇產(chǎn)量，占世界乙醇總產(chǎn)量的26.75%。

2.3 歐盟燃料乙醇的發(fā)展概況

在歐盟的交通運輸中，燃料消耗總量中約有20%是生物乙醇，其原料主要是甜菜和小麥。歐盟使用的生物燃料主要是通過乙醇與合成乙基叔丁基醚直接調(diào)和而成。2013年，歐盟以約411.3萬t的乙醇產(chǎn)量，占世界乙醇總產(chǎn)量的5.85%。

3 我國燃料乙醇的發(fā)展問題

3.1 我國燃料乙醇發(fā)展概況

生物燃料乙醇在巴西、美國應(yīng)用多年，技術(shù)上已十分成熟，而我國在燃料乙醇發(fā)展方面起步卻比較晚。2004年2月，經(jīng)國務(wù)院同意，國家發(fā)改委等8部門聯(lián)合制定頒布了《車用乙醇汽油擴大試點工作實施細(xì)則》和《車用乙醇汽油擴大試點方案》，車用乙醇汽油試點工作全面啟動。從2004年4月起，在黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽五省全部地區(qū)，以及河北、山東、江蘇、湖北四省部分地市全面推廣使用車用乙醇汽油[4-6]。到2006年底，車用乙醇汽油在上述各省轄區(qū)基本實現(xiàn)了普及，中國成為世界上第三大生物燃料乙醇生產(chǎn)國。圖2為2002-2013年間中國燃料乙醇產(chǎn)量變化情況。

近年來，越來越多的人把糧食價格上漲歸結(jié)于乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，叫停玉米制乙醇項目的呼聲越來越高[7]。在這種形式下，國家優(yōu)惠政策逐漸收攏。自2006年開始，國家先后出臺調(diào)整政策，明確要求暫停玉米乙醇加工項目的核準(zhǔn)，全面清理在建和擬建的乙醇項目，提出“因地制宜，非糧為主”的發(fā)展原則，大力鼓勵發(fā)展非糧生物燃料。2007年6月，國務(wù)院召開可再生能源會議，正式叫停玉米燃料乙醇項目，要求產(chǎn)業(yè)在“不得占用耕地，不得消耗糧食、不得破壞生態(tài)環(huán)境”的原則下堅持發(fā)展非糧燃料乙醇[8]。中國現(xiàn)存的非糧食生物質(zhì)原料十分豐富，主要有木質(zhì)纖維類能源植物、農(nóng)林廢棄物和非糧的能源作物等。

圖2 2002-2013年中國燃料乙醇產(chǎn)量變化Fig.2 Production changes of fuel ethanol in China between 2002 and 2013

目前，我國生產(chǎn)燃料乙醇的原料正朝著多元化方向發(fā)展，并且積極應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)選育和開發(fā)能源作物原料，雖然已經(jīng)取得一定成果，但這些技術(shù)在我國還處于起步階段，與國外相比還有很大距離?？梢哉f，我國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)要想達(dá)到國際先進(jìn)水平，尚要面臨諸多困難和問題。

3.2 我國發(fā)展燃料乙醇面臨的問題

3.2.1 乙醇汽油應(yīng)用的技術(shù)問題

乙醇的親水性大于親油性，容易因吸水而造成分層現(xiàn)象，因此，要嚴(yán)格控制乙醇汽油使用的各個環(huán)節(jié)中的游離水，以保證乙醇汽油的正常使用；乙醇的汽化潛熱大，會影響摻醇燃料的蒸發(fā)，不利于汽車加速，且低溫條件下會使發(fā)動機啟動性能變差；乙醇汽油的穩(wěn)定性差，因此必須對乙醇汽油的儲運等相關(guān)設(shè)施進(jìn)行改造、建設(shè)；燃料乙醇的生產(chǎn)技術(shù)還比較落后，無論是生產(chǎn)工藝、環(huán)境保護(hù)，還是能源消耗、原材料轉(zhuǎn)化效率等都落后于美國和巴西。

