燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及推廣建議

殷志敏， 白曉宇， 趙亞威， 陳 玨

(1.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司化工研究院，山西 太原 030021；2.山西中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)管理中心，山西 晉中 030619)

引 言

燃料乙醇[1]作為新型燃料替代品和汽油添加劑，具有可再生性、增氧助燃、無(wú)毒環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到各國(guó)政府和能源巨頭的關(guān)注，并替代汽油、煤炭、石油氣等傳統(tǒng)燃料廣泛應(yīng)用于餐飲、車(chē)用等燃料行業(yè)。近年來(lái)，我國(guó)有關(guān)國(guó)家部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車(chē)用乙醇汽油的實(shí)施方案》(2017年9月)、《關(guān)于建立擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車(chē)用乙醇汽油工作信息月報(bào)制度的通知》(2019年3月)等相關(guān)政策，充分表明國(guó)家對(duì)燃料乙醇的生產(chǎn)和使用的重視程度，燃料乙醇產(chǎn)品的穩(wěn)定供應(yīng)事關(guān)國(guó)計(jì)民生。

1 燃料乙醇生產(chǎn)路線

目前，根據(jù)生產(chǎn)原料的不同，燃料乙醇的生產(chǎn)工藝[2-4]主要分為三大類(lèi)：石油基乙烯水合法、煤基合成氣法以及生物質(zhì)法。乙烯水合法是以石油作為基礎(chǔ)原料，適合于美國(guó)、俄羅斯等石油資源豐富的國(guó)家。近年來(lái)，由于合成氣制備乙醇的工藝技術(shù)有所突破，且生產(chǎn)成本較低，因此，在我國(guó)煤炭資源豐富的條件下有很好的發(fā)展前景。但我國(guó)為了避免能源危機(jī)且降低碳排放，目前只采用生物質(zhì)法[3](玉米、木薯等為基礎(chǔ)原料)生產(chǎn)燃料乙醇。

1.1 石油基乙烯水合法

石油在裂化和熱解過(guò)程會(huì)生成大量乙烯，以乙烯為原料合成燃料乙醇的生產(chǎn)路線稱(chēng)為“乙烯水合法”。乙烯水合法[4]又分為間接水合法和直接水合法。其中，間接水合法的反應(yīng)分為“乙烯→硫酸酯”、“硫酸酯→乙醇”兩步進(jìn)行。該方法在生產(chǎn)過(guò)程中需要使用濃硫酸作為乙烯吸收劑，對(duì)設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重，且工藝流程較長(zhǎng)、設(shè)備投資高，現(xiàn)已被直接水合法取代。直接水合法是采用負(fù)載于硅藻土上的磷酸作為催化劑，將乙烯與水在一定條件下直接反應(yīng)生產(chǎn)乙醇。但該工藝最大的缺陷是轉(zhuǎn)化率低、生產(chǎn)能耗較高，影響其經(jīng)濟(jì)性，在石油資源豐富且價(jià)格較低的國(guó)家具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。由于石油基乙烯水合法在我國(guó)應(yīng)用較少，因此不做過(guò)多論述。

1.2 煤基合成氣法

合成氣法合成燃料乙醇的工藝路線[4-5]主要是以煤炭為基礎(chǔ)原料發(fā)展而來(lái)，基于我國(guó)煤炭資源豐富，該方法可以豐富國(guó)家能源結(jié)構(gòu)，符合我國(guó)能源戰(zhàn)略需求。根據(jù)合成工藝步驟，合成氣法可以分為直接法和間接法。

合成氣直接法是指在銠基催化劑[6]作用下，合成氣直接轉(zhuǎn)化為低碳混合醇的過(guò)程。此法主要缺點(diǎn)是選擇性低，伴隨很多副反應(yīng)，后期分離能耗過(guò)高。研究該路線的主要有日本C1工程研究組、上海石油化工研究院和大連化物所等機(jī)構(gòu)，但由于燃料乙醇收率低、經(jīng)濟(jì)性制約等問(wèn)題，目前尚未工業(yè)化。

目前，合成氣間接法[2,4,5]主要包括醋酸加氫法、醋酸酯化加氫、甲醇多相羰基化和二甲醚羰基化等方法。與直接法相比，合成氣間接法具有較高的乙醇選擇性和收率，在我國(guó)燃料乙醇工業(yè)化生產(chǎn)中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，在下文中重點(diǎn)介紹合成氣間接法的幾種類(lèi)型。

