7月的榆林，驕陽(yáng)似火。位于榆神工業(yè)園區(qū)的50萬(wàn)噸/年煤基乙醇項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，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(yùn)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(gè)工程的核心之一。我們巡檢人員每天都要仔細(xì)檢查，爬上去是家常便飯了。”陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)榆神能源化工有限公司(以下簡(jiǎn)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(xiàng)目將在9月打通全流程、正式投入生產(chǎn)。“距離目標(biāo)越近，大伙兒越是絲毫不敢放松。”
全球最大、完全自主——該項(xiàng)目標(biāo)志著乙醇生產(chǎn)將邁入大規(guī)模工業(yè)化時(shí)代。除了制油制氣，生產(chǎn)烯烴、乙二醇等產(chǎn)品，煤炭在我國(guó)多了一個(gè)清潔高效利用的新途徑。
破解“煤變酒精”的世界級(jí)難題
乙醇即無(wú)水酒精，作為公眾接受度最高的基礎(chǔ)化學(xué)品，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療及日常生活中，長(zhǎng)期以來(lái)主要通過(guò)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(guó)工程院院士、中科院大連化物所所長(zhǎng)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(zhēng)糧、與人爭(zhēng)地風(fēng)險(xiǎn)，以糧食為原料的路線并不適合在我國(guó)大范圍推廣。“比如，乙醇是世界公認(rèn)的清潔環(huán)保燃料、油品質(zhì)量改良劑。早在2017年，國(guó)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(guó)汽油表觀消費(fèi)量1.4億噸，乙醇添加比例10%計(jì)算，需要燃料乙醇1400萬(wàn)噸，當(dāng)年實(shí)際產(chǎn)量?jī)H有約300萬(wàn)噸。”
缺口只能以“非糧”路線填補(bǔ)。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(huì)增加石油對(duì)外依存度。基于我國(guó)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(jiǎn)單說(shuō)，煤先經(jīng)氣化制合成氣，然后轉(zhuǎn)化為甲醇，再通過(guò)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(méi)人研究，但反應(yīng)過(guò)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(jí)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(wú)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(wàn)噸，即每年轉(zhuǎn)化低階煤150萬(wàn)噸。“按照3噸糧食生產(chǎn)1噸乙醇測(cè)算，一年相當(dāng)于節(jié)約原料糧150萬(wàn)噸，這是榆林市糧食全年產(chǎn)量的65%。”
有能力建設(shè)百萬(wàn)噸級(jí)煤基乙醇工廠
一項(xiàng)新技術(shù)想從“幕后”走到“臺(tái)前”，面臨著工業(yè)化過(guò)程中的重重挑戰(zhàn)，該過(guò)程一般不少于10年。“從2010年展開(kāi)基礎(chǔ)研究，到2017年實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范，我們用了6年多時(shí)間。”項(xiàng)目核心成員、大連化物所研究員朱文良稱，完成實(shí)驗(yàn)室中試后，設(shè)計(jì)和建設(shè)了一個(gè)年產(chǎn)10萬(wàn)噸的煤基乙醇工業(yè)示范項(xiàng)目。
“中試試驗(yàn)相當(dāng)于在實(shí)驗(yàn)室模擬工業(yè)化全流程，但真正進(jìn)入實(shí)踐階段，不只是放大這么簡(jiǎn)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(wàn)噸乙醇裝置單個(gè)反應(yīng)器需30噸催化劑，足足放大30萬(wàn)倍。從實(shí)驗(yàn)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(méi)有成熟經(jīng)驗(yàn)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(gè)多月。“2017年1月11日，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的全球首套工業(yè)示范項(xiàng)目打通全流程。一次投產(chǎn)成功，無(wú)水乙醇產(chǎn)品純度達(dá)到99.71%，我國(guó)率先擁有了設(shè)計(jì)和建設(shè)百萬(wàn)噸級(jí)大型煤基乙醇工廠的能力 。”
在10萬(wàn)噸項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，正在開(kāi)發(fā)的50萬(wàn)噸煤基乙醇項(xiàng)目已是當(dāng)前全球最大規(guī)模。“若使用國(guó)外成熟設(shè)備，過(guò)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(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，整套裝置也要國(guó)產(chǎn)化。“比如氣化裝置是乙醇項(xiàng)目的工藝龍頭，采用國(guó)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(guò)氣化，成為后系統(tǒng)所需的粗煤氣，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%。”
站在羰基化裝置頂上俯瞰全廠，整潔的道路旁綠樹(shù)郁郁蔥蔥。“工業(yè)廢氣回收后脫硫、脫硝處理，達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn);建成污水零排放系統(tǒng)，特別是難處理的含鹽污水，通過(guò)蒸發(fā)、結(jié)晶、分鹽實(shí)現(xiàn)環(huán)保處置。”高有智稱，“用煤不見(jiàn)煤、用水不排水”成為現(xiàn)實(shí)。
開(kāi)辟第四條煤基化學(xué)品生產(chǎn)路線
技術(shù)好不好，最終還得經(jīng)濟(jì)性“說(shuō)了算”。
對(duì)此，中科院大連化物所和榆神能化公司做了反復(fù)測(cè)算分析：按照糧食發(fā)酵法，即使不考慮原料漲價(jià)因素，生產(chǎn)成本也在5000元/噸左右。實(shí)現(xiàn)大型化的煤基乙醇工作，成本約為3500元/噸 。“乙醇便于運(yùn)輸儲(chǔ)存，能夠方便靈活地生產(chǎn)高純乙烯，進(jìn)一步向下游生產(chǎn)精細(xì)化工品。該路線的中間產(chǎn)物乙酸甲酯也是大宗化學(xué)品，可以按市場(chǎng)需求及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。利用該技術(shù)，還能將大量過(guò)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(lái)自市場(chǎng)的認(rèn)可是最好證明。記者了解到，全國(guó)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(jì)達(dá)到295萬(wàn)噸/年。除了榆林，擬建項(xiàng)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(jì)產(chǎn)能可達(dá)到400萬(wàn)噸/年，對(duì)應(yīng)產(chǎn)值達(dá)250億元。
在多位業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，其更是開(kāi)辟了第四條煤基化學(xué)品生產(chǎn)路線 。以煤為原料，繼當(dāng)前生產(chǎn)烯烴、芳烴及乙二醇等主產(chǎn)品之外，一個(gè)年產(chǎn)值超百億元的新型細(xì)分產(chǎn)業(yè)正在形成。“出于自身特性，煤炭最適合用來(lái)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(zhǎng)，與石油化工形成互補(bǔ)，共同保障供應(yīng)鏈安全。”劉中民表示，在煤基乙醇生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)，也可以進(jìn)一步加工利用，反應(yīng)生成其他精細(xì)化學(xué)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(guó)家糧食安全、能源安全，帶動(dòng)煤炭清潔高效利用，可以說(shuō)煤基乙醇起到一舉三得的作用。”
