生物質(zhì)燃料乙醇研究進(jìn)展

　　1 國(guó)內(nèi)外燃料乙醇發(fā)展概況

　　目前面臨化石能源危機(jī)，一些農(nóng)產(chǎn)品豐富的國(guó)家正大力發(fā)展乙醇汽油供應(yīng)市場(chǎng)。巴西從1975年開始實(shí)施“燃料乙醇計(jì)劃”，以其富產(chǎn)甘蔗為原料，目前已形成1000多萬(wàn)噸產(chǎn)能，替代了1／3車用燃料。為推廣燃料乙醇，美國(guó)制定了積極的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策，計(jì)劃從2006年至2012年，可再生能源燃料年用量從1200萬(wàn)噸增加到2300萬(wàn)噸。日本重點(diǎn)研究利用農(nóng)、林廢棄物等植物纖維素制備燃料乙醇。歐盟、加拿大、菲律賓、墨西哥等國(guó)也在在積極進(jìn)行著相關(guān)研究。

　　目前，中國(guó)是繼巴西、美國(guó)之后全球第三大生物燃料乙醇生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。“十一五”期間將生產(chǎn)600萬(wàn)噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇500萬(wàn)噸。實(shí)踐證明我國(guó)過(guò)去以糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇，不符合國(guó)情，探索非糧能源資源是大勢(shì)所趨。全國(guó)相關(guān)研究正如火如荼進(jìn)行著，呈現(xiàn)一派“百花齊放，百家爭(zhēng)鳴”的景象。特別是籌建中的中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，順應(yīng)時(shí)代潮流而生，肩負(fù)歷史、國(guó)家使命，是集中力量辦大事的“國(guó)家隊(duì)”。

　　2 中國(guó)能源戰(zhàn)略

　　隨著全球變暖和化石能源消耗，人們對(duì)新型替代能源--乙醇的關(guān)注度日益上升，正成為許多國(guó)家新能源政策的重要組成部分。以此為契機(jī)，8年前中國(guó)上馬了燃料乙醇項(xiàng)目，也意在解決過(guò)剩陳化糧問(wèn)題。經(jīng)過(guò)1999-2005幾年間不懈努力，國(guó)家首批4家燃料乙醇定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)完成了規(guī)劃建設(shè)的102萬(wàn)噸產(chǎn)能，基本實(shí)現(xiàn)了“十五”提出的“拉動(dòng)農(nóng)業(yè)、保護(hù)環(huán)境、替代能源”三大戰(zhàn)略目標(biāo)。然而我國(guó)人口眾多，人均耕地少，用大量糧食生產(chǎn)燃料乙醇必然要和人“爭(zhēng)食”、“爭(zhēng)土地”，造成人類生存空間越來(lái)越小，不符合我國(guó)國(guó)情。因此，2006年12月國(guó)家發(fā)改委和財(cái)政部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)生物燃料乙醇項(xiàng)目建設(shè)管理、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》要求生物燃料乙醇項(xiàng)目建設(shè)需經(jīng)國(guó)家投資主管部門核準(zhǔn)，未經(jīng)國(guó)家核準(zhǔn)不得增加產(chǎn)能。

　　在規(guī)劃實(shí)施中，國(guó)家采取國(guó)際通行做法，對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)給予財(cái)政補(bǔ)貼和產(chǎn)業(yè)政策扶持。財(cái)政補(bǔ)貼額逐年減少，2007年每生產(chǎn)一噸燃料乙醇國(guó)家給予1373元補(bǔ)貼，到2008年底將采取彈性補(bǔ)貼方式以盡可能避免企業(yè)虧損。未來(lái)工作依據(jù)是國(guó)家《生物燃料乙醇及車用乙醇汽油“十一五”發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》，其總體思路是積極培育石油替代市場(chǎng)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；根據(jù)市場(chǎng)發(fā)育情況，擴(kuò)大發(fā)展規(guī)模；確定合理布局，嚴(yán)格市場(chǎng)準(zhǔn)入；依托主導(dǎo)力量，提高發(fā)展質(zhì)量；穩(wěn)定政策支持，加強(qiáng)市場(chǎng)監(jiān)管。其基本原則有7條：因地制宜，非糧為主；能源替代，能化并舉；自主創(chuàng)新，節(jié)能降耗；清潔生產(chǎn)，循環(huán)經(jīng)濟(jì)；合理布局，留有余地；統(tǒng)一規(guī)劃，業(yè)主招標(biāo)；政策支持，市場(chǎng)推動(dòng)。“十一五”期間我國(guó)將生產(chǎn)600萬(wàn)噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇500萬(wàn)噸。這一產(chǎn)量的制定主要取決于全國(guó)用于非糧生產(chǎn)的鹽堿地和荒地面積 。并且國(guó)家將繼續(xù)實(shí)行生物燃料乙醇“定點(diǎn)生產(chǎn)、定向流通、市場(chǎng)開放、公平競(jìng)爭(zhēng)”的相關(guān)政策。

