用煤釀“酒”煤化工還有多少可能？

煤基制乙醇技術(shù)產(chǎn)業(yè)化終于打通“最后一公里”。4月12日，延長(cháng)中科(大連)能源科技股份有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)延長(cháng)中科公司)暨甲醇(二甲醚)制無(wú)水乙醇技術(shù)產(chǎn)業(yè)化啟動(dòng)儀式在中科院大連化學(xué)物理研究所舉行。

今年1月，由大連化物所和延長(cháng)石油集團共同研發(fā)、具有我國自主知識產(chǎn)權的全球首套煤基乙醇工業(yè)化示范裝置產(chǎn)出合格產(chǎn)品。至今，該裝置已穩定運行3個(gè)多月。這是繼煤制油、煤制乙二醇等技術(shù)之后，我國煤化工領(lǐng)域取得的又一世界級成果。

為了推進(jìn)煤基制乙醇技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，大連化物所與延長(cháng)石油集團共同發(fā)起成立了一家以催化劑生產(chǎn)與工藝推廣為主的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化公司——延長(cháng)中科公司。

為什么要研發(fā)煤基制乙醇技術(shù)?這項技術(shù)到底牛在哪兒?工業(yè)化前景如何……帶著(zhù)相關(guān)問(wèn)題，記者近日走進(jìn)大連化物所。

煤制燃料乙醇：

出于能源安全和糧食安全考慮

“我們盯這個(gè)事兒很久了。”中國工程院院士、大連化物所所長(cháng)劉中民告訴記者，始建于1949年3月的中科院化物所，歷來(lái)關(guān)注中國的能源供應和化石資源利用問(wèn)題，煤化工是一個(gè)重點(diǎn)研究方向。獲2014年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎的甲醇制取低碳烯烴技術(shù)，就出自劉中民帶領(lǐng)的甲醇制烯烴國家工程實(shí)驗室。

據中科院副院長(cháng)張濤介紹，煤基乙醇工業(yè)化項目是中科院戰略性先導科技專(zhuān)項“低階煤清潔高效梯級利用關(guān)鍵技術(shù)與示范”中的一項重要研究項目，也是中科院大連化物所和延長(cháng)石油集團共同研發(fā)的成果。

“煤基制乙醇技術(shù)的應用，將有效彌補石油資源不足、緩解我國燃料乙醇對糧食的依賴(lài)，為我國能源安全和糧食安全提供有力保障。”中科院院長(cháng)白春禮如是評價(jià)煤基制乙醇技術(shù)。

“乙醇是個(gè)好東西。”劉中民說(shuō)，全世界66%的乙醇都被用作燃料乙醇，是公認的綠色環(huán)保汽油添加劑。從原理上講，汽油分子中不含氧，而乙醇含35%的氧，在汽油中添入乙醇，有助于充分燃燒，可使汽車(chē)污染物綜合排放量降低三分之一以上。對于飽受霧霾之苦的中國而言，推廣乙醇汽油也利于減少大氣污染。

從國家能源安全的角度看，用煤基乙醇替代石油，可減少原油消耗，減少石油依賴(lài)。2016年，中國汽油表觀(guān)消費量11983萬(wàn)噸，按國內E10乙醇汽油標準(用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調和而成)，需燃料乙醇1198萬(wàn)噸。“十二五”期間，我國燃料乙醇目標產(chǎn)量為500萬(wàn)噸/年，至2020年目標產(chǎn)量為1000萬(wàn)噸/年，而2015年國內燃料乙醇產(chǎn)量?jì)H為250萬(wàn)噸。經(jīng)多年試點(diǎn)，目前只有11個(gè)省份推廣使用乙醇汽油。

