天然气化工之燃料乙醇简析
一、概述
乙醇是一种清洁的可再生能源，其密度与汽油相近，常温常压下呈液态。燃料乙醇是体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇,优点是辛烷值高、抗爆性能好，可减少矿物燃料对大气的污染，属于可再生能源；缺点是热值低、容易腐蚀金属。燃料乙醇可以作为新的燃料替代品，减少对石油的消耗；也可以作为添加剂，按一定比例加入到汽油中，形成乙醇汽油，乙醇可以帮助汽油完全燃烧，替代传统汽油添加剂，减少对环境的污染
燃料乙醇由生产原料的不同可以分为煤油基乙醇和生物基乙醇，煤油基乙醇是通过化工手段从煤炭、石油或天然气中提取所得，生物基乙醇是通过加工、处理自然界中存在的生物产品获得。
据上市公司兴化股份表示，燃料乙醇行业实行严格的行业准入制度，实行定点生产、定向销售、封闭流通、政府定价等规定。目前燃料乙醇以生物质乙醇为主，国家尚未明确出台关于相关煤基乙醇是否进入燃料乙醇使用的产业政策。另据兴化介绍，今年两会期间，兴化大股东延长石油的兰建文董事长已经提议，将兴化榆林500万吨/年煤基清洁燃料技术升级示范项目列入国家中长期规划；同意煤基乙醇作为特种燃料，修订变性燃料乙醇国家标准，允许煤基乙醇作为车用乙醇汽油的添加成分进入市场。
不过，当前我国乙醇汽油基本以生物基燃料乙醇为主。
二、行业政策
近十年来，我国相继出台了一系列关于燃料乙醇产业发展的政策，为燃料乙醇的发展起到引导作用。
2017年9月，国家发展改革委、国家能源局等十五部委下发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》，明确了扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油工作的重要意义，提出到2020年基本实现乙醇汽油全覆盖。
2018年8月，我国国务院确定了全国生物燃料乙醇产业总体布局方案，指出适量利用酒精闲置产能，适度布局粮食燃料乙醇生产，加快建设木薯燃料乙醇项目，开展秸秆、钢铁工业尾气等制燃料乙醇产业化示范。
2021年12月，在工信部等部门印发的《“十四五”工业绿色发展规划》《“十四五”原材料工业发展规划》中，均指出推广含一氧化碳工业尾气生物发酵制乙醇等低碳技术。
2022年2月，国家发改委、工信部等4个部门联合发布《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》，其中铁合金行业要逐步推广冶金工业尾气制燃料乙醇、饲料蛋白技术，有序推动改造升级。
不过，目前以玉米为原料的生物基燃料乙醇属于国家严格控制范围，在2022年2月中共中央国务院颁布的《中共中央国务院关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》中，就提到了这一点。为了响应国家号召，各省市积极推动燃料行业的发展，比如黑龙江省发布的《黑龙江省“十四五”生物经济发展规划》建设国家生物质液体燃料示范基地。推动鸡东国投、巴彦鸿展等燃料乙醇生产企业达产达效，稳妥推进北安、富锦等燃料乙醇项目建设，提高燃料乙醇保障供给能力。加快海伦国投生物纤维素燃料乙醇示范项目建设，为国内纤维素燃料乙醇项目建设提供可借鉴、可复制经验，增加非粮燃料乙醇供给水平，打造全国最大的燃料乙醇生产基地。发展生物液体燃料新产品，鼓励利用废弃油脂资源和非食用油料资源生产生物柴油。
国内非生物质燃料乙醇发展开始起量。
三、生产工艺
