中國實現煤制乙醇,化"煤"為"酒"的奇蹟如何釀成？

出品| 網易新聞

作者| 甘亞平，汽車行業高級工程師

　　把「煤」變成「酒」，這聽上去似乎科幻味十足，而在過去一年裡，這項世界級難題卻被中國人攻克了。

　　這裡的「煤變酒」指的是煤經合成氣直接制乙醇技術，是繼煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇之後，煤化工行業的又一個新方向。在中國研發成功前，煤制乙醇在全世界都是一個極具挑戰性的課題。

　　那麼，科學家們為什麼要研究用煤制乙醇呢？這其中又有哪些難點？中國這次的突破究竟牛在哪兒？

（一）用處多多的乙醇是怎麼生產的？

　　乙醇俗稱酒精，相信大家都並不陌生。

　　往近了說，它可以被用來勾兌白酒、醫用消毒；往遠了說，它是一種很好的溶劑，可以用來溶解化妝品（沒錯，女生們用到的很多化妝品都含有酒精成分）、清漆和油墨等，還可以用來製取農藥、橡膠、塑料、人造纖維、洗滌劑等化工產品。

　　而它最大的用處，其實是作為燃料乙醇添加到汽油里，讓汽油燃燒得更充分，降低一氧化碳等大氣污染物的排放，此外，由於乙醇本身並沒有任何腐蝕性，使用乙醇汽油不需要對汽車進行任何改裝，還能夠提高汽油抗爆性和辛烷值，提升動力性能，因此在全球得到廣泛推廣使用。

（國外市場上使用的E85汽油，添加了85%的乙醇）

　　目前，市面上用到的燃料乙醇以生物質發酵乙醇為主，而各國生產乙醇的方式主要是發酵法。其中，美國主要是以玉米發酵生產乙醇，巴西則是以甘蔗發酵生產乙醇。

　　美國和巴西都是地廣人稀的國家，耕地面積廣闊，和中國的情況大不相同，中國由於面臨糧食安全問題，一直是以陳化糧發酵生產乙醇，原料的制約使得產量十分有限。2016年，中國燃料乙醇產量僅為260萬噸，與美國4266萬噸、巴西1744萬噸的消費量相比具有巨大的發展空間。

　　乙醇還能通過石油裂解的乙烯來化學合成，但是由於成本比生物質發酵法還要高，因此沒有市場競爭優勢。

（二）煤制乙醇，中國是如何實現的？

　　中國是世界煤炭第一儲量和使用大國，也是世界第一大鋼鐵生產大國，而鋼鐵的生產離不開焦炭，生產焦炭就會產生以氫氣和甲烷為主體的副產品焦爐煤氣。

　　以2016年為例，中國焦炭產量為44911萬噸，按照1噸焦炭生產430立方米焦爐煤氣計算，2016年中國共產出焦爐煤氣1931.17億立方米。與此形成鮮明對比的是，目前焦爐煤氣的使用率僅為70%左右，且大多數是沒有深度開發的低端利用，比如作為燃料直接燒掉。

　　如果將其用於無水乙醇開發，不僅可使產氣廠家的售氣收益增長三成左右，同時每100萬噸煉焦所產焦爐煤氣可生產10萬噸無水乙醇。這樣一來，中國每年消耗上千萬噸糧食生產乙醇的現狀就能改變了。同時，中國60%石油依賴進口的狀況也能得到改觀，找到另一條備用途徑。這對國家糧食安全、能源安全、生態環境安全和生產企業增收都是利好消息。

　　目前，煤制乙醇的技術路線主要有4條，如下圖所示。

（煤制乙醇的主要技術路徑）

　　其中路徑4是合成氣直接通過微生物發酵製備乙醇由於反應速率慢，產出率不高，難以規模化生產，還不具備大規模工業化生產的價值。美國已經在此領域研究了幾十年，難點在於找到高效反應的發酵微生物，進展有限。而這條技術路徑的優點在於污染少，環境影響小，原料來源廣泛，很多目前不能利用的植物纖維素，比如秸稈等有機物原料都可以通過氣化爐製成合成氣，然後發酵製成乙醇。