美國和巴西于上世紀80年代開(kāi)始大力發(fā)展燃料乙醇。我國探索發(fā)展了燃料乙醇及乙醇汽油。但基于以全球7%耕地養活全球20%人口的現實(shí)國情，以糧食為原料制備燃料乙醇顯然不適合在我國大范圍推廣。為避免出現“與人爭糧”的局面，2006年，國家收回了糧食制備燃料乙醇項目審批權。

“美國人用玉米，巴西人用甘蔗，但我們不能這么干啊，必須讓乙醇和糧食脫鉤。”劉中民說(shuō)，“我國煤炭資源豐富，用煤制乙醇，是出于能源安全和糧食安全的考慮。”

工藝路線(xiàn)：

催化劑穩定可靠不用貴金屬

用煤制乙醇，并非中國人第一個(gè)想到。但長(cháng)期以來(lái)，因難以回避貴金屬催化劑、效率較低以及設備腐蝕等問(wèn)題，煤經(jīng)合成氣直接制乙醇是一項世界性挑戰。

“煤基制乙醇傳統路線(xiàn)中，催化劑要用到貴金屬銠，比黃金還貴，不利于推廣，無(wú)法實(shí)現工業(yè)化。”劉中民說(shuō)。

但這個(gè)難題最終讓中國人破解了。大連化物所提出以煤基合成氣為原料，經(jīng)甲醇、二甲醚羰基化、加氫合成乙醇的工藝路線(xiàn)。該路線(xiàn)采用非貴金屬催化劑，可以直接生產(chǎn)無(wú)水乙醇。其核心為二甲醚在分子篩催化劑上的羰基化反應。這個(gè)反應打破了以金屬為催化劑的傳統羰基化反應理念，國外研究機構都很關(guān)注，但在催化劑的活性和穩定性上長(cháng)期沒(méi)有突破。

“目前，國內外有很多公司、大學(xué)、研究機構等都在做相關(guān)實(shí)驗，很多比我們還早。”大連化物所合成氣轉化研究組組長(cháng)朱文良告訴記者，截至目前國內外還沒(méi)有一家機構宣布有重大突破。

2010年，在劉中民的帶領(lǐng)下，由朱文良、劉紅超和劉勇組成的課題組，開(kāi)始進(jìn)行煤基乙醇技術(shù)關(guān)鍵催化劑研發(fā)。

“做催化劑篩選工作，過(guò)程還是比較坎坷的。”劉紅超感慨地說(shuō)。二甲醚轉化反應非常復雜，有上萬(wàn)種反應產(chǎn)物，上百種反應路徑。為了研發(fā)出適合工業(yè)化生產(chǎn)的催化劑，該團隊從2010年到2013年做了無(wú)數次試驗。催化劑的壽命也從最初的100小時(shí)延長(cháng)到6400小時(shí)。

2013年，該團隊完成二甲醚羰基化催化劑長(cháng)周期壽命實(shí)驗，催化劑定型后開(kāi)展了反應的中試放大實(shí)驗。

在煤基制乙醇技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，大連化物所并非孤軍奮戰。早在2010年，該所就與延長(cháng)石油集團簽訂了全面戰略合作協(xié)議，后者不僅提供資金支持，還參與了工藝包設計等。2014年，大連化物所與延長(cháng)石油集團聯(lián)合啟動(dòng)了10萬(wàn)噸/年合成氣制乙醇工業(yè)示范項目。2016年10月，示范裝置建成。2016年12月，示范裝置開(kāi)始聯(lián)動(dòng)試車(chē)。2017年1月11日，示范裝置產(chǎn)出合格無(wú)水乙醇產(chǎn)品，純度達到99.71%，主要指標均達到或優(yōu)于設計值。

工業(yè)推廣：

技術(shù)優(yōu)勢帶來(lái)市場(chǎng)競爭力

“真正牛的技術(shù)，不用過(guò)多政策扶持，也能有市場(chǎng)競爭力。”談到煤基制乙醇技術(shù)的工業(yè)化前景時(shí)，劉中民自信地說(shuō)。