燃料乙醇按照原料来源不同，可分为生物基、纤维素及煤基三种。生物基燃料乙醇生产原料主要还是玉米、稻米等粮作物和木薯等非粮作物，且技术成熟，处于世界前列；纤维素生产原料占比较少，相关产能建设开始起量；煤质乙醇处于规划建设阶段。
1.生物发酵法
生物基燃料乙醇一共有三代制备方法，1代粮作物提取法、2代纤维素法及3代微藻，还有被业界称作1.5代的非粮作物提取法。
1代燃料乙醇原料主要是玉米、小麦、稻米等粮作物，为国家发展需要，经过工艺改良，后有了以木薯、甜高粱等非粮作物为原料的1.5代燃料乙醇；2代燃料乙醇主要原料是废弃的玉米秸秆、干草、树叶和其他类型的植物纤维材料，2代纤维素乙醇由于其优异的环境效益受到国家政策和酒精产业界的青睐；3代燃料乙醇以微藻中含有的淀粉、纤维素、半纤维素等大量碳水化合物为原料，微藻乙醇目前还处于研发阶段，各项技术瓶颈逐步攻克中，还未达到工业化生产水平。
目前，第1.5代燃料乙醇生产技术相对成熟，已经实现了工业化生产，国内有广西中粮生物质能源有限公司建设的20万吨/年木薯燃料乙醇项目和国投广东生物能源有限公司建设有年产30万吨木薯燃料乙醇项目。
第2代燃料乙醇生产技术以木质纤维素类生物质为原料，如甘蔗渣、秸秆等农业废弃物，通过预处理、酶解糖化、发酵及产物分离等工艺制成，具有原料丰富、来源广泛、价格低廉的优势，但是纤维素酶和预处理的成本较高。研究表明，预处理和酶水解中采用高浓度的聚乙二醇是提高纤维素乙醇含量的一个方法，通过添加150g/L的聚乙二醇，可以使玉米芯的还原糖产量提高30.1%，经糖化发酵的乙醇产量提高44.7%。目前，纤维素生产乙醇的部分关键技术已经取得突破，但还没有完全实现商业化应用。国内目前开展纤维素燃料乙醇中试装置的企业有中粮科技、河南天冠、河北易高生物燃料有限公司等。
第3代燃料乙醇生产以藻类为原料，如海藻、褐藻和微藻，具有可再生、无污染、不占用耕地的优点。以藻类为原料生产乙醇主要分两种方式，一是通过预处理、水解糖化、发酵及产物分离等工艺，与纤维素制乙醇工艺类似，刘思路（以微囊藻为原料制备生物乙醇的试验研究
目前，该项技术生产乙醇仍处于实验室阶段。
2.化学合成法
（1）乙烯直接水化法应用较早，工艺成熟，但由于原料成本和产品售价长期倒挂，没有竞争力，目前我国只有中石油吉林石化公司一家采用该生产路线，但处于停产状态。
（2）醋酸直接加氢和醋酸酯加氢制乙醇工艺是现在发展迅速的新工艺路线，已经实现工业化生产的有美国塞拉尼斯、大连化物所-索普集团、昊华骏化集团，此外凯凌化工、冀东溶剂有副产乙醇的生产装置。近年来，我国中科院大连化物所和陕西延长集团联合开发了甲醇／合成气经二甲醚羰基化制乙醇的工艺路线，已在陕西兴平建设了10万t／a的示范装置。
（3）DMTE技术是由甲醇生产二甲醚，二甲醚与一氧化碳经羰基化反应生成醋酸甲酯，再经加氢生产无水乙醇。该过程无醋酸产生，对设备材质要求较低，装置投资低，同时不需要贵金属催化剂，运营成本低，具有较强的经济竞争力，被国内多家企业看好。
据I nengyuan记者王高峰介绍，DMTE工艺技术主要有三个应用领域，一是以煤炭为原料，通过气化、变换、净化制备合成气，一部分制甲醇，一部分分离出氢气和一氧化碳，再以上述三者为原料生产乙醇；二是利用钢铁行业的焦炉气、转炉气和高炉气为原料，通过提取一氧化碳和氢气制取乙醇；第三种是现有的甲醇装置和二甲醚装置通过改造后转产乙醇。
原则上，只要有一氧化碳和氢气都可以通过此新工艺生产乙醇，把工业尾气中的有效组分分离出来，用于制备乙醇，对于减少二氧化碳排放，实现碳中和。
3.粉煤气化
（1）甲醇联产
