在陝西榆林榆神工業園，50萬噸/年煤基乙醇裝置“蓄勢待發”。這將是全球規模最大的煤基乙醇項目，奠定了我國煤制乙醇技術的國際領先地位。
科技創新如何助力“雙碳”目標實現？近日，“走進中國科學院·記者行——‘科技雙碳’服務經濟主戰場榆林段活動”舉行。記者在採訪中瞭解到，50萬噸/年煤基乙醇項目預計將於9月開始投料試車、打通全流程，並將正式投入生產，對保障國家能源安全和糧食安全具有重要戰略意義。
煤炭如何清潔利用變成酒精？新京報記者在榆林進行實地探訪並採訪了中科院大連化物所的專家。
50萬噸/年煤基乙醇項目現場。高達118米的煤基乙醇精製塔和99米的甲醇脱脂塔最為醒目。受訪者供圖
去年燃料乙醇缺口約1000萬噸
乙醇，俗稱酒精，既是重要的基礎化學品，又與人們的日常生活息息相關，可用於製造飲料、香精、消毒劑等。目前，乙醇的最大用處是作為汽油添加劑，即燃料乙醇使用，可有效改善汽油品質，大幅減少車輛污染物的排放。乙醇是世界上公認的環保清潔燃料，全球66%的乙醇被作為燃料乙醇添加到汽油中，為各國所接受和推廣。此外，乙醇可以便利地轉化為乙烯，促進下游精細化工行業的發展。
據中國工程院院士、中科院大連化物所所長劉中民介紹，傳統乙醇生產技術主要以糧食為原料進行發酵。目前，全世界乙醇產量約一億噸，主要由美國和巴西利用糧食和甘蔗等生物原料生產。2020年，我國乙醇產量987萬噸，其中燃料乙醇約274萬噸，主要利用陳糧進行生產。
2017年，國家十五部委曾明確提出，到2020年在全國範圍內推廣使用車用乙醇汽油，但至今沒有實現，其中最主要的問題就是燃料乙醇產量不足。2021年，中國汽油表觀消費量1.4億噸，需燃料乙醇1400萬噸，缺口約1000萬噸。在我國石油對外依存度超過70%的情況下，燃料乙醇對我國能源安全具有重要意義。
但我國地少人多，糧食安全是國家頭等大事，以糧食為原料製備燃料乙醇並不適合在我國大範圍推廣。開發非糧燃料乙醇技術可以避免出現“與人爭糧”的局面，保障糧食安全。
避免“與人爭糧”，開闢化石能源制乙醇全新工藝路線
劉中民説，從生物質發展的角度來説，用秸稈纖維素制乙醇最具意義，儘管取得了一些進展，但由於技術的經濟性問題，目前還處於研發階段。
利用化石能源生產乙醇，一直是全世界努力的目標和共同面臨的挑戰。我國能源資源的特點為“富煤、貧油、少氣”。推進煤炭清潔高效利用，是實現碳達峯碳中和目標的重要途徑。“我國煤炭資源量佔化石能源的比例達到95%，因此，開發具有自主知識產權的煤基乙醇成套技術符合我國的實際國情。”他表示。
合成氣是一氧化碳和氫氣的混合氣，可由煤、天然氣或生物質氣化得到。煤經合成氣直接制乙醇是一項世界性的挑戰，因反應過程需要貴金屬催化劑、產物選擇性低、設備易腐蝕等問題，長期停留在研究開發階段。
中科院大連化物所研發出了一條環境友好的全新工藝路線——以煤基合成氣為原料，經二甲醚羰基化、加氫合成乙醇。這條路線採用非貴金屬催化劑，無腐蝕，可以直接生產無水乙醇，是煤基乙醇的理想路線。
據劉中民介紹，這條技術路線打破了以貴金屬為催化劑的傳統羰基化反應理念，在科技界和工業界受到極大關注，但該技術需要突破催化劑活性低、穩定性差等難題。而中科院大連化物所通過大量的創新性研究和技術攻關，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，在二甲醚羰基化研究方面取得重大突破，為其進一步工業化奠定了基礎。