　　3 燃料乙醇效益

　　燃料乙醇是通過(guò)對(duì)乙醇進(jìn)一步脫水，再加上適量變性劑制成。目前，中國(guó)試點(diǎn)推廣的E10乙醇汽油是在汽油中摻入10％純度達(dá)99.9％以上的乙醇制成。簡(jiǎn)而言之，燃料乙醇發(fā)展實(shí)現(xiàn)了“十五”規(guī)劃中提出的“拉動(dòng)農(nóng)業(yè)、保護(hù)環(huán)境、替代能源”三大戰(zhàn)略目標(biāo) [1]，不僅部分解決了汽油緊張，拉動(dòng)了大宗農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)，為農(nóng)民增加了收入，也促進(jìn)了國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。乙醇燃燒值僅為汽油2/3，但其分子中含氧，抗爆性能好，取代傳統(tǒng)MTBE為汽油抗爆、增氧添加劑，避免了其毒害性 (致癌，地下水污染)，具有優(yōu)良能源、環(huán)保效益。如汽油中乙醇添加量≤l5％時(shí)，對(duì)汽車行駛性能無(wú)明顯影響而尾氣中溫室氣體含量降低30％-50％。添加10％，其辛烷值可提高2-3倍，還可清潔汽車引擎，減少機(jī)油替換使其動(dòng)力性能增加。事非偶然，聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織就在維也納乙醇專題討論會(huì)上提出：“乙醇應(yīng)該被當(dāng)作燃料和化工原料永久的和可供選擇的來(lái)源”。

　　4 燃料乙醇生產(chǎn)原料

　　一次能源必將耗竭，研究、開發(fā)可再生能源勢(shì)在必行。以混配乙醇汽油 (E10乙醇汽油) 為例，每用1000萬(wàn)噸就可節(jié)省1O0萬(wàn)噸汽油，而要提煉這些汽油至少需要300萬(wàn)噸原油，足見乙醇的能源戰(zhàn)略地位。

　　燃料乙醇生產(chǎn)原料主要有玉米 (美國(guó))、甘蔗(巴西)、薯類、谷類等。不同原料全生命周期的能量效益也不同，由高到低依次是甜甘蔗、甜高梁 > 木薯 > 玉米、小麥。如巴西甘蔗能量比達(dá)到1:8以上，玉米、小麥等糧食作物及木薯、甘薯大約是1:1.3～1.4，產(chǎn)生正效益。然而以糧食為原料，勢(shì)必與人“爭(zhēng)糧”、“爭(zhēng)地”，利用非糧資源是大勢(shì)所趨。非糧資源包括木薯、甘薯、甜高梁，還有大量糧食作物秸稈，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活廢料等纖維素、半纖維素、木素及其它可用生物有機(jī)質(zhì)資源。其中，纖維素是地球上貯量最豐富的有機(jī)物，其能量來(lái)自太陽(yáng)，通過(guò)植物光合作用固定下來(lái)。每年地球上由光合作用生成的植物體總量達(dá)1.5×l011 kg，40％是纖維素。按全球人口平均，每人每天可分?jǐn)偟?6 kg。日本就重點(diǎn)研究利用農(nóng)、林廢棄物等植物纖維素制備燃料乙醇。如我國(guó)過(guò)去以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇，成本相對(duì)要高，不符合人多地少的國(guó)情。因此，現(xiàn)階段國(guó)家對(duì)生物燃料乙醇項(xiàng)目建設(shè)實(shí)行核準(zhǔn)制。“十一五”專項(xiàng)規(guī)劃要求燃料乙醇生產(chǎn)走“非糧”路線。此外，歐盟、加拿大、菲律賓、墨西哥等國(guó)也正如火如荼地進(jìn)行著相關(guān)研究。

