全球規模最大的年產50萬噸煤基乙醇工業化項目在陜西榆林正式建成
推進煤炭清潔高效利用(科技視點)
乙醇作為一種重要的化工原料，工業上可以通過糧食發酵或源于石油的乙烯進行水合反應來制取。然而這兩種方法都不完美：前者“與人爭糧”，后者成本較高且依賴石油資源。除了這兩種方法，還有沒有其他途徑規模化制造乙醇？2010年起，中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱“大連化物所”)所長劉中民團隊在煤制乙醇領域開辟新路線，經過多年技術攻關和放大驗證，為技術的大規模工業化奠定了堅實的基礎。
日前，在陜西榆林榆神工業園，基于劉中民團隊研究成果的全球規模最大的50萬噸/年煤基乙醇工業化項目正式建成。這一項目有哪些重大意義？記者進行了采訪。
利用化石能源生產乙醇，符合實現“雙碳”目標的客觀要求
乙醇，不僅是重要的基礎化學品，也與人們的日常生活息息相關，可用于制造飲料、香精、消毒劑等。無水乙醇可以作為汽油添加劑即燃料乙醇來使用，能夠有效改善汽油品質，大幅減少車輛污染物排放。
“傳統乙醇生產技術主要以糧食為原料進行發酵。”劉中民介紹，“目前，全世界乙醇產量約1億噸，主要利用糧食和甘蔗等生物原料生產。2020年，我國乙醇產量為987萬噸，其中燃料乙醇約274萬噸，主要利用陳糧進行生產。”
據悉，當前我國燃料乙醇產量無法滿足需求。劉中民算了筆賬：“2021年，我國汽油表觀消費量為1.4億噸，需燃料乙醇1400萬噸。因此，提高燃料乙醇產量，對保障我國能源安全具有重要意義。”
與此同時，我國地少人多，糧食安全是頭等大事，以糧食為原料制備燃料乙醇，并不適合大范圍推廣。劉中民認為，從生物質發展的角度來看，用秸稈纖維素制乙醇是一個研究方向，盡管該技術取得了一些進展，但由于經濟性問題，目前還處于研發階段。
而利用化石能源生產乙醇，是科學家們努力的目標。我國能源資源的特點為“富煤、貧油、少氣”，推進煤炭清潔高效利用，是實現碳達峰、碳中和目標的重要途徑。“我國煤炭資源量占化石能源的比例達到95%，因此，開發具有自主知識產權的煤基乙醇成套技術符合我國的實際國情。”劉中民帶領團隊開始了新的嘗試。
一條全新的技術路線，以煤基合成氣為原料，經甲醇、二甲醚羰基化、加氫合成乙醇
煤制乙醇，方向明確，做起來卻非常艱難。傳統煤制乙醇的路線一般有兩條：一是煤經合成氣直接制乙醇，二是煤經乙酸制乙醇。
長期以來，煤經合成氣直接制乙醇是個世界性難題，主要是因為它需要用貴金屬做催化劑，效率低、腐蝕嚴重、設備成本高，一直停留在研究開發階段。“這條路線的催化劑要用到貴金屬銠，它比鉑金還貴幾倍，不利于推廣，難以實現工業化。”劉中民說。
而煤經乙酸制乙醇是基于乙酸產能過剩的背景，因乙酸存在腐蝕性，需采用耐腐蝕的設備，裝置投資大、成本較高，也沒有大規模應用。
經過多年努力，大連化物所提出了全新的技術路線：以煤基合成氣為原料，經甲醇、二甲醚羰基化、加氫合成乙醇。該路線采用非貴金屬催化劑，可以直接生產無水乙醇，是一條環境友好型技術路線。
這條技術路線并不好走。“二甲醚轉化反應非常復雜，用不同的催化劑有完全不同的反應，生成完全不同的產物。”劉中民說，為了找出合適的有工業應用價值的技術路徑，僅二甲醚羰基化催化劑的研究和篩選，就歷經多年艱辛探索。
“前期小試階段要篩選大批催化劑，每種至少做10個試驗，不同的溫度、配比、壓力等條件下，需要一個個試。”大連化物所合成氣轉化研究組組長朱文良說。
在最初研究階段的2010年至2012年，催化劑壽命一直停留在幾十個小時，距離工業化應用目標很遠。經過近三年反復的試驗、攻關，終于在2012年底出現曙光。
“開發出具有較好穩定性的催化劑，壽命達到了900小時。”朱文良說，當時大家很興奮，已經到了技術突破的臨界點。
接下來，催化劑壽命不斷被延長：1150小時，6400小時，16000小時……一次次試驗、改進，具有高活性和高穩定性的二甲醚分子篩羰基化催化劑終于被研制出來，為項目工業化奠定了堅實的基礎。
6年時間完成實驗室研究到工廠生產，煤基乙醇生產邁入工業化時代
研發的根本目的是為了應用，這在項目研發之初就已成為共識。2012年，大連化物所和陜西延長石油集團聯合開展“合成氣制乙醇整套工藝技術”項目研發工作；2013年完成了項目中試研究工作；2017年1月11日，具有我國自主知識產權技術的全球首套10萬噸/年煤基乙醇工業示范項目打通全流程，生產出合格無水乙醇。
劉中民說：“從實驗室研究到工廠生產，我們前后只用了6年時間，速度算是非常快的。”
與傳統的乙醇合成技術相比，煤基乙醇工藝過程中無水或極少量水，分離所得產品直接為無水乙醇，降低了產品的分離能耗，節省了生產成本。工藝過程中采用的催化劑為常規的分子篩催化劑和銅基催化劑，成本也較低。同時工藝中無需添加碘甲烷等鹵化物助劑，避免了抗腐蝕特殊材料鋯材或哈氏合金的使用，減少了設備投資。
“中間產物乙酸甲酯也是大宗化學品，可以按市場的需求及時調整產品結構。”劉中民說。在10萬噸示范項目的基礎上，技術升級不斷迭代，50萬噸/年煤基乙醇項目已于2020年6月奠基動工。經過2年多建設，預計今年9月該項目將投料試車。這將是全球規模最大的煤基乙醇項目，標志著乙醇生產邁入大規模工業化時代，奠定了我國煤制乙醇技術的國際領先地位。
陜西延長石油榆神能源化工有限公司總經理郭尊禮說：“項目用低階煤代替糧食制取乙醇，按照3噸糧食生產1噸乙醇測算，榆神50萬噸/年煤基乙醇項目建成投產后，每年可節約生物乙醇原料糧150萬噸，相當于榆林市全年糧食產量的65%。”
劉中民告訴記者，煤基乙醇技術不但可以以煤為原料，也能以天然氣、生物質、鋼廠煤氣為原料生產乙醇，為煤炭資源的清潔、高效、低碳利用和國家“雙碳”目標的實現提供強有力的技術支撐。