1.2.1 醋酸加氫法

目前，基于我國(guó)醋酸產(chǎn)能過(guò)剩的現(xiàn)狀，醋酸加氫制備乙醇方法是我國(guó)合成氣法生產(chǎn)乙醇的主流技術(shù)工藝[4,7]，如圖1所示。

圖1 醋酸加氫制乙醇路線制乙醇流程示意圖

醋酸生產(chǎn)廠家塞拉尼斯、河南順達(dá)、江蘇索普均開(kāi)發(fā)利用醋酸加氫法生產(chǎn)乙醇，且已投入工業(yè)化生產(chǎn)。醋酸加氫法的主要優(yōu)勢(shì)在于可以消化醋酸產(chǎn)能余量、工藝流程短、能耗低、乙醇產(chǎn)品收率高等。但產(chǎn)業(yè)發(fā)展也面臨很多問(wèn)題，一方面醋酸加氫催化劑多為貴金屬催化劑，價(jià)格高且回收困難；另一方面考慮到醋酸的存在，管道設(shè)計(jì)級(jí)別較高，整體投資較高。

1.2.2 醋酸酯化加氫法

根據(jù)中間產(chǎn)物不同，醋酸酯化加氫工藝[5,7,8]分為醋酸甲酯加氫法和醋酸乙酯加氫法兩種類(lèi)型。該工藝路線加氫反應(yīng)條件溫和，采用Cu系催化劑價(jià)格較為低廉，且生產(chǎn)過(guò)程中可以根據(jù)市場(chǎng)需求調(diào)整中間產(chǎn)物(酯類(lèi))和最終產(chǎn)物(醇類(lèi))的產(chǎn)量。但該方法的工藝路線長(zhǎng)，有一半產(chǎn)物需返回工藝前端循環(huán)酯化使用，且醋酸原料使得管道設(shè)計(jì)級(jí)別高，投資較高。因此，目前只有河南順達(dá)、中石化、上海戊正和江蘇丹化等企業(yè)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

1.2.3 二甲醚羰基化法(見(jiàn)圖2)

圖2 二甲醚羰基化路線制乙醇流程示意圖

合成氣制備二甲醚的技術(shù)工藝相對(duì)成熟，因此，二甲醚羰基化法的核心技術(shù)[9-10]在于二甲醚羰基化生成醋酸甲酯和醋酸甲酯加氫生成乙醇。其中，羰基化催化劑[11-12]是目前技術(shù)人員的重點(diǎn)攻關(guān)部分。

二甲醚羰基化法的優(yōu)勢(shì)在于：1) 各反應(yīng)產(chǎn)品收率高，工藝相對(duì)成熟；2) 采用分子篩催化劑和Cu基催化劑，反應(yīng)過(guò)程中無(wú)貴金屬催化劑參與，生產(chǎn)成本相對(duì)較低；3) 在制二甲醚過(guò)程中已脫去水，反應(yīng)后端均為無(wú)水體系，精制能耗低；4) 設(shè)備材質(zhì)設(shè)計(jì)無(wú)特殊要求，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯；5) 該反應(yīng)路線可以解決我國(guó)甲醇產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題。近年來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)將目光聚焦在利用二甲醚羰基化法制備方面，并取得了較好的成績(jī)。大連化物所和延長(zhǎng)石油合作研發(fā)10萬(wàn)t級(jí)示范性裝置已試車(chē)成功，并在2018年11月與新疆天業(yè)簽署120萬(wàn)t級(jí)乙醇項(xiàng)目授權(quán)協(xié)議。天津大學(xué)、惠生工程和陽(yáng)煤集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)發(fā)千噸級(jí)中試裝置已試車(chē)成功，目前正編制50萬(wàn)t級(jí)工藝包。根據(jù)大連化學(xué)物理研究所的報(bào)道，該工藝路線大型化后，成本估算為3 500元/t[10]，成本優(yōu)勢(shì)明顯。

