煤制乙醇工業生產技術對比分析

杜波(新奧科技發展有限公司 煤基低碳能源國家重點實驗室，河北 廊坊 065001)

0 引言

自2017 年開始，我國就興起可了煤制乙醇工藝的發展熱潮。以習近平總書記為首的黨中央及各地區政府先后出臺多部文件強調煤制乙醇工藝手段的發展，與此同時，強調煤制乙醇發展過程中環境的保護及可持續發展戰略的部署。要求全國各企業通過多種路徑豐富煤制乙醇的技術手段，在不影響環境變化的情況下提高煤制乙醇的技術含量，生產水平。一直以來，我國都在進行煤制乙醇方面的研究，但往往受到各種因素的限制無法達到煤制乙醇制作的理想狀態。在國家及各地區政府政策的支持下，我國科研人員及各企業開始對煤制乙醇工藝展開了更加全面的研究。截止到目前為止，我國所擁有的煤制乙醇工業技術多種多樣，但不同工業技術所應用的技術手段，化學反應原理等都存在較大的差距，在煤制乙醇工藝制作效果方面也各不相同。在國家倡導可持續發展戰略的情況下，有必要對不同原理的煤制乙醇工業技術手段就行對比探討。

1 煤制乙醇工業主要生產技術

目前來說，工業生產中煤制乙醇生產技術主要分為兩種。一種是直接對合成氣進行生物提煉或催化得到的，該過程所獲得的乙醇水分較多，要想獲得無水乙醇還要進行分離操作。這種方法在物理上被稱為直接制作法。將上述方法按照制作工藝進行劃分可以再次分為生物發酵法和基于催化劑的化學方法兩種。

另一種生產技術是通過甲醇、二甲醚等中間介質進行反應后得到乙醇，該生產方法為間接制作法，是目前生產工藝中適用范圍最廣、最受歡迎的一種。

1.1 合成氣生物法制乙醇

合成氣生物法制作乙醇是直接制作法的典型代表。工業制作過程中主要是將微生物置于特定環境下進行發酵最終生成乙醇。其中，起到主要作用的是厭氧乙酰輔酶。截止到目前為止，我國在合成氣生物法制作乙醇方面還沒有提煉出相對成熟的技術，工業生產中所使用的多為從新西蘭引進的Lanza Tech技術。我國科研團隊通過與新西蘭團隊進行通力合作打造了適合中國工業發展及中國國情的新型乙醇示范裝置。該裝置正式投入使用后極大地提高了乙醇提煉的純度。與此同時，該技術的使用也存在一定缺陷，即連續性較差。截止到目前為止，我國依然沒有突破這一難題。

1.2 合成氣直接催化合成乙醇

合成氣直接催化合成乙醇也是直接制作法的一種。該制作方法主要發揮催化劑的催化作用，實現合成氣與低碳醇的互相轉化。由此可知，該技術的應用關鍵是催化劑的開發與選擇。煤制乙醇的合成對催化劑的適應性及催化劑的耐受性提出了較高的考驗。在工業制作過程中，需要通過催化劑作用提高一氧化碳的轉化率，使乙醇制作的選擇性更高。目前為止，我國催化劑選擇性較高的是大連化物所所使用的錳、鐵等銠催化劑。據不完全統計，該類型的催化劑在煤制乙醇制作中能夠將乙醇的選擇性提高到百分之六十甚至更高。我國索普集團在看到銠催化劑這一應用前景后進一步升級了煤制乙醇的工業化裝置，但由于銠催化劑使用的成本較高，煤制乙醇對催化劑本身的化學要求較高，使該集團的發展成本大大增加。此外，基于銠催化劑下的工業生產裝置的制作無法穩定控制一氧化碳轉化率及催化劑選擇性，且在穩定控制的情況下二者相關參數均不能達到最佳狀態，目前在國內的應用較少。

1.3 醋酸直接加氫制乙醇

醋酸直接加氫制乙醇在本質上也是利用催化劑進行煤制乙醇提煉的。該生產工藝在催化劑方面的要求較前者相比較低，在條件允許的情況下可以選擇貴金屬催化劑，同時也可以利用非貴金屬催化劑完成化學反應。現階段，我國在醋酸直接加氫制乙醇方面的研究相對比較成熟，該生產工藝的核心技術已被突破同時在多個項目中完成了工藝試用。但我國在該生產工藝的研究方面并不是十分先進的，全球范圍來說最為領先的是美國，中國南京某企業在2013 年與美國企業開展合作，共同推進中國行情下的醋酸加氫制作工藝的發展。2016 年索普集團又與美國企業展開合作再次對前期制作的醋酸加氫制乙醇示范裝置進行優化。此次研究索普集團取得了巨大成功，一次研究成功使我國在醋酸直接加氫制乙醇方面的探索實踐大大縮短，在一定程度上減少了科研經費的支出。與此同時，也出現了化學反應進行不徹底或化學反應慢的問題，極大的限制了產品的選擇及一氧化碳轉化率的提升。基于此，我國科研團隊還應該加強對催化劑性質的加強與優化。

