1.石化和煤化工新機(jī)會(huì)

2.石油和天然氣產(chǎn)業(yè)鏈

3.電力市場(chǎng)改革前瞻

4.未來(lái)能源技術(shù)天地（籌備中，側(cè)重一切新的能源形式和想象）

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正文：

近年來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，尤其是新興經(jīng)濟(jì)體的快速發(fā)展，世界能源消耗量大幅增加，面對(duì)煤炭、石油等能源資源日益枯竭，環(huán)境污染日益嚴(yán)重以及溫室氣體大量排放而導(dǎo)致的全球氣候變暖，使得能源供應(yīng)及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國(guó)需要面對(duì)的最主要問題之一。燃料乙醇一般是指體積濃度達(dá)到99.5%以上的無(wú)水乙醇，是良好的辛烷值調(diào)和組分和汽油增氧劑，燃燒乙醇汽油能夠有效減少尾氣中的PM2.5和CO[1]，其作為可再生液體燃料的代表之一，可補(bǔ)充化石燃料資源，降低石油資源對(duì)外依存度，減少溫室氣體和污染物排放，近年來(lái)受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。自巴西、美國(guó)率先于20世紀(jì)70年代中期大力推行燃料乙醇政策以來(lái)，加拿大、法國(guó)、西班牙、瑞典等國(guó)紛紛效仿，目前以甘蔗、玉米為原料第1代燃料乙醇產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成規(guī)模，燃料乙醇已經(jīng)成為世界消費(fèi)量最大的生物燃料。

一、世界燃料乙醇發(fā)展概況

2011年世界生物燃料總產(chǎn)量為9095萬(wàn)噸，其中燃料乙醇產(chǎn)量為6680萬(wàn)噸。

1.1  美國(guó)

美國(guó)是目前世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)，2011年總產(chǎn)能為4454萬(wàn)噸/年（149億加侖/年），實(shí)際產(chǎn)量約為4153萬(wàn)噸（139億加侖），較2010年（3944萬(wàn)噸）增加了5.3%，占世界燃料乙醇總產(chǎn)量的62.2%。美國(guó)共有燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)209家，絕大多數(shù)以玉米為原料。

美國(guó)通過(guò)法令的形式，強(qiáng)制規(guī)定了燃料乙醇的使用量。2005年通過(guò)的可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)（RFS）能源政策法案（EPAct）規(guī)定到2012年生物燃料使用量要達(dá)到75億加侖。2007年美國(guó)能源獨(dú)立與安全法案（EISA）中對(duì)RFS進(jìn)行了修訂，建立了RFS2計(jì)劃，對(duì)每年運(yùn)輸用的纖維素生物燃料、生物柴油和先進(jìn)生物燃料的使用量進(jìn)行了規(guī)定，要求到2022年生物燃料的總使用量要達(dá)到360億加侖（235萬(wàn)桶/日），其中纖維素生物燃料的使用量要達(dá)到160億加侖。目前美國(guó)市場(chǎng)上同時(shí)銷售不含乙醇的汽油、E10和E15汽油。E10已經(jīng)在美國(guó)得到廣泛應(yīng)用，使用比例達(dá)到95%，銷售商將辛烷值為83.5～83.7的汽油與乙醇（體積分?jǐn)?shù)占10%）調(diào)和得到辛烷值為87的乙醇汽油；E15則適用于2001年以后生產(chǎn)的車輛。從2000～2011年美國(guó)燃料乙醇的實(shí)際使用情況看，符合RFS2的要求。2012年美國(guó)受高溫干旱的影響，玉米價(jià)格上漲影響了美國(guó)燃料乙醇的生產(chǎn)，燃料乙醇產(chǎn)量較2011年下降4.6%。

表2 美國(guó)非糧燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)

1.2 巴西

巴西是第二大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)，以甘蔗為主要原料，約有50%的甘蔗用于生產(chǎn)燃料乙醇，燃料乙醇供應(yīng)了其國(guó)內(nèi)輕型乘用車38%的燃料需求。2011年受甘蔗減產(chǎn)的影響，燃料乙醇減產(chǎn)，總產(chǎn)量為1665.2萬(wàn)噸，占世界總產(chǎn)量的25%，較2010年下降了19.5%。巴西銷售燃料乙醇的方式有兩種：含水乙醇和無(wú)水乙醇。含水乙醇用于純乙醇燃料汽車，而無(wú)水乙醇則用于與汽油調(diào)和，巴西銷售的汽油中均含有20%～25%的乙醇。巴西燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的成功得益于其靈活燃料汽車（FFV）的推廣，目前銷售的汽車中90%為FFV，其燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)大多都與蔗糖生產(chǎn)相結(jié)合，共有350座燃料乙醇生產(chǎn)廠，約有80%位于巴西圣保羅州，另有20%位于巴西北部地區(qū)。其中273座工廠可同時(shí)生產(chǎn)糖和乙醇，生產(chǎn)燃料乙醇的工廠僅有77座。

1.3 德國(guó)

