煤直接制乙醇技术的应用前景分析

段中华 张洪伟

中国五环工程有限公司 武汉 430223

随着国际油价的不断攀升，煤气化技术不断成熟，世界人口对粮食需求量不断增长，煤直接制乙醇技术应用已迫在眉睫。

我国能源结构富煤、缺油、少气，在能源结构中，煤炭占68.7%(煤炭消费量中电力用煤约占50%)，石油占18%，天然气占3.4%，可再生能源占9.9%，而世界平均能源结构中，煤炭占28.4%，石油占35.8%，天然气占23.7%，可再生能源占12.1%。这一方面说明经济的发展对能源消费、外延式发展的依赖很强，另一方面说明化石能源，尤其是煤炭消费比重过大。随着近年来国际石油价格的攀升，让我们清晰地认识到，立足于我国能源结构的基本国情，走出一条以煤为基础的清洁能源发展之路势在必行。

近十年来我国煤化工迅猛发展。在煤化工项目中，继煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇之后，笔者在这里要论述的是煤化工行业的又一新方向——煤直接制乙醇。乙醇作为基本的化工原料，广泛应用于化工、食品、饮料工业、军工、日用化工及医药卫生等领域，同时又可以作为一种清洁的绿色能源广泛用于交通运输行业。

1 乙醇生产工艺

生产乙醇有两种方法：发酵法和合成法。

发酵法是用淀粉或糖基原料(如甜菜、废糖蜜、水果、葡萄酒、谷物等)进行生产。发酵法分为两种工艺，即湿磨和干磨，二者之间主要的区别是谷物的第一步处理和伴产的饲料。目前，还有一小部分乙醇是用非传统原料(如饮料、食品和林业方面的废品)生产的，这种乙醇的产量在逐年增加。当前我国主要以粮食为原料的发酵法生产乙醇，这与我国地少人多、粮食紧缺的国情发生严重矛盾。

合成法是以煤为原料，经气化工艺制合成气后，再制乙醇的方法。目前煤制乙醇的工艺路线主要包括三种：①合成气直接制乙醇；②合成气生物法制乙醇，即利用微生物发酵技术，以合成气(CO+H2)为原料生产乙醇；③合成气经醋酸加氢制乙醇。三种工艺路线相比较，煤经合成气直接制乙醇的工艺路线最短，也最经济。

针对国情，论述从煤出发，经合成气直接合成乙醇的全新催化工艺过程。

煤直接制乙醇的化学反应原理是以煤气化产生的粗合成气经净化后作为原料，合成乙醇、乙醛和乙酸等C2化合物。CO加H2为复合反应体系，在催化剂的作用下，主要发生如下反应：

2CO+4H2→CH3CH2OH(乙醇)+H2O

2CO+3H2→CH3CHO(乙醛)+H2O

2CO+2H2→CH3COOH(乙酸)

副产的CH3CHO(乙醛)和CH3COOH(乙酸)经过加氢处理，还原生成产品乙醇，主要发生如下反应：

CH3CHO+H22→CH3CH2OH(乙醇)

CH3COOH+H2→CH3CH2OH(乙醇)+ H2O

对于在合成气合成乙醇过程中副产出的其他产品，如丙醛、丁醛、乙酸乙酯、乙酸甲酯等，均可通过加氢反应使其还原成乙醇产品。

最后经过分离和精馏两个工序的处理，粗乙醇变成纯度高达99.6%以上的精乙醇。

2 煤气化技术

煤制乙醇技术发展的基础为煤气化技术。

科学技术的不断进步促进了洁净煤气化技术的发展与成熟。按气化炉进料方式划分，目前较为先进的新一代煤气化技术主要有干粉煤加压气化技术和水煤浆加压气化技术两种：①干粉煤气化技术包括：荷兰SHELL公司的SCGP粉煤加压气化工艺、Krupp-Uhde公司的Pronflo粉煤加压气化工艺、德国西门子GSP气化工艺、中国五环工程有限公司的WHG气化工艺、德国科林CCG气化工艺等；②水煤浆加压气化技术包括：美国GE公司的水煤浆加压气化工艺、美国康菲公司的E-GAS加压气化工艺、华东理工大学的多喷嘴水煤浆加压气流床气化技术等。

经多年实践，新型煤气化技术较传统燃煤技术而言，其优势已凸显出来：

(1)碳的转化率一般在95%～99%之间，合成气中有效气体组分(CO+H2)含量在90%以上，单位体积合成气的煤耗、氧耗量低。

(2)产品多样，易于输送。煤气化作为“煤头”，可以为产业链下游提供合格的合成气，并通过产业链的延伸，生产出各种各样的化工产品，还可为居民提供燃气，也可以用来发展绿色发电(IGCC)。

