打开文本图片集
摘 要：由于汽车保有量的持续增加所带来的能源与环境污染双重压力使得汽车替代能源的研究显得越发迫切。主要阐述了燃料乙醇研发的必要性，介绍燃料乙醇的国内外发展概况，指出我国在燃料乙醇的发展过程中存在的主要问题，并提出我国未来燃料乙醇的发展方向。
关 键 词：乙醇汽油；替代能源；前景
中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2374-03
Study on Development and Application of Ethanol Fuel
ZHAO Ting-ting 1，HU Ya-nan 2，SUN Yu-lan 2
（1. School of Mechanical Engineering， Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China；
2. School of Mining Engineering， Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）
Abstract： The research of automotive alternative energy is becoming more and more urgent because of the double pressure of energy and environment pollution which is caused by the increasing of car ownership. In this paper， the necessity of research and development of fuel ethanol was expounded， the development overview of fuel ethanol at home and abroad was introduced， the main problems existing in the development of fuel ethanol in China were pointed out， and the future development direction of China"s fuel ethanol was put forward.
Key words： Ethanol-gasoline； Alternative energy； Prospect
随着汽车保有量的增加，环境问题和能源安全问题日益凸显，减少化石能源消耗、发展替代能源是实现汽车产业可持续发展的必由之路。我国是个石油对外依存度很高的国家，研发替代能源更显紧迫。乙醇汽油已成功地用于汽油机上，在缓解石油能源消耗的同时，能显著地降低有害气体的排放。然而，任何事物都存在多面性，随着清洁替代能源的发展，乙醇汽油现有工艺生产成本高、利润低及与民争粮等弊端日益凸显，又面对种种困难。
1 乙醇汽油的主要理化特性
乙醇汽油（Ethanol gasoline）是变性燃料乙醇与无铅汽油以体积比1∶9的比例组成的混合物[1]。表1为乙醇的主要理化特性。
乙醇的研究法辛烷值为108，在汽油中加入乙醇后可提高汽油的辛烷值，可以替代甲基叔丁基醚（MTBE），消除甲基叔丁基醚带来的环境污染问题。另外，由于加入乙醇后燃料的辛烷值提高，可以通过提高压缩比的方式来提高发动机的热效率。乙醇的含氧量为34.8%，汽油中加入乙醇后可以提高混合燃料中的含氧量，使燃料燃烧更加充分，从而使汽车尾气中的CO和HC含量减少。因此，发展燃料乙醇在环境保护、缓解能源危机、促进国民经济发展等方面具有重大意义。
表1 汽油和乙醇的主要理化特性
Table 1 Main physical and chemical properties of gasoline and ethanol
项 目乙醇汽油
化学分子式C2H5OHC4～C12
理论空燃比914.8
低热值/（MJ·kg-1）27.243.5
研究法辛烷值10870～97
氧质量分数，%34.80～0.1
2 燃料乙醇的国外发展概况
能源基金会中国2014年5月发布的题为《世界主要国家生物液体燃料产业政策》的研究报告指出，燃料乙醇的生产国主要分布在北美、中美、南美以及欧洲和亚洲。2013年美国燃料乙醇以3 990万t的产量占世界总产量的56.77%，位居第一位，其次是巴西，其产量占世界总产量的26.75%。2013年世界各国燃料乙醇的产量分布如图1所示。