近年來(lái)，德國(guó)十分重視燃料乙醇的使用，2010年德國(guó)共有13家燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)，總產(chǎn)能100萬(wàn)噸/年，2010年總產(chǎn)量60萬(wàn)噸，但消費(fèi)總量達(dá)到102萬(wàn)噸，因此需從荷蘭、比利時(shí)、法國(guó)和波蘭進(jìn)口燃料乙醇。預(yù)計(jì)到2020年，德國(guó)燃料乙醇的消費(fèi)量將達(dá)到156萬(wàn)噸。德國(guó)乙醇的銷售方式有3種：直接與汽油調(diào)和銷售，以乙基叔丁基醚（ETBE）與汽油調(diào)后銷售，以E85銷售。2010年這3種方式分別銷售85.9萬(wàn)噸、14.9萬(wàn)噸和1.3萬(wàn)噸。

1.4 日本

日本交通部門的石油對(duì)外依存度接近于100%，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省2006年發(fā)布了“國(guó)家新能源戰(zhàn)略”，計(jì)劃到2030年將石油的對(duì)外依存度降低80%，到2020年要實(shí)現(xiàn)可再生燃料替代3%的汽油消費(fèi)量的目標(biāo)。燃料乙醇是日本國(guó)內(nèi)最主要的可再生燃料種類之一，根據(jù)日本“揮發(fā)油類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”的要求，汽油中需要摻調(diào)3%的燃料乙醇，采用直接與汽油摻混或以ETBE與汽油摻混的方式使用，其燃料乙醇消費(fèi)總量的97%從海外進(jìn)口。目前日本國(guó)內(nèi)燃料乙醇總產(chǎn)能約為3萬(wàn)噸/年，主要以糧食、甜菜為原料，也有一些纖維素乙醇示范裝置。

2. 燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展

目前，燃料乙醇的生產(chǎn)方法主要分為化學(xué)合成法和生物法?；瘜W(xué)合成法包括乙烯路線和合成氣路線，生物法分為生物化學(xué)法和熱化學(xué)法。

2.1 化學(xué)合成制乙醇

乙烯水合法分為間接水合法和直接水合法。間接水合法由美國(guó)聯(lián)碳公司開發(fā)，反應(yīng)分兩步進(jìn)行，先將乙烯在一定溫度、壓力條件下通入濃硫酸中，生成硫酸酯，再將硫酸酯在水解塔中加熱水解而得乙醇，同時(shí)有副產(chǎn)物乙醚生成。間接水合法設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，生產(chǎn)流程長(zhǎng)，已被直接水合法取代。直接水合法由殼牌公司最先開發(fā)應(yīng)用，該工藝是在一定條件下，乙烯通過(guò)固體酸催化劑直接與水反應(yīng)生成乙醇，工業(yè)上采用負(fù)載于硅藻土上的磷酸催化劑。乙烯水合法缺乏經(jīng)濟(jì)性，已經(jīng)很少應(yīng)用。

合成氣化學(xué)法合成乙醇已經(jīng)具有很長(zhǎng)的歷史，1920年就已經(jīng)出現(xiàn)了利用化學(xué)催化的方法利用CO（一氧化碳）和H2（氫氣）合成乙醇的方法。制備合成氣是該過(guò)程的重要步驟之一，合成氣可來(lái)源于天然氣轉(zhuǎn)化、煤氣化或生物質(zhì)氣化裝置，也可以來(lái)自鋼廠廢氣，城市生活垃圾也可以經(jīng)氣化制備合成氣，城市垃圾中有機(jī)物占25%～30%，是可再生資源的一種，每燃燒5噸垃圾可獲得相當(dāng)1噸標(biāo)煤的熱量。

目前普遍研究的合成氣化學(xué)法生產(chǎn)乙醇有2種方法，一種是甲醇羰基化，美國(guó)聯(lián)碳公司利用Co(OAc)-12催化劑，甲醇與合成氣反應(yīng)制取乙醇，獲得了較高的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品選擇性；殼牌公司用甲醇和合成氣在CoI2、CoBr2的催化作用下反應(yīng)，甲醇轉(zhuǎn)化率可達(dá)51.1%，乙醇選擇性63.8%。另一種方法是合成氣在催化劑的作用下直接合成乙醇，美國(guó)聯(lián)碳公司開發(fā)的Rh系催化劑、德國(guó)Hoechst公司開發(fā)的Rh-Mg系催化劑和法國(guó)IFP開發(fā)的Co-Cu-Cr-堿系催化劑[26]，都取得了一定進(jìn)展。雖然國(guó)內(nèi)外已在該領(lǐng)域開展了大量研究工作，但在目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率和收率方面還有待進(jìn)一步提高，因此該方法目前尚未得到工業(yè)應(yīng)用。

美國(guó)塞拉尼斯公司基于其甲醇羰基合成乙酸工藝，開發(fā)了TCX乙醇生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)使用合成氣和氫氣為原料，在合成乙酸后，乙酸和氫氣在鉑/錫催化劑的作用下發(fā)生加氫反應(yīng)制備乙醇，具有生產(chǎn)成本低、占地面積小和裝置規(guī)模大（110萬(wàn)噸/年）等特點(diǎn)，其全生命周期水耗比傳統(tǒng)生物燃料水耗要低。該工藝與生物質(zhì)氣化技術(shù)結(jié)合可低成本生產(chǎn)生物燃料乙醇。2012年4月，塞拉尼斯公司獲準(zhǔn)在南京建設(shè)27.5萬(wàn)噸/年工業(yè)乙醇項(xiàng)目，該公司同時(shí)計(jì)劃在珠海、內(nèi)蒙古、美國(guó)德克薩斯州和印度尼西亞建設(shè)乙醇生產(chǎn)裝置。加拿大Enerkem公司開發(fā)了以城市垃圾為原料，經(jīng)氣化、合成氣凈化、甲醇羰基化生產(chǎn)乙醇的成套技術(shù)，該工藝每10噸垃圾可生產(chǎn)3噸乙醇。Enerkem公司在加拿大的魁北克已經(jīng)建成一座130萬(wàn)加侖/年的工業(yè)示范裝置，目前與GreenField乙醇公司合作在加拿大埃德蒙頓建設(shè)其10萬(wàn)加侖/年的商業(yè)生產(chǎn)裝置，并計(jì)劃在美國(guó)Pontotoc和加拿大Varennes另建2座10萬(wàn)加侖/年的生產(chǎn)裝置。

