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用煤酿“酒”,煤化工还有多少可能?


——探秘全球首个煤基乙醇工业化示范项目
2017年04月21日 10:33:55 稿源: 中国煤炭网 张翔 关佳宁 发表评论

  煤基制乙醇技术产业化终于打通“最后一公里”。4月12日,延长中科(大连)能源科技股份有限公司(简称延长中科公司)暨甲醇(二甲醚)制无水乙醇技术产业化启动仪式在中科院大连化学物理研究所举行。

  今年1月,由大连化物所和延长石油集团共同研发、具有我国自主知识产权的全球首套煤基乙醇工业化示范装置产出合格产品。至今,该装置已稳定运行3个多月。这是继煤制油、煤制乙二醇等技术之后,我国煤化工领域取得的又一世界级成果。

  为了推进煤基制乙醇技术产业化,大连化物所与延长石油集团共同发起成立了一家以催化剂生产与工艺推广为主的高技术产业化公司——延长中科公司。

  为什么要研发煤基制乙醇技术?这项技术到底牛在哪儿?工业化前景如何……带着相关问题,记者近日走进大连化物所。

  煤制燃料乙醇:

  出于能源安全和粮食安全考虑

  “我们盯这个事儿很久了。”中国工程院院士、大连化物所所长刘中民告诉记者,始建于1949年3月的中科院化物所,历来关注中国的能源供应和化石资源利用问题,煤化工是一个重点研究方向。获2014年度国家技术发明奖一等奖的甲醇制取低碳烯烃技术,就出自刘中民带领的甲醇制烯烃国家工程实验室。

  据中科院副院长张涛介绍,煤基乙醇工业化项目是中科院战略性先导科技专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”中的一项重要研究项目,也是中科院大连化物所和延长石油集团共同研发的成果。

  “煤基制乙醇技术的应用,将有效弥补石油资源不足、缓解我国燃料乙醇对粮食的依赖,为我国能源安全和粮食安全提供有力保障。”中科院院长白春礼如是评价煤基制乙醇技术。

  “乙醇是个好东西。”刘中民说,全世界66%的乙醇都被用作燃料乙醇,是公认的绿色环保汽油添加剂。从原理上讲,汽油分子中不含氧,而乙醇含35%的氧,在汽油中添入乙醇,有助于充分燃烧,可使汽车污染物综合排放量降低三分之一以上。对于饱受雾霾之苦的中国而言,推广乙醇汽油也利于减少大气污染。

  从国家能源安全的角度看,用煤基乙醇替代石油,可减少原油消耗,减少石油依赖。2016年,中国汽油表观消费量11983万吨,按国内E10乙醇汽油标准(用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成),需燃料乙醇1198万吨。“十二五”期间,我国燃料乙醇目标产量为500万吨/年,至2020年目标产量为1000万吨/年,而2015年国内燃料乙醇产量仅为250万吨。经多年试点,目前只有11个省份推广使用乙醇汽油。

  美国和巴西于上世纪80年代开始大力发展燃料乙醇。我国探索发展了燃料乙醇及乙醇汽油。但基于以全球7%耕地养活全球20%人口的现实国情,以粮食为原料制备燃料乙醇显然不适合在我国大范围推广。为避免出现“与人争粮”的局面,2006年,国家收回了粮食制备燃料乙醇项目审批权。

  “美国人用玉米,巴西人用甘蔗,但我们不能这么干啊,必须让乙醇和粮食脱钩。”刘中民说,“我国煤炭资源丰富,用煤制乙醇,是出于能源安全和粮食安全的考虑。”

  工艺路线:

  催化剂稳定可靠不用贵金属

  用煤制乙醇,并非中国人第一个想到。但长期以来,因难以回避贵金属催化剂、效率较低以及设备腐蚀等问题,煤经合成气直接制乙醇是一项世界性挑战。

  “煤基制乙醇传统路线中,催化剂要用到贵金属铑,比黄金还贵,不利于推广,无法实现工业化。”刘中民说。

  但这个难题最终让中国人破解了。大连化物所提出以煤基合成气为原料,经甲醇、二甲醚羰基化、加氢合成乙醇的工艺路线。该路线采用非贵金属催化剂,可以直接生产无水乙醇。其核心为二甲醚在分子筛催化剂上的羰基化反应。这个反应打破了以金属为催化剂的传统羰基化反应理念,国外研究机构都很关注,但在催化剂的活性和稳定性上长期没有突破。

