燃料乙醇产业发展现状及推广建议

殷志敏， 白晓宇， 赵亚威， 陈 珏

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司化工研究院，山西 太原 030021；2.山西中医药大学实验管理中心，山西 晋中 030619)

引 言

燃料乙醇[1]作为新型燃料替代品和汽油添加剂，具有可再生性、增氧助燃、无毒环保等优点，越来越受到各国政府和能源巨头的关注，并替代汽油、煤炭、石油气等传统燃料广泛应用于餐饮、车用等燃料行业。近年来，我国有关国家部门联合发布的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》(2017年9月)、《关于建立扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油工作信息月报制度的通知》(2019年3月)等相关政策，充分表明国家对燃料乙醇的生产和使用的重视程度，燃料乙醇产品的稳定供应事关国计民生。

1 燃料乙醇生产路线

目前，根据生产原料的不同，燃料乙醇的生产工艺[2-4]主要分为三大类：石油基乙烯水合法、煤基合成气法以及生物质法。乙烯水合法是以石油作为基础原料，适合于美国、俄罗斯等石油资源丰富的国家。近年来，由于合成气制备乙醇的工艺技术有所突破，且生产成本较低，因此，在我国煤炭资源丰富的条件下有很好的发展前景。但我国为了避免能源危机且降低碳排放，目前只采用生物质法[3](玉米、木薯等为基础原料)生产燃料乙醇。

1.1 石油基乙烯水合法

石油在裂化和热解过程会生成大量乙烯，以乙烯为原料合成燃料乙醇的生产路线称为“乙烯水合法”。乙烯水合法[4]又分为间接水合法和直接水合法。其中，间接水合法的反应分为“乙烯→硫酸酯”、“硫酸酯→乙醇”两步进行。该方法在生产过程中需要使用浓硫酸作为乙烯吸收剂，对设备的腐蚀严重，且工艺流程较长、设备投资高，现已被直接水合法取代。直接水合法是采用负载于硅藻土上的磷酸作为催化剂，将乙烯与水在一定条件下直接反应生产乙醇。但该工艺最大的缺陷是转化率低、生产能耗较高，影响其经济性，在石油资源丰富且价格较低的国家具有一定的竞争力。由于石油基乙烯水合法在我国应用较少，因此不做过多论述。

1.2 煤基合成气法

合成气法合成燃料乙醇的工艺路线[4-5]主要是以煤炭为基础原料发展而来，基于我国煤炭资源丰富，该方法可以丰富国家能源结构，符合我国能源战略需求。根据合成工艺步骤，合成气法可以分为直接法和间接法。

合成气直接法是指在铑基催化剂[6]作用下，合成气直接转化为低碳混合醇的过程。此法主要缺点是选择性低，伴随很多副反应，后期分离能耗过高。研究该路线的主要有日本C1工程研究组、上海石油化工研究院和大连化物所等机构，但由于燃料乙醇收率低、经济性制约等问题，目前尚未工业化。

目前，合成气间接法[2,4,5]主要包括醋酸加氢法、醋酸酯化加氢、甲醇多相羰基化和二甲醚羰基化等方法。与直接法相比，合成气间接法具有较高的乙醇选择性和收率，在我国燃料乙醇工业化生产中具有较强的竞争力。因此，在下文中重点介绍合成气间接法的几种类型。

1.2.1 醋酸加氢法

目前，基于我国醋酸产能过剩的现状，醋酸加氢制备乙醇方法是我国合成气法生产乙醇的主流技术工艺[4,7]，如图1所示。

图1 醋酸加氢制乙醇路线制乙醇流程示意图

醋酸生产厂家塞拉尼斯、河南顺达、江苏索普均开发利用醋酸加氢法生产乙醇，且已投入工业化生产。醋酸加氢法的主要优势在于可以消化醋酸产能余量、工艺流程短、能耗低、乙醇产品收率高等。但产业发展也面临很多问题，一方面醋酸加氢催化剂多为贵金属催化剂，价格高且回收困难；另一方面考虑到醋酸的存在，管道设计级别较高，整体投资较高。

1.2.2 醋酸酯化加氢法

根据中间产物不同，醋酸酯化加氢工艺[5,7,8]分为醋酸甲酯加氢法和醋酸乙酯加氢法两种类型。该工艺路线加氢反应条件温和，采用Cu系催化剂价格较为低廉，且生产过程中可以根据市场需求调整中间产物(酯类)和最终产物(醇类)的产量。但该方法的工艺路线长，有一半产物需返回工艺前端循环酯化使用，且醋酸原料使得管道设计级别高，投资较高。因此，目前只有河南顺达、中石化、上海戊正和江苏丹化等企业进行技术研发，尚未实现大规模工业化应用。

1.2.3 二甲醚羰基化法(见图2)

图2 二甲醚羰基化路线制乙醇流程示意图

合成气制备二甲醚的技术工艺相对成熟，因此，二甲醚羰基化法的核心技术[9-10]在于二甲醚羰基化生成醋酸甲酯和醋酸甲酯加氢生成乙醇。其中，羰基化催化剂[11-12]是目前技术人员的重点攻关部分。