2.1 美国燃料乙醇的发展概况
为了缓解能源危机和解决环境污染问题，1978年，美国开始发展生物乙醇。从上世纪90年代美国实现燃料乙醇的商业化生产开始，其乙醇产量一直处于平稳增长状态。自2006年生物燃料乙醇产量超过巴西以后，美国一直稳居世界最大燃料乙醇生产国的位置。2011年美国乙醇产量达到4 170万t，这使美国减少了4.8 亿桶石油的进口[2]。正因如此，2012 年4 月，美国环保署（EPA）通过了一项计划，汽油中乙醇调合比例由先前的10%提高到15%，以供2001 年及以后生产的汽车和卡车使用。这意味着美国将近三分之二的车辆都可以使用含有15%乙醇的乙醇汽油混合燃料，足以证明乙醇汽油在节能减排方面所具有的优势。
图1 2013 年世界燃料乙醇产量分布
Fig.1 Yield distribution of the world fuel ethanol in 2013
2.2 巴西燃料乙醇的发展概况
巴西不仅是世界上最早使用生物燃料的国家，也是世界上最早通过强制手段推广使用乙醇汽油混合燃料的国家。早在1931年，巴西政府就通过法令，要求全国所有地区必须销售含有2%～5%无水乙醇的汽油。
为了缓解石油危机所带来的能源压力，巴西政府在1973 年决定给予财政补贴以增加燃料乙醇的使用量。巴西的乙醇工业直到1975年才真正开始，巴西政府充分利用本国的土地资源，以甘蔗为主要原料生产乙醇燃料。目前，巴西乙醇汽油混合燃料中乙醇所占比重是世界上最高的，巴西也是世界上唯一不供应纯汽油作为汽车燃料的国家。而且巴西燃料乙醇生产成本是世界上最低的，其成本仅为中国以玉米为原料的1/2，为欧洲以小麦为原料的1/3。
至2008 年3 月，巴西国内有50%的汽油为生物乙醇所取代，全国共有33 000个加油站供应100%乙醇燃料，使用纯生物乙醇作为汽车燃料的车辆达400 万辆，其他车辆使用的燃料中乙醇所占比例为25%[3]。2013年，巴西以约1880.1万t的乙醇产量，占世界乙醇总产量的26.75%。
2.3 欧盟燃料乙醇的发展概况
在欧盟的交通运输中，燃料消耗总量中约有20%是生物乙醇，其原料主要是甜菜和小麦。欧盟使用的生物燃料主要是通过乙醇与合成乙基叔丁基醚直接调和而成。2013年，欧盟以约411.3万t的乙醇产量，占世界乙醇总产量的5.85%。
3 我国燃料乙醇的发展问题
3.1 我国燃料乙醇发展概况
生物燃料乙醇在巴西、美国应用多年，技术上已十分成熟，而我国在燃料乙醇发展方面起步却比较晚。2004年2月，经国务院同意，国家发改委等8部门联合制定颁布了《车用乙醇汽油扩大试点工作实施细则》和《车用乙醇汽油扩大试点方案》，车用乙醇汽油试点工作全面启动。从2004年4月起，在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽五省全部地区，以及河北、山东、江苏、湖北四省部分地市全面推广使用车用乙醇汽油[4-6]。到2006年底，车用乙醇汽油在上述各省辖区基本实现了普及，中国成为世界上第三大生物燃料乙醇生产国。图2为2002-2013年间中国燃料乙醇产量变化情况。
近年来，越来越多的人把粮食价格上涨归结于乙醇产业的发展，叫停玉米制乙醇项目的呼声越来越高[7]。在这种形式下，国家优惠政策逐渐收拢。自2006年开始，国家先后出台调整政策，明确要求暂停玉米乙醇加工项目的核准，全面清理在建和拟建的乙醇项目，提出“因地制宜，非粮为主”的发展原则，大力鼓励发展非粮生物燃料。2007年6月，国务院召开可再生能源会议，正式叫停玉米燃料乙醇项目，要求产业在“不得占用耕地，不得消耗粮食、不得破坏生态环境”的原则下坚持发展非粮燃料乙醇[8]。中国现存的非粮食生物质原料十分丰富，主要有木质纤维类能源植物、农林废弃物和非粮的能源作物等。
图2 2002-2013年中国燃料乙醇产量变化
Fig.2 Production changes of fuel ethanol in China between 2002 and 2013
目前，我国生产燃料乙醇的原料正朝着多元化方向发展，并且积极应用转基因技术选育和开发能源作物原料，虽然已经取得一定成果，但这些技术在我国还处于起步阶段，与国外相比还有很大距离。可以说，我国生物燃料乙醇产业要想达到国际先进水平，尚要面临诸多困难和问题。
