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乙醇生產(chǎn)新技術(shù)背后有何大文章

發(fā)布時(shí)間:2024-01-17 15:27:00來源: 北京日報(bào)

  房旭東

  全球規(guī)模最大的60萬噸/年乙醇生產(chǎn)裝置在我國啟動(dòng)試生產(chǎn),產(chǎn)出合格無水乙醇,開辟了非糧乙醇生產(chǎn)新路線……日前,中國科學(xué)院公布的一則消息引起了業(yè)界的關(guān)注。乙醇是世界公認(rèn)的優(yōu)良汽油添加劑,也是重要的基礎(chǔ)化學(xué)品。由于傳統(tǒng)乙醇生產(chǎn)工藝涉及與人爭糧、與糧爭地的問題,因此,開辟非糧乙醇生產(chǎn)路線對于一個(gè)國家而言具有戰(zhàn)略意義,其技術(shù)開發(fā)也是世界范圍內(nèi)共同面臨的長期挑戰(zhàn)。今天,我們就來說說非糧乙醇的生產(chǎn)技術(shù),及其對國家能源安全、低碳發(fā)展的科學(xué)意義。

  乙醇生產(chǎn)開辟新技術(shù)路線

  要了解非糧乙醇,我們先要知曉什么是乙醇及乙醇的作用。乙醇是一種有機(jī)化合物,俗稱酒精,在常態(tài)下為一種易燃、易揮發(fā)的無色透明液體,獨(dú)具特殊香味。乙醇的用途廣泛,我國每年用于酒精類飲品生產(chǎn)的乙醇超過200萬噸,它在日常生活中也可作為溶劑、消毒劑存在,用于清漆、化妝品、油墨、脫漆劑等制造過程。更重要的是,乙醇是被廣泛認(rèn)可的環(huán)保清潔燃料,作為汽油添加劑能顯著提升汽油品質(zhì),減少車輛尾氣排放的污染。除此之外,乙醇還可轉(zhuǎn)化為乙烯,用于下游精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)。

  乙醇合成一直是各國技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)。我國乙醇的制造歷史悠久,經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段。在20世紀(jì)50年代之前,乙醇主要依賴于農(nóng)產(chǎn)品,采用發(fā)酵法生產(chǎn),以玉米、甘蔗等為主要原料。這一傳統(tǒng)方法相對環(huán)保,但生產(chǎn)速度較慢,需要大量的農(nóng)作物和時(shí)間。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,我國逐漸引入了化學(xué)合成法,豐富了乙醇生產(chǎn)的技術(shù)路線,其典型代表是使用石油化工過程將乙烯轉(zhuǎn)化為乙醇,雖然生產(chǎn)速度快,但由于乙烯的生產(chǎn)嚴(yán)重依賴石油資源,缺乏經(jīng)濟(jì)性,目前已經(jīng)很少使用。

  現(xiàn)階段,我國正在積極發(fā)展新型煤化工(以煤為原料,經(jīng)化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體燃料及化學(xué)品的過程)技術(shù),推動(dòng)煤炭的高效清潔轉(zhuǎn)化。其中,以合成氣為媒介制造乙醇是目前新型煤化工研究的重要方向。合成氣是指以一氧化碳和氫氣為主要組分,用作化工原料的一種原料氣,它可由煤或焦炭等固體燃料氣化產(chǎn)生,也可由天然氣和生物質(zhì)氣化制取,還可由我國豐富的鋼廠尾氣分離生產(chǎn)。

  此次引發(fā)關(guān)注的非糧乙醇生產(chǎn)項(xiàng)目,其文章就做在了“高效清潔轉(zhuǎn)化”上面。官方消息中“全球規(guī)模最大的60萬噸/年乙醇生產(chǎn)裝置”所采用的正是中國科學(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(tuán)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)(DMTE技術(shù))。簡單地說,這種技術(shù)成功將焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化為甲醇,并進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為乙醇,不僅大幅提高了附加值,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。利用這種技術(shù)路線生產(chǎn)出的無水乙醇(通常指純度高達(dá)99.5%以上的乙醇產(chǎn)品),由于其純度高、溶解性強(qiáng),在化工、制藥等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

  這是一條全新的非糧乙醇合成路線,采用全新的分子篩催化劑和銅基催化劑,反應(yīng)過程中的產(chǎn)物主要為醇和酯,無腐蝕性,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和開發(fā)前景。該技術(shù)路線的成功開發(fā),對我國石油化工原料替代、保障國家能源安全、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境和服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。

