从玉米到汽车燃料中国燃料乙醇开发前景

从玉米到汽车燃料：中国燃料乙醇开发前景

周易，徐振东，陈宇凡，程序

北京大学化学与分子工程学院，北京100871

摘要：本文在说明乙醇汽油优点的前提下，调研了当前各国开发推广乙醇燃料汽油的经历和经验。基于我国目前的生产工艺建立了简单的数学模型。同时通过初步的模型分析，得到了我国开发燃料乙醇的一系列数据，并得出结论我国大体上适合乙醇混合汽油。

关键字：燃料乙醇，能源，生物质能，玉米

1、乙醇汽油的优点

当前社会正处于一个能源极度短缺时代，人们正努力寻找可替代化石燃料的能源，而在这个寻找过程中，燃料乙醇混合汽油被频频提起。毫无疑问，乙醇汽油一定有其自身的优点，才能够成为许多国家的开发目标。具体来说，它有如下优点：

1.减少化石燃料的消耗。毋庸置疑，作为一种可再生的生物能源，乙醇的添加将大大减少汽油的用量，从而减少化石能源的消耗。

2.减少环境污染。乙醇的辛烷值非常高，添加乙醇的汽油抗爆性能很不错，从而可以减少汽油添加剂的使用，特别是某些不良商贩添加的四乙基铅。

3.添加乙醇将提高汽油的燃烧率。作为含氧有机物，乙醇在燃烧过程中能为自身提供一部分氧。因此，相同量的空气条件下，乙醇汽油中的烃将得到更多的氧从而燃烧更充分。

2、各国推广生物乙醇的历程及经验

西欧、美洲是能源消耗量居世界前列的地区，在乙醇汽油的开发和推广方面也走得相对较远。

2.1巴西

作为目前世界上唯一不使用纯汽油燃料的国家，巴西的乙醇燃料推广经验值得我们探究、学习。

巴西的石油资源匮乏，20世纪20年代左右，巴西政府就开始乙醇混合燃料的研究和推广。随着第二次世界大战后石油危机的缓和，巴西的乙醇混合汽油的研究应用停滞不前。1974年的第一次全球石油危机促使巴西政府重新下决心开始乙醇混合汽油的研究。当1979年底二次全球石油危机出现时，巴西政府采取了一系列措施鼓励生产、使用混合汽油。同时，巴西汽车工业界也开始了对汽车发动机的改造，制造出了适合使用乙醇混合汽油的发动机。该批发动机能较好地利用混合燃料，而不至于受到乙醇的腐蚀性等问题的侵扰。巴西政府的乙醇混合汽油计划不但缓解了本国的石油供应危机，也大大促进了农业发展。甘蔗、玉米等农作物大量生产，形成了蔗糖、乙醇成套制造技术和乙醇汽车的科研和工业体系。

据文献记载，巴西使用混合燃料的汽车销量从1978年的只占汽车总销量的0.3%上升到1986年的90%以上。2000年，该国燃料乙醇总产量约占该国汽油消耗总量的1/3。[1]

2.2美国

美国推广车用乙醇汽油已有30年的历史。1973年中东战争爆发，国际市场上的石油价格从每桶3美元涨到12美元，上涨了4倍。1979年伊朗爆发了伊斯兰革命，次年两伊战争爆发，石油产量锐减，国际石油市场价格骤升，每桶石油的价格从1978年的14美元涨到了1981年的35美元。石油危机给人们的启示是要开发利用新能源。美国国会为减少对进口原油的依赖，于1979年建立了联邦政府的“乙醇发展计划”，开始大力推广使用含10%乙醇的混合燃料，并对燃料乙醇生产企业进行补贴，玉米产区的州政府还根据本州的具体情况给与一定的税收优惠。此举同时也起到了消化美国国内过剩的粮食，保护农民利益的作用。1990年，美国国会通过空气清净法修正案，乙醇作为主要含氧化物之一被广泛用于美国含氧汽油和新配方汽油生产。美国国会于2005年8月通过综合能源法，其中很重要的一项内容是可再生燃料标淮（RFS ）。RFS 要求在汽油总组成中加入特定数量的可再生燃料，而且每年将有递增。近年来，美国燃料乙醇加速发展，美国乙醇汽油消费总量已超过汽油消费总量的20%，全美玉米产量有12%用于生产燃料乙醇。（见下图）

3、乙醇汽油在中国的开发的可行性。

中国作为原油净进口国，国内化石燃料十分紧缺，同时，中国拥有大量的陈化粮食作物和粮食作物秸秆，这就为燃料乙醇的生产提供了大量来源。根据国内文献资料显示，我国汽油年消耗量约为3600万吨，以加入10%的乙醇计算（我国2003年开始实施的《车用乙醇汽油标准》规定，车用乙醇汽油只允许掺入体积分数为9.0%~10.5%的乙醇），需要360万吨。按3吨玉米生产1吨燃料乙醇计算，生产360万吨乙醇，需要1180万吨玉米，这些玉米仅占我国玉米年产量（1.25亿吨，2005年）的10%左右，如果算上玉米遗留下的秸秆所生产的乙醇，所占比例将会更加少。正常情况下我国每年有约1500万吨的玉米剩余，因此燃料乙醇的生产不会对粮食供应产生太大的冲击。

然而，我们也需要考虑另外几个问题，总的来说就是必须考虑总体效益。

3.1

能量效率。为了计算乙醇混合燃料提供的净能量，我们建立以下模型：美国乙醇年产量简图

0200

400

600

800

1000

1200

1400

1980198419861990199419982000200220032004

年份产量

产量

其中各数据意义及计算方法如下：

E1：玉米种植过程中施加化肥所含能量（假设机械、种子的能量可以忽略不计）。按照我国夏玉米主产区平均产量为7500kg/hm 2的估计值计算[2]，所需化肥用量为N :P 2O 5:K 2O =187.5kg :75.00kg :75.00kg,为平均8.925MJ/kg

E2、E4：产品运输过程中消耗的燃料能量。以假设玉米和燃料乙醇的平均运输距离分别为300km 和500km ，同时假设均使用柴油货车运输来计算，根据我国2004年交通运输企业主要经济技术指标显示，柴油货车的柴油消耗强度为0.017L/(t ·km)。0号柴油的平均热值为40193.28KJ/kg ，柴油的平均密度为0.87kg/L 。

：玉米生产乙醇及乙醇脱水时输入的能量。

E6：玉米生产乙醇产生的副产品输出的能量。

该两项计算参考张治山等的计算[3]，E3平均值为18.18MJ/kg,E6平均值为

4.23MJ/kg 。

模型分析指标：

净能量Enet =E5+E6–E1–E2–E3–E4

投入产出比4

3216

5E E E E E E ++++=

ηE1

E5