2.2 生物發(fā)酵制燃料乙醇

生物發(fā)酵制燃料乙醇分為生化法和合成氣發(fā)酵兩種，生化法是目前制取燃料乙醇的最主要方法，近十年以糧食和甘蔗為原料的第1代燃料乙醇產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。玉米燃料乙醇的生產(chǎn)過(guò)程包括預(yù)處理、脫胚制漿、液化、糖化、發(fā)酵和乙醇蒸餾步驟。早期的糧食乙醇生產(chǎn)工藝存在能耗高、反應(yīng)速度慢和原料利用率低的缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)改進(jìn)，糧食乙醇的效率已經(jīng)得到很大提高。目前美國(guó)大部分乙醇企業(yè)的淀粉轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到90%～95%，生產(chǎn)1億加侖燃料乙醇，需要90萬(wàn)噸玉米，可同時(shí)副產(chǎn)30萬(wàn)噸動(dòng)物飼料和8500噸玉米油。糧食乙醇的酶制劑的成本也經(jīng)歷了從高到低的下降過(guò)程，酶制劑在成本中所占比例從30%～40%下降到了5%～10%。諾維信公司（Novozymes）在2012年推出了Avantec液化酶，在相同的工藝條件下，可提高乙醇產(chǎn)率2.5%，每生產(chǎn)1億加侖燃料乙醇可減少糧食消耗2.25萬(wàn)噸。以甜高粱莖稈和木薯等非糧作物為原料的1.5代燃料乙醇，主要是利用作物中的糖類物質(zhì)，采用生化工藝，通過(guò)糖發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。

目前以纖維素和其它廢棄物為原料的第2代燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)主要有生化法和熱化學(xué)法。纖維素生物發(fā)酵制燃料乙醇的技術(shù)路線包括預(yù)處理、纖維素水解和單糖發(fā)酵3個(gè)關(guān)鍵步驟。預(yù)處理方法分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法，目的是分離纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，增加纖維素與酶的接觸面積，提高酶解效率。物理方法包括機(jī)械粉碎、蒸汽爆碎、微波輻射和超聲波預(yù)處理；化學(xué)法一般采用酸、堿、次氯酸鈉、臭氧等試劑進(jìn)行預(yù)處理，其中以NaOH和稀酸預(yù)處理研究較多；物理化學(xué)法包括蒸汽爆破和氨纖維爆破法；生物法是用白腐菌產(chǎn)生的酶類分解木質(zhì)素。這些預(yù)處理方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，今后的主要研究方向是繼續(xù)探索反應(yīng)條件溫和、無(wú)有毒副產(chǎn)物和糖化效率高的預(yù)處理技術(shù)。

纖維素酶成本較高的問題長(zhǎng)期以來(lái)一直是阻礙纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙。20世紀(jì)90年代，每加侖纖維素乙醇的酶成本約為5美元。為了降低酶費(fèi)用，美國(guó)能源局為Novozymes公司和Genencor公司提供資金研究纖維素糖化酶，2012年Novozymes推出酶制劑產(chǎn)品Cellic CTec3，比其推出的上一代商業(yè)酶CTec2轉(zhuǎn)化效率提高了50%，并且提高了溫度和酸堿度的適應(yīng)范圍，降低了纖維素乙醇的生產(chǎn)成本（由2.5美元/加侖降至2美元/加侖）。Genencor公司在2011年推出最新一代的纖維素復(fù)合酶Accellerase? TRIO[42]產(chǎn)品，該酶同時(shí)含有外切葡聚糖酶，在Accellerse DUET基礎(chǔ)上，提高了處理高濃度底物的能力，酶用量可減少一半，最佳工作條件為pH值4.0～6.0，溫度40～57℃，可于SSCF發(fā)酵工藝。丹麥DSM公司也推出了商業(yè)應(yīng)用的纖維素水解酶，為Inbicon纖維素乙醇生產(chǎn)裝置提供酶產(chǎn)品。

