浅议燃料乙醇生产工艺及乙醇汽油现状

浅议燃料乙醇生产工艺及乙醇汽油现状

佟昊，邵星源，杨文博

吉林燃料乙醇公司  吉林省吉林市  132001

摘要:在环境污染日渐严重､能源危机致使石油价格不断攀升的今天,乙醇作为一种可再生的能源,在各行各业起着不可或缺的作用｡燃料乙醇是一种是绿色､低碳清洁的可再生燃料,与汽油有很好的相溶性,燃料乙醇加入变性剂(2~5%)后与汽油混合就是现在普遍使用的车用乙醇汽油｡乙醇汽油能帮助解决大气环境污染问题,同时缓解能源压力,对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义｡本文介绍了燃料乙醇的生产工艺以及乙醇汽油在生产及使用过程中存在问题及解决办法｡

关键词:燃料乙醇;乙醇汽油;生产工艺;存在问题

乙醇俗称酒精,是最常见的一元醇｡在常温､常压下,乙醇为无色透明略带刺激性的香味液体,不可直接饮用｡乙醇的用途十分广泛,生活中可用乙醇制造醋酸、饮料等,工业上能制作香精､各种染料｡不同浓度的乙醇在医疗方面均发挥着重要的作用｡乙醇还有一个最大的用途是作为燃料,目前石油煤炭等燃料能源日益枯竭,以乙醇为原料研发的各种燃料已经逐渐开始替代化石燃料,并且乙醇燃料可再生､污染小,是十分优质的新型能源｡

1.燃料乙醇的生产工艺

乙醇是对人们的生产生活有着重要作用的一种化合物,乙醇可以用来制造醋酸､饮品､香料､染料､各类燃料等｡在医学上常用70%~75%的乙醇作为消毒剂｡在古代人们用淀粉物质酿酒,12世纪,在蒸馏葡萄酒的过程中第一次得到酒精｡20世纪30年代以前,乙醇的唯一工业生产方法是发酵法｡美国在1930年用乙烯作为原料成功制取了乙醇,而且乙烯间接水化法的第一个工业装置也在美国建立｡

1.1水化法

1.1.1间接水合法

该法也叫做硫酸酯法,反应分为两部分｡在一定的温度和压力情况下,先把乙烯加到浓硫酸中,反应得到硫酸酯,之后将硫酸酯在水解塔中加热,最终水解制得产物乙醇,但同时有乙醚这一副产品生成｡如果原料的纯度比较低时,间接水合法比较适合,具有较温和的反应条件及较高乙烯转化率的优点,缺点是对设备的要求较高,因为原料中硫酸腐蚀性极强,并且生产过程复杂,耗时长,因此目前直接水合法已经取代该法｡

1.1.2直接水合法

这个方法会比较简单直接,乙烯在一定的操作条件下,固体酸催化剂和水进行反应得到乙醇｡工业生产中,通常采用的催化剂是负载在硅藻土上的磷酸,反应的温度为260~290℃,乙烯与水物质的量比约为0.6,乙烯在此条件下的单程转化率约为5%,乙醇的选择性约为95%,出现大量乙烯滞留在系统中的现象｡当温度逐渐升高后,有许多副产品生成,副产品主要为乙醚,还包括丁烯､乙醛及乙烯聚合物等｡由于乙醚与水也能反应生成乙醇,因此将乙醚收集并返回系统中再反应,可以有效地提高乙醇产率｡

1.2石油基乙烯水合法

此合成方法所用原料为石油裂化和热解过程中产生的乙烯,分为直接水合法和间接水合法｡直接水合法是在一定条件下将乙烯和水直接反应生成乙醇,采用负载于硅藻土上的磷酸作为催化剂｡间接水合法以浓硫酸作为吸收剂,通过“→乙烯硫酸酯”､“硫酸酯→乙醇”两步完成｡

1.3煤基合成气法

煤基合成气法以煤为基础原料,分为直接法和间接法｡直接法是在铑基催化剂作用下直接转化为低碳混合醇;间接法包括醋酸加氢法､醋酸酯化加氢法､二甲醚羰基化法｡醋酸加氢法是醋酸与氢气混合气化,气化后的混合物经加热进行催化加氢反应,所得产物冷却后经气液分离､提纯处理得到无水乙醇｡醋酸酯化加氢法是将中间产物乙酸乙酯与前道工序所得气相混合气化,气化混合物经加热后进行酯加氢反应,再经气液分离可得乙醇粗产品｡二甲醚羰基化法核心技术在于二甲醚羰基化生成醋酸甲酯和醋酸甲酯加氢生成乙醇｡

1.4生物质发酵法

生物质发酵法生产燃料乙醇的工艺流程分为原料收集､预处理､糖化､发酵和分离纯化五个步骤｡根据生产原料的不同可将生物质发分为三大类:以小麦､水稻、和玉米等为原料的粮食乙醇,以甜高粱､木薯和甘蔗等非粮食作物为原料的非粮乙醇,以秸秆等农业废弃物作为主要原料纤维素乙醇｡在粮食和能源安全问题广受关注的当下,以粮食为基础原料的燃料乙醇生产已逐步暂停,“非粮燃料乙醇”研究及应用将成为行业､企业和主管部门下一步的工作重点｡