隆盛化工、晋煤集团化工研究院的潘玉琴、楚可加等在《煤制甲醇企业联产燃料乙醇技术路线选择》中，介绍了该技术路线。该技术在于微生物发酵法具有常温低压且不需要催化剂的条件下，可以高选择(＞98%)、高转化率(＞95%)一步完成乙醇的合成。粉煤加压气化粗煤气体积组成为高CO(＞64%)和适中H2(＞20%)，比较适合微生物发酵法制燃料乙醇，对甲醇改产或联产乙醇具有较好的耦合性。该技术具有反应条件温和、原料来源广泛、转化率高及降碳效果显著等特点，有望成为燃料乙醇来源的主流。
目前，在国内推广的三家合成气微生物发酵法制燃料乙醇技术对原料气要求有所不同:塞纳达生物技术更适合甲醇合成气H2/CO体积比2;郎泽和巨鹏技术更适合低H2高CO体积组成的合成气。对于塞纳达技术联产乙醇，仅需在低温甲醇洗后抽取复热的部分合成气进行减压，输送至生物发酵装置即可实现联产乙醇，只需在减压装置上改造投资，无需做大的改造；对于朗泽和巨鹏技术联产乙醇，主要是将变换前部分煤气经回收热量后进入新设甲醇洗涤塔进行净化，经复热减压送往微生物发酵装置进行乙醇的生产，富氢乙醇尾气返回甲醇合成单元生产甲醇。
（2）合成气/工业尾气发酵
首钢朗泽研究了钢铁工业煤气生物发酵法制燃料乙醇技术的示范应用，该方法将厌氧菌通过Wood-Ljungdahl途径将合成气或工业尾气中的CO、CO2、H2等气体转化为乙醇、乙酸、BDO等代谢产物，同时通过菌体个体的分裂实现菌体自身的不断增殖，能够实现工业尾气的综合利用，所需菌种如下所示，
合成气法具有反应条件温和、反应效率高、副产物少等优势，CO利用率达到85%以上，发酵乙醇浓度达到50g/L，相比燃烧发电对工业尾气实现更高经济价值的利用，现已实现工业化生产。
已投产案例方面，2018年，首钢朗泽在河北建成了全球首套4.5万吨/年钢铁工业尾气发酵法制燃料乙醇的生产线，产出的燃料乙醇已进入中石油、中石化乙醇汽油流通体系。项目同时副产乙醇梭菌蛋白5000吨，粗蛋白含量在80%以上，该蛋白作为一种优质的饲料蛋白原料于2021年获农业农村部颁发的中国首张新饲料产品证书。
2021年5月，首钢朗泽全球首套4.5万吨/年铁合金工业尾气生产燃料乙醇工业化装置在宁夏平罗县成功投产，跨领域应用取得成功。目前在贵州、宁夏开启大规模项目建设，燃料乙醇总产能达到21万吨，蛋白产能达到2.3万吨。
开展工业尾气制燃料乙醇产业化应用的还有巨鹏生物、美国塞纳达生物等公司。巨鹏生物与山西潞安煤基合成油有限公司等合作成立了山西拜奥埃森纳新能源有限公司，2018年开始建设利用工业废气生物发酵法生产20万吨/年燃料乙醇项目，一期建设项目2万吨/年，目前仍在建设中。美国塞纳达生物2011年发现乙醇生产菌株，可以实现CO和H2微生物发酵制乙醇，2014年在美国宾夕法尼亚州建立中试工厂，2019年与晋煤集团签署燃料乙醇战略合作协议，拟开展5万吨/年的工业示范，截至目前项目尚未启动。
四、成本及经济对比
1.经济性对比
（1）我国乙醇生产方法以生物发酵法和化学合成法为主，玉米发酵法和木薯发酵法是最主流的生产方法，占比分别为61%和26%，此外还有以蜜糖、小麦、水稻、甜高粱和纤维素为原料的生产企业，占比较少，约8%。化学合成主要是以醋酸或醋酸酯类为原料的直接加氢合成或间接加氢合成法，近几年有几个项目陆续投产，占比约5%。石油和化学工业规划院的杨铮对这两种生产方法进行对比分析。杨铮的价格假设基础为：未来煤炭价格为400元／t、玉米价格1,750元／t，燃料乙醇价格跟随玉米价格波动预计为5,600元／t。