表3 Genencor公司發(fā)布的用于燃料乙醇生產(chǎn)的纖維素酶產(chǎn)品

纖維素乙醇生產(chǎn)工藝主要分為4種，包括分步水解與發(fā)酵工藝（SHF）、同步糖化發(fā)酵工藝（SSF）、同步糖化共發(fā)酵（SSCF）和直接微生物轉(zhuǎn)化工藝（DMC）[17，46]。其中SHF工藝是最先開發(fā)和應(yīng)用最廣的纖維素乙醇技術(shù)，即纖維質(zhì)原料首先利用纖維素酶水解后，再進(jìn)行C5、C6糖發(fā)酵，可分別發(fā)酵，也可利用C5、C6共發(fā)酵菌株生產(chǎn)乙醇，該方法的缺點(diǎn)是隨著酶水解產(chǎn)物的積累，會(huì)抑制水解反應(yīng)完全。目前絕大多數(shù)商業(yè)裝置都采用SHF工藝，如加拿大Iogen、杜邦DDCE等。同步糖化發(fā)酵工藝（SSF）是將纖維素酶解與葡萄糖乙醇發(fā)酵整合在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，酶解過(guò)程中產(chǎn)生的葡萄糖被微生物迅速利用，消除了糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制作用。Abengoa Bioenergy在其330噸/年的中試裝置上采用了SSF技術(shù)。同步糖化和共發(fā)酵工藝（SSCF）利用C5糖和C6糖共發(fā)酵菌株進(jìn)行酶解同步發(fā)酵，提高了底物轉(zhuǎn)化率，增加了乙醇產(chǎn)量。直接微生物轉(zhuǎn)化工藝（DMC）也稱為統(tǒng)合生物工藝（CBP），將木質(zhì)纖維素的生產(chǎn)、酶水解和同步糖化發(fā)酵過(guò)程集合為一步進(jìn)行，要求此微生物/微生物群即能產(chǎn)生纖維素酶，又能利用可發(fā)酵糖類生產(chǎn)乙醇。目前Mascoma公司在其500噸/年的中試裝置上使用該技術(shù)，該公司利用酵母和細(xì)菌共同完成纖維素酶的生產(chǎn)和乙醇發(fā)酵過(guò)程，由于減少了酶生產(chǎn)單元，大大降低了生產(chǎn)費(fèi)用，Mascoma公司和瓦萊羅公司合資建設(shè)的2000萬(wàn)加侖/年商業(yè)規(guī)模纖維素乙醇工廠將使用CBP技術(shù)。法國(guó)Deinove公司與Tereos合作開發(fā)出一種稱作“奇球菌”的菌株，利用CBP技術(shù)，可直接將生物原料纖維素分解成單糖并轉(zhuǎn)化成乙醇，生物燃料生產(chǎn)成本有望降低20％～30％。

合成氣生物轉(zhuǎn)化乙醇主要由原料氣化、合成氣預(yù)處理和合成氣發(fā)酵單元構(gòu)成。生物轉(zhuǎn)化所需的合成氣原料與化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程相同，利用能夠以CO和H2為底物生長(zhǎng)的微生物，通過(guò)厭氧發(fā)酵將合成氣轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品，合成氣生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)副產(chǎn)物少、合成氣原料要求低、對(duì)原料氣中的硫化物耐受性強(qiáng)，目前已經(jīng)從自然界分離出了多株適合合成氣發(fā)酵的菌株。Coskata公司開發(fā)了利用合成氣發(fā)酵制乙醇的技術(shù)，2009該公司在美國(guó)賓西法尼亞州建成4萬(wàn)加侖/年的工業(yè)示范裝置，截至目前，該裝置已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)2年，其氣化1噸生物質(zhì)原料可生產(chǎn)0.3噸燃料乙醇。LanzaTech公司開發(fā)了利用鋼廠廢氣（CO）發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù)，在新西蘭建立了1立方米的中試裝置，并與寶鋼合資建成了300噸/年示范裝置。英力士公司則開發(fā)了垃圾氣化制合成氣，合成氣生物發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)，并已經(jīng)在美國(guó)佛羅里達(dá)建成2.4萬(wàn)噸/年燃料乙醇生產(chǎn)裝置，該裝置以當(dāng)?shù)氐氖卟藦U棄物為原料，采用兩級(jí)氣化工藝制備合成氣，合成氣經(jīng)凈化、微生物發(fā)酵和精餾得到燃料乙醇產(chǎn)品。該裝置無(wú)需使用化石燃料，不但能夠生產(chǎn)800萬(wàn)加侖/年燃料乙醇，而且能夠產(chǎn)生6MW的電能，在裝置自給的情況下還能外送1～2MW電能。英力士公司目前正在英國(guó)的Seal Sands建設(shè)其15萬(wàn)噸/年的商業(yè)裝置，該裝置將副產(chǎn)43MW的電能，預(yù)計(jì)可外送電能24MW。

合成氣發(fā)酵制燃料乙醇相比于生物化學(xué)法，原料來(lái)源廣泛，既可以利用單一生物質(zhì)原料，也可使用多種原料的混合物，如生物質(zhì)、石油焦、城市垃圾和煤炭等原料，無(wú)需復(fù)雜的預(yù)處理單元和使用昂貴的生物酶；原料利用率高，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素都可以氣化，達(dá)到了利用全部木質(zhì)纖維素原料的目的。但目前生物質(zhì)氣化技術(shù)尚不成熟，氣化效率較低，直接制約了生物質(zhì)熱化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，合成氣轉(zhuǎn)化過(guò)程還需要繼續(xù)改進(jìn)提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，也是目前需要解決的主要問題。

美國(guó)ZeaChem公司開發(fā)的乙醇生產(chǎn)技術(shù)是將木質(zhì)纖維素水解得到葡萄糖和木糖，利用乙酸發(fā)酵菌將糖轉(zhuǎn)化為乙酸，乙酸酯化得到乙酸乙酯，加氫后得到乙醇產(chǎn)品，氫氣由酸水解得到的木質(zhì)素氣化生產(chǎn)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用整個(gè)木質(zhì)纖維素，提高了原料利用率，每噸干物質(zhì)的乙醇產(chǎn)量可達(dá)160加侖，相比于其它工藝，乙醇產(chǎn)率提高了50%。該公司2012年底完成了其25萬(wàn)加侖/年纖維素乙醇生產(chǎn)裝置的設(shè)備施工。此外合成生物學(xué)也是目前研究的熱點(diǎn)，如美國(guó)LS9公司通過(guò)對(duì)微生物的基因改造，可將底物直接轉(zhuǎn)化為多種化學(xué)品。

