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燃料乙醇的生産與利用
2016-6-17

    燃料乙醇作为一種新興能源,已经列入我國“十五”發展規劃項目。筆者介紹了我國燃料乙醇的發展規劃、項目建設及相關政策;介紹了美國、巴西等國及我國燃料乙醇的生産和使用情況;介紹了我國生産燃料乙醇和使用乙醇汽油對于節省石油资源、改善環境和增加農民收入的意義。

  乙醇,俗稱酒精,它以玉米、小麥、薯類、糖蜜等为原料,经發酵、蒸餾而制成,将乙醇進一步脫水得燃料乙醇。为了避免燃料乙醇流入食用酒精市場而被飲用,要将燃料乙醇變性,即在燃料乙醇中加入變性劑(适量汽油)後形成變性燃料乙醇。

  車用乙醇汽油是在汽油中加入一定比例的變性燃料乙醇形成的一種新型混合燃料(國際上稱汽油醇,商品名GASOHOL)。这項技術在國外已十分成熟。目前國外使用車用乙醇汽油的國家主要是美國和巴西,歐共體自20世紀90年代初也開始生産使用車用乙醇汽油。在这種燃料中,乙醇既是一種能源,又是一種良好的汽油增氧劑和高辛烷值調和組分,用以代替四乙基鉛和甲基叔丁基醚(MTBE)或乙基叔丁基醚(ETBE)。用乙醇作增氧劑,可顯著降低汽車尾氣中的有害物質,起到淨化空氣的功效。同時,用糧食制造的乙醇,是一種生物轉化的太陽能,是一種用之不竭的可再生资源。这樣,在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料,就能收到節約石油、淨化空氣和轉化過剩的糧食等一舉多得之效。为人類社會的可持續發展提供了一條簡單有效的途徑。

  1燃料乙醇的生産

  1.1生産過程

  發酵法酒精的生産工藝有幹法和濕法[1],不同的工藝會産生不同的副産品,其中包括酒糟蛋白飼料(DDGS)、玉米粕、玉米油、CO2、沼氣等。吉林60萬t/a燃料乙醇項目引進國外先進技術和關鍵設備,以玉米为原料,采用改良濕法生産燃料乙醇。如圖1所示,生産過程包括玉米預處理(粉碎)、脫胚制漿、液化、糖化、發酵、蒸餾、脫水和變性。

  1.1.1玉米脫胚制漿

  玉米经水或酒糟離心清液在一定溫度下進行浸泡,浸泡後的玉米经破碎磨破碎,分離出胚芽并将纖維及澱粉顆粒破碎到一定的粒度。脫胚後的玉米澱粉漿(含有澱粉、蛋白質和纖維等物質)送入液化工段。

  1.1.2液化、糖化和發酵

  澱粉在高溫下糊化,同時在α2澱粉酶的作用下降解,物料的粘度降低,这一過程稱为液化。液化後的醪液稱为液化醪。液化前需加入氫氧化鈉和氨水来調節物料的pH值和補充部分氮源,同時加入氯化鈣用于保持α2澱粉酶的穩定性。液化醪经稀硫酸調節pH值後加入糖化酶進行糖化。糖化的目的是将液化醪中的澱粉及糊精水解成酵母能發酵的糖類(主要是單糖及部分二糖及三糖,如葡萄糖、麥芽糖、蔗糖等),糖化後的醪液稱为糖化醪。通過酵母對糖化醪進行連續發酵。在發酵過程中,酵母将糖轉化成乙醇和CO2,同時釋放出熱量。所産生的二氧化碳经水洗回收随之帶出的乙醇,排入大氣。

  1.1.3蒸餾、脫水、變性

  含有乙醇的發酵成熟醪通過蒸餾裝置進行蒸餾提純。所産生的高純度乙醇蒸汽经過兩級分子篩的交替吸附作用吸除水分,從分子篩出来的含有少量水分的乙醇氣體经冷卻後即为燃料乙醇。分子篩即3A沸石。該材料上的微孔孔徑比水分子大,而小于乙醇分子,因此水分子可以被吸附,而乙醇分子可從其表面通過,産生高純度乙醇氣體。所生産的燃料乙醇加入體積分數为2%~5%的變性劑(汽油)成为變性燃料乙醇産品。