二甲醚羰基化法的优势在于：1) 各反应产品收率高，工艺相对成熟；2) 采用分子筛催化剂和Cu基催化剂，反应过程中无贵金属催化剂参与，生产成本相对较低；3) 在制二甲醚过程中已脱去水，反应后端均为无水体系，精制能耗低；4) 设备材质设计无特殊要求，技术优势明显；5) 该反应路线可以解决我国甲醇产能过剩的问题。近年来，越来越多的企业将目光聚焦在利用二甲醚羰基化法制备方面，并取得了较好的成绩。大连化物所和延长石油合作研发10万t级示范性装置已试车成功，并在2018年11月与新疆天业签署120万t级乙醇项目授权协议。天津大学、惠生工程和阳煤集团联合开发千吨级中试装置已试车成功，目前正编制50万t级工艺包。根据大连化学物理研究所的报道，该工艺路线大型化后，成本估算为3 500元/t[10]，成本优势明显。

除了以上介绍的工艺路线，目前仍在研究中的合成气法还有甲醇多相羰基化法[6]等，虽然大连化物所已经完成该工艺的模试试验，并通过专家验收，但在成本和收率方面还有待进一步优化，该方法距工业化生产还有很大的距离。

1.3 生物质发酵法

生物质发酵法是我国当前生产燃料乙醇的主流工艺，工艺流程分为原料收集、预处理、糖化、发酵和分离纯化五个步骤。目前，生物质法根据生产原料[14]的不同分为三大类：第1代粮食乙醇(G1代)的原料是小麦、水稻和玉米等粮食作物，第1.5代非粮乙醇(G1.5代)的原料是甜高粱、木薯和甘蔗等非粮食作物，第2代纤维素乙醇(G2代)的原料是以秸秆为主的农业废弃物。

1.3.1 粮食乙醇

21世纪初，我国为解决陈化粮去库存的问题，政府牵头推进粮食乙醇技术发展，现已具备成熟工艺。粮食乙醇占据我国燃料乙醇绝大部分市场，中粮集团、吉林燃料乙醇和河南天冠是国内粮食乙醇产能最大的三家企业[2,4]。随着国内储备陈粮减少，国家补贴和税收优惠政策已取消，且存在与民争粮的风险，粮食乙醇行业遭遇产能天花板，经济价值受到影响。

1.3.2 非粮乙醇

在粮食乙醇遇到产能瓶颈的情况下，我国开始大力支持非粮乙醇技术的发展。目前，我国拥有该技术的厂商主要有中粮、中石化、广东中科天新能源[2,4,13]等。但是，非粮乙醇的主要生产原料木薯需从国外进口，容易受到气候和国际关系等不可抗力因素影响。

1.3.3 纤维素乙醇

纤维素乙醇产业[13-14]作为国家能源战略的重要组成部分制之一，具有原料丰富，来源广泛、价格低廉等优势。农业废弃物秸秆是纤维素乙醇最常用的原料，符合绿色环保要求，也可实现生物质原料利用最大化。国内已投产示范装置的企业主要有中粮集团、河南天冠和龙力生物等，总体而言还处于工业放大阶段，目前仍存在有能耗高、废水量大、发酵所需酶制剂[15-16]依赖国外、生产成本高等问题。但是，从长远看，纤维素乙醇生产符合我国农业大国的国情，其工艺技术的深入研发对实现生物燃料乙醇产业的可持续发展有重要意义。

1.4 其他新型工艺路线

近年来，城镇生活垃圾以5%/年的速度快速增长，预计到2020年，全国城市垃圾处理量将达到2.36亿t[17]。其中餐余垃圾等可通过气化工艺在欠氧条件下生成以H2和CO为主要组分的合成气。目前，城市垃圾厌氧气化制合成气总体仍处于中试及工业示范阶段[18]，暂不具备大规模生产条件，但其具有将城市垃圾中有机质变肥为宝的特点，极符合绿色环保可持续发展战略，相比垃圾焚烧处理办法，受到业界追捧。城市垃圾合成气法制乙醇的工艺路线[19-20]如图3所示。

该工艺路线主要分为城市垃圾厌氧气化制合成气和二甲醚制乙醇两部分，生产乙醇的成本优势较明显。该工艺路线的难点在于垃圾分类处理、气化技术路线尚未成熟等方面。但基于国内城市垃圾体量庞大，城市垃圾合成气法制乙醇技术亟待国家给予政策扶持，实现城市垃圾无害化处理和资源高效再利用[21]。

图3 城市垃圾合成气法制乙醇工艺路线图

2 燃料乙醇推广现状及供需情况

2.1 国内燃料乙醇发展潜在危机

目前，我国的燃料乙醇主要是指生物质燃料乙醇。2000年国家开始规划财政补贴生物质燃料乙醇市场，G1代最高补贴2 056元/t(2016年后取消补贴)，G1.5代和G2代分别补贴500元/t、800元/t。而G1代、G1.5代和G2代的生产成本分别为4 709元/t、5 275元/t和5 588元/t[22]。扣除财政补贴，生物质燃料乙醇的成本价基本维持在4 700元/t～4 800元/t，而出厂价多为5 600元/t～5 800元/t(东三省最低5 300元/t)。由此可见，生物质燃料乙醇生产企业仍有一定的盈利空间。

