7月的榆林，驕陽似火。位于榆神工業(yè)園區(qū)的50萬噸/年煤基乙醇項目現(xiàn)場，管廊縱橫，塔基高聳，有工人忙著給管道包裹隔熱材料，有人員頂著烈日指揮吊裝設(shè)備運轉(zhuǎn)。跟隨工作人員爬上一座接近50米的“高塔”，記者汗流浹背，一路歇了好幾次。
“這叫羰基化反應(yīng)裝置，整個工程的核心之一。我們巡檢人員每天都要仔細檢查，爬上去是家常便飯了。”陜西延長石油集團榆神能源化工有限公司(以下簡稱“榆神能化公司”)總經(jīng)理郭尊禮介紹，繼6月30日建成中交后，項目將在9月打通全流程、正式投入生產(chǎn)。“距離目標越近，大伙兒越是絲毫不敢放松。”
全球最大、完全自主——該項目標志著乙醇生產(chǎn)將邁入大規(guī)模工業(yè)化時代。除了制油制氣，生產(chǎn)烯烴、乙二醇等產(chǎn)品，煤炭在我國多了一個清潔高效利用的新途徑。
破解“煤變酒精”的世界級難題
乙醇即無水酒精，作為公眾接受度最高的基礎(chǔ)化學品，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療及日常生活中，長期以來主要通過糧食發(fā)酵制取。既然已有成熟工藝，為何又要研究新路線?
中國工程院院士、中科院大連化物所所長劉中民告訴記者，傳統(tǒng)靠谷物、蔗糖、薯類發(fā)酵制乙醇，存在與人爭糧、與人爭地風險，以糧食為原料的路線并不適合在我國大范圍推廣。“比如，乙醇是世界公認的清潔環(huán)保燃料、油品質(zhì)量改良劑。早在2017年，國家便提出普及乙醇汽油，至今未能大面積使用，主要就是產(chǎn)量受限。按照2021年全國汽油表觀消費量1.4億噸，乙醇添加比例10%計算，需要燃料乙醇1400萬噸，當年實際產(chǎn)量僅有約300萬噸。”
缺口只能以“非糧”路線填補。但據(jù)記者了解，利用秸稈等生物質(zhì)資源制乙醇，尚處于研發(fā)階段;乙烯水合法成本較高，還會增加石油對外依存度。基于我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，煤基路線被寄予厚望。
固體燃料如何變成透明液體?簡單說，煤先經(jīng)氣化制合成氣，然后轉(zhuǎn)化為甲醇，再通過脫水、羰基化、加氫等步驟合成乙醇。“合成氣直接制乙醇前期不是沒人研究，但反應(yīng)過程需要貴金屬催化劑，成本高、產(chǎn)物選擇性低，設(shè)備易腐蝕，煤基乙醇一直是世界級難題。”劉中民稱，新路線使用分子篩催化劑和銅基催化劑，突破貴金屬催化劑的制約 。“已有路線的產(chǎn)物基本是乙醇和水的混合物，兩者分離困難，能耗高。而新反應(yīng)體系的關(guān)鍵步驟不產(chǎn)生水，分離后直接得到無水乙醇，環(huán)境友好且成本低。”
榆神能化公司總工程師高有智算了一筆賬：年產(chǎn)乙醇50萬噸，即每年轉(zhuǎn)化低階煤150萬噸。“按照3噸糧食生產(chǎn)1噸乙醇測算，一年相當于節(jié)約原料糧150萬噸，這是榆林市糧食全年產(chǎn)量的65%。”
有能力建設(shè)百萬噸級煤基乙醇工廠
一項新技術(shù)想從“幕后”走到“臺前”，面臨著工業(yè)化過程中的重重挑戰(zhàn)，該過程一般不少于10年。“從2010年展開基礎(chǔ)研究，到2017年實現(xiàn)工業(yè)示范，我們用了6年多時間。”項目核心成員、大連化物所研究員朱文良稱，完成實驗室中試后，設(shè)計和建設(shè)了一個年產(chǎn)10萬噸的煤基乙醇工業(yè)示范項目。