玉米法和煤法的完全生产成本分别为4,640元／t和3,260元／t，吨产品分别盈利960元／t和2,340元／t，煤制乙醇法成本较低，盈利空间更大，有利于抵抗价格较大幅度下跌。但是，煤法由于投资强度高，吨产品投资1.4万元／t醇远高于玉米发酵法的0.5万元／t醇，从投资回报角度看玉米发酵法盈利性更强。
此外，木薯发酵法由于副产物价值较低，成本比其他两种高1,000~3,000元／t，不具备竞争力。
（2）甲醇联产法的经济性测算如下：
甲醇生产成本(行业平均值):原料气(CO+H2)2,200m3/t×0.7元/m3=1,540元/t，电450(kW·h)/t×0.5元/(kW·h)=225元/t，催化剂均摊10元/t，蒸汽消耗计为100元/t，动力煤消耗0.6t，0.6t/t×500元/t=300元/t。甲醇生产直接成本=1,540元/t+225元/t+10元/t+100元/t+300元/t=2175元/t，近年平均售价2,500元/t，单位有效气增值0.15元/t;
燃料乙醇生产成本(塞纳达5万t/a可研数据):原料气(CO+H2)3,250m3/t×0.7元/m3=2,275元/t，电550(kW·h)/t×0.5元/(kW·h)=275元/t，蒸汽1.65t/t×100元/t=165元/t，微生物营养品138元/t。燃料乙醇生产直接成本=2275元/t+275元/t+165元/t+138元/t=2,853元/t，过去五年全国汽油和燃料乙醇历史平均价格分析，燃料乙醇平均价格约为6,000元/t，有效气增值0.97元/t，有效气比甲醇增值0.82元/t。
2.成本耗用
各工艺路线采用原料生产燃料乙醇的消耗量不同，具体来看，1吨燃料乙醇所需木薯干约2.8-3吨，玉米约3-3.2吨，木材约7.14吨，糠醛渣约20吨，麦草约13.8吨。
由于纤维素转化成糖需要较高的温度和较长的时间，所以纤维素制酒精耗能高于淀粉料糖化，此外，发酵成熟醪淀粉质原料含酒精7%-9%，最高可达12%以上，而水解液中含糖低，发酵成熟醪中酒精含量仅1.5%-2%，其蒸馏过程所耗蒸汽相对较多。
因此，从能耗角度来看，淀粉质原料制取酒精更具优势。但是，根据我国现有淀粉质原料的库存情况，纤维素原料更为充足，则如何提升生产技术，降低纤维素乙醇能耗及成本仍是我国燃料乙醇行业长远发展的必然趋势。
对于合成气制乙醇方面的成本细分，暂未查到详细数据。
五、下游应用
在下游应用方面，现阶段我国燃料乙醇主要是按照一定的比例作为添加剂加入汽油内形成乙醇汽油应用于各种汽油动力机械。因此，对汽油的需求量完全决定了未来燃料乙醇的市场发展潜力。
我国推广使用的车用乙醇汽油有两种，一种是E10车用乙醇汽油（加入10%体积分数变性燃料乙醇），一种是E85车用乙醇汽油（加入65%~85%体积分数变性燃料乙醇），分别按照国家标准《GB18351-2017车用乙醇汽油（E10）》和《GB35793-2018车用乙醇汽油E85》执行，原料按照国家标准《GB18350-2013变性燃料乙醇》和《GB22030-2017车用乙醇汽油调合组分油》执行。
目前我国普遍使用的都是E10乙醇汽油，现有车辆和加油装置不需任何改装就可以使用，油耗、动力基本不受影响，分为89号、92号、95号和98号四个牌号。而E85乙醇汽油需要专用点燃式内燃机，于2018年9月1日才开始实行，国内市场上还没有可以使用的专用汽车。
乙醇汽油最主要的优点是其环保性，乙醇含氧量高达35%，添加乙醇后可以使汽油燃料燃烧更加充分。根据国家汽车研究中心试验结果，使用车用乙醇汽油，在不进行发动机改造的前提下，动力性能基本不变，尾气排放的CO和CH化合物平均减少30%以上。联合国可持续能源倡议小组分析报告指出，燃料乙醇汽油与纯汽油相比减排超过50%。乙醇汽油的主要缺点有燃烧热值低、汽车低温启动和低温运行性能差、易产生气阻和腐蚀、乙醇汽油易分层。