三台大型儲存罐為乙醇罐。受訪者供圖
從實驗室研究到10萬噸工廠，只用了6年
“研發的根本目的是為了應用。我們的專長是基礎研究和應用研究相結合，下一步要和企業開放合作。”劉中民説。
2012年，中科院大連化物所和延長石油集團開始聯合開展“合成氣制乙醇整套工藝技術”項目研發工作。2017年1月11日，具有我國自主知識產權技術的全球首套10萬噸/年煤基乙醇工業示範項目打通全流程，生產出合格無水乙醇。
“從實驗室研究到10萬噸工廠，我們前後只用了六年時間，這個速度是非常快的。” 劉中民説。
煤基乙醇技術（DMTE）以煤為原料，通過煤氣化製取合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣），然後合成甲醇，進而經脱水、羰基化、加氫三個步驟製取乙醇產品。
與傳統的乙醇合成技術相比，煤基乙醇工藝過程中無水或極少量水，分離所得產品直接為無水乙醇，降低了產品的分離能耗，節省了生產成本。工藝過程中所採用的催化劑為常規的分子篩催化劑和銅基催化劑，成本低。同時工藝中無需添加碘甲烷等鹵化物助劑，避免了抗腐蝕特殊材料鋯材或哈氏合金的使用，減少了設備投資。“中間產物乙酸甲酯也是大宗化學品，可以按市場的需求及時調整產品結構。”劉中民補充道。
產量翻番，每年可節約生物乙醇原料糧150萬噸
在10萬噸示範項目的基礎上，雙方正在進行技術升級迭代，50萬噸/年煤基乙醇項目已於2020年6月奠基動工。預計今年9月，50萬噸/年乙醇裝置將投料試車。這將是全球規模最大的煤基乙醇項目，標誌着乙醇生產邁入大規模工業化時代，奠定了我國煤制乙醇技術的國際領先地位。
“這裏設有三台大型乙醇儲罐，每台容積為一萬立方米，其中存儲的就是純度為99.5%-99.9%的優質無水乙醇……”在工作人員的帶領下，7月18日，記者來到榆神工業園煤基乙醇項目生產現場。在佔地1700多畝的產區內，有一大片高塔聳立的區域，這裏就是項目最核心的50萬噸/年煤基乙醇裝置區。
其中高達118米的煤基乙醇精製塔最為醒目，它的直徑為8米，是全球最大煤基乙醇精製塔，進料量達到每小時109噸。與之相對而立的，是99米的甲醇脱脂塔，這對巍然聳立着的“鋼鐵巨獸”是項目最具標誌性的設備。順着盤旋的階梯，記者攀爬至接近30米的平台，這裏四台並排而立的設備是乙醇裝置的心臟——羰基化反應器，在生產乙醇的過程中發揮着關鍵作用。
“按照總體計劃，裝置將於今年9月投料試車、打通全流程，產出合格產品。”延長石油榆神能源化工有限公司總經理郭尊禮説，項目用低階煤代替糧食製取乙醇，按照3噸糧食生產1噸乙醇測算，榆神50萬噸/年煤基乙醇項目建成投產後，每年可節約生物乙醇原料糧150萬噸，相當於榆林市全年糧食產量（年均230萬噸）的65%。
劉中民説，煤基乙醇的成本（大型化後全成本）約3500元/噸，而糧食制乙醇成本為5000元/噸。煤基乙醇技術不但可以以煤為原料，也能以天然氣、生物質、鋼廠煤氣為原料生產乙醇，為煤炭資源的清潔、高效、低碳利用和國家“雙碳”目標的實現提供強有力的技術支撐。
新京報記者 張璐
編輯 陳靜 校對 付春愔