房旭東

　　全球規模最大的60萬(wàn)噸/年乙醇生產(chǎn)裝置在我國啟動(dòng)試生產(chǎn)，產(chǎn)出合格無(wú)水乙醇，開(kāi)辟了非糧乙醇生產(chǎn)新路線(xiàn)……日前，中國科學(xué)院公布的一則消息引起了業(yè)界的關(guān)注。乙醇是世界公認的優(yōu)良汽油添加劑，也是重要的基礎化學(xué)品。由于傳統乙醇生產(chǎn)工藝涉及與人爭糧、與糧爭地的問(wèn)題，因此，開(kāi)辟非糧乙醇生產(chǎn)路線(xiàn)對于一個(gè)國家而言具有戰略意義，其技術(shù)開(kāi)發(fā)也是世界范圍內共同面臨的長(cháng)期挑戰。今天，我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)非糧乙醇的生產(chǎn)技術(shù)，及其對國家能源安全、低碳發(fā)展的科學(xué)意義。

　　乙醇生產(chǎn)開(kāi)辟新技術(shù)路線(xiàn)

　　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(chēng)酒精，在常態(tài)下為一種易燃、易揮發(fā)的無(wú)色透明液體，獨具特殊香味。乙醇的用途廣泛，我國每年用于酒精類(lèi)飲品生產(chǎn)的乙醇超過(guò)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(guò)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(zhù)提升汽油品質(zhì)，減少車(chē)輛尾氣排放的污染。除此之外，乙醇還可轉化為乙烯，用于下游精細化學(xué)品的生產(chǎn)。

　　乙醇合成一直是各國技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)。我國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50年代之前，乙醇主要依賴(lài)于農產(chǎn)品，采用發(fā)酵法生產(chǎn)，以玉米、甘蔗等為主要原料。這一傳統方法相對環(huán)保，但生產(chǎn)速度較慢，需要大量的農作物和時(shí)間。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國逐漸引入了化學(xué)合成法，豐富了乙醇生產(chǎn)的技術(shù)路線(xiàn)，其典型代表是使用石油化工過(guò)程將乙烯轉化為乙醇，雖然生產(chǎn)速度快，但由于乙烯的生產(chǎn)嚴重依賴(lài)石油資源，缺乏經(jīng)濟性，目前已經(jīng)很少使用。

　　現階段，我國正在積極發(fā)展新型煤化工(以煤為原料，經(jīng)化學(xué)加工使煤轉化為氣體、液體和固體燃料及化學(xué)品的過(guò)程)技術(shù)，推動(dòng)煤炭的高效清潔轉化。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(chǎng)尾氣分離生產(chǎn)。

　　此次引發(fā)關(guān)注的非糧乙醇生產(chǎn)項目，其文章就做在了“高效清潔轉化”上面。官方消息中“全球規模最大的60萬(wàn)噸/年乙醇生產(chǎn)裝置”所采用的正是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大連化物所)和陜西延長(cháng)集團共同開(kāi)發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的合成氣制乙醇工藝技術(shù)(DMTE技術(shù))。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種技術(shù)成功將焦爐煤氣轉化為甲醇，并進(jìn)一步將其轉化為乙醇，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(xiàn)生產(chǎn)出的無(wú)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(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用。

　　這是一條全新的非糧乙醇合成路線(xiàn)，采用全新的分子篩催化劑和銅基催化劑，反應過(guò)程中的產(chǎn)物主要為醇和酯，無(wú)腐蝕性，具有較大的經(jīng)濟效益和開(kāi)發(fā)前景。該技術(shù)路線(xiàn)的成功開(kāi)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(wù)國民經(jīng)濟建設具有重要的戰略意義。

　　為什么要研究非糧乙醇

　　在世界上，傳統乙醇通常采用玉米、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(guò)光合作用而形成的各種有機體，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乙醇市場(chǎng)的現狀有關(guān)。相關(guān)資料顯示，2022年，我國燃料乙醇產(chǎn)量約270萬(wàn)噸，而我國汽油表觀(guān)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(wàn)噸，市場(chǎng)缺口高達1000萬(wàn)噸。因此，發(fā)展非糧乙醇生產(chǎn)技術(shù)，能夠擴大可用原料范圍，降低能源生產(chǎn)對有限資源的過(guò)度依賴(lài)。

　　糧食安全是全球面臨的另一個(gè)巨大挑戰。以玉米、小麥、甘蔗等為原料的傳統乙醇生產(chǎn)方法對糧食作物有較大需求，而這些作物也是人類(lèi)主要的食品來(lái)源。過(guò)度使用糧食作物用于生產(chǎn)燃料會(huì )對食品供應造成影響，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(zhù)全球對燃料乙醇的需求不斷擴大，美國、巴西等國也將面臨“與人爭糧”的問(wèn)題。