除了以上介紹的工藝路線，目前仍在研究中的合成氣法還有甲醇多相羰基化法[6]等，雖然大連化物所已經(jīng)完成該工藝的模試試驗(yàn)，并通過(guò)專(zhuān)家驗(yàn)收，但在成本和收率方面還有待進(jìn)一步優(yōu)化，該方法距工業(yè)化生產(chǎn)還有很大的距離。

1.3 生物質(zhì)發(fā)酵法

生物質(zhì)發(fā)酵法是我國(guó)當(dāng)前生產(chǎn)燃料乙醇的主流工藝，工藝流程分為原料收集、預(yù)處理、糖化、發(fā)酵和分離純化五個(gè)步驟。目前，生物質(zhì)法根據(jù)生產(chǎn)原料[14]的不同分為三大類(lèi)：第1代糧食乙醇(G1代)的原料是小麥、水稻和玉米等糧食作物，第1.5代非糧乙醇(G1.5代)的原料是甜高粱、木薯和甘蔗等非糧食作物，第2代纖維素乙醇(G2代)的原料是以秸稈為主的農(nóng)業(yè)廢棄物。

1.3.1 糧食乙醇

21世紀(jì)初，我國(guó)為解決陳化糧去庫(kù)存的問(wèn)題，政府牽頭推進(jìn)糧食乙醇技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)已具備成熟工藝。糧食乙醇占據(jù)我國(guó)燃料乙醇絕大部分市場(chǎng)，中糧集團(tuán)、吉林燃料乙醇和河南天冠是國(guó)內(nèi)糧食乙醇產(chǎn)能最大的三家企業(yè)[2,4]。隨著國(guó)內(nèi)儲(chǔ)備陳糧減少，國(guó)家補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠政策已取消，且存在與民爭(zhēng)糧的風(fēng)險(xiǎn)，糧食乙醇行業(yè)遭遇產(chǎn)能天花板，經(jīng)濟(jì)價(jià)值受到影響。

1.3.2 非糧乙醇

在糧食乙醇遇到產(chǎn)能瓶頸的情況下，我國(guó)開(kāi)始大力支持非糧乙醇技術(shù)的發(fā)展。目前，我國(guó)擁有該技術(shù)的廠商主要有中糧、中石化、廣東中科天新能源[2,4,13]等。但是，非糧乙醇的主要生產(chǎn)原料木薯需從國(guó)外進(jìn)口，容易受到氣候和國(guó)際關(guān)系等不可抗力因素影響。

1.3.3 纖維素乙醇

纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)[13-14]作為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分制之一，具有原料豐富，來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈是纖維素乙醇最常用的原料，符合綠色環(huán)保要求，也可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料利用最大化。國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)示范裝置的企業(yè)主要有中糧集團(tuán)、河南天冠和龍力生物等，總體而言還處于工業(yè)放大階段，目前仍存在有能耗高、廢水量大、發(fā)酵所需酶制劑[15-16]依賴(lài)國(guó)外、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，纖維素乙醇生產(chǎn)符合我國(guó)農(nóng)業(yè)大國(guó)的國(guó)情，其工藝技術(shù)的深入研發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

1.4 其他新型工藝路線

近年來(lái)，城鎮(zhèn)生活垃圾以5%/年的速度快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)城市垃圾處理量將達(dá)到2.36億t[17]。其中餐余垃圾等可通過(guò)氣化工藝在欠氧條件下生成以H2和CO為主要組分的合成氣。目前，城市垃圾厭氧氣化制合成氣總體仍處于中試及工業(yè)示范階段[18]，暫不具備大規(guī)模生產(chǎn)條件，但其具有將城市垃圾中有機(jī)質(zhì)變肥為寶的特點(diǎn)，極符合綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，相比垃圾焚燒處理辦法，受到業(yè)界追捧。城市垃圾合成氣法制乙醇的工藝路線[19-20]如圖3所示。

該工藝路線主要分為城市垃圾厭氧氣化制合成氣和二甲醚制乙醇兩部分，生產(chǎn)乙醇的成本優(yōu)勢(shì)較明顯。該工藝路線的難點(diǎn)在于垃圾分類(lèi)處理、氣化技術(shù)路線尚未成熟等方面。但基于國(guó)內(nèi)城市垃圾體量龐大，城市垃圾合成氣法制乙醇技術(shù)亟待國(guó)家給予政策扶持，實(shí)現(xiàn)城市垃圾無(wú)害化處理和資源高效再利用[21]。

