煤直接制乙醇技術的應用前景分析

段中華 張洪偉

中國五環工程有限公司 武漢 430223

隨著國際油價的不斷攀升，煤氣化技術不斷成熟，世界人口對糧食需求量不斷增長，煤直接制乙醇技術應用已迫在眉睫。

我國能源結構富煤、缺油、少氣，在能源結構中，煤炭占68.7%(煤炭消費量中電力用煤約占50%)，石油占18%，天然氣占3.4%，可再生能源占9.9%，而世界平均能源結構中，煤炭占28.4%，石油占35.8%，天然氣占23.7%，可再生能源占12.1%。這一方面說明經濟的發展對能源消費、外延式發展的依賴很強，另一方面說明化石能源，尤其是煤炭消費比重過大。隨著近年來國際石油價格的攀升，讓我們清晰地認識到，立足于我國能源結構的基本國情，走出一條以煤為基礎的清潔能源發展之路勢在必行。

近十年來我國煤化工迅猛發展。在煤化工項目中，繼煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇之后，筆者在這里要論述的是煤化工行業的又一新方向——煤直接制乙醇。乙醇作為基本的化工原料，廣泛應用于化工、食品、飲料工業、軍工、日用化工及醫藥衛生等領域，同時又可以作為一種清潔的綠色能源廣泛用于交通運輸行業。

1 乙醇生產工藝

生產乙醇有兩種方法：發酵法和合成法。

發酵法是用淀粉或糖基原料(如甜菜、廢糖蜜、水果、葡萄酒、谷物等)進行生產。發酵法分為兩種工藝，即濕磨和干磨，二者之間主要的區別是谷物的第一步處理和伴產的飼料。目前，還有一小部分乙醇是用非傳統原料(如飲料、食品和林業方面的廢品)生產的，這種乙醇的產量在逐年增加。當前我國主要以糧食為原料的發酵法生產乙醇，這與我國地少人多、糧食緊缺的國情發生嚴重矛盾。

合成法是以煤為原料，經氣化工藝制合成氣后，再制乙醇的方法。目前煤制乙醇的工藝路線主要包括三種：①合成氣直接制乙醇；②合成氣生物法制乙醇，即利用微生物發酵技術，以合成氣(CO+H2)為原料生產乙醇；③合成氣經醋酸加氫制乙醇。三種工藝路線相比較，煤經合成氣直接制乙醇的工藝路線最短，也最經濟。

針對國情，論述從煤出發，經合成氣直接合成乙醇的全新催化工藝過程。

煤直接制乙醇的化學反應原理是以煤氣化產生的粗合成氣經凈化后作為原料，合成乙醇、乙醛和乙酸等C2化合物。CO加H2為復合反應體系，在催化劑的作用下，主要發生如下反應：

2CO+4H2→CH3CH2OH(乙醇)+H2O

2CO+3H2→CH3CHO(乙醛)+H2O

2CO+2H2→CH3COOH(乙酸)

副產的CH3CHO(乙醛)和CH3COOH(乙酸)經過加氫處理，還原生成產品乙醇，主要發生如下反應：

CH3CHO+H22→CH3CH2OH(乙醇)

CH3COOH+H2→CH3CH2OH(乙醇)+ H2O

對于在合成氣合成乙醇過程中副產出的其他產品，如丙醛、丁醛、乙酸乙酯、乙酸甲酯等，均可通過加氫反應使其還原成乙醇產品。

最后經過分離和精餾兩個工序的處理，粗乙醇變成純度高達99.6%以上的精乙醇。

2 煤氣化技術

煤制乙醇技術發展的基礎為煤氣化技術。

科學技術的不斷進步促進了潔凈煤氣化技術的發展與成熟。按氣化爐進料方式劃分，目前較為先進的新一代煤氣化技術主要有干粉煤加壓氣化技術和水煤漿加壓氣化技術兩種：①干粉煤氣化技術包括：荷蘭SHELL公司的SCGP粉煤加壓氣化工藝、Krupp-Uhde公司的Pronflo粉煤加壓氣化工藝、德國西門子GSP氣化工藝、中國五環工程有限公司的WHG氣化工藝、德國科林CCG氣化工藝等；②水煤漿加壓氣化技術包括：美國GE公司的水煤漿加壓氣化工藝、美國康菲公司的E-GAS加壓氣化工藝、華東理工大學的多噴嘴水煤漿加壓氣流床氣化技術等。

經多年實踐，新型煤氣化技術較傳統燃煤技術而言，其優勢已凸顯出來：

(1)碳的轉化率一般在95%～99%之間，合成氣中有效氣體組分(CO+H2)含量在90%以上，單位體積合成氣的煤耗、氧耗量低。

(2)產品多樣，易于輸送。煤氣化作為“煤頭”，可以為產業鏈下游提供合格的合成氣，并通過產業鏈的延伸，生產出各種各樣的化工產品，還可為居民提供燃氣，也可以用來發展綠色發電(IGCC)。