另据有关媒体报道，当前，我国必须使用乙醇汽油的省份是辽宁、吉林、黑龙江、河南、安徽以及广西6省，另外并不强制要求使用乙醇汽油、两种汽油同时存在的的地区还包括山东、江苏、湖北、河北及天津等。乙醇汽油的优点是比较环保，跟普通汽油相比排放出来的汽车尾气污染性更小，但是也有一些车主不太愿意使用乙醇汽油，这主要是因为乙醇汽油有一个很大的弊端，那就是在动力上可能会存在不足的问题。
六．行业供需
产能方面，据卓创资讯统计，2022年中国燃料乙醇行业产能为624.5万吨，较2021年产能增长60万吨，产能增长率10.56％，较近五年产能复合增长率11.96％。与此同时，2022年我国新增燃料乙醇产能全部位于东北区域，主要依托当地丰富的玉米资源，均为国产工艺，国产设备。伴随行业竞争显现加剧态势，燃料乙醇行业传统发酵工艺扩能放缓，煤基乙醇部分产能进入燃料乙醇行业概率增加。
值得注意的是，国内煤质乙醇的产能开始进入到规划阶段，当前总产能预计约350万吨。
我国主要燃料乙醇生产企业产能统计如下：
产量方面，2022年燃料乙醇的产量同比减少10%左右，约为257.26万吨。产能利用率方面，我国燃料乙醇行业平均产能利用率约为45%。分地区来看，东北地区生产装置开工率能达到65%以上，而华东地区的开工率仅在30%左右。
有媒体分析，我国燃料乙醇产量的减少，主要是因为加工企业利润的亏损。我国产燃料乙醇的原料中，约80%以上是谷物，10%是木薯或者甘蔗。以中粮科技为例，2022年，其原材料成本占燃料乙醇营业成本的87.61%。
同时，燃料乙醇的定价方式为零售汽油价格的91.1%，虽然2022年燃料乙醇价格随汽油价格上涨，但因作为原料的玉米价格在年中涨幅超过50%，导致企业亏损从每吨590元上升至720元，从而不得不选择其他替代的谷物作为原料，导致部分企业停产。
消费量方面，2022年我国燃料乙醇的消费量约300-350万吨，其中自产250-300万吨左右，进口约60万吨。
市场增量方面，援引中经数据，2022年，我国汽油消费量约为1.45亿吨。基于此，若全国范围内普及使用乙醇汽油（E10），使得燃料乙醇的渗透率达到70%，国内需求量达到约1,000万t/年，是当前实际消费量的4倍～6倍，市场存在较大潜在成长空间。
七、发展展望
目前国内燃料乙醇生产主要是以玉米、小麦为原料的第1代技术和以木薯、甘蔗等为原料的第1.5代技术，均存在“与人争粮、与粮争地”的问题，在我国严格控制18亿亩耕地红线的情况下很难大规模发展，难以满足我国庞大的燃料市场需求。以纤维素为代表的第2代燃料乙醇技术受限于高成本因素，目前仍主要停留在中试规模，尚不具备大规模的工业化应用。第3代以藻类为原料的乙醇生产技术还处于实验室阶段，距离工业化应用遥遥无期。以富含CO、H2的合成气为原料生产燃料乙醇具有原料充足、来源广泛的优势，适合拥有合成气资源的企业重点发展。另一方面，在我国提出2030年碳达峰、2060年实现碳中和的时代背景下，工业尾气发酵制燃料乙醇成为我国建设节能降碳、安全高效的能源体系的一部分，作为一个潜力巨大的产业越来越受到关注。
我方前期调研机构昊华集团表示，天然气制乙醇的纯度（99.5%）较生物质乙醇的纯度（95%）要高，杂质少，昊华制备乙醇的新工艺，加O2后可降低成本至4,500元/吨。目前乙醇产线建设周期在16个月左右，算上立项、报批、环评、安评等前期准备事项，全周期在2.5年左右。一般乙醇项目的应急、安全等需要省上评估审批，其余事项由项目地市审批。