日前，在陜西榆林榆神工業(yè)園，基于劉中民團隊研究成果的全球規模最大的50萬(wàn)噸/年煤基乙醇工業(yè)化項目正式建成。這一項目有哪些重大意義?記者進(jìn)行了采訪(fǎng)。
利用化石能源生產(chǎn)乙醇，符合實(shí)現“雙碳”目標的客觀(guān)要求
乙醇，不僅是重要的基礎化學(xué)品，也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。無(wú)水乙醇可以作為汽油添加劑即燃料乙醇來(lái)使用，能夠有效改善汽油品質(zhì)，大幅減少車(chē)輛污染物排放。
“傳統乙醇生產(chǎn)技術(shù)主要以糧食為原料進(jìn)行發(fā)酵。”劉中民介紹，“目前，全世界乙醇產(chǎn)量約1億噸，主要利用糧食和甘蔗等生物原料生產(chǎn)。2020年，我國乙醇產(chǎn)量為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)。”
據悉，當前我國燃料乙醇產(chǎn)量無(wú)法滿(mǎn)足需求。劉中民算了筆賬：“2021年，我國汽油表觀(guān)消費量為1.4億噸，需燃料乙醇1400萬(wàn)噸。因此，提高燃料乙醇產(chǎn)量，對保障我國能源安全具有重要意義。”
與此同時(shí)，我國地少人多，糧食安全是頭等大事，以糧食為原料制備燃料乙醇，并不適合大范圍推廣。劉中民認為，從生物質(zhì)發(fā)展的角度來(lái)看，用秸稈纖維素制乙醇是一個(gè)研究方向，盡管該技術(shù)取得了一些進(jìn)展，但由于經(jīng)濟性問(wèn)題，目前還處于研發(fā)階段。
而利用化石能源生產(chǎn)乙醇，是科學(xué)家們努力的目標。我國能源資源的特點(diǎn)為“富煤、貧油、少氣”，推進(jìn)煤炭清潔高效利用，是實(shí)現碳達峰、碳中和目標的重要途徑。“我國煤炭資源量占化石能源的比例達到95%，因此，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。”劉中民帶領(lǐng)團隊開(kāi)始了新的嘗試。
一條全新的技術(shù)路線(xiàn)，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
煤制乙醇，方向明確，做起來(lái)卻非常艱難。傳統煤制乙醇的路線(xiàn)一般有兩條：一是煤經(jīng)合成氣直接制乙醇，二是煤經(jīng)乙酸制乙醇。
長(cháng)期以來(lái)，煤經(jīng)合成氣直接制乙醇是個(gè)世界性難題，主要是因為它需要用貴金屬做催化劑，效率低、腐蝕嚴重、設備成本高，一直停留在研究開(kāi)發(fā)階段。“這條路線(xiàn)的催化劑要用到貴金屬銠，它比鉑金還貴幾倍，不利于推廣，難以實(shí)現工業(yè)化。”劉中民說(shuō)。
而煤經(jīng)乙酸制乙醇是基于乙酸產(chǎn)能過(guò)剩的背景，因乙酸存在腐蝕性，需采用耐腐蝕的設備，裝置投資大、成本較高，也沒(méi)有大規模應用。
經(jīng)過(guò)多年努力，大連化物所提出了全新的技術(shù)路線(xiàn)：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。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，是一條環(huán)境友好型技術(shù)路線(xiàn)。
這條技術(shù)路線(xiàn)并不好走。“二甲醚轉化反應非常復雜，用不同的催化劑有完全不同的反應，生成完全不同的產(chǎn)物。”劉中民說(shuō)，為了找出合適的有工業(yè)應用價(jià)值的技術(shù)路徑，僅二甲醚羰基化催化劑的研究和篩選，就歷經(jīng)多年艱辛探索。
“前期小試階段要篩選大批催化劑，每種至少做10個(gè)試驗，不同的溫度、配比、壓力等條件下，需要一個(gè)個(gè)試。”大連化物所合成氣轉化研究組組長(cháng)朱文良說(shuō)。
在最初研究階段的2010年至2012年，催化劑壽命一直停留在幾十個(gè)小時(shí)，距離工業(yè)化應用目標很遠。經(jīng)過(guò)近三年反復的試驗、攻關(guān)，終于在2012年底出現曙光。
“開(kāi)發(fā)出具有較好穩定性的催化劑，壽命達到了900小時(shí)。”朱文良說(shuō)，當時(shí)大家很興奮，已經(jīng)到了技術(shù)突破的臨界點(diǎn)。
接下來(lái)，催化劑壽命不斷被延長(cháng)：1150小時(shí)，6400小時(shí)，16000小時(shí)……一次次試驗、改進(jìn)，具有高活性和高穩定性的二甲醚分子篩羰基化催化劑終于被研制出來(lái)，為項目工業(yè)化奠定了堅實(shí)的基礎。
6年時(shí)間完成實(shí)驗室研究到工廠(chǎng)生產(chǎn)，煤基乙醇生產(chǎn)邁入工業(yè)化時(shí)代
研發(fā)的根本目的是為了應用，這在項目研發(fā)之初就已成為共識。2012年，大連化物所和陜西延長(cháng)石油集團聯(lián)合開(kāi)展“合成氣制乙醇整套工藝技術(shù)”項目研發(fā)工作;2013年完成了項目中試研究工作;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。
劉中民說(shuō)：“從實(shí)驗室研究到工廠(chǎng)生產(chǎn)，我們前后只用了6年時(shí)間，速度算是非?？斓?。”
與傳統的乙醇合成技術(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，節省了生產(chǎn)成本。工藝過(guò)程中采用的催化劑為常規的分子篩催化劑和銅基催化劑，成本也較低。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)調整產(chǎn)品結構。”劉中民說(shuō)。在10萬(wàn)噸示范項目的基礎上，技術(shù)升級不斷迭代，50萬(wàn)噸/年煤基乙醇項目已于2020年6月奠基動(dòng)工。經(jīng)過(guò)2年多建設，預計今年9月該項目將投料試車(chē)。這將是全球規模最大的煤基乙醇項目，標志著(zhù)乙醇生產(chǎn)邁入大規模工業(yè)化時(shí)代，奠定了我國煤制乙醇技術(shù)的國際領(lǐng)先地位。
陜西延長(cháng)石油榆神能源化工有限公司總經(jīng)理郭尊禮說(shuō)：“項目用低階煤代替糧食制取乙醇，按照3噸糧食生產(chǎn)1噸乙醇測算，榆神50萬(wàn)噸/年煤基乙醇項目建成投產(chǎn)后，每年可節約生物乙醇原料糧150萬(wàn)噸，相當于榆林市全年糧食產(chǎn)量的65%。”
劉中民告訴記者，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(chǎng)煤氣為原料生產(chǎn)乙醇，為煤炭資源的清潔、高效、低碳利用和國家“雙碳”目標的實(shí)現提供強有力的技術(shù)支撐。