　　路徑3是合成氣直接催化製成醋酸乙酯，然後加氫反應製成乙醇。但目前催化劑的選擇性還不好，反應物成分複雜，分離困難，而且催化劑需要用鉑系貴金屬，成本非常高。因此，這種反應路徑還處在小批量試驗過程中。

　　路徑2是合成氣製成甲醇後通過羰基化反應製成醋酸然後制乙醇，這是目前煤制乙醇工業化生產的主要方法。這個路徑有兩個分支，其中一個分支是醋酸直接催化加氫製成乙醇，另外一個分支是醋酸經過酯化反應製成醋酸酯，然後催化加氫製成乙醇。其中第一個分支是由美國開發的，第二個是由中國開發的。

　　這兩種分支路線的優點是能夠實現大批量的工業化生產，而且能夠利用國內富餘的醋酸產能，實現現有醋酸合成產線的增值。

　　其中美國的醋酸直接催化加氫工藝路線比較成熟，已經能夠進入大規模工業化生產，但缺點是催化劑需要用到貴金屬銠，成本比較高。另外，醋酸加氫反應產物中有水，後續還需要額外的乙醇脫水工序製成無水乙醇。

　　而中國開發的醋酸經過酯化反應製成醋酸酯後再催化加氫製成乙醇的分支工藝路線只需要用銅基催化劑，成本較低。

　　除了這三種路徑，目前世界上最先進的煤制乙醇工藝當屬由中科院大連化學物理所開發的工藝路線1，合成氣制甲醇，甲醇催化脫水制二甲醚，二甲醚羰基化制乙酸甲酯，乙酸甲酯催化加氫製取乙醇。反應方程式如下：

　　CO+2H2→CH3OH (合成氣制甲醇)

　　CH3OH+CH3OH→CH3OCH3+H2O （甲醇脫水制二甲醚）

　　CH3OCH3+CO→CH3COOCH3 （二甲醚羰基化制乙酸甲酯）

　　2CH3COOCH3+3H2→3CH3CH2OH （乙酸甲酯催化加氫制乙醇）

　　2017年年初，大連化物所的這項工藝已經產出了合格的無水乙醇，純度達到99.71%。

（目前部分地區開始推廣E10乙醇汽油，2020年全國推廣使用）

（三）煤制乙醇技術，究竟牛在哪兒？

　　前面我們已經詳細介紹了另外三種工藝，那麼，與那三種傳統的乙醇合成技術相比，大連化物所的工藝路線究竟先進在哪兒？

　　1）整個環節沒有腐蝕性的酸性物質產生，反應設備用一般的碳鋼材質就可以滿足要求，不需要使用昂貴的不鏽鋼材質的反應設備，可以大大減少設備投資成本。

　　2）不需要使用貴金屬催化劑，大大降低了成本。該技術路線的核心為二甲醚在分子篩催化劑上的羰基化反應。大連化物所通過大量的創新性研究和攻關，成功開發出具有高活性和高穩定性的分子篩羰基化催化劑和銅基催化劑，為其工業化奠定了堅實基礎。

　　3）可以利用現有甲醇產線升級改造，中間產物可以根據市場需求隨時調整，市場靈活性最好。該工藝路線反應器、工藝條件與合成氣制甲醇工藝基本一致，可用以改造現有甲醇廠為乙醇廠，從而大大減少設備投資。

　　中間產物二甲醚是一種非常好的溶劑，安全無毒性，可以取代丙酮。另外，二甲醚和液化石油氣（LPG）非常相似，是一種非常好的燃料，可以取代LPG在管道天然氣難以覆蓋的農村地區推廣使用，使用成本低。中間產物乙酸甲酯也是一種大宗化學品，市場應用非常廣泛。

　　4）關鍵反應過程不產生水，可以直接合成無水乙醇。乙醇和水的親和力非常高，分離困難，無水乙醇通常要用生石灰吸水後蒸餾才能得到，無疑會增加成本。此工藝路線關鍵步驟不產生水，可以直接得到純度99.7%的無水乙醇，成本優勢非常明顯。

結語

　　長期以來，乙醇大規模工業化生產只能依賴生物質發酵法，但是中國糧食安全問題一直得不到解決，使得中國難以推廣乙醇汽油。煤制乙醇工藝路線的打通使得中國大規模、低成本製備乙醇成為可能，為中國推廣乙醇汽油掃清了障礙。

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編輯| 史文慧