燃料乙醇发展现状及思考.doc
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燃料乙醇发展现状及思考
摘要:
自20世纪70年代以来,生物燃料乙醇作为车用燃料的研究和产业化受到广泛重视,被认为是未来最重要的可再生燃料之一。
本文介绍了燃料乙醇的发展概况,综述了近年来国内外研究开发历程、产业政策和最新进展,对化学合成乙醇路线(合成气催化制乙醇、乙酸加氢制乙醇工艺)和生物发酵制乙醇路线(粮食发酵、非粮原料发酵、合成气发酵工艺)的技术特点、纤维素燃料乙醇产业化存在的困难和问题进行了分析,并对影响燃料乙醇产业发展的因素进行了分析,提出了我国燃料乙醇技术研发和产业发展的相关建议,认为我国应加强非粮原料供应体系建设,积极进行技术研发,加强工业示范并优化燃料乙醇使用环节,促进非粮燃料乙醇产业发展。
关键词:
燃料乙醇;生物质;纤维素;合成气;生物发酵;产业发展
中图分类号:
TQ351
Insightsoncurrentdevelopmentoffuelethanol
Abstract:
Biofuelethanol,whichisregardedasoneofthekeyalternativefuelsinthefuture,hasbeenplayingonthecentralstageofautomotivealternativefieldsincethe1970s.Inthispaper,currentdevelopmentoffuelethanolworldwide,aswellasR&Dhistoryandpoliciesispresented.Fuelethanolproductionroutes,includingchemicalmethods(syngasandaceticacidhydrogenation)andbio-fermentationmethods(grainfermentation,non-grainfeedstockfermentationandfermentationforsyngas)areanalyzed.Commercialchallengesandkeyfactorsinfluencingfuelethanolindustryprogressarediscussed.SuggestionsonpromotingfuelethanolR&Dandgearingupindustrygrowthareproposed.Non-grainfuelethanolindustrydevelopmentshouldcomefromstrengtheningsupplychain,technologyevolution,acceleratingdemonstrationandoptimizingproductutilization.
Keywords:
近年来,随着全球经济快速增长,尤其是新兴经济体的快速发展,世界能源消耗量大幅增加,面对煤炭、石油等能源资源日益枯竭,环境污染日益严重以及温室气体大量排放而导致的全球气候变暖,使得能源供应及经济、社会的可持续发展已成为世界各国需要面对的最主要问题之一。
燃料乙醇一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇,是良好的辛烷值调和组分和汽油增氧剂,燃烧乙醇汽油能够有效减少尾气中的PM2.5和CO[1],其作为可再生液体燃料的代表之一,可补充化石燃料资源,降低石油资源对外依存度,减少温室气体和污染物排放,近年来受到世界各国的广泛关注。
自巴西、美国率先于20世纪70年代中期大力推行燃料乙醇政策以来,加拿大、法国、西班牙、瑞典等国纷纷效仿,目前以甘蔗、玉米为原料第1代燃料乙醇产业已经形成规模,燃料乙醇已经成为世界消费量最大的生物燃料。
一、世界燃料乙醇发展概况
2011年世界生物燃料总产量为9095万吨[2],其中燃料乙醇产量为6680万吨;2011年世界各地区燃料乙醇产量见表1[3],2006~2011年世界主要燃料乙醇生产国产量见图1[3-8]。
表12011年世界各地区燃料乙醇产量
地区
非洲
亚洲
大洋洲
欧洲
中北美洲
南美洲
世界合计
年产量/万吨
11.4
265.8
26
348.9
4302.9
1724.5
6680
图12006~2011年世界主要燃料乙醇生产国产量
1.1美国
美国是目前世界上最大的燃料乙醇生产国,2011年总产能为4454万吨/年(149亿加仑/年),实际产量约为4153万吨(139亿加仑,1加仑=3.78541×10−3m3,下同),较2010年(3944万吨)增加了5.3%,占世界燃料乙醇总产量的62.2%[3]。
美国共有燃料乙醇生产企业209家,绝大多数以玉米为原料,表2[3]列出了目前美国非粮原料燃料乙醇厂。
美国通过法令的形式,强制规定了燃料乙醇的使用量。
2005年通过的可再生燃料标准(RFS)能源政策法案(EPAct)规定到2012年生物燃料使用量要达到75亿加仑[10]。
2007年美国能源独立与安全法案(EISA)中对RFS进行了修订,建立了RFS2计划,对每年运输用的纤维素生物燃料、生物柴油和先进生物燃料的使用量进行了规定,要求到2022年生物燃料的总使用量要达到360亿加仑(235万桶/日),其中纤维素生物燃料的使用量要达到160亿加仑[11]。
目前美国市场上同时销售不含乙醇的汽油、E10和E15汽油。
E10已经在美国得到广泛应用,使用比例达到95%,销售商将辛烷值为83.5~83.7的汽油与乙醇(体积分数占10%)调和得到辛烷值为87的乙醇汽油;E15则适用于2001年以后生产的车辆。
从2000~2011年美国燃料乙醇的实际使用情况看(图2)[12],符合RFS2的要求。