  “目前,国内外有很多公司、大学、研究机构等都在做相关实验,很多比我们还早。”大连化物所合成气转化研究组组长朱文良告诉记者,截至目前国内外还没有一家机构宣布有重大突破。

  2010年,在刘中民的带领下,由朱文良、刘红超和刘勇组成的课题组,开始进行煤基乙醇技术关键催化剂研发。

  “做催化剂筛选工作,过程还是比较坎坷的。”刘红超感慨地说。二甲醚转化反应非常复杂,有上万种反应产物,上百种反应路径。为了研发出适合工业化生产的催化剂,该团队从2010年到2013年做了无数次试验。催化剂的寿命也从最初的100小时延长到6400小时。

  2013年,该团队完成二甲醚羰基化催化剂长周期寿命实验,催化剂定型后开展了反应的中试放大实验。

  在煤基制乙醇技术研发过程中,大连化物所并非孤军奋战。早在2010年,该所就与延长石油集团签订了全面战略合作协议,后者不仅提供资金支持,还参与了工艺包设计等。2014年,大连化物所与延长石油集团联合启动了10万吨/年合成气制乙醇工业示范项目。2016年10月,示范装置建成。2016年12月,示范装置开始联动试车。2017年1月11日,示范装置产出合格无水乙醇产品,纯度达到99.71%,主要指标均达到或优于设计值。

  工业推广:

  技术优势带来市场竞争力

  “真正牛的技术,不用过多政策扶持,也能有市场竞争力。”谈到煤基制乙醇技术的工业化前景时,刘中民自信地说。

  据介绍,除了催化剂的突破外,与传统的乙醇合成技术相比,大连化物所开发的煤基制乙醇技术还有以下特点:工艺过程无水,分离产品直接为无水乙醇;工艺中无需添加碘甲烷等卤化物助剂,避免腐蚀,减少设备投资;羰基化过程中无需高纯一氧化碳和氢气,降低气体分离能耗,节约生产成本。

  刘中民给记者算了一笔账:1吨甲醇成本在1000元至1500元之间,1.5吨甲醇可制1吨乙醇,加上其他费用,1吨乙醇成本在2500元到3250元之间,乙醇的市场价为5000元/吨。“贵的时候1吨乙醇能卖到七八千元,咋能不挣钱呢?”刘中民说。

  另外,该项目中反应器、工艺条件与合成气制甲醇工艺基本一致,可把现有甲醇厂改造为乙醇厂,为消化甲醇过剩产能提供新的技术路线。“目前,国内甲醇产能达到八九千万吨,但开工率只有58%,如果把甲醇厂改造为乙醇厂,效益会好得多。”刘中民认为,这将有利于推动我国煤化工产业结构的转型。

  从原理上讲,天然气和煤一样,部分氧化后得到合成气,进而合成乙醇,所以煤基乙醇技术也可以用作天然气原料生产乙醇,助推“一带一路”战略在沿线富有天然气资源国家的实施。

  张涛指出,该项目的成功,为今后大规模工业化装置建设、生产和运行提供了关键技术数据和宝贵的经验,标志着我国将率先拥有设计和建设百万吨级大型煤基乙醇工厂的能力,使我国大范围推广乙醇汽油成为可能。

  延长石油集团董事长贺久长透露,在10万吨/年装置的基础上,目前延长石油集团已经完成了50万吨/年工业化装置的可行性研究,并启动了工艺包的设计开发工作。

  相关链接:

  乙醇,俗称酒精,既是重要的基础化学品,又与日常生活息息相关。酒精可勾兑白酒饮用、75%乙醇溶液可消毒。酒精既可用作清漆、化妆品、油墨、脱漆剂的溶剂,还可用作农药、橡胶、塑料、人造纤维、洗涤剂的制造原料。乙醇可部分替代乙烯用作化工原料,也可方便地转化为乙烯,促进下游精细化工行业的发展。

  另外,乙醇可作为汽油添加剂,即燃料乙醇使用。目前,全球66%的乙醇作为燃料乙醇,添加到汽油中。燃料乙醇是指未加变性剂、水分体积分数小于0.8%、可作燃料用的无水乙醇。为了严格控制燃料乙醇不流入食用酒精市场,乙醇中加入体积分数2%~5%的变性剂( 一般为无铅汽油或无铅的烃类)为变性燃料乙醇。变性燃料乙醇与汽油按一定比例混配后即可得到乙醇汽油。与甲醇相比,乙醇无毒、可降解,含氧量达到35%,可以和汽油按任意比例混合。

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