(3)有利于環境保護。煤炭高溫氣化后產生的爐渣經激冷形成玻璃狀顆粒及煤炭燃燒產生的飛灰，物性穩定。飛灰和爐渣都可利用，如可將飛灰直接摻入到水泥中，或制作成環保空心磚等，用途多樣，節能環保。

(4)脫硫脫硝一步到位。在煤制甲醇項目中，來自煤氣化裝置經CO變換工序出來的變換氣中二氧化碳含量為35.5%，H2S+COS含量為0.17%，此外還有微量的HCN、NH3等。在經酸性氣體脫除工序后，富裕的二氧化碳氣體和無用的H2S等氣體被分別剝離出來，其中H2S等酸性氣體經硫回收工序，生產出硫磺產品，為產業鏈下游產品提供原料。

(5)二氧化碳更易于捕捉、收集(CCS)。正如(4)中論述，酸性氣體脫除工序可將富裕的二氧化碳氣體有效剝離，為后續工作奠定基礎。

(6)國產化水平高。就當前兩個主流煤氣化技術應用情況而言，Shell工藝的設備國產率可以達到85%以上，而GE工藝的國產化率更高，現已達到90%以上。

經過十年的摸索和發展，新型煤氣化技術的應用總結出很多寶貴的經驗和教訓，考慮到煤炭資源和水資源的分布現實，筆者認為在發展大型現代化煤化工項目，對氣化技術進行選擇時一定要充分考慮到當地的自然環境和資源的可承載能力，特別是水資源的可承載能力。

隨著采煤機械化程度的不斷提高，采煤、洗煤過程中會產生大量的粉煤，其含量已占總采量的50%以上。為實現煤炭資源的充分利用，考慮到環境的承載能力，大力發展新型的粉煤氣化技術成為我國未來氣化技術發展的主要方向。

對于粉煤氣化技術，在除灰方面存在一定的差異，即主要包括以SHELL煤氣化為代表的干法除灰+濕法洗滌技術和以GSP煤氣化為代表的激冷分離+濕法洗滌技術兩種。雖然SHELL煤氣化技術較GSP增加了除灰工序，相應增加了一定的投資，但是GSP煤氣化技術由于生產過程中產生了大量的黑水，且黑水非常難處理，為此增加的水處理裝置投資不亞于SHELL煤氣化裝置除灰工序的投資。同時，由于SHELL氣化過程無廢氣排放，系統排出的融渣和飛灰含碳低，可作為水泥等建筑材料，堆放時也無污染物滲出。氣化污水不含焦油、酚等化學物質，容易處理，可做到“零”排放。

由此看出，以SHELL為代表的干法除灰+濕法洗滌技術，是適應我國低碳經濟發展、滿足能源分布結構、能最大限度地創造經濟效益與社會效益的氣化技術，是未來努力提升、發展與應用的主要方向，具有廣闊的發展前景。

3 煤直接制乙醇技術發展的優勢

當前，我國把高油價及消費猛增作為一項能源安全戰略來實施，并千方百計加大力氣尋求新工藝、新方法以實現能源的可替代性。替代能源，這是一個在國內討論和爭論了二十多年的老話題了。近幾年來，隨著國際油價的不斷攀升，替代能源再次成為熱點和焦點話題。從理論上說，合適的替代能源可以緩解甚至解決中國經濟對石油的高度依賴，筆者認為，在諸多替代能源品種中，煤基醇醚燃料應該成為最先考慮發展的項目之一。作為煤基醇醚燃料中的重要品種——煤直接制乙醇，其技術的發展有著諸多優勢，具體闡述如下。

3.1 替代石油的重要性

據第十五屆世界石油大會估算，世界未探明的石油資源量為6.7×1010t。按2001年世界原油消費量3.51×109t和已探明的儲量計算，可供使用40多年，如果按2010年預測石油消費4.47×109t計算，可使用37年左右。石油作為一種有限而不能再生的資源，面對世界工業化的發展及汽車的大量使用，其資源會越來越緊張，離告別人類的日子也越來越近。為此應加大對替代能源的開發和利用力度，積極推進煤基醇醚燃料，特別是煤直接制乙醇燃料的發展。