随着越来越多的省份加大乙醇汽油的推广力度，燃料乙醇的消耗逐渐增大。但是，由于原料和工艺受限，生物质燃料乙醇的产能无法满足需求量。如果生物质燃料乙醇的产能无法改善，可能会导致国家采用其他方法填补燃料乙醇的缺口，例如进口美国、巴西廉价燃料乙醇(550美元/t)、适度放开煤基燃料乙醇市场(约4 000元/t)等[22-23]，这必将会对国内生物质燃料乙醇企业造成巨大冲击。

2.2 乙醇汽油推广现状

2017年，我国多部委联合发文，要求乙醇汽油在2020年基本实现全国范围的覆盖工作。经调研[22-24]，预计到2020年汽油表观消耗量为1.26亿t，根据乙醇汽油添加比例燃料乙醇：汽油(1∶10)计算所需燃料乙醇1 260万t；2030年汽油表观消耗量为1.81亿t，所需燃料乙醇1 810万t(见图4)。但是据亚化咨询统计，截止到2019年底，我国现有生物燃料乙醇产能为322万t，规划在建及扩建产能为375万t[24]。按照以上数据分析，我国生物燃料乙醇市场面临较大缺口。

图4 2000年-2030年汽油和燃料乙醇消耗量示意图

但是，我国乙醇汽油的推广现状并不理想。截至2018年，全国燃料乙醇销量约300万t[25]，约占当年全国汽油表观消耗量的四分之一。截至2019年10月，全国只有十三个省市试点推广乙醇汽油。由此可见，全国在2020年完成生物乙醇汽油的覆盖工作任重道远。笔者分析政府推广乙醇汽油不利的因素主要有以下四个方面：

1) 国家规定燃料乙醇的价格为国家规定汽油“中准价”的91.11%[23]，但随着国际油价持续大跌，燃料乙醇的售价受到市场竞价影响可能会低于生产成本，致使其定点生产企业被迫停产，可能会导致我国乙醇汽油的推广使用出现燃料乙醇断供；

2) 从乙醇汽油的体验感分析[26]，乙醇汽油燃烧热值低、动力不佳、尾气水含量较高，多数用户认可度不高；

3) 乙醇汽油在运输、仓储过程中存在分层和难保存的问题[27]；4) 乙醇汽油作为新型燃料，它的推广会受到固有思想和原有燃料市场的阻碍。

2.3 乙醇汽油推广建议

随着乙醇汽油推广速度的加快，我们应充分考虑国内生物质燃料乙醇行业健康发展和国内燃料乙醇日益增长的需求，笔者认为我国政府平衡两者关系应做好以下几点：

1) 国家发改委制定燃料乙醇调价机制[23,28](参照成品油调价机制)，设定保底价，保护生物制燃料乙醇企业平稳发展。

2) 适度降低乙醇汽油售价，让老百姓在价格和油耗上找到平衡点，利于乙醇汽油的推广。

3) 鼓励支持石化企业[28-29]直接建设或参股燃料乙醇企业，增加石化企业推广乙醇汽油的积极性。如中石油控股吉林燃料乙醇项目，中石油参股中粮生化和河南天冠。

4) 适度放开国内煤基燃料乙醇市场，分摊国内能源结构危机风险。延长石油煤基二甲醚制燃料乙醇项目已开始工业化推广[11]。

5) 从国外进口廉价生物燃料乙醇，加收一定关税，防止其低价扰乱市场。

6) 生物燃料乙醇成本核算，酶制剂所占比例最大，鼓励支持开发生物质燃料乙醇核心技术(酶制剂)，尤其我国在纤维素乙醇酶制剂方面还存在着一定差距。

7) 积极拓展新型绿色环保可持续发展燃料乙醇路线，如1.4中提到的城市垃圾经合成气制乙醇路线就是不错的思路。

3 结论与展望

燃料乙醇汽油与传统汽油相比，具备可降低尾气及碳排放、陈粮去库存多元化、丰富国内能源结构多样性(2019年，我国原油对外依赖度高达70%)等优点，是符合国家能源战略的绿色清洁燃料。随着中国近20年的推广及补贴，目前乙醇汽油已占汽油总消费量的30%左右，并在13个省进行推广。

生物质燃料乙醇(G1代、G1.5代、G2代)路线现阶段均有一定产能瓶颈，而燃料乙醇的稳定供应对乙醇汽油的推广至关重要。燃料乙醇的供应应以生物质燃料乙醇为主，煤基乙醇及国外进口为辅，积极开发优化符合绿色环保可持续发展战略的生产路线，如重点攻关纤维素乙醇核心工艺(酶制剂)、开发新型城市垃圾经合成气制乙醇路线均是不错的发展思路。

石化企业推广热情及消费者的接受度，这些均掣肘燃料汽油的推广。为改善国家能源结构和大气环境，加快乙醇汽油国内全覆盖，找到多方的平衡点，国家对其的宏观调控政策必不可少。