(3)有利于环境保护。煤炭高温气化后产生的炉渣经激冷形成玻璃状颗粒及煤炭燃烧产生的飞灰，物性稳定。飞灰和炉渣都可利用，如可将飞灰直接掺入到水泥中，或制作成环保空心砖等，用途多样，节能环保。

(4)脱硫脱硝一步到位。在煤制甲醇项目中，来自煤气化装置经CO变换工序出来的变换气中二氧化碳含量为35.5%，H2S+COS含量为0.17%，此外还有微量的HCN、NH3等。在经酸性气体脱除工序后，富裕的二氧化碳气体和无用的H2S等气体被分别剥离出来，其中H2S等酸性气体经硫回收工序，生产出硫磺产品，为产业链下游产品提供原料。

(5)二氧化碳更易于捕捉、收集(CCS)。正如(4)中论述，酸性气体脱除工序可将富裕的二氧化碳气体有效剥离，为后续工作奠定基础。

(6)国产化水平高。就当前两个主流煤气化技术应用情况而言，Shell工艺的设备国产率可以达到85%以上，而GE工艺的国产化率更高，现已达到90%以上。

经过十年的摸索和发展，新型煤气化技术的应用总结出很多宝贵的经验和教训，考虑到煤炭资源和水资源的分布现实，笔者认为在发展大型现代化煤化工项目，对气化技术进行选择时一定要充分考虑到当地的自然环境和资源的可承载能力，特别是水资源的可承载能力。

随着采煤机械化程度的不断提高，采煤、洗煤过程中会产生大量的粉煤，其含量已占总采量的50%以上。为实现煤炭资源的充分利用，考虑到环境的承载能力，大力发展新型的粉煤气化技术成为我国未来气化技术发展的主要方向。

对于粉煤气化技术，在除灰方面存在一定的差异，即主要包括以SHELL煤气化为代表的干法除灰+湿法洗涤技术和以GSP煤气化为代表的激冷分离+湿法洗涤技术两种。虽然SHELL煤气化技术较GSP增加了除灰工序，相应增加了一定的投资，但是GSP煤气化技术由于生产过程中产生了大量的黑水，且黑水非常难处理，为此增加的水处理装置投资不亚于SHELL煤气化装置除灰工序的投资。同时，由于SHELL气化过程无废气排放，系统排出的融渣和飞灰含碳低，可作为水泥等建筑材料，堆放时也无污染物渗出。气化污水不含焦油、酚等化学物质，容易处理，可做到“零”排放。

由此看出，以SHELL为代表的干法除灰+湿法洗涤技术，是适应我国低碳经济发展、满足能源分布结构、能最大限度地创造经济效益与社会效益的气化技术，是未来努力提升、发展与应用的主要方向，具有广阔的发展前景。

3 煤直接制乙醇技术发展的优势

当前，我国把高油价及消费猛增作为一项能源安全战略来实施，并千方百计加大力气寻求新工艺、新方法以实现能源的可替代性。替代能源，这是一个在国内讨论和争论了二十多年的老话题了。近几年来，随着国际油价的不断攀升，替代能源再次成为热点和焦点话题。从理论上说，合适的替代能源可以缓解甚至解决中国经济对石油的高度依赖，笔者认为，在诸多替代能源品种中，煤基醇醚燃料应该成为最先考虑发展的项目之一。作为煤基醇醚燃料中的重要品种——煤直接制乙醇，其技术的发展有着诸多优势，具体阐述如下。

3.1 替代石油的重要性

据第十五届世界石油大会估算，世界未探明的石油资源量为6.7×1010t。按2001年世界原油消费量3.51×109t和已探明的储量计算，可供使用40多年，如果按2010年预测石油消费4.47×109t计算，可使用37年左右。石油作为一种有限而不能再生的资源，面对世界工业化的发展及汽车的大量使用，其资源会越来越紧张，离告别人类的日子也越来越近。为此应加大对替代能源的开发和利用力度，积极推进煤基醇醚燃料，特别是煤直接制乙醇燃料的发展。

现行的乙醇汽油，是由玉米等原料通过发酵法制成的乙醇同汽油掺烧的一种替代燃料，即在汽油中加入10%的乙醇掺烧。也就是说，即使未来仍然按照现行的比例往汽油中添加乙醇，如果能够在全国推广的话，那么每年可以为我国节省10%以上的汽油消耗，从而减少石油的进口。考虑到煤直接制乙醇仅是煤基醇醚燃料中的一种，如果其他煤基醇醚燃料添加到汽油中的话，可以想象，届时我国石油进口量将会大大减少。