　　顯而易見(jiàn)，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(lài)、保障國家糧食安全具有重要意義，并且能為可持續能源的發(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(lǐng)團隊于2010年開(kāi)始研究煤制乙醇技術(shù)關(guān)鍵催化劑，致力于開(kāi)發(fā)一條全新的非糧乙醇合成路線(xiàn)。2013年，項目取得突破性進(jìn)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(cháng)集團開(kāi)展“煤基乙醇成套工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)”。該技術(shù)采用來(lái)源廣泛(如煤、天然氣、生物質(zhì)、鋼廠(chǎng)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(xiàn)，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(wàn)噸級大型乙醇工廠(chǎng)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(lái)大規模應用打了一劑強心針，同時(shí)有望解決國內燃料乙醇短缺的問(wèn)題。

　　推動(dòng)鋼鐵焦化產(chǎn)業(yè)低碳化轉型

　　值得關(guān)注的是，此次60萬(wàn)噸/年DMTE技術(shù)的工業(yè)應用與以往大不相同，除了規模更大、難度更高、面臨的問(wèn)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(shí)現了焦爐煤氣和煤炭的共同利用。因此，此次DMTE技術(shù)的應用不僅為煤炭的潔凈、低碳、高效轉化提供了技術(shù)支撐，對于推動(dòng)鋼廠(chǎng)煤氣高附加值利用，促進(jìn)鋼鐵與能源化工行業(yè)協(xié)調發(fā)展，助力中國能源和產(chǎn)業(yè)結構低碳化轉型也具有重大意義。

　　我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，2022年全國粗鋼產(chǎn)量超過(guò)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(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(chēng)鋼廠(chǎng)尾氣，其主要成分為一氧化碳、氫氣。目前，鋼廠(chǎng)尾氣主要通過(guò)燃燒用于加熱和發(fā)電，從而實(shí)現資源的再利用，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)現資源再利用。

　　“如果大量的鋼廠(chǎng)尾氣利用DMTE技術(shù)生成乙醇，那將會(huì )實(shí)現清潔燃料乙醇的大規模生產(chǎn)，滿(mǎn)足社會(huì )對燃料乙醇的需求，在保證經(jīng)濟效益的前提下，帶動(dòng)一個(gè)新產(chǎn)業(yè)。”劉中民院士說(shuō)。我國現有超1000億Nm3(Nm3為體積單位，指在0℃時(shí)1個(gè)標準大氣壓下的氣體體積)的鋼廠(chǎng)尾氣，如果把這個(gè)氣體量轉化為水體積，相當于可以填滿(mǎn)幾千個(gè)標準奧運游泳池。也就是說(shuō)，非糧乙醇生產(chǎn)路線(xiàn)的研發(fā)可實(shí)現由鋼廠(chǎng)尾氣到清潔燃料乙醇的大規模生產(chǎn)，降低鋼廠(chǎng)、煉焦廠(chǎng)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)域國際影響力

　　可以說(shuō)，關(guān)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，更是對全球可持續進(jìn)步的一種貢獻。

　　對于我國而言，此次60萬(wàn)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(shí)現了高附加值乙醇的大規模生產(chǎn)，顯著(zhù)降低了乙醇生產(chǎn)對糧食的需求。截至目前，DMTE技術(shù)已經(jīng)簽訂技術(shù)許可合同13套，累計產(chǎn)能達395萬(wàn)噸，產(chǎn)值達250億元。完全投產(chǎn)后，相當于可以節約糧食約1200萬(wàn)噸，能有效解決“與人爭糧、與糧爭地”的問(wèn)題。同時(shí)，基于焦爐煤氣制甲醇，也將為清潔燃料乙醇的大規模商業(yè)化生產(chǎn)鋪平道路，并有效降低鋼廠(chǎng)和煉焦廠(chǎng)的污染廢氣排放，實(shí)現鋼鐵、能源、環(huán)境的共贏(yíng)。

　　總之，采用非糧乙醇生產(chǎn)路線(xiàn)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(jìn)能源多元化發(fā)展，降低對傳統能源的依賴(lài)，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(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，推動(dòng)經(jīng)濟增長(cháng)，并提升中國在清潔能源領(lǐng)域的國際影響力。

　　綜上所述，便不難理解為何說(shuō)非糧乙醇生產(chǎn)路線(xiàn)是對糧食安全、能源安全和環(huán)境保護的重要戰略舉措。當然也應理性認識到，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)化應用、環(huán)境可持續性等關(guān)鍵瓶頸至關(guān)重要，順利應對這些挑戰需要跨學(xué)科的合作、技術(shù)創(chuàng )新和持續的投入。

　　可以預見(jiàn)的是，隨著(zhù)多個(gè)非糧乙醇生產(chǎn)裝置的陸續投產(chǎn)，一個(gè)新興的乙醇戰略產(chǎn)業(yè)正在快速興起。未來(lái)，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)展潛力，將被廣泛應用于汽車(chē)燃料和其他工業(yè)領(lǐng)域，為能源轉型和環(huán)境保護，以及推動(dòng)清潔能源的發(fā)展和可持續化帶來(lái)更多的可能。

　　(作者為中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所副研究員)