1.4 醋酸酯化加氫制乙醇

醋酸酯化加氫制乙醇工藝技術較上述幾種生產手段而言難度較高，需要在強酸催化劑的輔助下完成化學反應。醋酸酯的生成主要依靠的是酯化反應的發生，該物質生成后還需要與銅基催化劑相結合完成加氫制乙醇工藝。與醋酸直接加氫法相比該生產方法的工藝性較強、過程比較復雜。但其在抵抗腐蝕方面所具備的優勢是無法替代的，更為重要的是該技術應用于工業生產中能夠大大降低分離過程中能量的損耗，與我國可持續發展的發展觀念十分一致。因此，再次降低分離耗能、提高抗腐蝕性能也成為目前我國在醋酸酯化加氫制乙醇生產工藝方面的主要研究方向。

相較于上述幾種生產工藝來說，此制作方法的應用前景更為廣闊。自該技術出現以來，我國眾多單位開始對此技術展開了更加深入的研究，截止到目前為止，該技術已正式應用于部分工業制作過程中。如江蘇丹化集團、上海石化院等都是醋酸酯化加氫制乙醇技術手段的主要研究基地，且在該技術手段的研究方面均取得了一定的成果。河南順達化工企業同樣對該生產工藝進行了研究，其所建設的升級版工業化生產裝置已應用于各項工業生產項目中。在裝置運行狀態及市場銷售上面均做出了突出貢獻。

1.5 二甲醚羥基化制乙醇

該生產工藝的使用需要通過甲醇等中間反應物進行，合成氣也是該生產工藝的原料之一。在制得乙醇之前需要首先對甲醇進行脫水反應使其產生反映效果更勝一籌的二甲醚。之后在一定條件下二甲醚與一氧化碳發生羥基反應。這樣一來，就生成了乙酸甲酯化合物，最后加氫再次反應即可成功制得煤制乙醇。該工藝手段的使用較上述以醋酸源為主的技術手段相比對于催化劑的要求較低，不需要使用成本較高的貴金屬催化劑或防腐性能姣好的反應釜。在制作成本方面，該技術手段的優勢是顯而易見的。其次，該生產工藝使用過程中產出的醋酸甲酯與甲醇同樣具有市場價值，在企業乙醇生產狀況不佳等消極情況出現時可將其引入市場進行銷售。此外，二甲醚羥基化制乙醇生產工藝中的二甲醚合成技術在我國發展已相對成熟。因此，應重點對該生產工藝實施過程中羥基反應、加氫反應等的發生進行重新思考與關注。

目前來說，我國在此方面的研究成果主要以中科院大連化學物理研究所與陜西延長石油集團的合作為主。此次合作二甲醚羥基化制乙醇生產工藝的研究取得了一定程度的進展。2017年，陜西延長石油集團將其建成的合成氣制乙醇裝置正式投入使用。經鑒定，該工藝手段所得無水乙醇產品合格率大大提升，乙醇提煉純度更是達到了前所未有的高度。

2 煤制乙醇工業生產技術綜合對比分析

通過對上述五種煤制乙醇技術路線進行分析可以發現。直接制作法并不會消耗過多的建設成本，且需要進行的化學反應較少，制作難度較低。但就直接制作法整體而言，其核心技術發展尚未成熟，目前正處于摸索階段，且正式投入是工業化使用較少，還需要一定的時間實現產業化發展。

間接制作法相對于直接制作法來說雖然需要發生的化學反應較多，制作難度與所提升，但其技術含量與制作難度是成正比的。從另一方面來說，間接制作法在我國的應用范圍較廣，并已正式應用于工業化生產。這對于醋酸產能過剩或經營狀況不好的企業來說無疑是一大福利。醋酸可作為副產品進行二次銷售，既能有效解決工業生產過程中醋酸生產過剩導致原材料浪費的情況又能夠為企業運營創造更多的盈利空間。與此同時，間接制作法的應用能夠在一定程度上使科研成本及建設成本有所提高。二甲醚羥基化制乙醇的生產工藝對于催化劑使用的要求并不高，相對來說在成本方面具有一定的優勢。就設備本身而言，由于整套裝置趨于無酸制作，在設備材質方面的要求也不是很高，普通的鋼材也可滿足制作要求。因此在設備材質選擇與設備建設投資方面也具有相應優勢。基于此，該工藝手段在我國應用范圍較廣且科研成果較多，具有較大的發展空間與市場潛力。

3 結語

綜上所述，煤制乙醇的制作方法多種多樣。在具體方法的選擇過程中相關工作人員要充分考慮該制作方法是否符合我國基本國情及與工業發展的契合程度如何，最大程度上發揮不同工藝手段的市場應用價值。盡管我國煤制乙醇的制作方法較多，我國在新型生產工藝技術挖掘及原生產工藝優化升級方面依然在不斷努力。因此，煤制乙醇的市場競爭力隨著其優勢的發揮使制作裝置及企業運營的市場競爭力進一步提升。此外，基于我國環境保護現狀，國家及各地區政府對于可持續發展戰略的落實十分重視，煤制乙醇生產工藝的使用與可持續發展觀基本思想保持高度一致，已然成為未來乙醇燃料制作的主要工藝技術。