纤维素乙醇工业化正在路上——美国纤维素乙醇发展近况
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
能源问题在任何时候都是经济发展中的重要问题，是实施可持续发展战略的关键，在许多国家和地区制定的
长远发展规划中，能源都被列为核心问题之一。美国对能源问题做了长期系统的研究，并在2005年通过了《能
源政策法案》（Energy Policy Act of 2005），其中确定了要走可再生资源的道路，要发展生物乙醇替代（或掺
混）汽油。上届布什政府就此明确提出了两个目标：
（1）要用非食用生物质（包括大量农业废料）制乙醇，到2012年使其成本能与汽油竞争；
（2）增加可再生、可替代燃料的应用，2017年达到350亿加仑/a。
为此，美国能源部于2007年2月选择确定了6家纤维素制乙醇厂，计划对它们赞助3.85亿美元，而对产业
的总投资将超过12亿美元，以改善“美国热衷于油”的现状，增强国家能源的安全性。
2009年4月27日美刊《化学与工程新闻》以封面文章形式发表一篇文章《纤维素产品的相应增长》（Cellulosic
Scale-up），详细地报道了美国纤维素乙醇制造业的近况，重点介绍了能源部支持的乙醇生产厂在将废料转化成
可用燃料的工业化过程中所遇到的各种困难与问题。现摘要介绍于下。
一、新生产业面临挑战
在美国能源部选定各项目计划2年后，尚没有一个项目完成，目前只有1处正在建设中，有2个项目直接取
消了原定建设计划。新生的纤维素乙醇产业面临一些恼人的难题，在确保原料安全供应、获取建设资金及找寻市
场等方面缺乏经验。
纤维素乙醇项目的技术包括酶水解、酸水解和气化，所选择的地址要考虑能否以玉米芯或木材碎片为原料，
被选定的公司都是以纤维素废料制乙醇，而且各自具有不同的优势。能源部计划在4年内拨付赞助资金，但公司
还要承担装置费用的60%，项目全部建成开工生产后，获资建设的6套装置计划每年生产1.3亿加仑纤维素乙醇。
能源部项目负责人认为当前要评论纤维素制乙醇在成本上是否具有竞争力为时尚早，但是可以开始研究该问题对
于乙醇工艺放大方面带来的挑战，这不仅是技术问题，而是为了解决成本高于市场能接受价格所造成的困难。管
理部门认为，从长期看纤维素乙醇项目将对私人投资形成吸引力，但也会使其面临巨大的挑战，因此要格外重视
成本因素，仔细探讨项目中不同集成路线及放大手段间的差别。
美国能源部赞助支持的6家公司的项目各有特点，现分述于下：
1. Poet：预计其纤维素乙醇装置将于2011年开工生产，该装置位于一家大型玉米乙醇厂附近，通过酶破碎
纤维素，经糖发酵制乙醇。
该公司的项目负责人对能源部的赞助计划评价很高，因为该计划能帮助他们实现工业规模生产。同时他们十
分关注联邦政府的相关政策，例如规定汽油加油站的乙醇含量不能超过10%，较高乙醇含量掺混汽油是否会增加
末端尾气的排放还有待环境保护署研究。如果掺混量比例不能增加就可能影响纤维素乙醇的生产。
2. Alico：公司原计划将装置建在佛罗里达州的拉贝尔（LaBelle），采用草、木和蔬菜废料作原料制乙醇，
但2008年6月该项目因风险性过大而被停止。
3. Iogen：该公司原为加拿大酶制造商，项目计划修建在爱达荷州的谢利（shelley），采用农业废料（麦杆、
玉米桔杆等）为原料。目前该公司已在渥太华建有世界上最大的农业废料制纤维素乙醇示范装置，每天处理原料
33 t。该公司还计划利用最先进技术扩大生产能力，但尚未最后确定。
4. Blue Fire Ethanol：该公司项目主要采用浓酸水解工艺，原料为城市纤维素垃圾（如碎草和碎树枝），
但装置地址尚未确定，其垃圾处理场的位置也有待确定。
5. Range Fuel：这将是美国第一座大型生物质乙醇装置，它采用气化技术，以木材碎片为主要原料，加压