1.5稻草液化制取乙醇

在世界能源危机的日益加重和环境不断恶化的情况下,可再生资源生物质的开发利用已成为了当今的研究热点｡以生物质的废弃物作为原料,通过降解发酵的方法进行乙醇生产的研究备受关注,原料的利用率以及乙醇产率的提高成为这项技术发展中的亟需解决问题｡

秸秆预处理的常用方法包括酸化法､碱化法､氧化法等,这些方法都能达到很好的效果,但弊端是成本太高且对环境有很大的污染｡比如,国内便有文献对利用稻草酸水解生物转化来制备乙醇这种方法进行了更加深入的研究,最后得出:在浓度为20%的硫酸和温度为60℃的环境中水解36h,糖的最大获得率是30.41%｡经过脱毒处理之后,水解液在34℃时发酵84h,产品乙醇的浓度达到4.362g/L｡该法采用稀硫酸直接进行酸解稻草,不需要预处理过程,还原糖的收率显著提高,但酸解时会产生很多抑制物,致使后面的脱毒工艺很复杂,反应时间长,乙醇产率低。而生物酶法则因为零污染,反应条件温和的优点受到研究者们更多的青睐｡又如,在用麦秆糖化发酵得到乙醇的实验操作中,利用高温的蒸汽和碱处理麦秆,在底物浓度为2%,温度为50℃,pH为4.8的醋酸钠缓冲液的条件下,加入适量的液体酶进行水解,经过96h,使还原糖得率最高,可达34.76%｡得到的酶液中加入1%氮源之后,在pH为4.8,30%情况下发酵72h,预计乙醇产品的产量为4.83g/L｡

2.乙醇汽油存在的问题及解决办法

根据国家标准GB18351-2017车用乙醇汽油对蒸气压的要求,发现在实际调合组分油时存在蒸气压控制困难,常出现蒸气压卡边或超上限的状况｡根据笔者获得的研究资料可知,富含芳烃的重整汽油E10的蒸气压增幅达到17.5kPa,富含饱和烃的加氢裂化重汽油E10､直馏汽油E10､烷基化汽油E10､异构化汽油E10的蒸气压增幅为1.5~10kPa,富含烯烃的催化裂化汽油E10的蒸气压基本不变,优化乙醇汽油调合组分油的组成(尤其是控制芳烃含量)是控制乙醇汽油蒸气压不超上限的重要措施｡

针对乙醇具有亲水性,车用乙醇汽油容易出现分层的问题,另有学者以92号乙醇汽油(E10)为例进行了研究,结果表明:对于含水量小于0.404%的92号乙醇汽油,无论静置储存于室温还是低温环境中,水与乙醇汽油充分互溶,几乎不存在水分析出;在相同条件下,含水量大于等于0.404%的92号乙醇汽油,含水量越高,随静置储存时间的增加,水分沉降析出越明显,并且储存环境温度越低,水分析出量越多,越容易发生分层现象;储存在低温环境中的含水量大于等于0.404%的样品中有乙醇随水分一起析出,即低温环境不仅促进水分的析出,也会促进乙醇的析出｡针对乙醇汽油中存在的微量水分和杂质或氧化分解产生少量有机酸加重汽车油路系统的腐蚀与磨损的问题,乙醇在燃烧过程中产生乙酸，乙酸对汽车金属有腐蚀作用，有试验表明，在汽油中乙醇含量在10%以下时，对金属基本没有腐蚀，乙醇含量超过15%时，则必须添加有效的金属抑制剂。乙醇汽油不仅能减少汽车尾气，还具备良好的清洁作用，能有效地消除汽车油箱及油路系统中燃油杂质的沉淀和凝结，具有良好的汽车油路疏通作用。

3.结语

燃料乙醇汽油是符合我国能源战略的绿色清洁燃料,当前全球成熟的生物乙醇燃料生产技术都是以玉米､小麦､稻米等粮食作物为主要原料的,“非粮燃料乙醇”的技术创新和应用实践有助于解决“与人争粮”行业发展难题,实现可持续发展｡同时乙醇汽油在生产､推广以及使用过程中产生的问题同样值得关注,需要更多研究人员和科技工作者的不懈努力｡

参考文献

[1]何明雄,游洋,吴波,等.利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法[Z].国家科技成果.

[2]费华伟,王利宁,赫春燕,等.中国燃料乙醇发展现状及对石油行业的影响[J].国际石油经济,2017,25(11):40-44.

[3]娄岩.中国乙醇汽油和燃料乙醇市场供需现状[J].国际石油经济,2019,27(7):68-74.

[4]朱均均,陈尚,勇强,等.玉米秸秆生物炼制燃料乙醇的研究[J].林产化学与工业,2011(12):35-36.