  1.2我國燃料乙醇生産裝置

  在國家原計委的統一安排下,在中國石油、中國石化兩大集團的參與下,我國于2000年正式啟动了燃料乙醇的生産與試用工作,按照新建廠與老廠改造相結合的精神,國家制定了燃料乙醇生産試點規劃[2]。根據这一規劃,我國目前建成、正在建設和拟建設的燃料乙醇裝置如表1所示。吉林60萬t/a和河南30萬t/a年燃料乙醇項目分别于2001年9月和2002年11月開工建設,安徽豐原30萬t/a燃料乙醇的可行性報告正待國务院審批。另外,河南天冠20萬t/a與黑龍江華潤金玉10萬t/a燃料乙醇的改擴建項目已分别于2000年和2001年完成,并在當地開始了乙醇汽油的試用工作。

  2燃料乙醇的使用

  2.1國外燃料乙醇的使用情況

  目前,世界上使用乙醇汽油時間最长、成效最大的國家屬巴西和美國。由于乙醇和汽油在燃料性能上的差别,世界上對乙醇汽油的使用方法也各異。一般的方法分兩大類,用汽油發动機的汽車,乙醇加入體積分數为5%~22%;专用發动機的汽車,20世紀70年代就已是成熟技術,乙醇加入體積分數为85%~100%,世界上已有約400萬輛这樣的汽車在運行。

  20世紀70年代末,在石油危機的背景下,美國为減少對進口原油的依賴,聯邦政府制定了“乙醇發展計劃”,開始大力推廣車用乙醇汽油。作为重要能源戰略,美國還制定了相關的法律和扶持政策[3],對車用乙醇汽油的生産和使用給予财政補貼。美國主要以玉米为原料生産燃料乙醇,所耗玉米占全美玉米總産量的7%~8%。1990年,全美燃料乙醇銷售量为265萬t,到2000年,已达559萬t,年均增长率为20%。1999年,美國環保局與國會合作,針對汽油增氧劑MTBE對地下水资源的污染,研究了2002~2011年期間新的國家“清潔燃料替代”計劃,一些州已明令禁止使用MTBE。如果2004年美國在全國範圍内全面禁止使用MTBE,将極大地刺激車用乙醇汽油的需求增长。

  美國推廣使用車用乙醇汽油,不但在一定程度上緩解了石油供求矛盾,同時由于擴大了玉米消费市場,從而刺激了農业生産增加了農民收入;另外,還有效降低了汽車尾氣中有害氣體排放,改善了環境和空氣質量,经濟效益和社會效益得到顯著提高。

  巴西政府于1975年推行車用乙醇汽油計劃,并在稅收、補貼和優惠貸款等方面對燃料乙醇産业發展配套實施了完整的支持政策。與美國不同的是,巴西是以甘蔗、糖蜜、砂糖为主要原料生産燃料乙醇。2000年該國燃料乙醇總産量达793萬t,約占該國汽油消耗總量的1/3。目前巴西是世界上最大的燃料乙醇生産和消费國,也是唯一不使用純汽油作为汽車燃料的國家。

  歐共體積極發展車用乙醇汽油最直接的原因是解決農産品過剩問題。目前,在稅收優惠政策的支持下,車用乙醇汽油在歐共體的使用呈上升趨勢。

  2.2我國燃料乙醇的使用情況

  我國推廣使用車用乙醇汽油,燃料乙醇的加入量,初步确定從體積分數为10%起步。这樣做的好處是,現有車輛和加油裝置,不需任何改裝,油耗、动力基本不受影響,汽車尾氣的污染可大幅度降低,又不消耗過多的糧食。

  變性燃料乙醇的國家标準GB 18350-2001和車用乙醇汽油的國家标準GB 18351-2001已于2001年頒布并實施。

  2.2.1我國燃料乙醇使用區域和數量

  從2001年開始,我國先後在河南、黑龍江開始試用車用乙醇汽油,采取地方立法的手段在試點城市封閉運行。河南先在南陽、洛陽、鄭州三市使用車用乙醇汽油,2001年消耗了147t燃料乙醇,2002年消耗了約5000t燃料乙醇。黑龍江先在肇東和哈爾濱使用車用乙醇汽油,2001年消耗了127t燃料乙醇,2002年消耗了約500t燃料乙醇。

  2.2.2我國對生産燃料乙醇的财政扶植政策[4]

  (1)免征燃料乙醇5%的消费稅;

  (2)燃料乙醇的增值稅實行先征後返;