下制合成气，再通过催化剂制乙醇。装置已开始建设，将于2010年投入生产。
6. Abengoa Biorefinery： 原为西班牙乙醇公司，通过酶破碎不可食用的玉米纤维素和农业废料，该项目
将于2010年在堪萨斯州开工建设，2011年末建成投产。该公司还在研究热化学生产方法，这也是能源部计划支
持的项目之一。
二、找寻稳定原料供应源
从上述情况可见纤维素乙醇生产的工业化道路充满困难。Iogen公司认为其中有6个相互并不关联的步骤：
第一步是实现示范装置成功运转；二是必须选择合适的工业化装置地址；三是签订原料合同；四是购买土地；五
是取得政府支持，分担财政风险；六是吸引足够的政府和私人投资用于建设乙醇生产装置。为了得到能源部的赞
助资金，每个项目计划都必须显示出其强劲的技术实力，要有独立的优势测评，而且还要能证明已经成功通过中
试装置试验。目前尚没有某家公司宣布下一步方案，即选择工业化装置地点并能确保在合理价位上的原料供应。
据能源部一位官员介绍，农业废料类原料看似免费，但实际上并非如此，由于公司往往没有计算整个供应链的成
本，特别是轻质玉米杆的运输费用常常要增加10倍。因此使用高密度的玉米芯更具经济性，而且农民在收获时
收集玉米芯比较容易，Poet公司为此与12家农业机械制造商合作制造了玉米芯收获机械。
有些计划项目具有邻近纤维素资源集中地的优势，如木材加工厂或垃圾填埋处，Range Fuel公司就把在乔治
亚州的木材工业中心Soperton购地建厂作为其战略选择，因为Soperton周围是木材森林，可以获得丰富的原料。
Blue Fire公司也在努力获取类似的优势，该公司正在南加州进行购地建厂谈判，目的是应用城市垃圾作为原料，
这需要在社区或填埋场附近建装置，当然还要考虑制成乙醇后无需长途运输便可送达用户。此外，购地后要取得
环保部门的批准也很费时，完成《国家环境政策法》（NEPA）的测评一般要18个月。对大多数计划项目，能源部
一般都是提供10%~20%的赞助金作为评审和设计费用。Abengoa公司在建工艺获得了能源部的大力支持，并将提
供较多的排放信息和设计情况。
三、多方获取资金支持
Range Fuel公司的装置建设费用不到2亿美元，除了得到能源部7600万美元赞助外，还需要在2008年内取
得1亿美元投资。2009年1月，该公司已得到农业部8000万美元的信贷保证；Poef从能源部得到8000万美元，
并有望取得州政府2000万美元的赞助金以及减免税额和退税优惠，此外还打算吸引私人投资以满足建厂所需的2
亿美元。由于私人投资者担心第一套装置在经济上不具优势，要求有信贷保证，Poef和其他3家公司的项目都已
向能源部申请了信贷保证。纤维素乙醇还没有实现工业化生产，因此投资者在看到成功实例前往往不会投资，他
们需要进行比较以选择最佳的模式。根据信贷保证，纤维素乙醇公司除了要获得更具竞争力的价格制造乙醇外，
还要做许多工作。能源部指出：可再生能源信贷保证计划给予可大幅降低温室气体排放的项目很大优先权，与2007
年能源部赞助金计划不同，该计划只关注国内用燃料的工业生产以加强能源的安全。
纤维素乙醇生产中产生的温室气体量尚未确定，但可能会比其他生物燃料高。据Gallaghar报告估计,由农
林废料制造的纤维素乙醇与化石燃料相比可能会减少80%~90%的温室气体排放量；由玉米生产乙醇的影响因素较
复杂，且与种植生长情况有关，一般是化石燃料排放温室气体量的30%~35%。根据上述情况，纤维素乙醇项目在
2010年年初前恐难以通过信贷保证，这就将影响装置建设进程。为了吸引资金，纤维素从业者都希望通过技术实
现2美元/加仑的乙醇生产，因为只有此价格才能与玉米制乙醇相竞争。
四、相关政策影响
对美国纤维素乙醇产业影响更重要的是联邦政府2010年出台了可再生燃料标准，掺混燃料公司（乙醇与汽