圖3 城市垃圾合成氣法制乙醇工藝路線圖

2 燃料乙醇推廣現(xiàn)狀及供需情況

2.1 國(guó)內(nèi)燃料乙醇發(fā)展?jié)撛谖C(jī)

目前，我國(guó)的燃料乙醇主要是指生物質(zhì)燃料乙醇。2000年國(guó)家開(kāi)始規(guī)劃財(cái)政補(bǔ)貼生物質(zhì)燃料乙醇市場(chǎng)，G1代最高補(bǔ)貼2 056元/t(2016年后取消補(bǔ)貼)，G1.5代和G2代分別補(bǔ)貼500元/t、800元/t。而G1代、G1.5代和G2代的生產(chǎn)成本分別為4 709元/t、5 275元/t和5 588元/t[22]?？鄢?cái)政補(bǔ)貼，生物質(zhì)燃料乙醇的成本價(jià)基本維持在4 700元/t～4 800元/t，而出廠價(jià)多為5 600元/t～5 800元/t(東三省最低5 300元/t)。由此可見(jiàn)，生物質(zhì)燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)仍有一定的盈利空間。

隨著越來(lái)越多的省份加大乙醇汽油的推廣力度，燃料乙醇的消耗逐漸增大。但是，由于原料和工藝受限，生物質(zhì)燃料乙醇的產(chǎn)能無(wú)法滿足需求量。如果生物質(zhì)燃料乙醇的產(chǎn)能無(wú)法改善，可能會(huì)導(dǎo)致國(guó)家采用其他方法填補(bǔ)燃料乙醇的缺口，例如進(jìn)口美國(guó)、巴西廉價(jià)燃料乙醇(550美元/t)、適度放開(kāi)煤基燃料乙醇市場(chǎng)(約4 000元/t)等[22-23]，這必將會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)生物質(zhì)燃料乙醇企業(yè)造成巨大沖擊。

2.2 乙醇汽油推廣現(xiàn)狀

2017年，我國(guó)多部委聯(lián)合發(fā)文，要求乙醇汽油在2020年基本實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍的覆蓋工作。經(jīng)調(diào)研[22-24]，預(yù)計(jì)到2020年汽油表觀消耗量為1.26億t，根據(jù)乙醇汽油添加比例燃料乙醇：汽油(1∶10)計(jì)算所需燃料乙醇1 260萬(wàn)t；2030年汽油表觀消耗量為1.81億t，所需燃料乙醇1 810萬(wàn)t(見(jiàn)圖4)。但是據(jù)亞化咨詢(xún)統(tǒng)計(jì)，截止到2019年底，我國(guó)現(xiàn)有生物燃料乙醇產(chǎn)能為322萬(wàn)t，規(guī)劃在建及擴(kuò)建產(chǎn)能為375萬(wàn)t[24]。按照以上數(shù)據(jù)分析，我國(guó)生物燃料乙醇市場(chǎng)面臨較大缺口。

圖4 2000年-2030年汽油和燃料乙醇消耗量示意圖

但是，我國(guó)乙醇汽油的推廣現(xiàn)狀并不理想。截至2018年，全國(guó)燃料乙醇銷(xiāo)量約300萬(wàn)t[25]，約占當(dāng)年全國(guó)汽油表觀消耗量的四分之一。截至2019年10月，全國(guó)只有十三個(gè)省市試點(diǎn)推廣乙醇汽油。由此可見(jiàn)，全國(guó)在2020年完成生物乙醇汽油的覆蓋工作任重道遠(yuǎn)。筆者分析政府推廣乙醇汽油不利的因素主要有以下四個(gè)方面：

1) 國(guó)家規(guī)定燃料乙醇的價(jià)格為國(guó)家規(guī)定汽油“中準(zhǔn)價(jià)”的91.11%[23]，但隨著國(guó)際油價(jià)持續(xù)大跌，燃料乙醇的售價(jià)受到市場(chǎng)競(jìng)價(jià)影響可能會(huì)低于生產(chǎn)成本，致使其定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)被迫停產(chǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致我國(guó)乙醇汽油的推廣使用出現(xiàn)燃料乙醇斷供；

2) 從乙醇汽油的體驗(yàn)感分析[26]，乙醇汽油燃燒熱值低、動(dòng)力不佳、尾氣水含量較高，多數(shù)用戶(hù)認(rèn)可度不高；

3) 乙醇汽油在運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中存在分層和難保存的問(wèn)題[27]；4) 乙醇汽油作為新型燃料，它的推廣會(huì)受到固有思想和原有燃料市場(chǎng)的阻礙。

2.3 乙醇汽油推廣建議

隨著乙醇汽油推廣速度的加快，我們應(yīng)充分考慮國(guó)內(nèi)生物質(zhì)燃料乙醇行業(yè)健康發(fā)展和國(guó)內(nèi)燃料乙醇日益增長(zhǎng)的需求，筆者認(rèn)為我國(guó)政府平衡兩者關(guān)系應(yīng)做好以下幾點(diǎn)：

1) 國(guó)家發(fā)改委制定燃料乙醇調(diào)價(jià)機(jī)制[23,28](參照成品油調(diào)價(jià)機(jī)制)，設(shè)定保底價(jià)，保護(hù)生物制燃料乙醇企業(yè)平穩(wěn)發(fā)展。

2) 適度降低乙醇汽油售價(jià)，讓老百姓在價(jià)格和油耗上找到平衡點(diǎn)，利于乙醇汽油的推廣。

3) 鼓勵(lì)支持石化企業(yè)[28-29]直接建設(shè)或參股燃料乙醇企業(yè)，增加石化企業(yè)推廣乙醇汽油的積極性。如中石油控股吉林燃料乙醇項(xiàng)目，中石油參股中糧生化和河南天冠。

4) 適度放開(kāi)國(guó)內(nèi)煤基燃料乙醇市場(chǎng)，分?jǐn)倗?guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)危機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。延長(zhǎng)石油煤基二甲醚制燃料乙醇項(xiàng)目已開(kāi)始工業(yè)化推廣[11]。

5) 從國(guó)外進(jìn)口廉價(jià)生物燃料乙醇，加收一定關(guān)稅，防止其低價(jià)擾亂市場(chǎng)。

6) 生物燃料乙醇成本核算，酶制劑所占比例最大，鼓勵(lì)支持開(kāi)發(fā)生物質(zhì)燃料乙醇核心技術(shù)(酶制劑)，尤其我國(guó)在纖維素乙醇酶制劑方面還存在著一定差距。

7) 積極拓展新型綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展燃料乙醇路線，如1.4中提到的城市垃圾經(jīng)合成氣制乙醇路線就是不錯(cuò)的思路。

3 結(jié)論與展望

燃料乙醇汽油與傳統(tǒng)汽油相比，具備可降低尾氣及碳排放、陳糧去庫(kù)存多元化、豐富國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)多樣性(2019年，我國(guó)原油對(duì)外依賴(lài)度高達(dá)70%)等優(yōu)點(diǎn)，是符合國(guó)家能源戰(zhàn)略的綠色清潔燃料。隨著中國(guó)近20年的推廣及補(bǔ)貼，目前乙醇汽油已占汽油總消費(fèi)量的30%左右，并在13個(gè)省進(jìn)行推廣。

生物質(zhì)燃料乙醇(G1代、G1.5代、G2代)路線現(xiàn)階段均有一定產(chǎn)能瓶頸，而燃料乙醇的穩(wěn)定供應(yīng)對(duì)乙醇汽油的推廣至關(guān)重要。燃料乙醇的供應(yīng)應(yīng)以生物質(zhì)燃料乙醇為主，煤基乙醇及國(guó)外進(jìn)口為輔，積極開(kāi)發(fā)優(yōu)化符合綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的生產(chǎn)路線，如重點(diǎn)攻關(guān)纖維素乙醇核心工藝(酶制劑)、開(kāi)發(fā)新型城市垃圾經(jīng)合成氣制乙醇路線均是不錯(cuò)的發(fā)展思路。

石化企業(yè)推廣熱情及消費(fèi)者的接受度，這些均掣肘燃料汽油的推廣。為改善國(guó)家能源結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)境，加快乙醇汽油國(guó)內(nèi)全覆蓋，找到多方的平衡點(diǎn)，國(guó)家對(duì)其的宏觀調(diào)控政策必不可少。