段中華 張洪偉

中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

隨著國際油價(jià)的不斷攀升，煤氣化技術(shù)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(shù)應(yīng)用已迫在眉睫。

我國能源結(jié)構(gòu)富煤、缺油、少氣，在能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占68.7%(煤炭消費(fèi)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(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展對能源消費(fèi)、外延式發(fā)展的依賴很強(qiáng)，另一方面說明化石能源，尤其是煤炭消費(fèi)比重過大。隨著近年來國際石油價(jià)格的攀升，讓我們清晰地認(rèn)識到，立足于我國能源結(jié)構(gòu)的基本國情，走出一條以煤為基礎(chǔ)的清潔能源發(fā)展之路勢在必行。

近十年來我國煤化工迅猛發(fā)展。在煤化工項(xiàng)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(yè)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(yīng)用于化工、食品、飲料工業(yè)、軍工、日用化工及醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域，同時(shí)又可以作為一種清潔的綠色能源廣泛用于交通運(yùn)輸行業(yè)。

1 乙醇生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)乙醇有兩種方法：發(fā)酵法和合成法。

發(fā)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(jìn)行生產(chǎn)。發(fā)酵法分為兩種工藝，即濕磨和干磨，二者之間主要的區(qū)別是谷物的第一步處理和伴產(chǎn)的飼料。目前，還有一小部分乙醇是用非傳統(tǒng)原料(如飲料、食品和林業(yè)方面的廢品)生產(chǎn)的，這種乙醇的產(chǎn)量在逐年增加。當(dāng)前我國主要以糧食為原料的發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇，這與我國地少人多、糧食緊缺的國情發(fā)生嚴(yán)重矛盾。

合成法是以煤為原料，經(jīng)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(fā)酵技術(shù)，以合成氣(CO+H2)為原料生產(chǎn)乙醇；③合成氣經(jīng)醋酸加氫制乙醇。三種工藝路線相比較，煤經(jīng)合成氣直接制乙醇的工藝路線最短，也最經(jīng)濟(jì)。

針對國情，論述從煤出發(fā)，經(jīng)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(xué)反應(yīng)原理是以煤氣化產(chǎn)生的粗合成氣經(jīng)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(fù)合反應(yīng)體系，在催化劑的作用下，主要發(fā)生如下反應(yīng)：

2CO+4H2→CH3CH2OH(乙醇)+H2O

2CO+3H2→CH3CHO(乙醛)+H2O

2CO+2H2→CH3COOH(乙酸)

副產(chǎn)的CH3CHO(乙醛)和CH3COOH(乙酸)經(jīng)過加氫處理，還原生成產(chǎn)品乙醇，主要發(fā)生如下反應(yīng)：

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(chǎn)出的其他產(chǎn)品，如丙醛、丁醛、乙酸乙酯、乙酸甲酯等，均可通過加氫反應(yīng)使其還原成乙醇產(chǎn)品。

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

2 煤氣化技術(shù)

煤制乙醇技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)為煤氣化技術(shù)。

科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步促進(jìn)了潔凈煤氣化技術(shù)的發(fā)展與成熟。按氣化爐進(jìn)料方式劃分，目前較為先進(jìn)的新一代煤氣化技術(shù)主要有干粉煤加壓氣化技術(shù)和水煤漿加壓氣化技術(shù)兩種：①干粉煤氣化技術(shù)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(huán)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(shù)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(xué)的多噴嘴水煤漿加壓氣流床氣化技術(shù)等。

經(jīng)多年實(shí)踐，新型煤氣化技術(shù)較傳統(tǒng)燃煤技術(shù)而言，其優(yōu)勢已凸顯出來：

(1)碳的轉(zhuǎn)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(chǎn)品多樣，易于輸送。煤氣化作為“煤頭”，可以為產(chǎn)業(yè)鏈下游提供合格的合成氣，并通過產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，生產(chǎn)出各種各樣的化工產(chǎn)品，還可為居民提供燃?xì)?，也可以用來發(fā)展綠色發(fā)電(IGCC)。

(3)有利于環(huán)境保護(hù)。煤炭高溫氣化后產(chǎn)生的爐渣經(jīng)激冷形成玻璃狀顆粒及煤炭燃燒產(chǎn)生的飛灰，物性穩(wěn)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(huán)保空心磚等，用途多樣，節(jié)能環(huán)保。

(4)脫硫脫硝一步到位。在煤制甲醇項(xiàng)目中，來自煤氣化裝置經(jīng)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(jīng)酸性氣體脫除工序后，富裕的二氧化碳?xì)怏w和無用的H2S等氣體被分別剝離出來，其中H2S等酸性氣體經(jīng)硫回收工序，生產(chǎn)出硫磺產(chǎn)品，為產(chǎn)業(yè)鏈下游產(chǎn)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?xì)怏w有效剝離，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。

(6)國產(chǎn)化水平高。就當(dāng)前兩個(gè)主流煤氣化技術(shù)應(yīng)用情況而言，Shell工藝的設(shè)備國產(chǎn)率可以達(dá)到85%以上，而GE工藝的國產(chǎn)化率更高，現(xiàn)已達(dá)到90%以上。

經(jīng)過十年的摸索和發(fā)展，新型煤氣化技術(shù)的應(yīng)用總結(jié)出很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，考慮到煤炭資源和水資源的分布現(xiàn)實(shí)，筆者認(rèn)為在發(fā)展大型現(xiàn)代化煤化工項(xiàng)目，對氣化技術(shù)進(jìn)行選擇時(shí)一定要充分考慮到當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)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(jī)械化程度的不斷提高，采煤、洗煤過程中會產(chǎn)生大量的粉煤，其含量已占總采量的50%以上。為實(shí)現(xiàn)煤炭資源的充分利用，考慮到環(huán)境的承載能力，大力發(fā)展新型的粉煤氣化技術(shù)成為我國未來氣化技術(shù)發(fā)展的主要方向。

