生物質合成氣制燃料乙醇的技術現狀及思考

魏銀萍

摘要：由于當前能源危機的進一步加重，開發一些能夠對化石能源進行替代的可再生清潔能源逐步成為當前發展過程中重點問題。燃料乙醇的是一種非常具有潛力的替代能源，本文主要對生物質合成氣制燃料乙醇的技術現狀進行闡述，對生物質合成氣制燃料乙醇的發展進行分析，以供參考。

關鍵詞：生物質氣化;合成氣;燃料乙醇

1生物質合成氣制燃料乙醇的技術概述

生物質能源的特點在于資源非常廣泛，而且含硫量較低，可以不斷的利用，不會導致地表的二氧化碳循環總量增加，是當前人們非常關注的一種重要技術?生物質氣化合成燃料主要是通過生物質能進行燃料合成的一種重要方式，當前新西蘭?德國?美國等相關國家，都對甲烷?甲醇?乙醇等燃料的制取進行了深入的研究，并且獲得了較大的突破?生物質合成氣制燃料乙醇技術，主要方式是把生物質能逐步進行細化，接著將其向合成氣轉變，通過化學催化的方式或者使用微生物發酵的方法進一步進行乙醇的合成?

2生物質合成氣制燃料乙醇的技術路線

2.1生物質合成氣發酵制乙醇

（1）反應原理

（2）工藝特點

控制發酵條件可以抑制醋酸的生成?當CO∶H2為1∶1時，CO生成乙醇的理論轉化率為2/3，生成CO2的轉化率為1/3?研究表明，CO是比H2更容量被微生物作用的物料，增加合成氣中CO的濃度，有利于提高乙醇的產量?控制發酵條件，增大傳質系數，可使CO和H2有較高的轉化率?據文獻報道的數據：CO的轉化率約為90%，H2的轉化率約為70%?

（3）應用情況

美國BRI公司最先開發了利用木質纖維素進行氣化發酵生產乙醇的技術，并完成了生物質氣化發電和乙醇的聯產工藝設計，于2005年末開始籌建第一個商業化運作裝置?工藝過程：生物質通過氣化爐氣化，使生物質充分熱解，并獲得CO和H2?產生的合成氣經過凈化冷卻后進入發酵罐（溫度為37～39℃），經過微生物ClostridiumljungdahliiO-52菌株的發酵，使合成氣轉化為乙醇?發酵罐中加入微生物細胞生長必須的營養物質，乙醇發酵液經過膜過濾后進入精餾塔，菌株回發酵罐循環使用以提高反應效率?發酵過程生成液中乙醇的濃度很低（2%～5%），采用共沸蒸餾和分子篩脫水可生產出燃料級乙醇?這是一個能量自給的過程，高溫合成氣冷卻時產生蒸汽和電力，未發酵的合成氣進入燃燒器和鍋爐透平系統被燒掉，可產生蒸汽和電力，產生的能量除了供給氣化和精餾過程所需的蒸汽?電力外，多余的能量還可向外提供?

2.2生物質合成氣催化制乙醇

（1）反應原理

（2）工藝特點

該反應是放熱的，在熱力學上是有利的?隨著反應溫度增加，乙醇和水濃度會下降，而CO和H2濃度會增加，所以反應適宜于在較低溫度下進行?根據不同溫度下反應Gibbs自由能變化的計算結果，CO加氫制乙醇反應在280℃以上ΔG0變成正值，因而這時只有增加壓力，反應才有可能進行?另外，雖然合成氣直接制乙醇反應在熱力學上是可行的，而實際上確是很難實現的，說明通過先形成C-C鍵再轉化成乙醇的反應是受到動力學控制的?對這樣的反應選用合適的催化劑就顯得十分重要?

