用煤“烧”酒

苏更林

早在先秦时期，我国就出现了人工酿酒。“若作酒醴，尔惟曲蘖。”如果要酿造酒和醴，就必须有曲和蘖。人们一般把发霉的谷物叫作曲，把发芽的谷物叫作蘖。由于用曲酿出的酒要比用蘖酿出的醴酒度数高，后来就形成了“用曲酿酒”的传统。从本质上说，曲是一种多菌多酶的生物制品，利用曲发酵制酒包含了糖化和酒化两个过程，这也是我国传统酿酒工艺的一大特色。

我们知道，酒的主要成分是乙醇（俗称酒精）。虽然人类饮酒的历史十分悠久，对酒精的认识却经历了一个漫长的过程。1784年，法国著名科学家拉瓦锡通过酒精燃烧实验，首先确定了酒精的化学元素组成—碳、氢、氧，由此打开了酒精的化学大门。1807年，瑞士化学家索绪尔完成了乙醇的元素组成分析，确定了乙醇的化学式。1858年，英国化学家库珀提出了乙醇最初的结构式。1892年，在日内瓦国际化学命名法会议上，乙醇被正式确定为酒精的化学名称。

汽车也“嗜酒”

乙醇的沸点较低，为78.5℃，易燃烧，具有作为动力燃料的潜质，所以很早就作为照明燃料而被广泛应用。伴随着机动运输车的发展，乙醇的应用范围逐步扩大。1896年，福特汽车公司率先将乙醇应用于汽车燃料。约从20世纪30年代起，我国开始将乙醇作为汽车燃料，当然，它并不是现在广泛使用的乙醇汽油。

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为点燃式内燃机汽车的燃料。按照中国国家标准，乙醇汽油由90%的普通汽油和10%的燃料乙醇调和而成。作为一种清洁燃料，乙醇汽油的环保性令人称道，它是可再生能源的发展重点，符合中国能源替代战略和可再生能源发展方向，具有较好的经济效益和社会效益。

生物基燃料乙醇

现阶段，我国燃料乙醇消费的主要来源仍是生物基燃料乙醇。所谓生物基燃料乙醇，就是用含淀粉（玉米、小麦、薯类等）、纤维素（秸秆、林木等）或糖质（甘蔗、糖蜜等）等的原料经发酵蒸馏而制成的燃料乙醇。第一代燃料乙醇以陈化粮（如玉米、小麦等）为原料，或者以非粮作物（如木薯、甜高粱等）为原料，通过生物酶的发酵作用把淀粉质转化为乙醇。第二代燃料乙醇以废弃的玉米秸秆、干草、树叶和其他类型的植物纤维材料为原料，通过生物发酵的方式制取乙醇。第三代燃料乙醇以微藻中含有的淀粉、纤维素、半纤维素等碳水化合物为原料来制取乙醇。

目前，第三代微藻乙醇尚处于研发阶段，第二代纤维素乙醇的产能建设尚不足；而以玉米等粮作物和木薯等非粮作物为原料的第一代燃料乙醇的制取技术已十分成熟，其产能在我国生物基燃料乙醇中居于主导地位。

以煤代粮—燃料乙醇制取新突破

目前，我国乙醇汽油中燃料乙醇的添加标准为10%，如果所有汽油都添加燃料乙醇，那么对燃料乙醇的需求量将会是一个庞大的数字。

在我国玉米消费占比中，饲用用粮约占60%，深加工用粮约占30%，其余为口粮及其加工食品。如果扩大以玉米为原料生产加工燃料乙醇的规模，势必会挤压口粮和饲用用粮的空间，最终受影响的是人们的“米袋子”和“菜篮子”。对此，我国明确提出严格控制以玉米为原料的燃料乙醇加工规模。这一政策也体现了国家促进玉米产销平衡、保障国家粮食安全的发展导向。发展燃料乙醇，不能与人争粮，不能与粮争地。

能源是人类社会的命脉，也是极其珍贵的战略资源。对于中国这样一个“富煤少油”的国家，发展燃料乙醇产业，除了在纤维素资源制取乙醇方面寻求突破外，在煤基乙醇领域推进工业化步伐无疑具有更为重要的意义。

然而，用煤制酒谈何容易！传统的煤基乙醇技术主要有合成气微生物发酵制乙醇、合成气一步法制乙醇、醋酸直接加氢法制乙醇以及醋酸酯化加氢法制乙醇四种。不过，这四种技术或多或少都存在提纯过程能耗高、难以连续生产、分离较困难、建设投资大等缺点。有没有更先进的用煤制酒技术呢？

用煤制酒的“黑科技”