除了以上燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)外，還可直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。美國(guó)Joule公司開發(fā)的Liquid Solar Energy技術(shù)在微生物的作用下能夠直接將陽(yáng)光和CO2轉(zhuǎn)化為乙醇和其它燃料產(chǎn)品，目標(biāo)成本為1.28美元/加侖，預(yù)計(jì)2014年將實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。美國(guó)Algenol公司開發(fā)了光合制乙醇技術(shù)，利用藍(lán)藻在封閉光生物反應(yīng)器（PBRS）中的光合作用直接生產(chǎn)乙醇，乙醇從藻類培養(yǎng)液中蒸發(fā)，冷凝收集后，提純至燃料級(jí)乙醇，該工藝不但能夠產(chǎn)生乙醇，還能產(chǎn)生純凈水，目前該公司與陶氏化學(xué)合作在佛羅里達(dá)州建設(shè)10萬(wàn)加侖/年燃料乙醇生產(chǎn)裝置。

三、 國(guó)外燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 以糧食為原料的第1代燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展乏力，各國(guó)積極發(fā)展第2代燃料乙醇

以糧食為原料的第1代燃料乙醇由于存在成本過(guò)高、對(duì)土地和糧食安全造成威脅等問題而備受爭(zhēng)議。樂施會(huì)（Oxfam）的研究表明，以糧食為原料的生物燃料推高了糧食價(jià)格，并大量占用土地資源，過(guò)去十年中亞洲、非洲和拉美有60%的新開發(fā)土地被用于生產(chǎn)生物燃料。傳統(tǒng)生物燃料“與糧爭(zhēng)地，與人爭(zhēng)糧”。歐盟為了減少因使用以糧食為原料的生物燃料對(duì)社會(huì)和環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響，2012年10月公布了新生物燃料法令限制使用糧食生產(chǎn)生物燃料，到2020年，以糧食為原料的生物燃料的使用比例不得超過(guò)5%。目前第1代生物燃料占?xì)W盟交通運(yùn)輸領(lǐng)域能源消耗總量的4.5%[55]。

美國(guó)2011年燃料乙醇消耗的玉米達(dá)50.5億蒲式耳（1.28億噸），相當(dāng)于美國(guó)當(dāng)年玉米總產(chǎn)量的40%左右，全球玉米產(chǎn)量的25%（圖8）[3]。2011年美國(guó)國(guó)會(huì)取消了持續(xù)多年的乙醇調(diào)和稅收減免

政策（減免45美分/加侖）和進(jìn)口關(guān)稅（54美分/加侖）[56]。2012年夏天，美國(guó)發(fā)生了56年來(lái)最嚴(yán)重的干旱，玉米產(chǎn)量下降了20%，降至2010年來(lái)最低水平，導(dǎo)致玉米價(jià)格上漲48%。由于美國(guó)的玉米乙醇產(chǎn)量下降，巴西乙醇32年來(lái)首次直接進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)。巴西2010/2011和2011/2012榨季也曾面臨因蔗糖產(chǎn)量下降而導(dǎo)致的燃料乙醇產(chǎn)量下降，并且在2011年將乙醇汽油中乙醇的調(diào)和比例從25%降低至20%[57]。

圖8  2011年美國(guó)玉米消費(fèi)情況

由于糧食乙醇存在“與糧爭(zhēng)地，與人爭(zhēng)糧”問題，因此世界許多國(guó)家和地區(qū)均加快了非糧燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐。歐洲目前正鼓勵(lì)新能源企業(yè)利用垃圾、麥稈和藻類等非糧食原料開發(fā)新1代生物燃料，而不改變其2009年制定的到2020年境內(nèi)交通運(yùn)輸領(lǐng)域能耗的10%為可再生能源的目標(biāo)。新法令規(guī)定只有以非糧原料制備的第2代生物燃料才可能在未來(lái)獲得補(bǔ)貼。2011年8月，美國(guó)政府推出了一項(xiàng)總額為5.1億美元的補(bǔ)貼計(jì)劃，由農(nóng)業(yè)部、能源部和海軍共同投資推動(dòng)美國(guó)第2代生物燃料的生產(chǎn)開發(fā)進(jìn)程。2012年8月美國(guó)政府宣布，對(duì)纖維素燃料產(chǎn)品提供每加侖1.01美元，對(duì)生物柴油每加侖1美元的聯(lián)邦稅收減免。對(duì)于纖維素燃料的減免政策還將延伸至利用藻類、藍(lán)細(xì)菌或浮萍（多種浮萍）煉制的燃料。而巴西目前正在開發(fā)蔗渣制燃料乙醇和新一代的含糖木薯制燃料乙醇技術(shù)。

