发布时间：2024-04-19 18:05:52 来源: sp20240419
房旭东
全球规模最大的60万吨/年乙醇生产装置在我国启动试生产，产出合格无水乙醇，开辟了非粮乙醇生产新路线……日前，中国科学院公布的一则消息引起了业界的关注。乙醇是世界公认的优良汽油添加剂，也是重要的基础化学品。由于传统乙醇生产工艺涉及与人争粮、与粮争地的问题，因此，开辟非粮乙醇生产路线对于一个国家而言具有战略意义，其技术开发也是世界范围内共同面临的长期挑战。今天，我们就来说说非粮乙醇的生产技术，及其对国家能源安全、低碳发展的科学意义。
乙醇生产开辟新技术路线
要了解非粮乙醇，我们先要知晓什么是乙醇及乙醇的作用。乙醇是一种有机化合物，俗称酒精，在常态下为一种易燃、易挥发的无色透明液体，独具特殊香味。乙醇的用途广泛，我国每年用于酒精类饮品生产的乙醇超过200万吨，它在日常生活中也可作为溶剂、消毒剂存在，用于清漆、化妆品、油墨、脱漆剂等制造过程。更重要的是，乙醇是被广泛认可的环保清洁燃料，作为汽油添加剂能显著提升汽油品质，减少车辆尾气排放的污染。除此之外，乙醇还可转化为乙烯，用于下游精细化学品的生产。
乙醇合成一直是各国技术研发的热点。我国乙醇的制造历史悠久，经历了多个发展阶段。在20世纪50年代之前，乙醇主要依赖于农产品，采用发酵法生产，以玉米、甘蔗等为主要原料。这一传统方法相对环保，但生产速度较慢，需要大量的农作物和时间。随着科学技术的进步，我国逐渐引入了化学合成法，丰富了乙醇生产的技术路线，其典型代表是使用石油化工过程将乙烯转化为乙醇，虽然生产速度快，但由于乙烯的生产严重依赖石油资源，缺乏经济性，目前已经很少使用。
现阶段，我国正在积极发展新型煤化工(以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料及化学品的过程)技术，推动煤炭的高效清洁转化。其中，以合成气为媒介制造乙醇是目前新型煤化工研究的重要方向。合成气是指以一氧化碳和氢气为主要组分，用作化工原料的一种原料气，它可由煤或焦炭等固体燃料气化产生，也可由天然气和生物质气化制取，还可由我国丰富的钢厂尾气分离生产。
此次引发关注的非粮乙醇生产项目，其文章就做在了“高效清洁转化”上面。官方消息中“全球规模最大的60万吨/年乙醇生产装置”所采用的正是中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)和陕西延长集团共同开发的具有自主知识产权的合成气制乙醇工艺技术(DMTE技术)。简单地说，这种技术成功将焦炉煤气转化为甲醇，并进一步将其转化为乙醇，不仅大幅提高了附加值，还为钢铁与石化行业低碳化融合发展提供了可行途径。利用这种技术路线生产出的无水乙醇(通常指纯度高达99.5%以上的乙醇产品)，由于其纯度高、溶解性强，在化工、制药等领域有着广泛应用。
这是一条全新的非粮乙醇合成路线，采用全新的分子筛催化剂和铜基催化剂，反应过程中的产物主要为醇和酯，无腐蚀性，具有较大的经济效益和开发前景。该技术路线的成功开发，对我国石油化工原料替代、保障国家能源安全、优化生态环境和服务国民经济建设具有重要的战略意义。
为什么要研究非粮乙醇
在世界上，传统乙醇通常采用玉米、甘蔗等粮食作物作为原料进行生产，非粮乙醇则采用生物质(指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物)、煤、天然气等非粮食资源生产。
研究非粮乙醇与我国乙醇市场的现状有关。相关资料显示，2022年，我国燃料乙醇产量约270万吨，而我国汽油表观消费量约1.3亿吨，若按10%的比例添加乙醇，燃料乙醇需求量约为1300万吨，市场缺口高达1000万吨。因此，发展非粮乙醇生产技术，能够扩大可用原料范围，降低能源生产对有限资源的过度依赖。
粮食安全是全球面临的另一个巨大挑战。以玉米、小麦、甘蔗等为原料的传统乙醇生产方法对粮食作物有较大需求，而这些作物也是人类主要的食品来源。过度使用粮食作物用于生产燃料会对食品供应造成影响，进而影响全球粮食安全。目前，全球约90%的乙醇依然采用农作物发酵生产，尤其是作为燃料乙醇生产和消费大国的美国和巴西，他们分别采用玉米和甘蔗为原料生产乙醇。然而，随着全球对燃料乙醇的需求不断扩大，美国、巴西等国也将面临“与人争粮”的问题。
显而易见，研究非粮乙醇的生产对于避免与人争粮、减少对粮食作物的依赖、保障国家粮食安全具有重要意义，并且能为可持续能源的发展提供更多可能性。