油掺混后送入加油站）将以何价格出售可再生燃料已成为《能源独立与安全法2007》的一部分。美政府要求增加
可再生燃料的使用：2008年要增加到90亿加仑玉米乙醇；在2010年将纤维素乙醇纳入该标准，掺混公司要采用
1亿加仑纤维素乙醇；到2022年，可再生燃料的使用量要提高到360亿加仑，其中包括160亿加仑纤维素乙醇。
到2010年，美国生物燃料生产计划（包括小型示范装置）的总产量不过2850万加仑，其中Range Fuel公司将
占最大份额（1000万加仑）。据最乐观估计，2010年生物燃料的产量至少要达到2.467亿加仑，而可再生燃料标
准需要是2.5亿加仑，将短缺近1亿加仑，燃料掺混商对此短缺持谨慎态度。为解决2010、2011年的差额，凡
不能得到足够的纤维素乙醇的掺混商将要从环保署购买生物燃料信贷，每加仑约2美元。
2009年的燃料需求较低，共需110亿加仑可再生燃料，这就意味掺混商需要玉米乙醇或信贷支持来进行超过
10%的汽油生产。应当指出的是可再生燃料标准和乙醇/汽油掺混界线是两个政策，当前汽油最高含10%乙醇，从
2010年开始燃料掺混商必须使用更多乙醇，因此信贷将更有价值，它可能会推动乙醇单价改变。乙醇制造商希望
能在近期解决掺混界线的难题，能源部正在研究高含量乙醇汽油对排放和引擎磨损的影响，从已经发表的数字看
提高乙醇含量达到15%~20%不会产生明显的负面影响。
在燃料供应中使用更多乙醇的另一种方法是增加可使用E85（含乙醇85%的燃料）的车辆，据能源部称，当
前美国汽车中仅有1%具有灵活使用燃料的能力，从目前市场情况看，此份额不会很快变化。与此同时，纤维素乙
醇的项目进展很慢，以玉米为原料的乙醇仍将保持优势地位，在2013年以前，纤维素乙醇的生产很难达到汽油
消耗量的2%~3%。按国家法令要求，大幅度增产纤维素乙醇在技术或政策层面上看都是不可能的。Sandia国家试
验室设计了一个计算机模型来研究纤维素乙醇从田地到加油站整个过程中的各种因素，其中的重要指导思想是假
设纤维素乙醇价格具有与常规汽油的竞争性——假设每千吨生物质能生产乙醇95加仑，而目前大规模生产的收
率也只有65加仑/千吨。该研究提出无论汽油在加油站售价是否保持在2.65美元/加仑，乙醇已经降价，如果油
价低于90美元/桶，纤维素乙醇则难以与汽油竞争。更重要的是，即使纤维素乙醇能进行有效生产，但要在2022
年前实现大幅度增长仍须依靠政府政策支持，因此建议实施价格稳定的长远能源政策，不考虑油价和经济周期的
变化，也能保持能源高度的多样性。该报告还建议政府要有额外的市场优惠和碳定价，以便将投资风险减小到最
低程度。
五、前景与启示
虽然纤维素乙醇的生产遇到许多困难，但是相关项目计划仍可得到投资，因此企业在技术放大过程中能聘用
许多化学家、生物学家和工程师。清洁能源计划对于政府和各州的立法具有很大的魅力，因此有远见的从业者可
吸收税务和其他方面的优惠政策。虽然纤维素乙醇产业的发展情况尚不明朗，但从政策支持上看，在未来3年内
还会有所发展，但需要考虑风险回报等各种因素。纤维素乙醇工业放大要与其他工业过程平行同步，须要吸取其
他工业规模炼厂的经验，在未来几年内使其价格能与化石燃料相当。通过以上报道，我们可以得到以下几点启示：
（1）美国是世界上能源消耗量最大的国家，能源问题对其尤为严峻。近年来，美国对能源问题进行了系统研
究并公布了能源计划和发展战略，明确以可再生能源的发展和利用为长远目标。为了能实现这一目标，它们制定
了路线图，并从现在的基础上进行实施。
（2）乙醇掺混汽油已经确定，为了不用可食用原料制乙醇，纤维素乙醇将是发展重点，为此政府予以支持。
各方能在共识下进行合作，虽然困难重重、进展不快，但是大家为了既定的长远目标克服困难，奋力前进。
本文来源：Cellulosic Scale-up, C&EN. Vol 1.87, NO.17, Apr. 27(2009), P10~13