3.2 纖維素燃料乙醇目前發(fā)展速度偏緩，但前景看好

美國(guó)從2010年開始利用纖維素生物燃料最終取代玉米乙醇。2022年纖維素乙醇要占生物燃料總消費(fèi)量的44.4%。但目前纖維素生物燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展明顯比預(yù)期慢得多。根據(jù)美國(guó)能源獨(dú)立和安全法案（EISA）的規(guī)定，2010、2011和2012年纖維素乙醇的使用量要分別達(dá)到1億、2.5億和5億加侖，但是由于無(wú)相應(yīng)的纖維素乙醇產(chǎn)能，EPA將規(guī)定使用量分別調(diào)低為650萬(wàn)、600萬(wàn)和865萬(wàn)加侖。2012年美國(guó)纖維素燃料乙醇總產(chǎn)量為20069加侖，而且預(yù)計(jì)2013年也無(wú)新建纖維素乙醇產(chǎn)能投產(chǎn)[60]。目前除英力士的2.4萬(wàn)噸/年垃圾制乙醇項(xiàng)目屬于商業(yè)規(guī)模，其余裝置均為示范規(guī)模。而之前曾經(jīng)規(guī)劃建設(shè)的商業(yè)裝置，大多延期建設(shè)或取消，如美國(guó)Range fuel公司已經(jīng)倒閉，Coskata公司5500萬(wàn)加侖/年項(xiàng)目和SunOpta公司1000萬(wàn)加侖/年項(xiàng)目已延期，BP公司3600萬(wàn)加侖/年項(xiàng)目已宣布取消。即便是目前商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)裝置全部投產(chǎn)，到2014年產(chǎn)量也只能達(dá)到1億加侖/年（6500桶/日）。美國(guó)目前通過(guò)進(jìn)口巴西乙醇和認(rèn)證其他種類的燃料乙醇來(lái)彌補(bǔ)市場(chǎng)供應(yīng)短缺。EPA通過(guò)認(rèn)證新的可再生燃料，推動(dòng)第2代燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2012年美國(guó)將甜高粱乙醇視為先進(jìn)燃料乙醇，并將英力士的垃圾制燃料乙醇認(rèn)證為先進(jìn)生物燃料。雖然目前的情況不容樂觀，但目前依舊有多項(xiàng)第2代燃料乙醇項(xiàng)目在建，預(yù)計(jì)2013～2014年將是第2代燃料乙醇產(chǎn)能集中釋放的時(shí)間，說(shuō)明此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)具備了商業(yè)運(yùn)行條件，并且通過(guò)這些裝置的成功投產(chǎn)運(yùn)行，進(jìn)一步增加市場(chǎng)信心。據(jù)EPA估計(jì)，到2022年前美國(guó)國(guó)內(nèi)將有350～400座新型生物煉廠投產(chǎn)，完全可滿足160億加侖纖維素乙醇使用目標(biāo)。

四  我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

“十一五”期間，我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)在《可再生能源法》的推動(dòng)下發(fā)展較快，燃料乙醇使用量從2005年的102萬(wàn)噸增加到2010年的180萬(wàn)噸。根據(jù)我國(guó)《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，到2015年生物燃料乙醇利用量要達(dá)到400萬(wàn)噸。2012年前我國(guó)共有5家燃料乙醇企業(yè)，除廣西木薯制乙醇外，其它4家均采用糧食為生產(chǎn)原料。2012年國(guó)家批復(fù)了山東龍力5.15萬(wàn)噸/年纖維素燃料乙醇項(xiàng)目和中興能源10萬(wàn)噸/年甜高粱莖稈燃料乙醇項(xiàng)目。

表4 世界商業(yè)規(guī)模第2代燃料乙醇生產(chǎn)裝置

在技術(shù)研發(fā)方面，我國(guó)啟動(dòng)了“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目——非糧燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與示范課題，并在進(jìn)行國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“生物液體燃料科技工程”中“千噸級(jí)生物質(zhì)氣化合成液體燃料關(guān)鍵技術(shù)與示范”的研究工作；北京化工大學(xué)通過(guò)基因重組技術(shù)研發(fā)出一種新型重組釀酒酵母，可利用CBP工藝生產(chǎn)纖維素乙醇；中科院過(guò)程工程研究所進(jìn)行了葛根、紅薯直接固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)的研究，中科院山西煤炭化學(xué)研究所在“合成氣制低碳混合醇新型催化劑及配套工藝技術(shù)”研究方面都取得了較好的效果。很多企業(yè)如河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司、中糧生化能源（肇東）和山東龍力生物科技股份有限公司等企業(yè)都積極開展纖維素乙醇的工業(yè)示范；新西蘭Lanzatech公司與寶鋼集團(tuán)有限公司合資建設(shè)上海寶鋼朗澤新能源有限公司，并建成了300噸/年的合成氣發(fā)酵制乙醇中試裝置。中國(guó)首鋼集團(tuán)、臺(tái)灣“中鋼”公司和李長(zhǎng)榮化學(xué)工業(yè)股份有限公司也將與Lanzatech合作建立中試裝置。

我國(guó)在建和計(jì)劃建設(shè)的非糧燃料乙醇項(xiàng)目也很多。中國(guó)石油、華立集團(tuán)計(jì)劃聯(lián)合在浙江省舟山市建設(shè)以進(jìn)口木薯干為原料的30萬(wàn)噸/年燃料乙醇項(xiàng)目。中國(guó)石油吉林燃料乙醇公司引進(jìn)芬蘭科伯利公司的技術(shù)，擬建設(shè)玉米秸稈制乙醇工業(yè)化項(xiàng)目。中國(guó)石化擬與中糧集團(tuán)及諾維信公司（Novozymes）于近期開始在中國(guó)合作建設(shè)12萬(wàn)噸/年纖維素乙醇項(xiàng)目，項(xiàng)目正在審批中。美國(guó)杜邦公司和大唐新能源有限公司也有意向在吉林建設(shè)第2代生物燃料乙醇項(xiàng)目。同時(shí)國(guó)內(nèi)有多個(gè)葛根制乙醇項(xiàng)目也在計(jì)劃中。

