60萬噸/年乙醇生產(chǎn)裝置。受訪者供圖

12月28日，全球規(guī)模最大的60萬噸/年乙醇生產(chǎn)裝置在淮北礦業(yè)集團下屬安徽碳鑫科技有限公司啟動試生產(chǎn)，產(chǎn)出合格無水乙醇。

該項目采用了中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡稱大連化物所)和陜西延長集團共同開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的合成氣制乙醇工藝技術(shù)，其主要原料甲醇來源于焦?fàn)t煤氣，將其進一步轉(zhuǎn)化為乙醇，不僅大幅度提高了附加值，還為鋼鐵與石化行業(yè)低碳化融合發(fā)展提供了可行途徑。

乙醇兼有大宗化學(xué)品和基礎(chǔ)能源產(chǎn)品的雙重屬性，非糧乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)，對于保障我國糧食安全、能源安全和化工產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全均具有重要意義。

制乙醇，難點在哪兒?

乙醇，俗稱“酒精”，既是重要的基礎(chǔ)化學(xué)品，又與人們的生活息息相關(guān)。糧食酒精可以勾兌白酒飲用、75%的酒精溶液可用于醫(yī)用消毒。在工業(yè)應(yīng)用中，酒精既可用作清漆、化妝品、油墨、脫漆劑的溶劑，又可用作農(nóng)藥、橡膠、塑料、人造纖維、洗滌劑等的制造原料。

乙醇的最大用處是作為汽油添加劑——燃料乙醇使用，是世界上公認(rèn)的環(huán)保清潔燃料。它可以有效改善汽油品質(zhì)，無毒、可降解，含氧量達(dá)35%，是環(huán)保的油品質(zhì)量改良劑，可以和汽油任意比例混合。此外，乙醇可以轉(zhuǎn)化為乙烯，部分替代乙烯用作化工原料，促進下游精細(xì)化工行業(yè)的發(fā)展。

美國和巴西于上世紀(jì)80年代開始大力發(fā)展燃料乙醇，主要利用糧食或甘蔗等作物原料生產(chǎn)，為其國家能源獨立作出了重要貢獻(xiàn)。而中國自1993年成為石油凈進口國之后，石油對外依存度逐年提高。

“我國乙醇市場需求大、產(chǎn)能嚴(yán)重不足，2022年，我國以陳糧發(fā)酵路線生產(chǎn)的燃料乙醇約270萬噸，缺口達(dá)1000萬噸。”中國工程院院士、大連化物所研究員劉中民介紹說。

由于乙醇生產(chǎn)涉及與人爭糧問題，威脅國家糧食安全，因此開辟非糧乙醇生產(chǎn)路線對我國具有重要戰(zhàn)略意義。“采用非糧乙醇生產(chǎn)路線是中國燃料乙醇發(fā)展的必然選擇。”劉中民說。

產(chǎn)業(yè)化，為何要做?

自2010年起，劉中民團隊在非糧乙醇生產(chǎn)賽道上持續(xù)攻堅，提出了以合成氣為原料、經(jīng)二甲醚羰基化和乙酸甲酯加氫直接合成無水乙醇的技術(shù)路線。技術(shù)采用非貴金屬催化劑，反應(yīng)條件溫和，易于工程放大，可以實現(xiàn)煤、天然氣或鋼廠煤氣大規(guī)模制取乙醇，是一條獨特的環(huán)境友好型的新技術(shù)路線。他們進一步與陜西延長集團合作，開發(fā)出DMTE工藝技術(shù)，其核心是二甲醚在分子篩催化劑上的羰基化反應(yīng)。

“厘清分子篩催化劑對反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的控制原理具有復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性，同時還要精準(zhǔn)合成羰基化分子篩催化劑，設(shè)計并優(yōu)化二甲醚羰基化反應(yīng)器，難度很大。”團隊成員、大連化物所研究員朱文良說。

經(jīng)過團隊十余載的協(xié)力攻堅，最終該技術(shù)打破了以金屬為催化劑的傳統(tǒng)羰基化反應(yīng)理念。然而，盡管分子篩催化二甲醚反應(yīng)作為一個新反應(yīng)在科學(xué)界和工業(yè)界受到較多關(guān)注，但催化劑的低活性和低穩(wěn)定性成為工業(yè)應(yīng)用的瓶頸。

針對此問題，劉中民團隊通過大量的創(chuàng)新性研究和攻關(guān)，于2013年成功開發(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，為其進一步工業(yè)化奠定了堅實基礎(chǔ)。

從實驗室到工廠，團隊用了6年時間。2017年，團隊聯(lián)合陜西延長集團完成了全球首個10萬噸/年甲醇經(jīng)二甲醚羰基化制乙醇工業(yè)示范項目，表明我國率先擁有設(shè)計和建設(shè)百萬噸級大型乙醇工廠的能力。隨后，團隊繼續(xù)創(chuàng)新，不斷進行技術(shù)迭代，升級催化劑并優(yōu)化反應(yīng)工藝，進一步提高了技術(shù)指標(biāo)，為大規(guī)模工業(yè)化奠定了堅實基礎(chǔ)。

截至目前，DMTE工藝技術(shù)已簽訂13套工業(yè)裝置技術(shù)實施許可合同。

試生產(chǎn)，未來目標(biāo)是什么?

此次60萬噸/年乙醇生產(chǎn)裝置試生產(chǎn)的啟動，驗證了DMTE工藝技術(shù)的先進性、可靠性，將有力推動DMTE工藝技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用。

隨著多個裝置的陸續(xù)投產(chǎn)，一個新興的乙醇戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)正在快速興起。

DMTE工藝技術(shù)已經(jīng)簽訂技術(shù)許可合同的累計產(chǎn)能達(dá)395萬噸，完全投產(chǎn)后，可節(jié)約糧食約1200萬噸，有效解決“與人爭糧、與糧爭地”問題，同時可解決國內(nèi)燃料乙醇短缺問題，有效保障國家糧食安全和能源安全。

同時，該技術(shù)實現(xiàn)了由鋼廠尾氣到清潔燃料乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)，降低鋼廠、煉焦廠污染廢氣排放，促進了鋼鐵、能源、環(huán)境等行業(yè)的低碳化融合發(fā)展。

“2022年，全國粗鋼產(chǎn)量超過10億噸，如果大量的鋼廠尾氣利用該技術(shù)生成乙醇，將會實現(xiàn)清潔燃料乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)，滿足社會對燃料乙醇的需求，在保證經(jīng)濟效益的前提下，帶動一個新產(chǎn)業(yè)。”劉中民告訴《中國科學(xué)報》。

“未來我們將重點關(guān)注煤化工、石油化工等融合發(fā)展方向，同時我們也希望能夠?qū)⒄籽b置出口，而不單單是出口技術(shù)。”劉中民說。