據介紹，除了催化劑的突破外，與傳統的乙醇合成技術(shù)相比，大連化物所開(kāi)發(fā)的煤基制乙醇技術(shù)還有以下特點(diǎn)：工藝過(guò)程無(wú)水，分離產(chǎn)品直接為無(wú)水乙醇;工藝中無(wú)需添加碘甲烷等鹵化物助劑，避免腐蝕，減少設備投資;羰基化過(guò)程中無(wú)需高純一氧化碳和氫氣，降低氣體分離能耗，節約生產(chǎn)成本。

劉中民給記者算了一筆賬：1噸甲醇成本在1000元至1500元之間，1.5噸甲醇可制1噸乙醇，加上其他費用，1噸乙醇成本在2500元到3250元之間，乙醇的市場(chǎng)價(jià)為5000元/噸。“貴的時(shí)候1噸乙醇能賣(mài)到七八千元，咋能不掙錢(qián)呢?”劉中民說(shuō)。

另外，該項目中反應器、工藝條件與合成氣制甲醇工藝基本一致，可把現有甲醇廠(chǎng)改造為乙醇廠(chǎng)，為消化甲醇過(guò)剩產(chǎn)能提供新的技術(shù)路線(xiàn)。“目前，國內甲醇產(chǎn)能達到八九千萬(wàn)噸，但開(kāi)工率只有58%，如果把甲醇廠(chǎng)改造為乙醇廠(chǎng)，效益會(huì )好得多。”劉中民認為，這將有利于推動(dòng)我國煤化工產(chǎn)業(yè)結構的轉型。

從原理上講，天然氣和煤一樣，部分氧化后得到合成氣，進(jìn)而合成乙醇，所以煤基乙醇技術(shù)也可以用作天然氣原料生產(chǎn)乙醇，助推“一帶一路”戰略在沿線(xiàn)富有天然氣資源國家的實(shí)施。

張濤指出，該項目的成功，為今后大規模工業(yè)化裝置建設、生產(chǎn)和運行提供了關(guān)鍵技術(shù)數據和寶貴的經(jīng)驗，標志著(zhù)我國將率先擁有設計和建設百萬(wàn)噸級大型煤基乙醇工廠(chǎng)的能力，使我國大范圍推廣乙醇汽油成為可能。

延長(cháng)石油集團董事長(cháng)賀久長(cháng)透露，在10萬(wàn)噸/年裝置的基礎上，目前延長(cháng)石油集團已經(jīng)完成了50萬(wàn)噸/年工業(yè)化裝置的可行性研究，并啟動(dòng)了工藝包的設計開(kāi)發(fā)工作。

相關(guān)鏈接：

乙醇，俗稱(chēng)酒精，既是重要的基礎化學(xué)品，又與日常生活息息相關(guān)。酒精可勾兌白酒飲用、75%乙醇溶液可消毒。酒精既可用作清漆、化妝品、油墨、脫漆劑的溶劑，還可用作農藥、橡膠、塑料、人造纖維、洗滌劑的制造原料。乙醇可部分替代乙烯用作化工原料，也可方便地轉化為乙烯，促進(jìn)下游精細化工行業(yè)的發(fā)展。

另外，乙醇可作為汽油添加劑，即燃料乙醇使用。目前，全球66%的乙醇作為燃料乙醇，添加到汽油中。燃料乙醇是指未加變性劑、水分體積分數小于0.8%、可作燃料用的無(wú)水乙醇。為了嚴格控制燃料乙醇不流入食用酒精市場(chǎng)，乙醇中加入體積分數2%～5%的變性劑( 一般為無(wú)鉛汽油或無(wú)鉛的烴類(lèi))為變性燃料乙醇。變性燃料乙醇與汽油按一定比例混配后即可得到乙醇汽油。與甲醇相比，乙醇無(wú)毒、可降解，含氧量達到35%，可以和汽油按任意比例混合。