表5  我國(guó)纖維素乙醇示范項(xiàng)目

五、我國(guó)發(fā)展燃料乙醇的對(duì)策建議

燃料乙醇的開發(fā)和應(yīng)用為我國(guó)應(yīng)對(duì)石油資源短缺、解決未來(lái)車用替代燃料供應(yīng)和減少溫室氣體排放問題提供了一條現(xiàn)實(shí)解決途徑。我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)方興未艾，市場(chǎng)前景十分巨大，但目前無(wú)論是玉米乙醇、薯類乙醇還是纖維素乙醇，原料供應(yīng)還存在問題，其生產(chǎn)成本均高于傳統(tǒng)汽油燃料，煤、天然氣制乙醇不能實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)燃料乙醇的大規(guī)模應(yīng)用還應(yīng)從原料供應(yīng)保障、技術(shù)研發(fā)和提高經(jīng)濟(jì)性著手。

5.1 重視原料供應(yīng)體系建設(shè)，為燃料乙醇發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)

從國(guó)外做法和我國(guó)自身的資源情況看，我國(guó)發(fā)展糧食燃料乙醇不現(xiàn)實(shí)，而發(fā)展以煤、天然氣為原料燃料乙醇，國(guó)際上沒有先例。由于其原料為不可再生資源，不能達(dá)到減少溫室氣體減排的目的，因此未來(lái)我國(guó)的燃料乙醇只能走“不與人爭(zhēng)糧、不與糧爭(zhēng)地”的多元化非糧可再生原料生產(chǎn)燃料乙醇的路線。非糧可再生原料包括1.5代的甜高粱、木薯等原料，也包括農(nóng)業(yè)廢棄秸稈和林業(yè)剩余物，以及城市垃圾等原料。

甜高粱適生范圍廣、耐貧瘠、莖稈富含糖分，是生產(chǎn)燃料乙醇的優(yōu)質(zhì)非糧原料。木薯是世界公認(rèn)具有很大發(fā)展?jié)摿Φ囊掖忌a(chǎn)原料，是我國(guó)發(fā)展燃料乙醇的非糧作物原料之一。這兩種非糧原料生產(chǎn)乙醇目前尚處于發(fā)展初期，盡管轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)取得突破，但關(guān)鍵還是要利用現(xiàn)有的邊際土地實(shí)現(xiàn)規(guī)?；N植、提高產(chǎn)量，為燃料乙醇生產(chǎn)提供充足的原料保障。首先應(yīng)制定相應(yīng)的種植補(bǔ)貼政策，鼓勵(lì)利用邊際土地種植甜高粱，解決原料來(lái)源問題，尤其是對(duì)利用鹽堿地等不宜農(nóng)荒地種植甜高粱應(yīng)給予政策傾斜，例如進(jìn)行政策性補(bǔ)貼或稅收優(yōu)惠等。其次，應(yīng)積極引導(dǎo)農(nóng)民種植這些作物，通過(guò)媒體宣傳等手段幫助農(nóng)民樹立新觀念，適當(dāng)改變傳統(tǒng)作業(yè)習(xí)慣，并通過(guò)與農(nóng)民簽署高價(jià)收購(gòu)協(xié)議充分調(diào)動(dòng)農(nóng)民種植積極性。再次，應(yīng)針對(duì)我國(guó)宜農(nóng)荒地開展良種培育研究，著重開發(fā)適宜在不同地區(qū)種植的高產(chǎn)植株，為1.5代燃料乙醇發(fā)展提供原料保障。中國(guó)目前有宜農(nóng)后備地2787萬(wàn)公頃（1公頃=10000平方米），主要分布在東北的松嫩流域、西遼河流域、渤海灣灘涂、黃河流域、長(zhǎng)江上游地區(qū)。此外，黃淮海平原有鹽堿地300多萬(wàn)公頃，均是發(fā)展能源作物種植的可能區(qū)域。如果將其中的35%用于種植甜高粱，每年可生產(chǎn)3000萬(wàn)噸甜高粱莖桿燃料乙醇。

而對(duì)于木質(zhì)纖維素原料而言，其特點(diǎn)是分布廣、單位面積和單位體積能量密度低，原料的收集供應(yīng)是最為突出的問題。為此，一方面應(yīng)加強(qiáng)制定制度和政策，對(duì)焚燒秸稈等違規(guī)行為進(jìn)行管理，將秸稈納入農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)管理范圍，規(guī)范價(jià)格機(jī)制，建立農(nóng)戶與燃料乙醇共贏的秸稈供應(yīng)機(jī)制，為秸稈資源的穩(wěn)定供應(yīng)創(chuàng)造前提；另一方面，應(yīng)建立完善的原料收集體制，對(duì)于不同的原料來(lái)源應(yīng)采取不同的原料收集供應(yīng)方式，對(duì)分散來(lái)源的原料和能夠大量集中供應(yīng)的原料采取相應(yīng)的收購(gòu)策略，確保木質(zhì)纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原料供應(yīng)。我國(guó)遼寧、吉林、黑龍江等13個(gè)糧食主產(chǎn)省的農(nóng)作物秸稈理論資源量約為6億噸，而現(xiàn)有林木資源中能夠收集的林業(yè)廢棄物約3億噸，其中全國(guó)每年森林采伐產(chǎn)生的林業(yè)廢棄物約1億噸，如果將這些木質(zhì)纖維素原料全部轉(zhuǎn)化為生物燃料，每年可生產(chǎn)3000～4000萬(wàn)噸燃料乙醇。

