推進(jìn)煤炭清潔高效利用
乙醇作為一種重要的化工原料，工業(yè)上可以通過糧食發(fā)酵或源于石油的乙烯進(jìn)行水合反應(yīng)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(guī)模化制造乙醇？2010年起，中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）所長劉中民團(tuán)隊(duì)在煤制乙醇領(lǐng)域開辟新路線，經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)和放大驗(yàn)證，為技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
日前，在陜西榆林榆神工業(yè)園，基于劉中民團(tuán)隊(duì)研究成果的全球規(guī)模最大的50萬噸/年煤基乙醇工業(yè)化項(xiàng)目正式建成。這一項(xiàng)目有哪些重大意義？記者進(jìn)行了采訪。
利用化石能源生產(chǎn)乙醇，符合實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的客觀要求
乙醇，不僅是重要的基礎(chǔ)化學(xué)品，也與人們的日常生活息息相關(guān)，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(zhì)，大幅減少車輛污染物排放。
“傳統(tǒng)乙醇生產(chǎn)技術(shù)主要以糧食為原料進(jìn)行發(fā)酵。”劉中民介紹，“目前，全世界乙醇產(chǎn)量約1億噸，主要利用糧食和甘蔗等生物原料生產(chǎn)。2020年，我國乙醇產(chǎn)量為987萬噸，其中燃料乙醇約274萬噸，主要利用陳糧進(jìn)行生產(chǎn)。”
據(jù)悉，當(dāng)前我國燃料乙醇產(chǎn)量無法滿足需求。劉中民算了筆賬：“2021年，我國汽油表觀消費(fèi)量為1.4億噸，需燃料乙醇1400萬噸。因此，提高燃料乙醇產(chǎn)量，對保障我國能源安全具有重要意義。”
與此同時(shí)，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(rèn)為，從生物質(zhì)發(fā)展的角度來看，用秸稈纖維素制乙醇是一個(gè)研究方向，盡管該技術(shù)取得了一些進(jìn)展，但由于經(jīng)濟(jì)性問題，目前還處于研發(fā)階段。
而利用化石能源生產(chǎn)乙醇，是科學(xué)家們努力的目標(biāo)。我國能源資源的特點(diǎn)為“富煤、貧油、少氣”，推進(jìn)煤炭清潔高效利用，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑。“我國煤炭資源量占化石能源的比例達(dá)到95%，因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤基乙醇成套技術(shù)符合我國的實(shí)際國情。”劉中民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始了新的嘗試。
一條全新的技術(shù)路線，以煤基合成氣為原料，經(jīng)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(tǒng)煤制乙醇的路線一般有兩條：一是煤經(jīng)合成氣直接制乙醇，二是煤經(jīng)乙酸制乙醇。
長期以來，煤經(jīng)合成氣直接制乙醇是個(gè)世界性難題，主要是因?yàn)樗枰觅F金屬做催化劑，效率低、腐蝕嚴(yán)重、設(shè)備成本高，一直停留在研究開發(fā)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化。”劉中民說。
而煤經(jīng)乙酸制乙醇是基于乙酸產(chǎn)能過剩的背景，因乙酸存在腐蝕性，需采用耐腐蝕的設(shè)備，裝置投資大、成本較高，也沒有大規(guī)模應(yīng)用。
經(jīng)過多年努力，大連化物所提出了全新的技術(shù)路線：以煤基合成氣為原料，經(jīng)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(chǎn)無水乙醇，是一條環(huán)境友好型技術(shù)路線。
這條技術(shù)路線并不好走。“二甲醚轉(zhuǎn)化反應(yīng)非常復(fù)雜，用不同的催化劑有完全不同的反應(yīng)，生成完全不同的產(chǎn)物。”劉中民說，為了找出合適的有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)路徑，僅二甲醚羰基化催化劑的研究和篩選，就歷經(jīng)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(gè)試驗(yàn)，不同的溫度、配比、壓力等條件下，需要一個(gè)個(gè)試。”大連化物所合成氣轉(zhuǎn)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(gè)小時(shí)，距離工業(yè)化應(yīng)用目標(biāo)很遠(yuǎn)。經(jīng)過近三年反復(fù)的試驗(yàn)、攻關(guān)，終于在2012年底出現(xiàn)曙光。
“開發(fā)出具有較好穩(wěn)定性的催化劑，壽命達(dá)到了900小時(shí)。”朱文良說，當(dāng)時(shí)大家很興奮，已經(jīng)到了技術(shù)突破的臨界點(diǎn)。
接下來，催化劑壽命不斷被延長：1150小時(shí)，6400小時(shí)，16000小時(shí)……一次次試驗(yàn)、改進(jìn)，具有高活性和高穩(wěn)定性的二甲醚分子篩羰基化催化劑終于被研制出來，為項(xiàng)目工業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
6年時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)室研究到工廠生產(chǎn)，煤基乙醇生產(chǎn)邁入工業(yè)化時(shí)代
研發(fā)的根本目的是為了應(yīng)用，這在項(xiàng)目研發(fā)之初就已成為共識。2012年，大連化物所和陜西延長石油集團(tuán)聯(lián)合開展“合成氣制乙醇整套工藝技術(shù)”項(xiàng)目研發(fā)工作；2013年完成了項(xiàng)目中試研究工作；2017年1月11日，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的全球首套10萬噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項(xiàng)目打通全流程，生產(chǎn)出合格無水乙醇。
劉中民說：“從實(shí)驗(yàn)室研究到工廠生產(chǎn)，我們前后只用了6年時(shí)間，速度算是非常快的。”
與傳統(tǒng)的乙醇合成技術(shù)相比，煤基乙醇工藝過程中無水或極少量水，分離所得產(chǎn)品直接為無水乙醇，降低了產(chǎn)品的分離能耗，節(jié)省了生產(chǎn)成本。工藝過程中采用的催化劑為常規(guī)的分子篩催化劑和銅基催化劑，成本也較低。同時(shí)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(shè)備投資。
“中間產(chǎn)物乙酸甲酯也是大宗化學(xué)品，可以按市場的需求及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。”劉中民說。在10萬噸示范項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，技術(shù)升級不斷迭代，50萬噸/年煤基乙醇項(xiàng)目已于2020年6月奠基動工。經(jīng)過2年多建設(shè)，預(yù)計(jì)今年9月該項(xiàng)目將投料試車。這將是全球規(guī)模最大的煤基乙醇項(xiàng)目，標(biāo)志著乙醇生產(chǎn)邁入大規(guī)模工業(yè)化時(shí)代，奠定了我國煤制乙醇技術(shù)的國際領(lǐng)先地位。
陜西延長石油榆神能源化工有限公司總經(jīng)理郭尊禮說：“項(xiàng)目用低階煤代替糧食制取乙醇，按照3噸糧食生產(chǎn)1噸乙醇測算，榆神50萬噸/年煤基乙醇項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，每年可節(jié)約生物乙醇原料糧150萬噸，相當(dāng)于榆林市全年糧食產(chǎn)量的65%。”
劉中民告訴記者，煤基乙醇技術(shù)不但可以以煤為原料，也能以天然氣、生物質(zhì)、鋼廠煤氣為原料生產(chǎn)乙醇，為煤炭資源的清潔、高效、低碳利用和國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
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