坐落在陕西省榆林市榆神工业区的年产50万吨煤基乙醇工业化项目，采用了全新的环境友好型工艺技术路线。该工艺以煤基合成气（主要成分为一氧化碳和氢气）为原料，经过合成甲醇、二甲醚羰基化以及加氢等步骤来制取无水乙醇及其他化工产品。其工艺路线为：合成气—甲醇—二甲醚—乙酸甲酯—乙醇。该工艺由中国科学院大连化学物理研究所和陕西延长石油（集团）有限责任公司联合研发。

与传统的无水乙醇生产工艺相比，该煤基乙醇工艺分离能耗很低。这是因为该工艺过程基本是在无水条件下进行反应的，分离所得产品即为无水乙醇，产品纯度可达99.71%，大大降低了产品的分离能耗。

为什么煤基乙醇如此看重水分含量？原来，我国的无水乙醇标准对水分含量有着严格的要求：合格品的水分含量要小于0.50%，一级品的水分含量要小于0.10%，优级品的水分含量要小于0.05%。无论是变性燃料乙醇（添加变性剂后，不能食用、仅供混配汽油的专用乙醇）还是車用乙醇汽油，都对水分含量有着严格的要求。

据悉，乙醇汽油中即便是存在少量水分，也很容易发生分层现象，从而影响乙醇汽油的正常燃烧。比如，当乙醇的含水量大于0.75%时，水分子就会与乙醇分子形成复杂的缔合体，导致汽油和乙醇的分层；当乙醇的含水量大于1.25%时，这种分层现象就会更明显。

该煤基乙醇工艺突破了传统贵金属催化剂的限制，采用了常规的分子筛催化剂和铜基催化剂。使用不同的催化剂会有完全不同的反应，生成的产物自然也就不同。为了摆脱贵金属催化剂的束缚，研发人员经过了多年的艰苦探索，终于筛选出了具有工业应用价值的非贵金属分子筛催化剂。这为煤基乙醇的大规模应用奠定了基础。

另外，从抗腐蚀的角度来讲，该工艺由于无需添加碘甲烷等卤化物助剂，因此可不使用抗腐蚀特殊材料（如锆材或哈氏合金），这样能有效减少设备投资。从产品结构来看，由于中间产物—乙酸甲酯也具有诸多应用场合，因此可以根据市场需求及时调整产品结构。

清洁燃烧 改善生态

我们知道，散煤燃烧是导致雾霾的重要因素之一。散煤指的是电力和工业集中燃煤以外的散烧煤，包括小锅炉、小窑炉燃煤以及居民生活和服务业分散使用的燃煤等。散煤通常是灰分及硫分含量高的劣质煤，燃烧粗放、低效，缺乏脱硫、脱硝等除尘处理，点多、面广，污染严重。为此，人们花了大力气来治理散煤燃烧，清洁取暖就是在这样的背景下提出来的。

当然，治理煤炭污染不能一拒了之，还应在清洁利用上做足文章。推动煤炭从燃料向燃料和原料并重转变，一直是煤化工的重要任务。实际上，我国在煤化工领域已经取得了许多重要成果，如煤制烯烃、煤制油、煤制天然气以及煤制乙二醇等。

上述煤基乙醇工艺，无疑是我国煤炭清洁利用的又一重要成果。煤基乙醇工业化項目投产后，每年可节约生物乙醇原料粮约150万吨，是节约粮食资源的一剂良方。同时，该项目每年可转化低阶煤约150万吨，这对于加快我国现代煤化工基地建设，形成多种资源循环利用新模式，推动煤炭产业清洁、低碳、安全、高效发展具有重要的意义。

燃料乙醇具有自供氧性，这是其作为乙醇汽油增氧剂的基础。乙醇汽油由于添加了10%的变性燃料乙醇，所以含氧量增加了3.5%。含氧量提高了，燃烧就会更充分，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。有报告称，使用含10%变性燃料乙醇的乙醇汽油作为车用燃料，汽车尾气中的一氧化碳和碳氧化物可以分别减少30%和15%；燃料乙醇还有效降低了原汽油添加剂—甲基叔丁基醚对地下水资源的污染（2017年，甲基叔丁基醚被世界卫生组织国际癌症研究机构列入致癌物清单中）。尽管燃料乙醇的热值较汽油低，但鉴于其对发动机热效率和动力性的改善，故其油耗水平与汽油基本持平或仅略有降低。

陕西煤基乙醇工业化项目的投产，标志着我国煤制乙醇工艺已居于国际领先地位。煤制乙醇的大规模生产，一方面可以节约粮食，另一方面又能清洁煤炭，这对于保障国家粮食安全和能源安全以及改善生态环境都具有重要的意义。

【责任编辑】谌 燕