在陜西榆林榆神工業(yè)園，50萬(wàn)噸/年煤基乙醇裝置“蓄勢(shì)待發(fā)”。這將是全球規(guī)模最大的煤基乙醇項(xiàng)目，奠定了我國(guó)煤制乙醇技術(shù)的國(guó)際領(lǐng)先地位。

科技創(chuàng)新如何助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)?近日，“走進(jìn)中國(guó)科學(xué)院·記者行——‘科技雙碳’服務(wù)經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)榆林段活動(dòng)”舉行。記者在采訪中了解到，50萬(wàn)噸/年煤基乙醇項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于9月開(kāi)始投料試車、打通全流程，并將正式投入生產(chǎn)，對(duì)保障國(guó)家能源安全和糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義。

煤炭如何清潔利用變成酒精?新京報(bào)記者在榆林進(jìn)行實(shí)地探訪并采訪了中科院大連化物所的專家。

去年燃料乙醇缺口約1000萬(wàn)噸

乙醇，俗稱酒精，既是重要的基礎(chǔ)化學(xué)品，又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。目前，乙醇的最大用處是作為汽油添加劑，即燃料乙醇使用，可有效改善汽油品質(zhì)，大幅減少車輛污染物的排放。乙醇是世界上公認(rèn)的環(huán)保清潔燃料，全球66%的乙醇被作為燃料乙醇添加到汽油中，為各國(guó)所接受和推廣。此外，乙醇可以便利地轉(zhuǎn)化為乙烯，促進(jìn)下游精細(xì)化工行業(yè)的發(fā)展。

據(jù)中國(guó)工程院院士、中科院大連化物所所長(zhǎng)劉中民介紹，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。目前，全世界乙醇產(chǎn)量約一億噸，主要由美國(guó)和巴西利用糧食和甘蔗等生物原料生產(chǎn)。2020年，我國(guó)乙醇產(chǎn)量987萬(wàn)噸，其中燃料乙醇約274萬(wàn)噸，主要利用陳糧進(jìn)行生產(chǎn)。

2017年，國(guó)家十五部委曾明確提出，到2020年在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用車用乙醇汽油，但至今沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，其中最主要的問(wèn)題就是燃料乙醇產(chǎn)量不足。2021年，中國(guó)汽油表觀消費(fèi)量1.4億噸，需燃料乙醇1400萬(wàn)噸，缺口約1000萬(wàn)噸。在我國(guó)石油對(duì)外依存度超過(guò)70%的情況下，燃料乙醇對(duì)我國(guó)能源安全具有重要意義。

但我國(guó)地少人多，糧食安全是國(guó)家頭等大事，以糧食為原料制備燃料乙醇并不適合在我國(guó)大范圍推廣。開(kāi)發(fā)非糧燃料乙醇技術(shù)可以避免出現(xiàn)“與人爭(zhēng)糧”的局面，保障糧食安全。

避免“與人爭(zhēng)糧”，開(kāi)辟化石能源制乙醇全新工藝路線

劉中民說(shuō)，從生物質(zhì)發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，用秸稈纖維素制乙醇最具意義，盡管取得了一些進(jìn)展，但由于技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，目前還處于研發(fā)階段。

利用化石能源生產(chǎn)乙醇，一直是全世界努力的目標(biāo)和共同面臨的挑戰(zhàn)。我國(guó)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(guó)煤炭資源量占化石能源的比例達(dá)到95%，因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤基乙醇成套技術(shù)符合我國(guó)的實(shí)際國(guó)情。”他表示。

合成氣是一氧化碳和氫氣的混合氣，可由煤、天然氣或生物質(zhì)氣化得到。煤經(jīng)合成氣直接制乙醇是一項(xiàng)世界性的挑戰(zhàn)，因反應(yīng)過(guò)程需要貴金屬催化劑、產(chǎn)物選擇性低、設(shè)備易腐蝕等問(wèn)題，長(zhǎng)期停留在研究開(kāi)發(fā)階段。

中科院大連化物所研發(fā)出了一條環(huán)境友好的全新工藝路線——以煤基合成氣為原料，經(jīng)二甲醚羰基化、加氫合成乙醇。這條路線采用非貴金屬催化劑，無(wú)腐蝕，可以直接生產(chǎn)無(wú)水乙醇，是煤基乙醇的理想路線。

