用煤“燒”酒

蘇更林

早在先秦時期，我國就出現(xiàn)了人工釀酒。“若作酒醴，爾惟曲蘗。”如果要釀造酒和醴，就必須有曲和蘗。人們一般把發(fā)霉的谷物叫作曲，把發(fā)芽的谷物叫作蘗。由于用曲釀出的酒要比用蘗釀出的醴酒度數(shù)高，后來就形成了“用曲釀酒”的傳統(tǒng)。從本質(zhì)上說，曲是一種多菌多酶的生物制品，利用曲發(fā)酵制酒包含了糖化和酒化兩個過程，這也是我國傳統(tǒng)釀酒工藝的一大特色。

我們知道，酒的主要成分是乙醇（俗稱酒精）。雖然人類飲酒的歷史十分悠久，對酒精的認(rèn)識卻經(jīng)歷了一個漫長的過程。1784年，法國著名科學(xué)家拉瓦錫通過酒精燃燒實驗，首先確定了酒精的化學(xué)元素組成—碳、氫、氧，由此打開了酒精的化學(xué)大門。1807年，瑞士化學(xué)家索緒爾完成了乙醇的元素組成分析，確定了乙醇的化學(xué)式。1858年，英國化學(xué)家?guī)扃晏岢隽艘掖甲畛醯慕Y(jié)構(gòu)式。1892年，在日內(nèi)瓦國際化學(xué)命名法會議上，乙醇被正式確定為酒精的化學(xué)名稱。

汽車也“嗜酒”

乙醇的沸點(diǎn)較低，為78.5℃，易燃燒，具有作為動力燃料的潛質(zhì)，所以很早就作為照明燃料而被廣泛應(yīng)用。伴隨著機(jī)動運(yùn)輸車的發(fā)展，乙醇的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。1896年，福特汽車公司率先將乙醇應(yīng)用于汽車燃料。約從20世紀(jì)30年代起，我國開始將乙醇作為汽車燃料，當(dāng)然，它并不是現(xiàn)在廣泛使用的乙醇汽油。

乙醇汽油是普通汽油和 燃料乙醇按照一定比例混配而成的，它可以完全替代汽油作為點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)汽車的燃料。按照中國國家標(biāo)準(zhǔn)，乙醇汽油由90%的普通汽油和10%的燃料乙醇調(diào)和而成。作為一種清潔燃料，乙醇汽油的環(huán)保性令人稱道，它是可再生能源的發(fā)展重點(diǎn)，符合中國能源替代戰(zhàn)略和可再生能源發(fā)展方向，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

生物基燃料乙醇

現(xiàn)階段，我國燃料乙醇消費(fèi)的主要來源仍是生物基燃料乙醇。所謂生物基燃料乙醇，就是用含淀粉（玉米、小麥、薯類等）、纖維素（秸稈、林木等）或糖質(zhì)（甘蔗、糖蜜等）等的原料經(jīng)發(fā)酵蒸餾而制成的燃料乙醇。第一代燃料乙醇以陳化糧（如玉米、小麥等）為原料，或者以非糧作物（如木薯、甜高粱等）為原料，通過生物酶的發(fā)酵作用把淀粉質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇。第二代燃料乙醇以廢棄的玉米秸稈、干草、樹葉和其他類型的植物纖維材料為原料，通過生物發(fā)酵的方式制取乙醇。第三代燃料乙醇以微藻中含有的淀粉、纖維素、半纖維素等碳水化合物為原料來制取乙醇。

目前，第三代微藻乙醇尚處于研發(fā)階段，第二代纖維素乙醇的產(chǎn)能建設(shè)尚不足；而以玉米等糧作物和木薯等非糧作物為原料的第一代燃料乙醇的制取技術(shù)已十分成熟，其產(chǎn)能在我國生物基燃料乙醇中居于主導(dǎo)地位。

以煤代糧—燃料乙醇制取新突破

目前，我國乙醇汽油中燃料乙醇的添加標(biāo)準(zhǔn)為10%，如果所有汽油都添加燃料乙醇，那么對燃料乙醇的需求量將會是一個龐大的數(shù)字。

在我國玉米消費(fèi)占比中，飼用用糧約占60%，深加工用糧約占30%，其余為口糧及其加工食品。如果擴(kuò)大以玉米為原料生產(chǎn)加工燃料乙醇的規(guī)模，勢必會擠壓口糧和飼用用糧的空間，最終受影響的是人們的“米袋子”和“菜籃子”。對此，我國明確提出嚴(yán)格控制以玉米為原料的燃料乙醇加工規(guī)模。這一政策也體現(xiàn)了國家促進(jìn)玉米產(chǎn)銷平衡、保障國家糧食安全的發(fā)展導(dǎo)向。發(fā)展燃料乙醇，不能與人爭糧，不能與糧爭地。

能源是人類社會的命脈，也是極其珍貴的戰(zhàn)略資源。對于中國這樣一個“富煤少油”的國家，發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)，除了在纖維素資源制取乙醇方面尋求突破外，在煤基乙醇領(lǐng)域推進(jìn)工業(yè)化步伐無疑具有更為重要的意義。

然而，用煤制酒談何容易！傳統(tǒng)的煤基乙醇技術(shù)主要有合成氣微生物發(fā)酵制乙醇、合成氣一步法制乙醇、醋酸直接加氫法制乙醇以及醋酸酯化加氫法制乙醇四種。不過，這四種技術(shù)或多或少都存在提純過程能耗高、難以連續(xù)生產(chǎn)、分離較困難、建設(shè)投資大等缺點(diǎn)。有沒有更先進(jìn)的用煤制酒技術(shù)呢？

