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，中國科學院公布的一則消息引起了業(yè)界的關注。乙醇是世界公認的優(yōu)良汽油添加劑，也是重要的基礎化學品。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)路線對于一個國家而言具有戰(zhàn)略意義，其技術開發(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，及其對國家能源安全、低碳發(fā)展的科學意義。

　　乙醇生產(chǎn)開辟新技術路線

　　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，用于下游精細化學品的生產(chǎn)。

　　乙醇合成一直是各國技術研發(fā)的熱點。我國乙醇的制造歷史悠久，經(jīng)歷了多個發(fā)展階段。在20世紀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)作物和時間。隨著科學技術的進步，我國逐漸引入了化學合成法，豐富了乙醇生產(chǎn)的技術路線，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)嚴重依賴石油資源，缺乏經(jīng)濟性，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)化學加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體燃料及化學品的過程)技術，推動煤炭的高效清潔轉(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)關注的非糧乙醇生產(chǎn)項目，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院大連化學物理研究所(以下簡稱大連化物所)和陜西延長集團共同開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的合成氣制乙醇工藝技術(DMTE技術)。簡單地說，這種技術成功將焦爐煤氣轉(zhuǎn)化為甲醇，并進一步將其轉(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。利用這種技術路線生產(chǎn)出的無水乙醇(通常指純度高達99.5%以上的乙醇產(chǎn)品)，由于其純度高、溶解性強，在化工、制藥等領域有著廣泛應用。

　　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)濟效益和開發(fā)前景。該技術路線的成功開發(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)境和服務國民經(jīng)濟建設具有重要的戰(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體，包括所有的動植物和微生物)、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。相關資料顯示，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1000萬噸。因此，發(fā)展非糧乙醇生產(chǎn)技術，能夠擴大可用原料范圍，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)燃料會對食品供應造成影響，進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團隊于2010年開始研究煤制乙醇技術關鍵催化劑，致力于開發(fā)一條全新的非糧乙醇合成路線。2013年，項目取得突破性進展，各項工藝指標達到工業(yè)化應用的要求。2014年，團隊聯(lián)合陜西延長集團開展“煤基乙醇成套工藝技術的開發(fā)”。該技術采用來源廣泛(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)示范項目一次投產(chǎn)成功，表明我國在世界上率先擁有了設計和建設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，驗證了合成氣制乙醇工藝技術，即DMTE技術的先進性和可靠性，為將來大規(guī)模應用打了一劑強心針，同時有望解決國內(nèi)燃料乙醇短缺的問題。

　　推動鋼鐵焦化產(chǎn)業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型

　　值得關注的是，此次60萬噸/年DMTE技術的工業(yè)應用與以往大不相同，除了規(guī)模更大、難度更高、面臨的問題更為復雜之外，還以焦爐煤氣制取的甲醇和以混煤及焦粉制取的合成氣為原料，實現(xiàn)了焦爐煤氣和煤炭的共同利用。因此，此次DMTE技術的應用不僅為煤炭的潔凈、低碳、高效轉(zhuǎn)化提供了技術支撐，對于推動鋼廠煤氣高附加值利用，促進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)結構低碳化轉(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)展模式是一項緊迫的關鍵任務。以鋼鐵產(chǎn)業(yè)為例，生產(chǎn)鋼鐵的同時會產(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，急需尋找新的技術實現(xiàn)資源再利用。

　　“如果大量的鋼廠尾氣利用DMTE技術生成乙醇，那將會實現(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)濟效益的前提下，帶動一個新產(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1個標準大氣壓下的氣體體積)的鋼廠尾氣，如果把這個氣體量轉(zhuǎn)化為水體積，相當于可以填滿幾千個標準奧運游泳池。也就是說，非糧乙醇生產(chǎn)路線的研發(fā)可實現(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。

　　提升清潔能源領域國際影響力

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

　　對于我國而言，此次60萬噸/年乙醇生產(chǎn)裝置試生產(chǎn)項目以焦爐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，這項成果已經(jīng)成功實現(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技術已經(jīng)簽訂技術許可合同13套，累計產(chǎn)能達395萬噸，產(chǎn)值達250億元。完全投產(chǎn)后，相當于可以節(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，基于焦爐煤氣制甲醇，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，確保糧食供應充足；其次，可促進能源多元化發(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)乙醇有助于保護生態(tài)環(huán)境，減少對環(huán)境的污染；第四，此舉也將帶動產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，推動經(jīng)濟增長，并提升中國在清潔能源領域的國際影響力。

　　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)境保護的重要戰(zhàn)略舉措。當然也應理性認識到，突破催化劑技術、原料多樣性和成本效益、技術工藝完善、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應用、環(huán)境可持續(xù)性等關鍵瓶頸至關重要，順利應對這些挑戰(zhàn)需要跨學科的合作、技術創(chuàng)新和持續(xù)的投入。

　　可以預見的是，隨著多個非糧乙醇生產(chǎn)裝置的陸續(xù)投產(chǎn)，一個新興的乙醇戰(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，在科技領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，將被廣泛應用于汽車燃料和其他工業(yè)領域，為能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護，以及推動清潔能源的發(fā)展和可持續(xù)化帶來更多的可能。

　　(作者為中國科學院大連化學物理研究所副研究員)