生物质合成气制燃料乙醇的技术现状及思考

魏银萍

摘要：由于当前能源危机的进一步加重，开发一些能够对化石能源进行替代的可再生清洁能源逐步成为当前发展过程中重点问题。燃料乙醇的是一种非常具有潜力的替代能源，本文主要对生物质合成气制燃料乙醇的技术现状进行阐述，对生物质合成气制燃料乙醇的发展进行分析，以供参考。

关键词：生物质气化;合成气;燃料乙醇

1生物质合成气制燃料乙醇的技术概述

生物质能源的特点在于资源非常广泛，而且含硫量较低，可以不断的利用，不会导致地表的二氧化碳循环总量增加，是当前人们非常关注的一种重要技术｡生物质气化合成燃料主要是通过生物质能进行燃料合成的一种重要方式，当前新西兰､德国､美国等相关国家，都对甲烷､甲醇､乙醇等燃料的制取进行了深入的研究，并且获得了较大的突破｡生物质合成气制燃料乙醇技术，主要方式是把生物质能逐步进行细化，接着将其向合成气转变，通过化学催化的方式或者使用微生物发酵的方法进一步进行乙醇的合成｡

2生物质合成气制燃料乙醇的技术路线

2.1生物质合成气发酵制乙醇

（1）反应原理

（2）工艺特点

控制发酵条件可以抑制醋酸的生成｡当CO∶H2为1∶1时，CO生成乙醇的理论转化率为2/3，生成CO2的转化率为1/3｡研究表明，CO是比H2更容量被微生物作用的物料，增加合成气中CO的浓度，有利于提高乙醇的产量｡控制发酵条件，增大传质系数，可使CO和H2有较高的转化率｡据文献报道的数据：CO的转化率约为90%，H2的转化率约为70%｡

（3）应用情况

美国BRI公司最先开发了利用木质纤维素进行气化发酵生产乙醇的技术，并完成了生物质气化发电和乙醇的联产工艺设计，于2005年末开始筹建第一个商业化运作装置｡工艺过程：生物质通过气化炉气化，使生物质充分热解，并获得CO和H2｡产生的合成气经过净化冷却后进入发酵罐（温度为37～39℃），经过微生物ClostridiumljungdahliiO-52菌株的发酵，使合成气转化为乙醇｡发酵罐中加入微生物细胞生长必须的营养物质，乙醇发酵液经过膜过滤后进入精馏塔，菌株回发酵罐循环使用以提高反应效率｡发酵过程生成液中乙醇的浓度很低（2%～5%），采用共沸蒸馏和分子筛脱水可生产出燃料级乙醇｡这是一个能量自给的过程，高温合成气冷却时产生蒸汽和电力，未发酵的合成气进入燃烧器和锅炉透平系统被烧掉，可产生蒸汽和电力，产生的能量除了供给气化和精馏过程所需的蒸汽､电力外，多余的能量还可向外提供｡

2.2生物质合成气催化制乙醇

（1）反应原理

（2）工艺特点

该反应是放热的，在热力学上是有利的｡随着反应温度增加，乙醇和水浓度会下降，而CO和H2浓度会增加，所以反应适宜于在较低温度下进行｡根据不同温度下反应Gibbs自由能变化的计算结果，CO加氢制乙醇反应在280℃以上ΔG0变成正值，因而这时只有增加压力，反应才有可能进行｡另外，虽然合成气直接制乙醇反应在热力学上是可行的，而实际上确是很难实现的，说明通过先形成C-C键再转化成乙醇的反应是受到动力学控制的｡对这样的反应选用合适的催化剂就显得十分重要｡

该技术主要由国外公司掌握：新西兰LanzaTeach公司掌握并申请专利了新型气体发酵技术，可使由高炉、焦炉转炉（吹氧转炉）排出的含一氧化碳的废气转化成低成本的乙醇和高价值的化学品，单体设备能够形成每年50吨乙醇的生产能力[2] ;美国Coskata公司筛选出了高产菌株（一类CO营养型厌氧微生物），可实现CO转化率达85%以上，原料可涵盖工业废气、合成气、城市垃圾、能源作物等，产品除了乙醇还可得到丙醇、丁醇、丁二醇、己醇、有机酸及脂肪酸等，单体设备可形成150m3/a的生产能力。