  (3)使用陳化玉米原料執行陳化糧補貼政策;

  (4)項目新增建設用地有償使用费上繳中央部分實行先征後返;

  (5)實行上述政策後,燃料乙醇項目仍然虧損的按保本微利的原則由國家給予政策補貼。項目的銷售利潤按銷售收入的1%确定,并通過調整原料玉米价格来實現燃料乙醇保本微利。

  3我國推廣使用燃料乙醇的意義

  乙醇这一傳統産品,经過半個多世紀的沉淪之後,自20世紀90年代以来,之所以又重新成为許多國家大力研究和發展的對象,究其原因是人們對乙醇極優越的物理、化学特性有了更深入的認识和了解。乙醇已不單是一種優良燃料,它己经成为一種優良的燃油品質改善劑被廣泛使用。它的主要特性可以概括为四個方面:第一,乙醇是燃油氧化處理的增氧劑,使汽油增加内氧燃燒充分,达到節能和環保目的;第二,乙醇具有極好的抗爆性能,調合辛烷值一般都在120左右,作为汽油的高辛烷值組分,它可有效提高汽油的抗爆性(辛烷值);第三,在新标準汽油中,乙醇還可以经濟有效地降低烯烴、芳烴含量,降低煉油廠的改造费用;第四,乙醇是太陽能的一種表現形式,在整個自然界系統中,乙醇的整個生産和消费可形成無污染和潔淨的閉路循環過程,永恒再生永不枯竭。在我國推廣使用車用乙醇汽油主要有如下三個重要意義。

  一是可緩解石油緊缺矛盾。目前我國石油消费正以每年13%的速度增长,并從1993年開始成为石油淨進口國,1999年我國原油加工量为17700萬t,其中進口3660萬t,汽油年消耗量約3600萬t。原油的供求矛盾将成为制約我國经濟發展的长期壓力。九屆人大四次會議通過的《國民经濟和社會發展第十個五年計劃綱要》提出,要開發燃料乙醇等石油替代品,采取措施節約石油资源。如果我國向美國一樣每年使用約500萬t的燃料乙醇,替代等量的汽油,每年可節省外彙15億美元。用糧食制造燃料乙醇,是一種生物轉化的太陽能,是一種用之不竭的可再生资源。

  二是可有效解決玉米等糧食的轉化,促進農业生産的良性循環。我國是一個農産品生産和消费大國,近年来,糧食綜合生産能力已接近5億t,玉米産量約占22%~25%,實現了農産品供給由长期短缺到總量基本平衡、豐年有餘的曆史性轉變。然而糧食深加工轉化問題未能得以很好解決。糧食雖然增産,但并未形成“增産—消费—刺激再生産”的良性循環。針對目前糧食供給相對過剩、糧价下跌、農民收入增长緩慢問題,《國民经濟和社會發展第十個五年計劃綱要》提出,要通過加工轉化、擴大出口等多種方式,解決糧食等農産品階段性供過于求問題。發展車用乙醇汽油,可有效解決玉米等糧食作物的轉化,形成一個长期、穩定、可控的糧食消费市場,使國家又擁有了一個可靠的糧食調控手段,有助于增加和穩定農民收入,實現農业生産的良性循環,为農业的産业化探索一條新途徑。按年生産500萬t燃料乙醇計,可消耗玉米1500萬t,占全國玉米産量的11%左右。因此,不會對糧食供應産生沖擊。

  三是有利于環境的改善。使用車用乙醇汽油,可以使汽車尾氣污染水平平均降低30%以上。其中一氧化碳(CO)排放下降30.8%,揮發性烴類化合物(CH)排放下降13.4%。使用乙醇替代等量汽油,還可以提高汽油的辛烷值,清潔汽車引擎,減少機油替換。作为增氧劑,燃料乙醇替代汽油中的MTBE、ETBE,還可以避免對地下水造成污染。所以燃料乙醇是一種“綠色能源”。

  推廣使用車用乙醇汽油作为我們國家的一項戰略舉措,充分體現了國家對調整能源結構,治理環境污染,增加農民收入的深切關注。随着吉林60萬t/a燃料乙醇項目第一條生産線于2003年9月份的開車投産,随着河南、安徽新建燃料乙醇裝置相繼建成投産,随着車用乙醇汽油在全國範圍的推廣使用,相信燃料乙醇必将为我國創造出巨大的经濟效益和社會效益。


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