城市垃圾作為原料的最主要優(yōu)勢(shì)在于原料集中、成本低，對(duì)于這部分資源主要是加強(qiáng)垃圾分類工作和合理利用，最大限度轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。北京年垃圾清運(yùn)量約438萬(wàn)噸，日焚燒量總和達(dá)到6520噸（238萬(wàn)噸/年），如果將焚燒的這部分垃圾采用合成氣路線轉(zhuǎn)化為燃料乙醇，按1噸垃圾制200kg乙醇[29]，則每年可生產(chǎn)47.6萬(wàn)噸乙醇。利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施（垃圾收集、儲(chǔ)運(yùn)和分類預(yù)處理），可替代北京市13%的汽油消耗。

5.2 進(jìn)一步加大投資，進(jìn)行燃料乙醇技術(shù)研發(fā)和工業(yè)示范

加大燃料乙醇技術(shù)研發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注以纖維素、垃圾等可再生資源為原料的燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)，積極推進(jìn)化學(xué)合成制乙醇技術(shù)研究，同時(shí)，進(jìn)一步加大非糧原料乙醇技術(shù)開發(fā)以及規(guī)模化燃料乙醇技術(shù)的示范和推廣應(yīng)用。纖維素燃料乙醇技術(shù)雖然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并已經(jīng)出現(xiàn)了商業(yè)運(yùn)行裝置，但其經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步提高。目前，生化法制備纖維素乙醇技術(shù)主要存在三方面的瓶頸：缺乏高效的預(yù)處理技術(shù)與手段，纖維素水解酶成本偏高和有效利用C5單糖的基因工程菌的構(gòu)建。而利用合成氣微生物轉(zhuǎn)化制備乙醇，則存在著轉(zhuǎn)化率低、反應(yīng)體系傳質(zhì)難等問題。這些因素造成了燃料乙醇生產(chǎn)成本過(guò)高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差。要實(shí)現(xiàn)纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須改進(jìn)現(xiàn)有的工藝水平，生化法工藝應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展原料轉(zhuǎn)化率高、低耗能、低污染的纖維素預(yù)處理技術(shù)；開發(fā)高效生物酶，降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化酶水解工藝，從而降低纖維素乙醇成本；開發(fā)高效C5/C6共發(fā)酵菌株，提高糖轉(zhuǎn)化率和酒精耐受度，提高酒度，降低乙醇分離單元能耗；積極開展新工藝開發(fā)，減少中間步驟，提高底物轉(zhuǎn)化率，從根本上解決生化法纖維素乙醇工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)。而合成氣路線熱轉(zhuǎn)化工藝應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)高效氣化技術(shù)，提高碳轉(zhuǎn)化率和氣化爐穩(wěn)定性，保證合成氣品質(zhì)穩(wěn)定，為燃料合成單元提供穩(wěn)定原料；開發(fā)高效催化劑，提高轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品選擇性，提高整體工藝的經(jīng)濟(jì)性。在合成氣催化合成乙醇以及醋酸加氫合成乙醇工藝研究方面，國(guó)外公司開展了大量的工作，我國(guó)也應(yīng)在此方面加大研發(fā)。同時(shí)應(yīng)大力發(fā)展副產(chǎn)物深加工，提高副產(chǎn)物利用水平，增加附加值，提高燃料乙醇企業(yè)盈利能力。

5.3  關(guān)注ETBE發(fā)展，優(yōu)化燃料乙醇使用環(huán)節(jié)

2001年我國(guó)頒布《變性燃料乙醇》和《車用乙醇汽油》標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的乙醇均采取直接與汽油調(diào)和得到E10的燃料乙醇進(jìn)行銷售，而歐洲、日本已經(jīng)開始使用乙基叔丁基醚（ETBE），法國(guó)于1994年將ETBE用作汽油調(diào)和組分，西班牙和德國(guó)使用ETBE分別始于2000年和2004年。且法國(guó)、西班牙和葡萄牙針對(duì)可再生乙醇ETBE制定了相應(yīng)的財(cái)稅補(bǔ)貼。日本2007年開始進(jìn)口ETBE，將其調(diào)和到汽油中使用。把ETBE調(diào)入汽油中，相當(dāng)于在汽油中調(diào)入了乙醇，在增加油品同等含氧量的情況下，乙醇可調(diào)和10%，MTBE可調(diào)和15%，而ETBE可以調(diào)和17%（均為體積分?jǐn)?shù)），ETBE不但在提高汽油辛烷值的效果方面好，而且與乙醇相比，具有揮發(fā)性低、不易吸水和腐蝕性小的優(yōu)點(diǎn)，可在煉廠直接進(jìn)行調(diào)和，并且ETBE可生物降解，環(huán)境相容性好。因此，我國(guó)可考慮對(duì)現(xiàn)有乙醇汽油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，允許在乙醇汽油銷售區(qū)域并行銷售以ETBE調(diào)和的汽油。