煤基燃料乙醇技術(shù)工業(yè)化進(jìn)展及前景展望

(四川煤氣化有限責(zé)任公司，四川瀘州，646300)

專題與評(píng)述

煤基燃料乙醇技術(shù)工業(yè)化進(jìn)展及前景展望

龍逢興吳沐霜趙堯
(四川煤氣化有限責(zé)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(shù)路線，對(duì)煤基燃料乙醇與生物基燃料乙醇成本上進(jìn)行分析比較，并對(duì)煤基燃料乙醇工業(yè)化前景進(jìn)行展望。

燃料乙醇生 物基燃料乙醇 煤基燃料乙醇 應(yīng)用前景

1 乙醇基本性質(zhì)

乙醇又名酒精，化學(xué)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(jī)化合物和若干無機(jī)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(dá)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(diǎn)及應(yīng)用前景

2.1 燃料乙醇優(yōu)點(diǎn)

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(dá)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(dá)111個(gè)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(duì)環(huán)境不友好，現(xiàn)已成為一種嚴(yán)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(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明：尾氣排放中CO排放明顯降低，最大降低率達(dá)55%，算術(shù)平均降低率30.8%，碳?xì)浠衔锼阈g(shù)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(yù)防和消除發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

2.2 燃料乙醇應(yīng)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(jī)構(gòu)研究結(jié)論MTBE因其降解性差，對(duì)地下水資源有潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，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(fèi)量為664萬噸，按年均增加3.5%計(jì)算，2016年國內(nèi)MTBE表觀消費(fèi)量約711萬噸，作為MTBE替代品潛在市場(chǎng)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(fèi)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(jì)，2016年全國市場(chǎng)燃料乙醇理論需求量應(yīng)為1200多萬噸。

3 燃料乙醇生產(chǎn)工藝技術(shù)路線

3.1 生物質(zhì)制乙醇技術(shù)

生物質(zhì)制乙醇技術(shù)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(shù)發(fā)展至以木薯為原料的第1.5代技術(shù)，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(shù)。

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(jià)格1760元/噸計(jì)，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(jià)格1850元/噸計(jì)，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(jià)格650元/噸計(jì)，纖維素制乙醇物耗成本約5830元/噸[3]。

3.2 煤制乙醇技術(shù)

目前已建成中試裝置或已工業(yè)化煤制乙醇技術(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(yùn)行，基本實(shí)現(xiàn)一系列關(guān)鍵指標(biāo)。該微生物氣體發(fā)酵制乙醇技術(shù)通過了國家發(fā)改委專家組的技術(shù)評(píng)審[5]。

該技術(shù)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(dǎo)致難連續(xù)化生產(chǎn)；(3)受生物技術(shù)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(shù)

該工藝技術(shù)以塞拉尼斯(TCX?技術(shù))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(shù)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(jì)，噸乙醇物耗成本5698元[6]。

3.2.3 醋酸酯化加氫技術(shù)

該技術(shù)以西南化工研究院為代表，已經(jīng)過小試、中試試驗(yàn)，西南化工研究院與河南順達(dá)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(shù)可得到乙醇、乙酯兩種產(chǎn)品，兩種產(chǎn)品的比例可進(jìn)行調(diào)整。產(chǎn)品為乙醇時(shí)，噸乙醇醋酸耗量1.36噸，氫氣1025Nm3；產(chǎn)品為乙酯時(shí)，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?dú)?Nm3。醋酸成本3000元/噸，氫氣1.2元/Nm3計(jì)，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(shù)

該技術(shù)以大連化物所為代表，大連化物所與陜西興化集團(tuán)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(shù)產(chǎn)品為乙醇，副產(chǎn)品為重組分量約1%。該技術(shù)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?dú)?Nm3。以甲醇成本2500元/噸，合成氣1.2元/Nm3計(jì)，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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)12家，規(guī)模已達(dá)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(chǎng)份額

截止2016年底，國內(nèi)共有7家燃料乙醇定點(diǎn)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(chǎng)份額為49.05%，吉林燃料所占市場(chǎng)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(yù)計(jì)2022年煤基燃料乙醇產(chǎn)能將達(dá)到650萬噸。國內(nèi)已投產(chǎn)、擬建或在建煤基燃料乙醇項(xiàng)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(xiàng)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(fèi)國。目前美國已經(jīng)有50個(gè)州在推廣使用乙醇汽油。美國燃料乙醇的生產(chǎn)量和消費(fèi)量逐年上升，2015年產(chǎn)量達(dá)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(dá)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(gè)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(fèi)區(qū)，乙醇汽油消費(fèi)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(fèi)乙醇汽油為E5～E8標(biāo)準(zhǔn)[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(shì)及展望

5.1 國內(nèi)燃料乙醇行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

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(biāo)是燃料乙醇規(guī)模達(dá)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(shì)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(jì)效益差，同時(shí)醋酸下游產(chǎn)品需求增長(zhǎng)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(shù)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(shù)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(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)設(shè)備要求較高，設(shè)備投入和維護(hù)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薮蟆５摷夹g(shù)同時(shí)也受到合成氣直接合成乙醇技術(shù)的潛在競(jìng)爭(zhēng)。

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(yán)峻的趨勢(shì)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(kuò)大的趨勢(shì)已勢(shì)不可擋。第一代燃料乙醇因“與民爭(zhēng)糧”而備受爭(zhēng)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(shù)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(shù)已成功地工業(yè)化應(yīng)用，將有效彌補(bǔ)石油資源不足、緩解燃料乙醇對(duì)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(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷變化，可燃冰等新能源的開采技術(shù)的進(jìn)步和新能源汽車的大力推進(jìn)，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(jié)構(gòu)形式下，大力推進(jìn)煤制乙醇工業(yè)化技術(shù)，有利于降低成本和改善環(huán)境。

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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