該技術主要由國外公司掌握：新西蘭LanzaTeach公司掌握并申請專利了新型氣體發酵技術，可使由高爐、焦爐轉爐（吹氧轉爐）排出的含一氧化碳的廢氣轉化成低成本的乙醇和高價值的化學品，單體設備能夠形成每年50噸乙醇的生產能力[2] ;美國Coskata公司篩選出了高產菌株（一類CO營養型厭氧微生物），可實現CO轉化率達85%以上，原料可涵蓋工業廢氣、合成氣、城市垃圾、能源作物等，產品除了乙醇還可得到丙醇、丁醇、丁二醇、己醇、有機酸及脂肪酸等，單體設備可形成150m3/a的生產能力。

目前，該工藝處于中試階段，未有大規模工業化裝置投產的報道。

2.3二甲醚羰基化-加氫法制乙醇

（1）反應原理

二甲醚羰基化加氫工藝是指以甲醇和合成氣為原料，甲醇先脫水制得二甲醚，后二甲醚與CO進行羰基化反應生成乙酸甲酯，乙酸甲酯再加氫制得乙醇。反應式：。

2CH3OH→CH3OCH3+H2O（二甲醚反應）

CH3OCH3+CO→CH3COOCH3（羰基化反應）

CH3COOCH3+H2→C2H5OH+CH3OH（加氫反應）

（2）工藝特點

該工藝選擇避開了選擇貴金屬催化劑及特殊材質工藝的醋酸路線，二甲醚合成為成熟技術，關鍵步驟羰基化反應采用中科院大化所與延長石油集團共同開發的自有技術，反應條件溫和（4.0—5.0MPa，200—250℃），二甲醚單程轉化率大于50%，選擇性大于96%，不選用貴金屬催化劑，成本較低;同時，整套裝置為無酸環境，設備材質選用碳鋼，投資較小。本裝置以甲醇?合成氣為原料，經過三步主要反應制取無水乙醇，主要設備包括膜分離?PSA?TSA?合成反應器?精餾塔?壓縮機?加熱爐?制冷機等?

（3）應用情況

10萬噸/年合成氣制乙醇項目是延長石油集團投資的科技示范裝置，總投資7.43億元，占地5.42公頃，設計產能為年產10萬噸無水乙醇，裝置主要包括原料氣分離?乙醇合成與分離?壓縮?加熱爐?冷凍站?排氣及凝液回收?變配電站?機柜間?中間及成品罐區等裝置及輔助設施?該項目于2015年10月開工建設，于2017年1月11日打通全流程，產出99.71%的合格無水乙醇?

據悉，以此套裝置運行數據為基礎，陜西延長石油集團目前正在編制完成50萬噸/年乙醇工藝包，規劃建設50萬噸/年乙醇項目。同時，鑒于10萬噸/年乙醇項目一次試車成功，裝置運行穩定，陜西延長石油集團與技術方大連化物所于2017年4月成立了“延長中科（大連）能源科技股份有限公司”，旨在推廣此項技術及催化劑生產。

3生物質合成氣制燃料乙醇的思考

合成氣生產乙醇工藝采用中國科學院大連化學物理研究所和延長石油集團共同開發的具有我國自主知識產權的創新工藝路線?

該技術在世界范圍內首開先河，占據了技術制高點，堅定了我國煤基乙醇技術及工業化的國際領先地位，有效彌補石油資源不足，緩解我國燃料乙醇對糧食的依賴，為我國的能源安全和糧食安全提供有力保障，對我國供給側結構性改革以及新興戰略產業具有重大戰略意義?

對推進生物質合成氣制乙醇技術進行分析，可以發現，通過生物質氣化的方式進行合成氣制備的過程中，可以在后續工藝操作的過程中產生醇?醚以及烴內燃料，在使用的過程中主要是非糧作物，也就是生物能源進行使用的一種重要方式，具有很強的社會性?經濟性，可以讓傳統化石能源的危機得到有效的緩解，在發展的過程中具有較好的應用前景?

結束語

我國的煤炭資源非常豐富，利用煤氣化生產合成氣，再進行燃料乙醇的生產，與當前我國的國情相吻合，所以一定要積極加強技術交流和合作，讓合成氣制燃料乙醇的技術進一步發展?

參考文獻：

[1] SongAD，FengXJ，HuiX，.Biomass-derive dSyng asFermenta tionintoFuelEthanol：Researc hProgres s[J].Food&Fermentatio nIndustries，2011，37（6）：130-136.

[2] 李東，袁振宏，王忠銘，等.生物質合成氣發酵生產乙醇技術的研究進展[J].可再生能源，2006（2）：57-61.

[3] 王風芹，張炎達，謝慧，etal.生物質氣化氣發酵生產乙醇優良菌株的篩選[J].農業工程學報，2015，31（7）：221-226.

（作者單位：陜西興化集團有限責任公司）