據(jù)劉中民介紹，這條技術(shù)路線打破了以貴金屬為催化劑的傳統(tǒng)羰基化反應(yīng)理念，在科技界和工業(yè)界受到極大關(guān)注，但該技術(shù)需要突破催化劑活性低、穩(wěn)定性差等難題。而中科院大連化物所通過(guò)大量的創(chuàng)新性研究和技術(shù)攻關(guān)，成功開(kāi)發(fā)出具有高活性和高穩(wěn)定性的分子篩羰基化催化劑，在二甲醚羰基化研究方面取得重大突破，為其進(jìn)一步工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

從實(shí)驗(yàn)室研究到10萬(wàn)噸工廠，只用了6年

“研發(fā)的根本目的是為了應(yīng)用。我們的專長(zhǎng)是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究相結(jié)合，下一步要和企業(yè)開(kāi)放合作。”劉中民說(shuō)。

2012年，中科院大連化物所和延長(zhǎng)石油集團(tuán)開(kāi)始聯(lián)合開(kāi)展“合成氣制乙醇整套工藝技術(shù)”項(xiàng)目研發(fā)工作。2017年1月11日，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的全球首套10萬(wàn)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(wú)水乙醇。

“從實(shí)驗(yàn)室研究到10萬(wàn)噸工廠，我們前后只用了六年時(shí)間，這個(gè)速度是非常快的。” 劉中民說(shuō)。

煤基乙醇技術(shù)(DMTE)以煤為原料，通過(guò)煤氣化制取合成氣(一氧化碳和氫氣的混合氣)，然后合成甲醇，進(jìn)而經(jīng)脫水、羰基化、加氫三個(gè)步驟制取乙醇產(chǎn)品。

與傳統(tǒng)的乙醇合成技術(shù)相比，煤基乙醇工藝過(guò)程中無(wú)水或極少量水，分離所得產(chǎn)品直接為無(wú)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(guò)程中所采用的催化劑為常規(guī)的分子篩催化劑和銅基催化劑，成本低。同時(shí)工藝中無(wú)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(chǎng)的需求及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。”劉中民補(bǔ)充道。

產(chǎn)量翻番，每年可節(jié)約生物乙醇原料糧150萬(wàn)噸

在10萬(wàn)噸示范項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，雙方正在進(jìn)行技術(shù)升級(jí)迭代，50萬(wàn)噸/年煤基乙醇項(xiàng)目已于2020年6月奠基動(dòng)工。預(yù)計(jì)今年9月，50萬(wàn)噸/年乙醇裝置將投料試車。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(guó)煤制乙醇技術(shù)的國(guó)際領(lǐng)先地位。

“這里設(shè)有三臺(tái)大型乙醇儲(chǔ)罐，每臺(tái)容積為一萬(wàn)立方米，其中存儲(chǔ)的就是純度為99.5%-99.9%的優(yōu)質(zhì)無(wú)水乙醇……”在工作人員的帶領(lǐng)下，7月18日，記者來(lái)到榆神工業(yè)園煤基乙醇項(xiàng)目生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。在占地1700多畝的產(chǎn)區(qū)內(nèi)，有一大片高塔聳立的區(qū)域，這里就是項(xiàng)目最核心的50萬(wàn)噸/年煤基乙醇裝置區(qū)。

其中高達(dá)118米的煤基乙醇精制塔最為醒目，它的直徑為8米，是全球最大煤基乙醇精制塔，進(jìn)料量達(dá)到每小時(shí)109噸。與之相對(duì)而立的，是99米的甲醇脫脂塔，這對(duì)巍然聳立著的“鋼鐵巨獸”是項(xiàng)目最具標(biāo)志性的設(shè)備。順著盤旋的階梯，記者攀爬至接近30米的平臺(tái)，這里四臺(tái)并排而立的設(shè)備是乙醇裝置的心臟——羰基化反應(yīng)器，在生產(chǎn)乙醇的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

“按照總體計(jì)劃，裝置將于今年9月投料試車、打通全流程，產(chǎn)出合格產(chǎn)品。”延長(zhǎng)石油榆神能源化工有限公司總經(jīng)理郭尊禮說(shuō)，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(cè)算，榆神50萬(wàn)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(wàn)噸，相當(dāng)于榆林市全年糧食產(chǎn)量(年均230萬(wàn)噸)的65%。

劉中民說(shuō)，煤基乙醇的成本(大型化后全成本)約3500元/噸，而糧食制乙醇成本為5000元/噸。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(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。