  為什么要研究非糧乙醇

  在世界上,傳統(tǒng)乙醇通常采用玉米、甘蔗等糧食作物作為原料進(jìn)行生產(chǎn),非糧乙醇則采用生物質(zhì)(指通過光合作用而形成的各種有機(jī)體,包括所有的動(dòng)植物和微生物)、煤、天然氣等非糧食資源生產(chǎn)。

  研究非糧乙醇與我國乙醇市場的現(xiàn)狀有關(guān)。相關(guān)資料顯示,2022年,我國燃料乙醇產(chǎn)量約270萬噸,而我國汽油表觀消費(fèi)量約1.3億噸,若按10%的比例添加乙醇,燃料乙醇需求量約為1300萬噸,市場缺口高達(dá)1000萬噸。因此,發(fā)展非糧乙醇生產(chǎn)技術(shù),能夠擴(kuò)大可用原料范圍,降低能源生產(chǎn)對有限資源的過度依賴。

  糧食安全是全球面臨的另一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。以玉米、小麥、甘蔗等為原料的傳統(tǒng)乙醇生產(chǎn)方法對糧食作物有較大需求,而這些作物也是人類主要的食品來源。過度使用糧食作物用于生產(chǎn)燃料會對食品供應(yīng)造成影響,進(jìn)而影響全球糧食安全。目前,全球約90%的乙醇依然采用農(nóng)作物發(fā)酵生產(chǎn),尤其是作為燃料乙醇生產(chǎn)和消費(fèi)大國的美國和巴西,他們分別采用玉米和甘蔗為原料生產(chǎn)乙醇。然而,隨著全球?qū)θ剂弦掖嫉男枨蟛粩鄶U(kuò)大,美國、巴西等國也將面臨“與人爭糧”的問題。

  顯而易見,研究非糧乙醇的生產(chǎn)對于避免與人爭糧、減少對糧食作物的依賴、保障國家糧食安全具有重要意義,并且能為可持續(xù)能源的發(fā)展提供更多可能性。

  鑒于此背景,中國工程院院士、大連化物所研究員劉中民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)于2010年開始研究煤制乙醇技術(shù)關(guān)鍵催化劑,致力于開發(fā)一條全新的非糧乙醇合成路線。2013年,項(xiàng)目取得突破性進(jìn)展,各項(xiàng)工藝指標(biāo)達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的要求。2014年,團(tuán)隊(duì)聯(lián)合陜西延長集團(tuán)開展“煤基乙醇成套工藝技術(shù)的開發(fā)”。該技術(shù)采用來源廣泛(如煤、天然氣、生物質(zhì)、鋼廠煤氣等)的合成氣為原料,經(jīng)二甲醚羰基化、加氫合成乙醇的工藝路線,并采用非貴金屬催化劑,可以直接生產(chǎn)無水乙醇。2017年,全球首個(gè)10萬噸/年合成氣經(jīng)二甲醚羰基化/加氫制乙醇工業(yè)示范項(xiàng)目一次投產(chǎn)成功,表明我國在世界上率先擁有了設(shè)計(jì)和建設(shè)百萬噸級大型乙醇工廠的能力。

  如今,60萬噸/年乙醇生產(chǎn)裝置試生產(chǎn)的啟動(dòng),驗(yàn)證了合成氣制乙醇工藝技術(shù),即DMTE技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性,為將來大規(guī)模應(yīng)用打了一劑強(qiáng)心針,同時(shí)有望解決國內(nèi)燃料乙醇短缺的問題。

  推動(dòng)鋼鐵焦化產(chǎn)業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型

  值得關(guān)注的是,此次60萬噸/年DMTE技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用與以往大不相同,除了規(guī)模更大、難度更高、面臨的問題更為復(fù)雜之外,還以焦?fàn)t煤氣制取的甲醇和以混煤及焦粉制取的合成氣為原料,實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t煤氣和煤炭的共同利用。因此,此次DMTE技術(shù)的應(yīng)用不僅為煤炭的潔凈、低碳、高效轉(zhuǎn)化提供了技術(shù)支撐,對于推動(dòng)鋼廠煤氣高附加值利用,促進(jìn)鋼鐵與能源化工行業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展,助力中國能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)低碳化轉(zhuǎn)型也具有重大意義。

