另辟“賽道”制乙醇

乙醇，俗稱(chēng)酒精，既是重要的基礎化學(xué)品，也是世界公認的清潔燃料。全球66%的乙醇被添加到汽油中，用作燃料乙醇，大幅減少了污染物排放。

然而，我國使用乙醇汽油卻相對較少。說(shuō)起個(gè)中原因，中科院大連化物所所長(cháng)劉中民院士告訴科技日報記者：“關(guān)鍵在于需求大，乙醇產(chǎn)量根本不夠。”

過(guò)去，乙醇生產(chǎn)主要以糧食為原料，但這會(huì )造成與人爭糧、與糧爭地的問(wèn)題。糧食安全是國家頭等大事，該技術(shù)路徑并不適合在我國大范圍推廣。

為了讓乙醇生產(chǎn)與糧食脫鉤，劉中民團隊一直在化石能源制乙醇的方向上攻關(guān)。經(jīng)過(guò)十多年努力，他們終于成功開(kāi)辟出煤基乙醇的新“賽道”。

過(guò)不了“經(jīng)濟關(guān)”

我國化石能源資源儲量中，煤炭占比達95%。

“開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的煤基乙醇成套技術(shù)，符合我國的實(shí)際國情。”劉中民團隊對此有清醒的認識。

煤制乙醇，雖然方向明確，但團隊成員、中科院大連化物所研究員朱文良坦言，“不是大家不想做，而是這件事情實(shí)在不好做。”多年來(lái)，這條“賽道”上聚集了來(lái)自全球諸多國家的競爭者，卻都止步于研究開(kāi)發(fā)階段，未能實(shí)現工業(yè)化。

傳統的煤制乙醇技術(shù)路線(xiàn)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。

“這兩條路都荊棘密布，離實(shí)際應用比較遠。”劉中民說(shuō)。

煤經(jīng)合成氣直接制乙醇是個(gè)世界性難題，主要因為需要用到貴金屬催化劑銠。

“這條技術(shù)路線(xiàn)不僅產(chǎn)量很低，還會(huì )造成設備腐蝕，生產(chǎn)成本太高，不具有經(jīng)濟可行性，無(wú)法實(shí)現工業(yè)化。”劉中民解釋。

煤經(jīng)乙酸制乙醇的技術(shù)路線(xiàn)也過(guò)不了“經(jīng)濟關(guān)”。

“乙酸具有很強的腐蝕性，生產(chǎn)裝置需要用到昂貴的抗腐蝕材料，導致生產(chǎn)裝置的投資特別大。”劉中民說(shuō)，更重要的是，這條技術(shù)路線(xiàn)也要使用貴金屬催化劑，“企業(yè)要算經(jīng)濟賬，不太愿意投入。”

掃除催化劑“攔路虎”

兩條傳統的技術(shù)路線(xiàn)都走不通，怎么辦?只能另辟“賽道”!

2010年10月，劉中民研究團隊在一條全新的“賽道”上，正式開(kāi)展煤制乙醇技術(shù)攻堅。

“這條新‘賽道’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。”在劉中民看來(lái)，這條路線(xiàn)最有希望實(shí)現煤經(jīng)合成氣制乙醇，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟性。

然而，“這條技術(shù)路線(xiàn)并不好走，催化劑活性低、穩定性差，是很大的‘攔路虎’。”朱文良說(shuō)。

為找出合適的有工業(yè)應用價(jià)值的二甲醚羰基化催化劑，研究人員進(jìn)行了多年艱辛探索。

2010年至2012年，朱文良和研究團隊成員做了大量催化劑研究和篩選試驗，但始終沒(méi)有突破，催化劑的壽命一直停留在幾十個(gè)小時(shí)。

“在這個(gè)階段，要篩選大批催化劑，每種至少開(kāi)展10個(gè)試驗，在不同的溫度、配比、壓力等條件下，一個(gè)個(gè)試。”團隊成員劉紅超至今難忘這段最煎熬的日子——明明很努力，但一直看不到突破的希望。特別是有一次，試驗快做完時(shí)，突然因為打雷停電了，數據丟失，只能從頭再來(lái)。

研究沒(méi)有突破，沮喪也在所難免?；貞浧鹉嵌螘r(shí)間，朱文良說(shuō)，睡不著(zhù)覺(jué)是常有的事。但慶幸的是，“那時(shí)我們都是年輕人，大家勁往一處使，沒(méi)有一個(gè)人放棄”。

2013年初，團隊成員終于看到了期盼已久的曙光。新開(kāi)發(fā)出的催化劑穩定性較好，壽命達到900小時(shí)，已經(jīng)到了技術(shù)突破的臨界點(diǎn)。

接下來(lái)，催化劑壽命被不斷延長(cháng)：1150小時(shí)，6400小時(shí)，16000小時(shí)……催化劑的難關(guān)總算過(guò)去了。

在爭吵中加深理解

在提高催化劑壽命的同時(shí)，試驗規模也在擴大。

中試是一個(gè)承上啟下、把實(shí)驗室成果往工業(yè)化應用的過(guò)程，催化劑填裝量從1克變成100克，放大了100倍。

“放大過(guò)程中，每個(gè)條件都會(huì )影響試驗的運行結果，直接關(guān)系到試驗的成功與否。”朱文良介紹，中試不同于實(shí)驗室的小試研究，大家都沒(méi)干過(guò)，“加上開(kāi)始的試運行，共失敗了4次，當時(shí)壓力真的很大。”

沒(méi)有啃不下來(lái)的“硬骨頭”，沒(méi)有闖不過(guò)去的“火焰山”。

“每次失敗后，我們都會(huì )復盤(pán)，分析到底是哪個(gè)地方出現問(wèn)題，應該如何避免，還有什么潛在的問(wèn)題和風(fēng)險，下一次試驗該如何優(yōu)化。”朱文良說(shuō)，因為看問(wèn)題的角度不同，復盤(pán)的過(guò)程中，團隊成員經(jīng)常發(fā)生爭論，“但回頭看，吵的過(guò)程也是加深理解、認清規律的過(guò)程。”

與爭論相伴的，是常態(tài)化地加班討論試驗方案。

功夫不負有心人。2017年1月11日，具有我國自主知識產(chǎn)權技術(shù)的全球首套10萬(wàn)噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項目打通全流程，生產(chǎn)出合格無(wú)水乙醇。

黨的二十大報告指出，必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng )新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國戰略、人才強國戰略、創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略，開(kāi)辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動(dòng)能新優(yōu)勢。

最近，全球首套20萬(wàn)噸/年焦爐煤氣制乙醇項目已成功投產(chǎn)。劉中民團隊在煤基乙醇這條新“賽道”上奮力奔跑，跑出了新動(dòng)能新優(yōu)勢!