“中試試驗相當于在實驗室模擬工業(yè)化全流程，但真正進入實踐階段，不只是放大這么簡單。”朱文良舉例，從小試到中試，催化劑裝填量由1克增至100克，再到10萬噸乙醇裝置單個反應(yīng)器需30噸催化劑，足足放大30萬倍。從實驗室到工業(yè)化，催化劑的形狀、規(guī)模及反應(yīng)條件等均發(fā)生變化。沒有成熟經(jīng)驗可參考，研究組決定自己做，5位科研人員帶著15位工人一干就是4個多月。“2017年1月11日，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的全球首套工業(yè)示范項目打通全流程。一次投產(chǎn)成功，無水乙醇產(chǎn)品純度達到99.71%，我國率先擁有了設(shè)計和建設(shè)百萬噸級大型煤基乙醇工廠的能力 。”
在10萬噸項目的基礎(chǔ)上，正在開發(fā)的50萬噸煤基乙醇項目已是當前全球最大規(guī)模。“若使用國外成熟設(shè)備，過程或許容易，但始終受制于人。”郭尊禮表示，除了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，整套裝置也要國產(chǎn)化。“比如氣化裝置是乙醇項目的工藝龍頭，采用國際領(lǐng)先的航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)。在1380攝氏度高溫下，煤炭經(jīng)過氣化，成為后系統(tǒng)所需的粗煤氣，碳轉(zhuǎn)化率高達99%。”
站在羰基化裝置頂上俯瞰全廠，整潔的道路旁綠樹郁郁蔥蔥。“工業(yè)廢氣回收后脫硫、脫硝處理，達到超低排放標準;建成污水零排放系統(tǒng)，特別是難處理的含鹽污水，通過蒸發(fā)、結(jié)晶、分鹽實現(xiàn)環(huán)保處置。”高有智稱，“用煤不見煤、用水不排水”成為現(xiàn)實。
開辟第四條煤基化學品生產(chǎn)路線
技術(shù)好不好，最終還得經(jīng)濟性“說了算”。
對此，中科院大連化物所和榆神能化公司做了反復(fù)測算分析：按照糧食發(fā)酵法，即使不考慮原料漲價因素，生產(chǎn)成本也在5000元/噸左右。實現(xiàn)大型化的煤基乙醇工作，成本約為3500元/噸 。“乙醇便于運輸儲存，能夠方便靈活地生產(chǎn)高純乙烯，進一步向下游生產(chǎn)精細化工品。該路線的中間產(chǎn)物乙酸甲酯也是大宗化學品，可以按市場需求及時調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。利用該技術(shù)，還能將大量過剩的甲醇廠改造成乙醇工廠，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、釋放產(chǎn)能。”朱文良稱。
來自市場的認可是最好證明。記者了解到，全國范圍內(nèi)目前已簽訂10套技術(shù)許可合同，乙醇產(chǎn)能累計達到295萬噸/年。除了榆林，擬建項目分布在安徽、新疆、河南、山東等地。據(jù)保守預(yù)估，“十四五”期間，乙醇技術(shù)的許可合同累計產(chǎn)能可達到400萬噸/年，對應(yīng)產(chǎn)值達250億元。
在多位業(yè)內(nèi)人士看來，其更是開辟了第四條煤基化學品生產(chǎn)路線 。以煤為原料，繼當前生產(chǎn)烯烴、芳烴及乙二醇等主產(chǎn)品之外，一個年產(chǎn)值超百億元的新型細分產(chǎn)業(yè)正在形成。“出于自身特性，煤炭最適合用來生產(chǎn)含氧化合物，乙醇恰恰屬于這類理想產(chǎn)品。這樣也是發(fā)揮煤炭自身所長，與石油化工形成互補，共同保障供應(yīng)鏈安全。”劉中民表示，在煤基乙醇生產(chǎn)過程中，二甲醚、乙酸甲酯等中間產(chǎn)品，均可以根據(jù)需要直接投放市場，也可以進一步加工利用，反應(yīng)生成其他精細化學品。技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈不斷豐富，符合煤化工產(chǎn)業(yè)走向高端化、多元化、低碳化的發(fā)展要求。“保障國家糧食安全、能源安全，帶動煤炭清潔高效利用，可以說煤基乙醇起到一舉三得的作用。”