現行的乙醇汽油，是由玉米等原料通過發酵法制成的乙醇同汽油摻燒的一種替代燃料，即在汽油中加入10%的乙醇摻燒。也就是說，即使未來仍然按照現行的比例往汽油中添加乙醇，如果能夠在全國推廣的話，那么每年可以為我國節省10%以上的汽油消耗，從而減少石油的進口。考慮到煤直接制乙醇僅是煤基醇醚燃料中的一種，如果其他煤基醇醚燃料添加到汽油中的話，可以想象，屆時我國石油進口量將會大大減少。

3.2 作為燃料的優良特性

乙醇作為煤基醇醚燃料中的一種已被廣泛接受的燃料，不僅可以替代石油，還可以提高燃油品質。煤基乙醇燃料具有如下優點：

(1)可以替代或部分替代汽油作發動機燃料，減少汽油用量，緩解化石燃料的緊張，提高國家能源安全性。

(2)乙醇作為汽油的高辛烷值組分，調和辛烷值一般在120以上，可提高點燃式內燃機的抗爆震性，使發動機運行更平穩。

(3)因乙醇是有氧燃料，摻混到汽油中，可替代對水資源有污染的汽油增氧劑MTBE(甲基叔丁基醚)，使燃燒更充分，可使顆粒物、一氧化碳、揮發性有機化合物(VOC)等大氣污染物排放量平均降低1/3以上，起到節能和環保作用。

(4)可以有效消除火花塞、氣門、活塞頂部及排氣管、消聲器部位積炭的形成，延長主要部件的使用壽命。

3.3 對糧食生產與安全的貢獻

據統計，2006年全國用于工業加工的玉米用量在2.5×107t左右。近年來我國乙醇生產能力增長迅猛，全國生產能力2004年為3.95×106t，2005年為6.56×106t，而2006年猛增至8.97×106t，其中燃料乙醇的產量2005年為1.05×106t。

盡管燃料乙醇的生產能力擴展很快，已有的生產能力、在建項目和未來5年已知的計劃建設項目預計每年共生產約3.0×106t乙醇。但據國家發展和改革委員會(NDRC)預測，到2020年中國的燃料乙醇消費總量將達到6.0×106t，可見燃料乙醇供應及需求的缺口還很大。

按照平均每3.3t玉米可生產1t燃料乙醇計算的話，到2020年，如果我們不發展煤制乙醇，而所有燃料乙醇均產自玉米發酵法，屆時每年用于燃料乙醇生產的玉米總量將達到近2×107t。僅此一項，就等于消耗掉5000萬人的口糧(每人年按0.4t消費計算)。可見，煤直接制乙醇的發展將會對糧食的生產和安全作出巨大的貢獻。

3.4 為下游提供基礎化工原料

煤直接制乙醇可用于生產醋酸乙酯。當前，中國每年消耗工業級乙醇約3×106t，僅我國醋酸乙酯的生產(產能達到2×106t)所需要消耗的乙醇達1.2×106t。用煤直接制乙醇生產下游化工產品，不僅能降低生產成本，而且能減少對糧食乙醇的依賴。另外，還可以將乙醇脫水生產乙烯，開發在國內有很大市場潛力的乙烯-乙烯醇樹脂等。

3.5 對環境保護的作用

煤直接制乙醇，通過煤氣化將煤轉化為合成氣，并合成制乙醇的過程。通過新型煤氣化技術的應用，可以利用高硫煤、劣質煤生產乙醇。這樣，一方面可以充分利用能源資源，使低品質能源得到充分的利用；另一方面，通過前述工藝技術，將煤炭燃燒產生的污染物有效地處理與回收，實現接近“零”污染排放。

4 煤直接制乙醇技術的成本分析

根據已經公布的各項資料顯示，目前我國主要采用傳統的糧食發酵法制乙醇，該工藝路線乙醇的生產成本大約在7000元/t。還有部分采用的是纖維素制乙醇，目前該工藝路線處于中試階段，根據已公布的各項資料，其成本約為7000～8000元/t。從理論上來講，煤制乙醇技術需要64t合成氣產46t乙醇和18t水，也就是1.4t合成氣生產1t乙醇，合成氣轉化率為71%，估計煤制乙醇的成本在4000元/t左右。上述數據顯示，煤制乙醇技術較傳統的糧食發酵法制乙醇和纖維素乙醇在成本上具有較大優勢。

煤制乙醇技術工藝路線長且復雜，在生產乙醇的同時，產生了大量的副產物——水，導致合成氣中氫的1/4被損耗掉，造成能源浪費。加之產物組分較為復雜，粗產品需要加氫和精制處理，催化劑成本高等。所以工藝有待進一步完善。

5 結語

新型煤氣化技術的發展與應用，為我國乙醇工業的發展提供了更多可選的途徑。大力發展煤直接制乙醇技術，在充分利用我國資源的基礎上，減輕國際原油價格不斷上漲給我國經濟發展帶來的挑戰與威脅。