用煤制酒的“黑科技”

坐落在陜西省榆林市榆神工業(yè)區(qū)的年產(chǎn)50萬噸煤基乙醇工業(yè)化項目，采用了全新的環(huán)境友好型工藝技術(shù)路線。該工藝以煤基合成氣（主要成分為一氧化碳和氫氣）為原料，經(jīng)過合成甲醇、二甲醚羰基化以及加氫等步驟來制取無水乙醇及其他化工產(chǎn)品。其工藝路線為：合成氣—甲醇—二甲醚—乙酸甲酯—乙醇。該工藝由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司聯(lián)合研發(fā)。

與傳統(tǒng)的無水乙醇生產(chǎn)工藝相比，該煤基乙醇工藝分離能耗很低。這是因為該工藝過程基本是在無水條件下進(jìn)行反應(yīng)的，分離所得產(chǎn)品即為無水乙醇，產(chǎn)品純度可達(dá)99.71%，大大降低了產(chǎn)品的分離能耗。

為什么煤基乙醇如此看重水分含量？原來，我國的無水乙醇標(biāo)準(zhǔn)對水分含量有著嚴(yán)格的要求：合格品的水分含量要小于0.50%，一級品的水分含量要小于0.10%，優(yōu)級品的水分含量要小于0.05%。無論是變性燃料乙醇（添加變性劑后，不能食用、僅供混配汽油的專用乙醇）還是車用乙醇汽油，都對水分含量有著嚴(yán)格的要求。

據(jù)悉，乙醇汽油中即便是存在少量水分，也很容易發(fā)生分層現(xiàn)象，從而影響乙醇汽油的正常燃燒。比如，當(dāng)乙醇的含水量大于0.75%時，水分子就會與乙醇分子形成復(fù)雜的締合體，導(dǎo)致汽油和乙醇的分層；當(dāng)乙醇的含水量大于1.25%時，這種分層現(xiàn)象就會更明顯。

該煤基乙醇工藝突破了傳統(tǒng)貴金屬催化劑的限制，采用了常規(guī)的分子篩催化劑和銅基催化劑。使用不同的催化劑會有完全不同的反應(yīng)，生成的產(chǎn)物自然也就不同。為了擺脫貴金屬催化劑的束縛，研發(fā)人員經(jīng)過了多年的艱苦探索，終于篩選出了具有工業(yè)應(yīng)用價值的非貴金屬分子篩催化劑。這為煤基乙醇的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

另外，從抗腐蝕的角度來講，該工藝由于無需添加碘甲烷等鹵化物助劑，因此可不使用抗腐蝕特殊材料（如鋯材或哈氏合金），這樣能有效減少設(shè)備投資。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，由于中間產(chǎn)物—乙酸甲酯也具有諸多應(yīng)用場合，因此可以根據(jù)市場需求及時調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

清潔燃燒 改善生態(tài)

我們知道，散煤燃燒是導(dǎo)致霧霾的重要因素之一。散煤指的是電力和工業(yè)集中燃煤以外的散燒煤，包括小鍋爐、小窯爐燃煤以及居民生活和服務(wù)業(yè)分散使用的燃煤等。散煤通常是灰分及硫分含量高的劣質(zhì)煤，燃燒粗放、低效，缺乏脫硫、脫硝等除塵處理，點(diǎn)多、面廣，污染嚴(yán)重。為此，人們花了大力氣來治理散煤燃燒，清潔取暖就是在這樣的背景下提出來的。

當(dāng)然，治理煤炭污染不能一拒了之，還應(yīng)在清潔利用上做足文章。推動煤炭從燃料向燃料和原料并重轉(zhuǎn)變，一直是煤化工的重要任務(wù)。實際上，我國在煤化工領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多重要成果，如煤制烯烴、煤制油、煤制天然氣以及煤制乙二醇等。

上述煤基乙醇工藝，無疑是我國煤炭清潔利用的又一重要成果。煤基乙醇工業(yè)化項目投產(chǎn)后，每年可節(jié)約生物乙醇原料糧約150萬噸，是節(jié)約糧食資源的一劑良方。同時，該項目每年可轉(zhuǎn)化低階煤約150萬噸，這對于加快我國現(xiàn)代煤化工基地建設(shè)，形成多種資源循環(huán)利用新模式，推動煤炭產(chǎn)業(yè)清潔、低碳、安全、高效發(fā)展具有重要的意義。

燃料乙醇具有自供氧性，這是其作為乙醇汽油增氧劑的基礎(chǔ)。乙醇汽油由于添加了10%的變性燃料乙醇，所以含氧量增加了3.5%。含氧量提高了，燃燒就會更充分，一氧化碳、碳氧化物、氮氧化物等污染物排放自然也就降低了。有報告稱，使用含10%變性燃料乙醇的乙醇汽油作為車用燃料，汽車尾氣中的一氧化碳和碳氧化物可以分別減少30%和15%；燃料乙醇還有效降低了原汽油添加劑—甲基叔丁基醚對地下水資源的污染（2017年，甲基叔丁基醚被世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)列入致癌物清單中）。盡管燃料乙醇的熱值較汽油低，但鑒于其對發(fā)動機(jī)熱效率和動力性的改善，故其油耗水平與汽油基本持平或僅略有降低。

陜西煤基乙醇工業(yè)化項目的投產(chǎn)，標(biāo)志著我國煤制乙醇工藝已居于國際領(lǐng)先地位。煤制乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)，一方面可以節(jié)約糧食，另一方面又能清潔煤炭，這對于保障國家糧食安全和能源安全以及改善生態(tài)環(huán)境都具有重要的意義。

【責(zé)任編輯】諶 燕