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全球規(guī)模最大的年產(chǎn)50萬噸煤基乙醇工業(yè)化項目在陜西榆林正式建成

人民日報發(fā)布時間:2022-08-16 10:00:21

  乙醇作為一種重要的化工原料,工業(yè)上可以通過糧食發(fā)酵或源于石油的乙烯進行水合反應來制取。然而這兩種方法都不完美:前者“與人爭糧”,后者成本較高且依賴石油資源。除了這兩種方法,還有沒有其他途徑規(guī)?;圃煲掖?2010年起,中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱“大連化物所”)所長劉中民團隊在煤制乙醇領域開辟新路線,經(jīng)過多年技術攻關和放大驗證,為技術的大規(guī)模工業(yè)化奠定了堅實的基礎。

  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(guī)模最大的50萬噸/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?記者進行了采訪。

  利用化石能源生產(chǎn)乙醇,符合實現(xiàn)“雙碳”目標的客觀要求

  乙醇,不僅是重要的基礎化學品,也與人們的日常生活息息相關,可用于制造飲料、香精、消毒劑等。無水乙醇可以作為汽油添加劑即燃料乙醇來使用,能夠有效改善汽油品質,大幅減少車輛污染物排放。

  “傳統(tǒng)乙醇生產(chǎn)技術主要以糧食為原料進行發(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987萬噸,其中燃料乙醇約274萬噸,主要利用陳糧進行生產(chǎn)。”

  據(jù)悉,當前我國燃料乙醇產(chǎn)量無法滿足需求。劉中民算了筆賬:“2021年,我國汽油表觀消費量為1.4億噸,需燃料乙醇1400萬噸。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,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,從生物質發(fā)展的角度來看,用秸稈纖維素制乙醇是一個研究方向,盡管該技術取得了一些進展,但由于經(jīng)濟性問題,目前還處于研發(fā)階段。

  而利用化石能源生產(chǎn)乙醇,是科學家們努力的目標。我國能源資源的特點為“富煤、貧油、少氣”,推進煤炭清潔高效利用,是實現(xiàn)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,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的煤基乙醇成套技術符合我國的實際國情。”劉中民帶領團隊開始了新的嘗試。

  一條全新的技術路線,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,做起來卻非常艱難。傳統(tǒng)煤制乙醇的路線一般有兩條:一是煤經(jīng)合成氣直接制乙醇,二是煤經(jīng)乙酸制乙醇。

  長期以來,煤經(jīng)合成氣直接制乙醇是個世界性難題,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,一直停留在研究開發(fā)階段。“這條路線的催化劑要用到貴金屬銠,它比鉑金還貴幾倍,不利于推廣,難以實現(xiàn)工業(yè)化。”劉中民說。

  而煤經(jīng)乙酸制乙醇是基于乙酸產(chǎn)能過剩的背景,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,也沒有大規(guī)模應用。

  經(jīng)過多年努力,大連化物所提出了全新的技術路線: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。該路線采用非貴金屬催化劑,可以直接生產(chǎn)無水乙醇,是一條環(huán)境友好型技術路線。

  這條技術路線并不好走。“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,為了找出合適的有工業(yè)應用價值的技術路徑,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個試驗,不同的溫度、配比、壓力等條件下,需要一個個試。”大連化物所合成氣轉化研究組組長朱文良說。

  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小時,距離工業(yè)化應用目標很遠。經(jīng)過近三年反復的試驗、攻關,終于在2012年底出現(xiàn)曙光。

  “開發(fā)出具有較好穩(wěn)定性的催化劑,壽命達到了900小時。”朱文良說,當時大家很興奮,已經(jīng)到了技術突破的臨界點。

  接下來,催化劑壽命不斷被延長:1150小時,6400小時,16000小時……一次次試驗、改進,具有高活性和高穩(wěn)定性的二甲醚分子篩羰基化催化劑終于被研制出來,為項目工業(yè)化奠定了堅實的基礎。

  6年時間完成實驗室研究到工廠生產(chǎn),煤基乙醇生產(chǎn)邁入工業(yè)化時代

  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石油集團聯(lián)合開展“合成氣制乙醇整套工藝技術”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)權技術的全球首套10萬噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項目打通全流程,生產(chǎn)出合格無水乙醇。

  劉中民說:“從實驗室研究到工廠生產(chǎn),我們前后只用了6年時間,速度算是非??斓摹?rdquo;

  與傳統(tǒng)的乙醇合成技術相比,煤基乙醇工藝過程中無水或極少量水,分離所得產(chǎn)品直接為無水乙醇,降低了產(chǎn)品的分離能耗,節(jié)省了生產(chǎn)成本。工藝過程中采用的催化劑為常規(guī)的分子篩催化劑和銅基催化劑,成本也較低。同時工藝中無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品,可以按市場的需求及時調整產(chǎn)品結構。”劉中民說。在10萬噸示范項目的基礎上,技術升級不斷迭代,50萬噸/年煤基乙醇項目已于2020年6月奠基動工。經(jīng)過2年多建設,預計今年9月該項目將投料試車。這將是全球規(guī)模最大的煤基乙醇項目,標志著乙醇生產(chǎn)邁入大規(guī)模工業(yè)化時代,奠定了我國煤制乙醇技術的國際領先地位。

  陜西延長石油榆神能源化工有限公司總經(jīng)理郭尊禮說:“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50萬噸/年煤基乙醇項目建成投產(chǎn)后,每年可節(jié)約生物乙醇原料糧150萬噸,相當于榆林市全年糧食產(chǎn)量的65%。”

  劉中民告訴記者,煤基乙醇技術不但可以以煤為原料,也能以天然氣、生物質、鋼廠煤氣為原料生產(chǎn)乙醇,為煤炭資源的清潔、高效、低碳利用和國家“雙碳”目標的實現(xiàn)提供強有力的技術支撐。(記者 吳月輝)

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