  我國是鋼鐵生產(chǎn)大國,2022年全國粗鋼產(chǎn)量超過10億噸,鋼鐵、焦化等行業(yè)二氧化碳排放量較大,減排難度也不小。在國家“雙碳”目標(biāo)的大背景下,突破現(xiàn)有的工藝流程,重塑鋼鐵、焦化等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式是一項(xiàng)緊迫的關(guān)鍵任務(wù)。以鋼鐵產(chǎn)業(yè)為例,生產(chǎn)鋼鐵的同時(shí)會產(chǎn)生大量尾氣,俗稱鋼廠尾氣,其主要成分為一氧化碳、氫氣。目前,鋼廠尾氣主要通過燃燒用于加熱和發(fā)電,從而實(shí)現(xiàn)資源的再利用,但存在熱能利用效率低且生成大量二氧化碳等缺點(diǎn),急需尋找新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源再利用。

  “如果大量的鋼廠尾氣利用DMTE技術(shù)生成乙醇,那將會實(shí)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(jì)效益的前提下,帶動(dòng)一個(gè)新產(chǎn)業(yè)?!眲⒅忻裨菏空f。我國現(xiàn)有超1000億Nm3(Nm3為體積單位,指在0℃時(shí)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積)的鋼廠尾氣,如果把這個(gè)氣體量轉(zhuǎn)化為水體積,相當(dāng)于可以填滿幾千個(gè)標(biāo)準(zhǔn)奧運(yùn)游泳池。也就是說,非糧乙醇生產(chǎn)路線的研發(fā)可實(shí)現(xiàn)由鋼廠尾氣到清潔燃料乙醇的大規(guī)模生產(chǎn),降低鋼廠、煉焦廠污染廢氣的排放,促進(jìn)鋼鐵、能源、環(huán)境等行業(yè)的低碳化融合發(fā)展。

  提升清潔能源領(lǐng)域國際影響力

  可以說,關(guān)于非糧乙醇生產(chǎn)的科研探索具有能源供應(yīng)、糧食安全、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多重意義。這不僅是對國家的貢獻(xiàn),更是對全球可持續(xù)進(jìn)步的一種貢獻(xiàn)。

  對于我國而言,此次60萬噸/年乙醇生產(chǎn)裝置試生產(chǎn)項(xiàng)目以焦?fàn)t煤氣制取的甲醇和以混煤及焦粉制取的合成氣為原料,代替糧食制取乙醇,這項(xiàng)成果已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了高附加值乙醇的大規(guī)模生產(chǎn),顯著降低了乙醇生產(chǎn)對糧食的需求。截至目前,DMTE技術(shù)已經(jīng)簽訂技術(shù)許可合同13套,累計(jì)產(chǎn)能達(dá)395萬噸,產(chǎn)值達(dá)250億元。完全投產(chǎn)后,相當(dāng)于可以節(jié)約糧食約1200萬噸,能有效解決“與人爭糧、與糧爭地”的問題。同時(shí),基于焦?fàn)t煤氣制甲醇,也將為清潔燃料乙醇的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)鋪平道路,并有效降低鋼廠和煉焦廠的污染廢氣排放,實(shí)現(xiàn)鋼鐵、能源、環(huán)境的共贏。

  總之,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。首先,它有助于保障糧食安全,減少對糧食作物的需求,確保糧食供應(yīng)充足;其次,可促進(jìn)能源多元化發(fā)展,降低對傳統(tǒng)能源的依賴,提高能源安全水平;第三,以非糧物質(zhì)生產(chǎn)乙醇有助于保護(hù)生態(tài)環(huán)境,減少對環(huán)境的污染;第四,此舉也將帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長,并提升中國在清潔能源領(lǐng)域的國際影響力。

  綜上所述,便不難理解為何說非糧乙醇生產(chǎn)路線是對糧食安全、能源安全和環(huán)境保護(hù)的重要戰(zhàn)略舉措。當(dāng)然也應(yīng)理性認(rèn)識到,突破催化劑技術(shù)、原料多樣性和成本效益、技術(shù)工藝完善、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用、環(huán)境可持續(xù)性等關(guān)鍵瓶頸至關(guān)重要,順利應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要跨學(xué)科的合作、技術(shù)創(chuàng)新和持續(xù)的投入。

  可以預(yù)見的是,隨著多個(gè)非糧乙醇生產(chǎn)裝置的陸續(xù)投產(chǎn),一個(gè)新興的乙醇戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)正在快速興起。未來,非糧乙醇作為重要的可再生清潔燃料,在科技領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑢⒈粡V泛應(yīng)用于汽車燃料和其他工業(yè)領(lǐng)域,為能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù),以及推動(dòng)清潔能源的發(fā)展和可持續(xù)化帶來更多的可能。

  (作者為中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所副研究員)

(責(zé)編:陳濛濛)

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