房旭東

　　全球規(guī)模最大的60萬(wàn)噸/年乙醇生產(chǎn)裝置在我國(guó)啟動(dòng)試生產(chǎn)，產(chǎn)出合格無(wú)水乙醇，開辟了非糧乙醇生產(chǎn)新路線……日前，中國(guó)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(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地的問題，因此，開辟非糧乙醇生產(chǎn)路線對(duì)于一個(gè)國(guó)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(zhǎng)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(duì)國(guó)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(wú)色透明液體，獨(dú)具特殊香味。乙醇的用途廣泛，我國(guó)每年用于酒精類飲品生產(chǎn)的乙醇超過200萬(wàn)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(guó)技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)。我國(guó)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(duì)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(guó)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(guó)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(guó)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(wàn)噸/年乙醇生產(chǎn)裝置”所采用的正是中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱大連化物所)和陜西延長(zhǎng)集團(tuán)共同開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的合成氣制乙醇工藝技術(shù)(DMTE技術(shù))。簡(jiǎn)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(wú)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(wú)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(duì)我國(guó)石油化工原料替代、保障國(guó)家能源安全、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境和服務(wù)國(guó)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(guó)乙醇市場(chǎng)的現(xiàn)狀有關(guān)。相關(guān)資料顯示，2022年，我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)量約270萬(wàn)噸，而我國(guó)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(wàn)噸，市場(chǎng)缺口高達(dá)1000萬(wàn)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)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(guó)的美國(guó)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(guó)、巴西等國(guó)也將面臨“與人爭(zhēng)糧”的問題。

　　顯而易見，研究非糧乙醇的生產(chǎn)對(duì)于避免與人爭(zhēng)糧、減少對(duì)糧食作物的依賴、保障國(guó)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(guó)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(zhǎng)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(wú)水乙醇。2017年，全球首個(gè)10萬(wàn)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(guó)在世界上率先擁有了設(shè)計(jì)和建設(shè)百萬(wàn)噸級(jí)大型乙醇工廠的能力。

　　如今，60萬(wàn)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(guó)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(wàn)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(duì)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(guó)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(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，2022年全國(guó)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(guó)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(huì)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(huì)實(shí)現(xiàn)清潔燃料乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)，滿足社會(huì)對(duì)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)。”劉中民院士說。我國(guó)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(guó)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(duì)國(guó)家的貢獻(xiàn)，更是對(duì)全球可持續(xù)進(jìn)步的一種貢獻(xiàn)。

　　對(duì)于我國(guó)而言，此次60萬(wàn)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(duì)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(wàn)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(wàn)噸，能有效解決“與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，并提升中國(guó)在清潔能源領(lǐng)域的國(guó)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(duì)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(shí)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(duì)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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所副研究員)