乙醇作为一种重要的化工原料，工业上可以通过粮食发酵或源于石油的乙烯进行水合反应来制取。然而这两种方法都不完美：前者“与人争粮”，后者成本较高且依赖石油资源。除了这两种方法，还有没有其他途径规模化制造乙醇？2010年起，中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)所长刘中民团队在煤制乙醇领域开辟新路线，经过多年技术攻关和放大验证，为技术的大规模工业化奠定了坚实的基础。
日前，在陕西榆林榆神工业园，基于刘中民团队研究成果的全球规模最大的50万吨/年煤基乙醇工业化项目正式建成。这一项目有哪些重大意义？记者进行了采访。
利用化石能源生产乙醇，符合实现“双碳”目标的客观要求
乙醇，不仅是重要的基础化学品，也与人们的日常生活息息相关，可用于制造饮料、香精、消毒剂等。无水乙醇可以作为汽油添加剂即燃料乙醇来使用，能够有效改善汽油品质，大幅减少车辆污染物排放。
“传统乙醇生产技术主要以粮食为原料进行发酵。”刘中民介绍，“目前，全世界乙醇产量约1亿吨，主要利用粮食和甘蔗等生物原料生产。2020年，我国乙醇产量为987万吨，其中燃料乙醇约274万吨，主要利用陈粮进行生产。”
据悉，当前我国燃料乙醇产量无法满足需求。刘中民算了笔账：“2021年，我国汽油表观消费量为1.4亿吨，需燃料乙醇1400万吨。因此，提高燃料乙醇产量，对保障我国能源安全具有重要意义。”
与此同时，我国地少人多，粮食安全是头等大事，以粮食为原料制备燃料乙醇，并不适合大范围推广。刘中民认为，从生物质发展的角度来看，用秸秆纤维素制乙醇是一个研究方向，尽管该技术取得了一些进展，但由于经济性问题，目前还处于研发阶段。
而利用化石能源生产乙醇，是科学家们努力的目标。我国能源资源的特点为“富煤、贫油、少气”，推进煤炭清洁高效利用，是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径。“我国煤炭资源量占化石能源的比例达到95%，因此，开发具有自主知识产权的煤基乙醇成套技术符合我国的实际国情。”刘中民带领团队开始了新的尝试。
一条全新的技术路线，以煤基合成气为原料，经甲醇、二甲醚羰基化、加氢合成乙醇
煤制乙醇，方向明确，做起来却非常艰难。传统煤制乙醇的路线一般有两条：一是煤经合成气直接制乙醇，二是煤经乙酸制乙醇。
长期以来，煤经合成气直接制乙醇是个世界性难题，主要是因为它需要用贵金属做催化剂，效率低、腐蚀严重、设备成本高，一直停留在研究开发阶段。“这条路线的催化剂要用到贵金属铑，它比铂金还贵几倍，不利于推广，难以实现工业化。”刘中民说。
而煤经乙酸制乙醇是基于乙酸产能过剩的背景，因乙酸存在腐蚀性，需采用耐腐蚀的设备，装置投资大、成本较高，也没有大规模应用。
经过多年努力，大连化物所提出了全新的技术路线：以煤基合成气为原料，经甲醇、二甲醚羰基化、加氢合成乙醇。该路线采用非贵金属催化剂，可以直接生产无水乙醇，是一条环境友好型技术路线。
这条技术路线并不好走。“二甲醚转化反应非常复杂，用不同的催化剂有完全不同的反应，生成完全不同的产物。”刘中民说，为了找出合适的有工业应用价值的技术路径，仅二甲醚羰基化催化剂的研究和筛选，就历经多年艰辛探索。
“前期小试阶段要筛选大批催化剂，每种至少做10个试验，不同的温度、配比、压力等条件下，需要一个个试。”大连化物所合成气转化研究组组长朱文良说。
在最初研究阶段的2010年至2012年，催化剂寿命一直停留在几十个小时，距离工业化应用目标很远。经过近三年反复的试验、攻关，终于在2012年底出现曙光。
“开发出具有较好稳定性的催化剂，寿命达到了900小时。”朱文良说，当时大家很兴奋，已经到了技术突破的临界点。
接下来，催化剂寿命不断被延长：1150小时，6400小时，16000小时……一次次试验、改进，具有高活性和高稳定性的二甲醚分子筛羰基化催化剂终于被研制出来，为项目工业化奠定了坚实的基础。
6年时间完成实验室研究到工厂生产，煤基乙醇生产迈入工业化时代
研发的根本目的是为了应用，这在项目研发之初就已成为共识。2012年，大连化物所和陕西延长石油集团联合开展“合成气制乙醇整套工艺技术”项目研发工作；2013年完成了项目中试研究工作；2017年1月11日，具有我国自主知识产权技术的全球首套10万吨/年煤基乙醇工业示范项目打通全流程，生产出合格无水乙醇。
刘中民说：“从实验室研究到工厂生产，我们前后只用了6年时间，速度算是非常快的。”
与传统的乙醇合成技术相比，煤基乙醇工艺过程中无水或极少量水，分离所得产品直接为无水乙醇，降低了产品的分离能耗，节省了生产成本。工艺过程中采用的催化剂为常规的分子筛催化剂和铜基催化剂，成本也较低。同时工艺中无需添加碘甲烷等卤化物助剂，避免了抗腐蚀特殊材料锆材或哈氏合金的使用，减少了设备投资。
“中间产物乙酸甲酯也是大宗化学品，可以按市场的需求及时调整产品结构。”刘中民说。在10万吨示范项目的基础上，技术升级不断迭代，50万吨/年煤基乙醇项目已于2020年6月奠基动工。经过2年多建设，预计今年9月该项目将投料试车。这将是全球规模最大的煤基乙醇项目，标志着乙醇生产迈入大规模工业化时代，奠定了我国煤制乙醇技术的国际领先地位。
陕西延长石油榆神能源化工有限公司总经理郭尊礼说：“项目用低阶煤代替粮食制取乙醇，按照3吨粮食生产1吨乙醇测算，榆神50万吨/年煤基乙醇项目建成投产后，每年可节约生物乙醇原料粮150万吨，相当于榆林市全年粮食产量的65%。”
刘中民告诉记者，煤基乙醇技术不但可以以煤为原料，也能以天然气、生物质、钢厂煤气为原料生产乙醇，为煤炭资源的清洁、高效、低碳利用和国家“双碳”目标的实现提供强有力的技术支撑。
来源：人民日报