目前，该工艺处于中试阶段，未有大规模工业化装置投产的报道。

2.3二甲醚羰基化-加氫法制乙醇

（1）反应原理

二甲醚羰基化加氢工艺是指以甲醇和合成气为原料，甲醇先脱水制得二甲醚，后二甲醚与CO进行羰基化反应生成乙酸甲酯，乙酸甲酯再加氢制得乙醇。反应式：。

2CH3OH→CH3OCH3+H2O（二甲醚反应）

CH3OCH3+CO→CH3COOCH3（羰基化反应）

CH3COOCH3+H2→C2H5OH+CH3OH（加氢反应）

（2）工艺特点

该工艺选择避开了选择贵金属催化剂及特殊材质工艺的醋酸路线，二甲醚合成为成熟技术，关键步骤羰基化反应采用中科院大化所与延长石油集团共同开发的自有技术，反应条件温和（4.0—5.0MPa，200—250℃），二甲醚单程转化率大于50%，选择性大于96%，不选用贵金属催化剂，成本较低;同时，整套装置为无酸环境，设备材质选用碳钢，投资较小。本装置以甲醇､合成气为原料，经过三步主要反应制取无水乙醇，主要设备包括膜分离､PSA､TSA､合成反应器､精馏塔､压缩机､加热炉､制冷机等｡

（3）应用情况

10万吨/年合成气制乙醇项目是延长石油集团投资的科技示范装置，总投资7.43亿元，占地5.42公顷，设计产能为年产10万吨无水乙醇，装置主要包括原料气分离､乙醇合成与分离､压缩､加热炉､冷冻站､排气及凝液回收､变配电站､机柜间､中间及成品罐区等装置及辅助设施｡该项目于2015年10月开工建设，于2017年1月11日打通全流程，产出99.71%的合格无水乙醇｡

据悉，以此套装置运行数据为基础，陕西延长石油集团目前正在编制完成50万吨/年乙醇工艺包，规划建设50万吨/年乙醇项目。同时，鉴于10万吨/年乙醇项目一次试车成功，装置运行稳定，陕西延长石油集团与技术方大连化物所于2017年4月成立了“延长中科（大连）能源科技股份有限公司”，旨在推广此项技术及催化剂生产。

3生物质合成气制燃料乙醇的思考

合成气生产乙醇工艺采用中国科学院大连化学物理研究所和延长石油集团共同开发的具有我国自主知识产权的创新工艺路线｡

该技术在世界范围内首开先河，占据了技术制高点，坚定了我国煤基乙醇技术及工业化的国际领先地位，有效弥补石油资源不足，缓解我国燃料乙醇对粮食的依赖，为我国的能源安全和粮食安全提供有力保障，对我国供给侧结构性改革以及新兴战略产业具有重大战略意义｡

对推进生物质合成气制乙醇技术进行分析，可以发现，通过生物质气化的方式进行合成气制备的过程中，可以在后续工艺操作的过程中产生醇､醚以及烃内燃料，在使用的过程中主要是非粮作物，也就是生物能源进行使用的一种重要方式，具有很强的社会性､经济性，可以让传统化石能源的危机得到有效的缓解，在发展的过程中具有较好的应用前景｡

结束语

我国的煤炭资源非常丰富，利用煤气化生产合成气，再进行燃料乙醇的生产，与当前我国的国情相吻合，所以一定要积极加强技术交流和合作，让合成气制燃料乙醇的技术进一步发展｡

参考文献：

[1] SongAD，FengXJ，HuiX，.Biomass-derive dSyng asFermenta tionintoFuelEthanol：Researc hProgres s[J].Food&Fermentatio nIndustries，2011，37（6）：130-136.

[2] 李东，袁振宏，王忠铭，等.生物质合成气发酵生产乙醇技术的研究进展[J].可再生能源，2006（2）：57-61.

[3] 王风芹，张炎达，谢慧，etal.生物质气化气发酵生产乙醇优良菌株的筛选[J].农业工程学报，2015，31（7）：221-226.

（作者单位：陕西兴化集团有限责任公司）