鉴于此背景，中国工程院院士、大连化物所研究员刘中民带领团队于2010年开始研究煤制乙醇技术关键催化剂，致力于开发一条全新的非粮乙醇合成路线。2013年，项目取得突破性进展，各项工艺指标达到工业化应用的要求。2014年，团队联合陕西延长集团开展“煤基乙醇成套工艺技术的开发”。该技术采用来源广泛(如煤、天然气、生物质、钢厂煤气等)的合成气为原料，经二甲醚羰基化、加氢合成乙醇的工艺路线，并采用非贵金属催化剂，可以直接生产无水乙醇。2017年，全球首个10万吨/年合成气经二甲醚羰基化/加氢制乙醇工业示范项目一次投产成功，表明我国在世界上率先拥有了设计和建设百万吨级大型乙醇工厂的能力。
如今，60万吨/年乙醇生产装置试生产的启动，验证了合成气制乙醇工艺技术，即DMTE技术的先进性和可靠性，为将来大规模应用打了一剂强心针，同时有望解决国内燃料乙醇短缺的问题。
推动钢铁焦化产业低碳化转型
值得关注的是，此次60万吨/年DMTE技术的工业应用与以往大不相同，除了规模更大、难度更高、面临的问题更为复杂之外，还以焦炉煤气制取的甲醇和以混煤及焦粉制取的合成气为原料，实现了焦炉煤气和煤炭的共同利用。因此，此次DMTE技术的应用不仅为煤炭的洁净、低碳、高效转化提供了技术支撑，对于推动钢厂煤气高附加值利用，促进钢铁与能源化工行业协调发展，助力中国能源和产业结构低碳化转型也具有重大意义。
我国是钢铁生产大国，2022年全国粗钢产量超过10亿吨，钢铁、焦化等行业二氧化碳排放量较大，减排难度也不小。在国家“双碳”目标的大背景下，突破现有的工艺流程，重塑钢铁、焦化等产业的发展模式是一项紧迫的关键任务。以钢铁产业为例，生产钢铁的同时会产生大量尾气，俗称钢厂尾气，其主要成分为一氧化碳、氢气。目前，钢厂尾气主要通过燃烧用于加热和发电，从而实现资源的再利用，但存在热能利用效率低且生成大量二氧化碳等缺点，急需寻找新的技术实现资源再利用。
“如果大量的钢厂尾气利用DMTE技术生成乙醇，那将会实现清洁燃料乙醇的大规模生产，满足社会对燃料乙醇的需求，在保证经济效益的前提下，带动一个新产业。”刘中民院士说。我国现有超1000亿Nm3(Nm3为体积单位，指在0℃时1个标准大气压下的气体体积)的钢厂尾气，如果把这个气体量转化为水体积，相当于可以填满几千个标准奥运游泳池。也就是说，非粮乙醇生产路线的研发可实现由钢厂尾气到清洁燃料乙醇的大规模生产，降低钢厂、炼焦厂污染废气的排放，促进钢铁、能源、环境等行业的低碳化融合发展。
提升清洁能源领域国际影响力
可以说，关于非粮乙醇生产的科研探索具有能源供应、粮食安全、环境保护、经济发展等多重意义。这不仅是对国家的贡献，更是对全球可持续进步的一种贡献。
对于我国而言，此次60万吨/年乙醇生产装置试生产项目以焦炉煤气制取的甲醇和以混煤及焦粉制取的合成气为原料，代替粮食制取乙醇，这项成果已经成功实现了高附加值乙醇的大规模生产，显著降低了乙醇生产对粮食的需求。截至目前，DMTE技术已经签订技术许可合同13套，累计产能达395万吨，产值达250亿元。完全投产后，相当于可以节约粮食约1200万吨，能有效解决“与人争粮、与粮争地”的问题。同时，基于焦炉煤气制甲醇，也将为清洁燃料乙醇的大规模商业化生产铺平道路，并有效降低钢厂和炼焦厂的污染废气排放，实现钢铁、能源、环境的共赢。
总之，采用非粮乙醇生产路线是中国燃料乙醇发展的必然选择。首先，它有助于保障粮食安全，减少对粮食作物的需求，确保粮食供应充足；其次，可促进能源多元化发展，降低对传统能源的依赖，提高能源安全水平；第三，以非粮物质生产乙醇有助于保护生态环境，减少对环境的污染；第四，此举也将带动产业链发展，推动经济增长，并提升中国在清洁能源领域的国际影响力。
综上所述，便不难理解为何说非粮乙醇生产路线是对粮食安全、能源安全和环境保护的重要战略举措。当然也应理性认识到，突破催化剂技术、原料多样性和成本效益、技术工艺完善、产业化和商业化应用、环境可持续性等关键瓶颈至关重要，顺利应对这些挑战需要跨学科的合作、技术创新和持续的投入。
可以预见的是，随着多个非粮乙醇生产装置的陆续投产，一个新兴的乙醇战略产业正在快速兴起。未来，非粮乙醇作为重要的可再生清洁燃料，在科技领域具有巨大的发展潜力，将被广泛应用于汽车燃料和其他工业领域，为能源转型和环境保护，以及推动清洁能源的发展和可持续化带来更多的可能。
(作者为中国科学院大连化学物理研究所副研究员)
来源：北京日报 【编辑:曹子健】