3.2 作为燃料的优良特性

乙醇作为煤基醇醚燃料中的一种已被广泛接受的燃料，不仅可以替代石油，还可以提高燃油品质。煤基乙醇燃料具有如下优点：

(1)可以替代或部分替代汽油作发动机燃料，减少汽油用量，缓解化石燃料的紧张，提高国家能源安全性。

(2)乙醇作为汽油的高辛烷值组分，调和辛烷值一般在120以上，可提高点燃式内燃机的抗爆震性，使发动机运行更平稳。

(3)因乙醇是有氧燃料，掺混到汽油中，可替代对水资源有污染的汽油增氧剂MTBE(甲基叔丁基醚)，使燃烧更充分，可使颗粒物、一氧化碳、挥发性有机化合物(VOC)等大气污染物排放量平均降低1/3以上，起到节能和环保作用。

(4)可以有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成，延长主要部件的使用寿命。

3.3 对粮食生产与安全的贡献

据统计，2006年全国用于工业加工的玉米用量在2.5×107t左右。近年来我国乙醇生产能力增长迅猛，全国生产能力2004年为3.95×106t，2005年为6.56×106t，而2006年猛增至8.97×106t，其中燃料乙醇的产量2005年为1.05×106t。

尽管燃料乙醇的生产能力扩展很快，已有的生产能力、在建项目和未来5年已知的计划建设项目预计每年共生产约3.0×106t乙醇。但据国家发展和改革委员会(NDRC)预测，到2020年中国的燃料乙醇消费总量将达到6.0×106t，可见燃料乙醇供应及需求的缺口还很大。

按照平均每3.3t玉米可生产1t燃料乙醇计算的话，到2020年，如果我们不发展煤制乙醇，而所有燃料乙醇均产自玉米发酵法，届时每年用于燃料乙醇生产的玉米总量将达到近2×107t。仅此一项，就等于消耗掉5000万人的口粮(每人年按0.4t消费计算)。可见，煤直接制乙醇的发展将会对粮食的生产和安全作出巨大的贡献。

3.4 为下游提供基础化工原料

煤直接制乙醇可用于生产醋酸乙酯。当前，中国每年消耗工业级乙醇约3×106t，仅我国醋酸乙酯的生产(产能达到2×106t)所需要消耗的乙醇达1.2×106t。用煤直接制乙醇生产下游化工产品，不仅能降低生产成本，而且能减少对粮食乙醇的依赖。另外，还可以将乙醇脱水生产乙烯，开发在国内有很大市场潜力的乙烯-乙烯醇树脂等。

3.5 对环境保护的作用

煤直接制乙醇，通过煤气化将煤转化为合成气，并合成制乙醇的过程。通过新型煤气化技术的应用，可以利用高硫煤、劣质煤生产乙醇。这样，一方面可以充分利用能源资源，使低品质能源得到充分的利用；另一方面，通过前述工艺技术，将煤炭燃烧产生的污染物有效地处理与回收，实现接近“零”污染排放。

4 煤直接制乙醇技术的成本分析

根据已经公布的各项资料显示，目前我国主要采用传统的粮食发酵法制乙醇，该工艺路线乙醇的生产成本大约在7000元/t。还有部分采用的是纤维素制乙醇，目前该工艺路线处于中试阶段，根据已公布的各项资料，其成本约为7000～8000元/t。从理论上来讲，煤制乙醇技术需要64t合成气产46t乙醇和18t水，也就是1.4t合成气生产1t乙醇，合成气转化率为71%，估计煤制乙醇的成本在4000元/t左右。上述数据显示，煤制乙醇技术较传统的粮食发酵法制乙醇和纤维素乙醇在成本上具有较大优势。

煤制乙醇技术工艺路线长且复杂，在生产乙醇的同时，产生了大量的副产物——水，导致合成气中氢的1/4被损耗掉，造成能源浪费。加之产物组分较为复杂，粗产品需要加氢和精制处理，催化剂成本高等。所以工艺有待进一步完善。

5 结语

新型煤气化技术的发展与应用，为我国乙醇工业的发展提供了更多可选的途径。大力发展煤直接制乙醇技术，在充分利用我国资源的基础上，减轻国际原油价格不断上涨给我国经济发展带来的挑战与威胁。