3.2 我国发展燃料乙醇面临的问题
3.2.1 乙醇汽油应用的技术问题
乙醇的亲水性大于亲油性，容易因吸水而造成分层现象，因此，要严格控制乙醇汽油使用的各个环节中的游离水，以保证乙醇汽油的正常使用；乙醇的汽化潜热大，会影响掺醇燃料的蒸发，不利于汽车加速，且低温条件下会使发动机启动性能变差；乙醇汽油的稳定性差，因此必须对乙醇汽油的储运等相关设施进行改造、建设；燃料乙醇的生产技术还比较落后，无论是生产工艺、环境保护，还是能源消耗、原材料转化效率等都落后于美国和巴西。
3.2.2 乙醇汽油生产的经济问题
目前，生产成本过高是制约我国生物燃料乙醇产业发展的主要因素。例如，吉林燃料乙醇厂是目前国内以玉米为原料制备乙醇水平较高的，采用的全部是国外的先进技术设备，就是这样的一家企业，生产1吨生物燃料乙醇要消耗的玉米量为3.1 t，要消耗的标准煤为0.5～0.6 t，要消耗水8 t左右，这个耗能远远高于美国，如美国生产1吨生物燃料乙醇只消耗标准煤0.4 t[9]。对于我国四家生产燃料乙醇的基地，生产1 t燃料乙醇的综合成本在7 000元以上，这要比美国高出17%。随着煤、电及原料价格的上涨，燃料乙醇的成本还会上升。因此，要加快燃料乙醇产业的发展，必须发展其生产工艺[10]。
3.2.3 政府扶持力度减小
欧美等发达国家的生物能源产业发展较快，他们的成功经验表明，发展生物能源产业离不开政府的支持。而在我国燃料乙醇产业发展的初期，国家通过财政补贴等优惠政策促进其发展，但是到了2007年，燃料乙醇项目审批权被收回，以玉米为原料的项目被正式叫停，燃料乙醇生产企业所得到的财政补贴逐渐“缩水”。燃料乙醇生产企业在2012年得到的财政补贴比2010年减少了一半。2013～2015年，以粮食为原料的生物燃料乙醇财政补贴标准分别为：2013年300元/t、2014年200元/t、2015年100元/t，2016年以后不再补贴。
另外，2011年，对特定生产变性燃料乙醇的企业免除消费税的政策被取消，逐年恢复其征收比例，自2015年，恢复征收其5%的消费税。与此同时，变性燃料乙醇定点生产企业增值税先征后退的政策被取消。这些优惠政策被取消以后，无疑使生产企业成本压力越来越大。
3.3 我国燃料乙醇的发展方向
3.3.1 大力发展纤维素乙醇技术
纤维素乙醇是非粮燃料乙醇最为理想的选择，能从根本上解决燃料乙醇原料成本高、原料有限的问题[11]。纤维素乙醇的主要原料是农作物秸秆、皮壳，它们不仅价格低廉，而且我国资源风富。据国家农业部和林业部提供的数据显示，中国秸秆资源量和林业废弃物资源量储量丰富，亟待开发。
纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，然而由于纤维素乙醇的技术瓶颈尚未解决，较高的技术门槛使其无法实现产业化和商业化。在作为二代燃料乙醇的纤维素乙醇还没有实现产业化的今天，我们只能利用非粮食作物作为二代生物燃料乙醇的替代原料。虽然如此，很多企业和研究机构都在进行相关研究，希望纤维素乙醇的技术瓶颈能够早日被攻破，为我国可再生能源的发展开辟更多的途径。或许这个过程充满艰辛，或许会很漫长，但我们有理由相信这一天一定会到来。
3.3.2 进口乙醇或成未来发展方向
与我国燃料乙醇产业起步较晚、技术落后、成本较高的现状相比，巴西、美国的燃料乙醇产业起步较早，技术成熟，具有年产量超过1 000万t的生产能力，并且对中国进口其生产的燃料乙醇持欢迎的态度。
自2010年1月1日起，我国将乙醇进口关税降至5%，而原本是30%。2012年3月，中国石化开始寻求与国际燃料乙醇企业合作，并将推广生物燃料乙醇作为绿色低碳战略的重要组成部分[12]。
2013年年末，1.05万t燃料乙醇的装卸工作在中国江苏镇江码头顺利完成接卸工作，这是中国首船进口燃料乙醇，标志着燃料乙醇上游资源国际贸易环节彻底被中国石化打通，为中国后续进口燃料乙醇奠定了基础。在非粮乙醇生产技术瓶颈与成本问题解决之前，进口乙醇或成为一段时间内国内乙醇的主要来源。
4 结 论
燃料乙醇用于发动机不仅能够缓解能源危机，且能够显著降低有害气体排放，是目前最为现实可行的生物能源形式。乙醇燃料在其发展的过程中虽然也存在一些这样或那样的问题，但是不可再生能源必将被可再生能源所替代这一发展趋势是不可扭转的。我们相信，燃料乙醇的发展是符合时代发展需求的，我们要做的就是最大程度的发挥其优势为人类服务，而努力减小其在发展过程中潜在的负面影响。 （下转第2380页）