3.2.2 乙醇汽油生產(chǎn)的經(jīng)濟問題

目前，生產(chǎn)成本過高是制約我國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素。例如，吉林燃料乙醇廠是目前國內(nèi)以玉米為原料制備乙醇水平較高的，采用的全部是國外的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，就是這樣的一家企業(yè)，生產(chǎn)1噸生物燃料乙醇要消耗的玉米量為3.1 t，要消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤為0.5～0.6 t，要消耗水8 t左右，這個耗能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國，如美國生產(chǎn)1噸生物燃料乙醇只消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.4 t[9]。對于我國四家生產(chǎn)燃料乙醇的基地，生產(chǎn)1 t燃料乙醇的綜合成本在7 000元以上，這要比美國高出17%。隨著煤、電及原料價格的上漲，燃料乙醇的成本還會上升。因此，要加快燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須發(fā)展其生產(chǎn)工藝[10]。

3.2.3 政府扶持力度減小

歐美等發(fā)達(dá)國家的生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，他們的成功經(jīng)驗表明，發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)離不開政府的支持。而在我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，國家通過財政補貼等優(yōu)惠政策促進(jìn)其發(fā)展，但是到了2007年，燃料乙醇項目審批權(quán)被收回，以玉米為原料的項目被正式叫停，燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)所得到的財政補貼逐漸“縮水”。燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)在2012年得到的財政補貼比2010年減少了一半。2013～2015年，以糧食為原料的生物燃料乙醇財政補貼標(biāo)準(zhǔn)分別為：2013年300元/t、2014年200元/t、2015年100元/t，2016年以后不再補貼。

另外，2011年，對特定生產(chǎn)變性燃料乙醇的企業(yè)免除消費稅的政策被取消，逐年恢復(fù)其征收比例，自2015年，恢復(fù)征收其5%的消費稅。與此同時，變性燃料乙醇定點生產(chǎn)企業(yè)增值稅先征后退的政策被取消。這些優(yōu)惠政策被取消以后，無疑使生產(chǎn)企業(yè)成本壓力越來越大。

3.3 我國燃料乙醇的發(fā)展方向

3.3.1 大力發(fā)展纖維素乙醇技術(shù)

纖維素乙醇是非糧燃料乙醇最為理想的選擇，能從根本上解決燃料乙醇原料成本高、原料有限的問題[11]。纖維素乙醇的主要原料是農(nóng)作物秸稈、皮殼，它們不僅價格低廉，而且我國資源風(fēng)富。據(jù)國家農(nóng)業(yè)部和林業(yè)部提供的數(shù)據(jù)顯示，中國秸稈資源量和林業(yè)廢棄物資源量儲量豐富，亟待開發(fā)。

纖維素乙醇技術(shù)，是一種高端的清潔能源技術(shù)，然而由于纖維素乙醇的技術(shù)瓶頸尚未解決，較高的技術(shù)門檻使其無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。在作為二代燃料乙醇的纖維素乙醇還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的今天，我們只能利用非糧食作物作為二代生物燃料乙醇的替代原料。雖然如此，很多企業(yè)和研究機構(gòu)都在進(jìn)行相關(guān)研究，希望纖維素乙醇的技術(shù)瓶頸能夠早日被攻破，為我國可再生能源的發(fā)展開辟更多的途徑?；蛟S這個過程充滿艱辛，或許會很漫長，但我們有理由相信這一天一定會到來。

3.3.2 進(jìn)口乙醇或成未來發(fā)展方向

與我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)起步較晚、技術(shù)落后、成本較高的現(xiàn)狀相比，巴西、美國的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)起步較早，技術(shù)成熟，具有年產(chǎn)量超過1 000萬t的生產(chǎn)能力，并且對中國進(jìn)口其生產(chǎn)的燃料乙醇持歡迎的態(tài)度。