　　5 燃料乙醇生產(chǎn)路線

　　對(duì)于生物質(zhì)衍生合成氣制乙醇有并存、競(jìng)爭(zhēng)的化學(xué)法、生物法兩種轉(zhuǎn)化技術(shù)：

　?。?）生物法：纖維素、半纖維素，酸解或酶解或發(fā)酵→單糖 (五碳、六碳糖)，化學(xué)、酶催化及微生物發(fā)酵→乙醇；

　?。?）化學(xué)法：纖維素、半纖維素、木素及其它生物體有機(jī)物，熱解→合成氣 (H2, CO)，化學(xué)或酶催化或微生物發(fā)酵→乙醇。

　　在某些方面，化學(xué)法好比西藥，強(qiáng)烈、見效快，生物法好比中藥，溫和、見效慢。兩種方法“各有千秋”，其制約因素是成本和高效、廉價(jià)催化劑、酶和合適微生物的開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)。總而言之，生物法具有選擇性、活性好、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，但原料利用率低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)物濃度低及酶、微生物活性易受影響且纖維素降解和單糖轉(zhuǎn)化所需酶、微生物適于不同反應(yīng)條件，不能很好耦合。相比，化學(xué)法具有原料利用率高、反應(yīng)時(shí)間短、催化劑構(gòu)成簡(jiǎn)單、沒有嚴(yán)格反應(yīng)條件限制等優(yōu)點(diǎn)，但為高溫、高壓過(guò)程，對(duì)設(shè)備要求高。

　　6 能效分析

　　生物質(zhì)直接燃燒熱效率很低，只有10％左右，而將它們轉(zhuǎn)化成氣體或液體燃料 (甲烷、氫氣、乙醇、丁醇、柴油等) 熱效率可達(dá)30％以上，緩解了人類面臨的資源、能源、環(huán)境等一系列問(wèn)題。其次，乙醇燃燒值僅為汽油2/3，但分子中含氧，用作汽油添加劑抗暴性能好、低排放，可提高其辛烷值2-3倍，還能使汽車動(dòng)力性能增加等。

　　7 經(jīng)濟(jì)分析

　　目前中國(guó)試點(diǎn)推廣的E10乙醇汽油價(jià)格按國(guó)家同期公布的90號(hào)汽油出廠價(jià)乘以價(jià)格系數(shù)0.911。90號(hào)汽油目前出廠價(jià)不到5000元/噸。由于玉米價(jià)格上漲導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，每銷售1噸燃料乙醇要虧損數(shù)百元且在汽油多次提價(jià)之前，每噸虧損一度達(dá)到了1000多元。此外，燃料乙醇定價(jià)機(jī)制不合理，有兩個(gè)“倒掛”，不能充分體現(xiàn)其價(jià)值：一是油價(jià)倒掛，我國(guó)原油價(jià)格和國(guó)際市場(chǎng)接軌，但成品油沒有實(shí)現(xiàn)接軌；二是燃料乙醇產(chǎn)品價(jià)格倒掛。原本成品油價(jià)格就低，再乘以0.911所形成的價(jià)格對(duì)燃料乙醇經(jīng)濟(jì)性就很差。另外，以燃料乙醇取代高價(jià)MTBE，而燃料乙醇各項(xiàng)指標(biāo)接近或優(yōu)于MTBE，價(jià)格更高才合理，但并非如此，從技術(shù)上也沒有充分體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。就目前生產(chǎn)工藝而言，燃料乙醇生產(chǎn)成本本來(lái)就很高再加上定價(jià)機(jī)制不合理，導(dǎo)致生產(chǎn)企業(yè)嚴(yán)重依賴于國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼。