生物质燃料乙醇研究进展

       全球变暖、化石能源日渐消耗……引发了人们对新型、可再生能源的深刻思考。如巴西、美国、中国等国正积极开发、利用生物质燃料乙醇生产技术。但如果一如既往以大量粮食生产燃料乙醇势必和人“争食”、“争地”，造成人类生存隐患，走“非粮”路线是大势所趋。其中，纤维素地球贮量丰富，其能量来自太阳，通过光合作用固定下来，取之不尽，用之不竭，各国正如火如荼地进行着相关研究 [1-5]。本文分析了燃料乙醇发展经济、能源、环境、社会效益，肯定了其能源战略地位，提出几条实现我国生物燃料规模化生产的可行性建议以资借鉴。      1 、国内外燃料乙醇发展概况
      目前面临化石能源危机，一些农产品丰富的国家正大力发展乙醇汽油供应市场。巴西从1975年开始实施“燃料乙醇计划”，以其富产甘蔗为原料，目前已形成1000多万吨产能，替代了1／3车用燃料。为推广燃料乙醇，美国制定了积极的经济激励政策，计划从2006年至2012年，可再生能源燃料年用量从1200万吨增加到2300万吨。日本重点研究利用农、林废弃物等植物纤维素制备燃料乙醇。欧盟、加拿大、菲律宾、墨西哥等国也在在积极进行着相关研究 [1]。
      目前，中国是继巴西、美国之后全球第三大生物燃料乙醇生产和消费国。“十一五”期间将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨。实践证明我国过去以粮食为原料生产燃料乙醇，不符合国情，探索非粮能源资源是大势所趋 [1]。全国相关研究正如火如荼进行着，呈现一派“百花齐放，百家争鸣”的景象。特别是筹建中的中国科学院青岛生物能源与过程研究所，顺应时代潮流而生，肩负历史、国家使命，是集中力量办大事的“国家队”。
      2 、中国能源战略
       随着全球变暖和化石能源消耗，人们对新型替代能源--乙醇的关注度日益上升，正成为许多国家新能源政策的重要组成部分。以此为契机，8年前中国上马了燃料乙醇项目，也意在解决过剩陈化粮问题。经过1999-2005几年间不懈努力，国家首批4家燃料乙醇定点生产企业完成了规划建设的102万吨产能，基本实现了“十五”提出的“拉动农业、保护环境、替代能源”三大战略目标。然而我国人口众多，人均耕地少，用大量粮食生产燃料乙醇必然要和人“争食”、“争土地”，造成人类生存空间越来越小，不符合我国国情。因此，2006年12月国家发改委和财政部联合下发了《关于加强生物燃料乙醇项目建设管理、促进产业健康发展的通知》要求生物燃料乙醇项目建设需经国家投资主管部门核准，未经国家核准不得增加产能 [1-5]。
        在规划实施中，国家采取国际通行做法，对燃料乙醇生产给予财政补贴和产业政策扶持。财政补贴额逐年减少，2007年每生产一吨燃料乙醇国家给予1373元补贴，到2008年底将采取弹性补贴方式以尽可能避免企业亏损 [1]。未来工作依据是国家《生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》，其总体思路是积极培育石油替代市场，促进产业发展；根据市场发育情况，扩大发展规模；确定合理布局，严格市场准入；依托主导力量，提高发展质量；稳定政策支持，加强市场监管。其基本原则有7条：因地制宜，非粮为主；能源替代，能化并举；自主创新，节能降耗；清洁生产，循环经济；合理布局，留有余地；统一规划，业主招标；政策支持，市场推动 [1]。“十一五”期间我国将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨。这一产量的制定主要取决于全国用于非粮生产的盐碱地和荒地面积 [1]。并且国家将继续实行生物燃料乙醇“定点生产、定向流通、市场开放、公平竞争”的相关政策 [1]。
      3、 燃料乙醇效益
      燃料乙醇是通过对乙醇进一步脱水，再加上适量变性剂制成。目前，中国试点推广的e10乙醇汽油是在汽油中掺入10％纯度达99.9％以上的乙醇制成 [2]。简而言之，燃料乙醇发展实现了“十五”规划中提出的“拉动农业、保护环境、替代能源”三大战略目标 [1]，不仅部分解决了汽油紧张，拉动了大宗农产品的消费，为农民增加了收入，也促进了国家可持续发展战略。乙醇燃烧值仅为汽油2/3，但其分子中含氧，抗爆性能好，取代传统mtbe为汽油抗爆、增氧添加剂，避免了其毒害性 (致癌，地下水污染)，具有优良能源、环保效益。如汽油中乙醇添加量≤l5％时，对汽车行驶性能无明显影响而尾气中温室气体含量降低30％-50％。添加10％，其辛烷值可提高2-3倍，还可清洁汽车引擎，减少机油替换使其动力性能增加 [3]。事非偶然，联合国工业发展组织就在维也纳乙醇专题讨论会上提出：“乙醇应该被当作燃料和化工原料永久的和可供选择的来源” [3]。
       4、 燃料乙醇生产原料
       一次能源必将耗竭，研究、开发可再生能源势在必行。以混配乙醇汽油 (e10乙醇汽油) 为例，每用1000万吨就可节省1o0万吨汽油，而要提炼这些汽油至少需要300万吨原油，足见乙醇的能源战略地位 [1]。
       燃料乙醇生产原料主要有玉米 (美国)、甘蔗(巴西)、薯类、谷类等。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、小麦。如巴西甘蔗能量比达到1︰8以上，玉米、小麦等粮食作物及木薯、甘薯大约是1︰1.3～1.4，产生正效益 [1]。然而以粮食为原料，势必与人“争粮”、“争地”，利用非粮资源是大势所趋。非粮资源包括木薯、甘薯、甜高梁，还有大量粮食作物秸秆，农业、工业、生活废料等纤维素、半纤维素、木素及其它可用生物有机质资源。其中，纤维素是地球上贮量最丰富的有机物，其能量来自太阳，通过植物光合作用固定下来。每年地球上由光合作用生成的植物体总量达1.5×l011 kg，40％是纤维素。按全球人口平均，每人每天可分摊到56 kg。日本就重点研究利用农、林废弃物等植物纤维素制备燃料乙醇 [3]。如我国过去以玉米为原料生产燃料乙醇，成本相对要高，不符合人多地少的国情。因此，现阶段国家对生物燃料乙醇项目建设实行核准制。“十一五”专项规划要求燃料乙醇生产走“非粮”路线。此外，欧盟、加拿大、菲律宾、墨西哥等国也正如火如荼地进行着相关研究 [1]。
      5 、燃料乙醇生产路线
      对于生物质衍生合成气制乙醇有并存、竞争的化学法、生物法两种转化技术：
   （1）生物法：纤维素、半纤维素，酸解或酶解或发酵→单糖 (五碳、六碳糖)，化学、酶催化及微生物发酵→乙醇
   （2）化学法：纤维素、半纤维素、木素及其它生物体有机物，热解→合成气 (h2, co)，化学或酶催化或微生物发酵→乙醇
      在某些方面，化学法好比西药，强烈、见效快，生物法好比中药，温和、见效慢。两种方法“各有千秋”，其制约因素是成本和高效、廉价催化剂、酶和合适微生物的开发等关键技术。总而言之，生物法具有选择性、活性好、反应条件温和等优点，但原料利用率低、反应时间长、产物浓度低及酶、微生物活性易受影响且纤维素降解和单糖转化所需酶、微生物适于不同反应条件，不能很好耦合。相比，化学法具有原料利用率高、反应时间短、催化剂构成简单、没有严格反应条件限制等优点，但为高温、高压过程，对设备要求高 [1-5]。
6 能效分析
       生物质直接燃烧热效率很低，只有10％左右，而将它们转化成气体或液体燃料 (甲烷、氢气、乙醇、丁醇、柴油等) 热效率可达30％以上，缓解了人类面临的资源、能源、环境等一系列问题 [4]。其次，乙醇燃烧值仅为汽油2/3，但分子中含氧，用作汽油添加剂抗暴性能好、低排放，可提高其辛烷值2-3倍，还能使汽车动力性能增加等 [3]。
      7 、经济分析
       目前中国试点推广的e10乙醇汽油价格按国家同期公布的90号汽油出厂价乘以价格系数0.911。90号汽油目前出厂价不到5000元/吨。由于玉米价格上涨导致生产成本增加，每销售1吨燃料乙醇要亏损数百元且在汽油多次提价之前，每吨亏损一度达到了1000多元 [2]。此外，燃料乙醇定价机制不合理，有两个“倒挂”，不能充分体现其价值：一是油价倒挂，我国原油价格和国际市场接轨，但成品油没有实现接轨；二是燃料乙醇产品价格倒挂。原本成品油价格就低，再乘以0.911所形成的价格对燃料乙醇经济性就很差。另外，以燃料乙醇取代高价mtbe，而燃料乙醇各项指标接近或优于mtbe，价格更高才合理，但并非如此，从技术上也没有充分体现其经济性。就目前生产工艺而言，燃料乙醇生产成本本来就很高再加上定价机制不合理，导致生产企业严重依赖于国家财政补贴 [1]。
       建  议
       要实现我国生物燃料规模化生产，关键要解决好资源、技术、市场、国家投资、价格和税收政策四个环节问题；在尽量不与粮食作物争地的情况下，积极开发非粮原料种植基地；努力开发自主知识产权，争取生产技术、设备国产化；延长产业链，除燃料乙醇外生产如乙酸乙酯、乙烯、环氧乙烷等化工产品。这样，实现了对资源综合利用，“吃干榨尽”，大大提高了农产品附加值，也在一定程度上减少了企业亏损。
参考文献
[1] 秦凤华. 燃料乙醇蒸蒸日上 [j]. 中国投资, 2007, 38-41.
[2] 任波. 乙醇汽油转折 [j]. 财经, 2007, 178: 100-102.
[3] 雷国光. 用纤维质原料生产燃料乙醇是我国再生能源发展的方向 [j]. 四川食品与发酵, 2007, 43 (135): 39-42.
[4] 窦克军, 孙春宝.玉米秸秆发酵生产乙醇的研究进展 [j]. 四川食品与发酵, 2007, 43 (135): 30-34.
[5] 路宽行. 乙醇燃料：打开新能源之门？[j]. 经济导报, 2007, 3013: 30-31.
research progress on biomass fuel ethanol
(qingdao institute of biomass energy and bioprocess technology (in building), china academy of sciences, qingdao, shandong, 266071, china)
he jie wan hai-jun he tao zhang wen-nan
abstract: advances of domestic and overseas biomass fuel ethanol is outlined in this paper. having evaluated its economic, energy, environmental and social benefits, thereafter its importance as a part of chinese energy strategy had been confirmed. finally, a feasible scheme for fuel ethanol production from biomass in large scale is suggested, used for reference.
key words: syngas; ethanol; cellulose; catalyst
何杰 万海军 何涛 张文楠* [] 2007-08-10