自2010年1月1日起，我國將乙醇進(jìn)口關(guān)稅降至5%，而原本是30%。2012年3月，中國石化開始尋求與國際燃料乙醇企業(yè)合作，并將推廣生物燃料乙醇作為綠色低碳戰(zhàn)略的重要組成部分[12]。

2013年年末，1.05萬t燃料乙醇的裝卸工作在中國江蘇鎮(zhèn)江碼頭順利完成接卸工作，這是中國首船進(jìn)口燃料乙醇，標(biāo)志著燃料乙醇上游資源國際貿(mào)易環(huán)節(jié)徹底被中國石化打通，為中國后續(xù)進(jìn)口燃料乙醇奠定了基礎(chǔ)。在非糧乙醇生產(chǎn)技術(shù)瓶頸與成本問題解決之前，進(jìn)口乙醇或成為一段時間內(nèi)國內(nèi)乙醇的主要來源。

4 結(jié) 論

燃料乙醇用于發(fā)動機不僅能夠緩解能源危機，且能夠顯著降低有害氣體排放，是目前最為現(xiàn)實可行的生物能源形式。乙醇燃料在其發(fā)展的過程中雖然也存在一些這樣或那樣的問題，但是不可再生能源必將被可再生能源所替代這一發(fā)展趨勢是不可扭轉(zhuǎn)的。我們相信，燃料乙醇的發(fā)展是符合時代發(fā)展需求的，我們要做的就是最大程度的發(fā)揮其優(yōu)勢為人類服務(wù)，而努力減小其在發(fā)展過程中潛在的負(fù)面影響。

［1］邢展．乙醇汽油的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].河北化工， 2011，34 (3)：71-72．

［2］仉磊，李繼紅，李十中．燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J]．化工進(jìn)展，2013，32(7)：1721-1723．

［3］宋濤，鄭義，郭津．我國替代燃料乙醇汽油發(fā)展現(xiàn)狀[J]．小型內(nèi)燃機與摩托車，2013，42(6)：92-96．

［4］宋濤．乙醇汽油對摩托車排放的影響[D].天津：天津大學(xué)，2012．

［5］陳衛(wèi)國．車用替代燃料的發(fā)展趨勢[J]．國際石油經(jīng)濟，2007，(2)：31-36．

［6］史廣寶．甲醇燃料對捷達(dá)FV7160CIX轎車的適應(yīng)性研究[D]．長春：吉林大學(xué)，2009．

［7］張曉君.我國燃料乙醇行業(yè)負(fù)重前行[N].中國石油報，2012-11-20(4)．

［8］李萌．我國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展政府規(guī)制研究 [D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012．

［9］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(yù)測[D].杭州：浙江大學(xué)，2013．

［10］孫清．燃料乙醇的應(yīng)用[J ].可再生能源，2010，28(6)：151-154．

［11］吳永民，葛建平．生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)研究綜述與展望[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，41(9)：4008-4012．

［12］南森．首開燃料乙醇進(jìn)口大門[N].中國石化報，2014-03-19(5)．

Study on Development and Application of Ethanol Fuel

ZHAO Ting-ting1，HU Ya-nan2，SUN Yu-lan2
（1. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. School of Mining Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The research of automotive alternative energy is becoming more and more urgent because of the double pressure of energy and environment pollution which is caused by the increasing of car ownership. In this paper, the necessity of research and development of fuel ethanol was expounded, the development overview of fuel ethanol at home and abroad was introduced, the main problems existing in the development of fuel ethanol in China were pointed out, and the future development direction of China's fuel ethanol was put forward.

Ethanol-gasoline; Alternative energy; Prospect

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）10-2374-03

2015-04-02

趙婷婷（1992-），女，遼寧朝陽人。

胡亞楠（1980-），女，講師，碩士，研究方向：從事發(fā)動機性能及車用燃料方面的研究。E-mail：yananhu1980@163.com。