對于粉煤氣化技術(shù)，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(shù)和以GSP煤氣化為代表的激冷分離+濕法洗滌技術(shù)兩種。雖然SHELL煤氣化技術(shù)較GSP增加了除灰工序，相應(yīng)增加了一定的投資，但是GSP煤氣化技術(shù)由于生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(shí)，由于SHELL氣化過程無廢氣排放，系統(tǒng)排出的融渣和飛灰含碳低，可作為水泥等建筑材料，堆放時(shí)也無污染物滲出。氣化污水不含焦油、酚等化學(xué)物質(zhì)，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(shù)，是適應(yīng)我國低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展、滿足能源分布結(jié)構(gòu)、能最大限度地創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的氣化技術(shù)，是未來努力提升、發(fā)展與應(yīng)用的主要方向，具有廣闊的發(fā)展前景。

3 煤直接制乙醇技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢

當(dāng)前，我國把高油價(jià)及消費(fèi)猛增作為一項(xiàng)能源安全戰(zhàn)略來實(shí)施，并千方百計(jì)加大力氣尋求新工藝、新方法以實(shí)現(xiàn)能源的可替代性。替代能源，這是一個(gè)在國內(nèi)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(jià)的不斷攀升，替代能源再次成為熱點(diǎn)和焦點(diǎn)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(jīng)濟(jì)對石油的高度依賴，筆者認(rèn)為，在諸多替代能源品種中，煤基醇醚燃料應(yīng)該成為最先考慮發(fā)展的項(xiàng)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(shù)的發(fā)展有著諸多優(yōu)勢，具體闡述如下。

3.1 替代石油的重要性

據(jù)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(fèi)量3.51×109t和已探明的儲量計(jì)算，可供使用40多年，如果按2010年預(yù)測石油消費(fèi)4.47×109t計(jì)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(yè)化的發(fā)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(yīng)加大對替代能源的開發(fā)和利用力度，積極推進(jìn)煤基醇醚燃料，特別是煤直接制乙醇燃料的發(fā)展。

現(xiàn)行的乙醇汽油，是由玉米等原料通過發(fā)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(xiàn)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(jié)省10%以上的汽油消耗，從而減少石油的進(jìn)口?？紤]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(shí)我國石油進(jìn)口量將會大大減少。

3.2 作為燃料的優(yōu)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(zhì)。煤基乙醇燃料具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以替代或部分替代汽油作發(fā)動機(jī)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(diào)和辛烷值一般在120以上，可提高點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的抗爆震性，使發(fā)動機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。

(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(fā)性有機(jī)化合物(VOC)等大氣污染物排放量平均降低1/3以上，起到節(jié)能和環(huán)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(chǎn)與安全的貢獻(xiàn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年全國用于工業(yè)加工的玉米用量在2.5×107t左右。近年來我國乙醇生產(chǎn)能力增長迅猛，全國生產(chǎn)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(chǎn)量2005年為1.05×106t。

盡管燃料乙醇的生產(chǎn)能力擴(kuò)展很快，已有的生產(chǎn)能力、在建項(xiàng)目和未來5年已知的計(jì)劃建設(shè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)每年共生產(chǎn)約3.0×106t乙醇。但據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(NDRC)預(yù)測，到2020年中國的燃料乙醇消費(fèi)總量將達(dá)到6.0×106t，可見燃料乙醇供應(yīng)及需求的缺口還很大。

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

3.4 為下游提供基礎(chǔ)化工原料

煤直接制乙醇可用于生產(chǎn)醋酸乙酯。當(dāng)前，中國每年消耗工業(yè)級乙醇約3×106t，僅我國醋酸乙酯的生產(chǎn)(產(chǎn)能達(dá)到2×106t)所需要消耗的乙醇達(dá)1.2×106t。用煤直接制乙醇生產(chǎn)下游化工產(chǎn)品，不僅能降低生產(chǎn)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(chǎn)乙烯，開發(fā)在國內(nèi)有很大市場潛力的乙烯-乙烯醇樹脂等。

3.5 對環(huán)境保護(hù)的作用

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

4 煤直接制乙醇技術(shù)的成本分析

根據(jù)已經(jīng)公布的各項(xiàng)資料顯示，目前我國主要采用傳統(tǒng)的糧食發(fā)酵法制乙醇，該工藝路線乙醇的生產(chǎn)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(jù)已公布的各項(xiàng)資料，其成本約為7000～8000元/t。從理論上來講，煤制乙醇技術(shù)需要64t合成氣產(chǎn)46t乙醇和18t水，也就是1.4t合成氣生產(chǎn)1t乙醇，合成氣轉(zhuǎn)化率為71%，估計(jì)煤制乙醇的成本在4000元/t左右。上述數(shù)據(jù)顯示，煤制乙醇技術(shù)較傳統(tǒng)的糧食發(fā)酵法制乙醇和纖維素乙醇在成本上具有較大優(yōu)勢。

煤制乙醇技術(shù)工藝路線長且復(fù)雜，在生產(chǎn)乙醇的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)物——水，導(dǎo)致合成氣中氫的1/4被損耗掉，造成能源浪費(fèi)。加之產(chǎn)物組分較為復(fù)雜，粗產(chǎn)品需要加氫和精制處理，催化劑成本高等。所以工藝有待進(jìn)一步完善。

5 結(jié)語

新型煤氣化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為我國乙醇工業(yè)的發(fā)展提供了更多可選的途徑。大力發(fā)展煤直接制乙醇技術(shù)，在充分利用我國資源的基礎(chǔ)上，減輕國際原油價(jià)格不斷上漲給我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)與威脅。