2012年美国受高温干旱的影响,玉米价格上涨影响了美国燃料乙醇的生产,燃料乙醇产量较2011年下降4.6%[12]。
表2美国非粮燃料乙醇生产企业
序号
公司名称
地点
原料
产能/t·a−1
1
Abengoa
堪萨斯
纤维素能源作物
15000
(在建)
2
BPBiofuelsNorthAmerica
路易斯安那
蔗渣
4500
3
GoldenCheeseCompanyofCalifornia
加利福尼亚
奶酪废弃物
15000
4
IdahoEthanolProcessing
爱达荷
番茄废弃物
12000
5
KLProcessDesignGroup
怀俄明
废弃木料
4500
6
LandO’Lakes
新墨西哥
奶酪废弃物
7800
7
Merrick&Company
科罗拉多
废啤酒
9000
8
ParallelProducts
肯塔基
废弃饮料
16000
9
SummitNaturalEnergy
俄勒冈
糖、淀粉废弃物
3000
10
WhiteEnergy
堪萨斯
麦秆等
14500
11
WindGapFarms
佐治亚
啤酒厂废弃物
1200
12
Ineos
佛罗里达
垃圾
24000
图2美国燃料乙醇实际使用量和政府规定的使用目标情况
1.2巴西
巴西是第二大燃料乙醇生产国,以甘蔗为主要原料,约有50%的甘蔗用于生产燃料乙醇,燃料乙醇供应了其国内轻型乘用车38%的燃料需求。
2011年受甘蔗减产的影响,燃料乙醇减产,总产量为1665.2万吨,占世界总产量的25%,较2010年下降了19.5%[3],图3[13]为近年巴西甘蔗产量(1hm2=104m2)。
巴西销售燃料乙醇的方式有两种:
含水乙醇和无水乙醇。
含水乙醇用于纯乙醇燃料汽车,而无水乙醇则用于与汽油调和,巴西销售的汽油中均含有20%~25%的乙醇。
巴西燃料乙醇产业的成功得益于其灵活燃料汽车(FFV)的推广,目前销售的汽车中90%为FFV,其燃料乙醇生产企业大多都与蔗糖生产相结合,共有350座燃料乙醇生产厂,约有80%位于巴西圣保罗州,另有20%位于巴西北部地区。
其中273座工厂可同时生产糖和乙醇,生产燃料乙醇的工厂仅有77座。
1.3德国
近年来,德国十分重视燃料乙醇的使用,2010年德国共有13家燃料乙醇生产企业,总产能100万吨/年,2010年总产量60万吨,但消费总量达到102万吨,因此需从荷兰、比利时、法国和波兰进口燃料乙醇。
预计到2020年,德国燃料乙醇的消费量将达到156万吨。
德国乙醇的销售方式有3种:
直接与汽油调和销售,以乙基叔丁基醚(ETBE)与汽油调后销售,以E85销售。
2010年这3种方式分别销售85.9万吨、14.9万吨和1.3万吨[14]。
1.4日本
日本交通部门的石油对外依存度接近于100%,日本经济产业省2006年发布了“国家新能源战略”,计划到2030年将石油的对外依存度降低80%,到2020年要实现可再生燃料替代3%的汽油消费量的目标。
燃料乙醇是日本国内最主要的可再生燃料种类之一,根据日本“挥发油类质量标准”的要求,汽油中需要掺调3%的燃料乙醇,采用直接与汽油掺混或以ETBE与汽油掺混的方式使用,其燃料乙醇消费总量的97%从海外进口。
目前日本国内燃料乙醇总产能约为3万吨/年[15],主要以粮食、甜菜为原料,也有一些纤维素乙醇示范装置。
图31999~2011巴西甘蔗单产情况
2燃料乙醇生产技术进展
目前,燃料乙醇的生产方法主要分为化学合成法和生物法,详见图4[16-22]。
化学合成法包括乙烯路线和合成气路线,生物法分为生物化学法和热化学法。
图4燃料乙醇生产路线示意图
2.1化学合成制乙醇
乙烯水合法分为间接水合法和直接水合法。
间接水合法由美国联碳公司开发,反应分两步进行,先将乙烯在一定温度、压力条件下通入浓硫酸中,生成硫酸酯,再将硫酸酯在水解塔中加热水解而得乙醇,同时有副产物乙醚生成。
间接水合法设备腐蚀严重,生产流程长,已被直接水合法取代。
直接水合法由壳牌公司最先开发应用,该工艺是在一定条件下,乙烯通过固体酸催化剂直接与水反应生成乙醇,工业上采用负载于硅藻土上的磷酸催化剂。
乙烯水合法缺乏经济性,已经很少应用。
合成气化学法合成乙醇已经具有很长的历史,1920年就已经出现了利用化学催化的方法利用CO和H2合成乙醇的方法。
制备合成气是该过程的重要步骤之一,合成气可来源于天然气转化、煤气化或生物质气化装置,也可以来自钢厂废气,城市生活垃圾也可以经气化制备合成气,城市垃圾中有机物占25%~30%,是可再生资源的一种,每燃烧5吨垃圾可获得相当1吨标煤的热量[23]。
目前普遍研究的合成气化学法生产乙醇有2种方法[24-25],一种是甲醇羰基化,美国联碳公司利用Co(OAc)-12催化剂,甲醇与合成气反应制取乙醇,获得了较高的转化率和产品选择性;壳牌公司用甲醇和合成气在CoI2、CoBr2的催化作用下反应,甲醇转化率可达51.1%,乙醇选择性63.8%。
另一种方法是合成气在催化剂的作用下直接合成乙醇,美国联碳公司开发的Rh系催化剂、德国Hoechst公司开发的Rh-Mg系催化剂和法国IFP开发的Co-Cu-Cr-碱系催化剂[26],都取得了一定进展。
虽然国内外已在该领域开展了大量研究工作,但在目标产物转化率和收率方面还有待进一步提高,因此该方法目前尚未得到工业应用。
美国塞拉尼斯公司基于其甲醇羰基合成乙酸工艺,开发了TCX乙醇生产技术,该技术使用合成气和氢气为原料,在合成乙酸后,乙酸和氢气在铂/锡催化剂的作用下发生加氢反应制备乙醇[27],具有生产成本低、占地面积小和装置规模大(110万吨/年)等特点,其全生命周期水耗比传统生物燃
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- 燃料 乙醇 发展 现状 思考