煤制乙醇技术的应用及发展

王健

摘 要：我国煤制乙醇技术目前正处于多元化发展的重要阶段，随着我国粮食燃料乙醇停止发展以来，则更加注重煤制乙醇和纤维素乙醇的发展。基于此，本文从我国煤制乙醇研究进展出发，探讨合成气化学催化法、合成气厌氧发酵法、醋酸直接加氢法以及醋酸酯化加氢法在煤制乙醇技术中的应用，借助煤制乙醇技术以期为我国燃料乙醇发展提供帮助。

关键词：煤制乙醇；化学催化；厌氧发酵；酯化加氢

1 煤制乙醇最新研究进展分析

现阶段，大部分国家燃料乙醇还是以粮食为主，美国主要以玉米为原料，其是世界上燃料乙醇生产最大的国家，而巴西则主要以甘蔗为主要原料，是世界燃料乙醇第二生产大国。我国则仅次于以上两国位居第三，我国燃料乙醇最主要的应用途径为交通工具汽油的添加剂。目前，国内乙醇汽油的推广已经覆盖了多个省份，并且随着试点规模的不断扩大，燃料乙醇的需求量也将逐渐增加。据统计，按完全成本测算生物质乙醇成本在4700-5600元之间；而煤制乙醇成本普遍在4000-4200元之间，即使考虑粮食乙醇补贴和消费税减免等因素后，煤制乙醇仍具有显著的成本优势，成本差至少在300元/吨左右，最大可达约800元/吨。由此可见，煤制乙醇相对于粮食和纤维素制乙醇成本都要低，发展煤制乙醇将会国家的经济发展有重要意义。

2 煤制乙醇技术工艺分析

煤制乙醇过程中以煤为原料，将其制成合成气，其主要成分为一氧化碳和氢气，然后根据不同的工艺生产燃料乙醇。以煤为原材料生产乙醇的工艺线路主要分为：合成气化学催化法；合成气厌氧发酵法；醋酸直接加氢法；醋酸酯化加氢法；合成气经二甲醚制乙醇法。

2.1 合成气化学催化法

合成气化学催化法主要是指在铑基或铜基催化剂等的作用下将合成气转化成C1～C5的杂醇，分离得到乙醇。此技术和甲醇合成技术类似，工艺流程短，易于工业化，是未来理想的煤制乙醇路线。目前此技术存在的问题在于一氧化碳的转化率和乙醇选择性均较低，同时产物组分复杂，分离困难。今后研究的重点是开发出一氧化碳的转化率高和乙醇选择性高的催化剂[1]。

2.2 合成气厌氧发酵法

合成气厌氧发酵法主要是利用厌氧生物新陈代谢最终形成乙醇。应用于生产乙醇的微生物不仅需要具有厌氧特点，还需要具有耐高浓度的CO、CO2、NOx等气体组分的特点，因此对厌氧菌的要求非常高。根据对相关研究显示，生物在代谢过程中生成乙醇，主要是生物在厌氧乙酰辅酶A的作用下生产的，其能够在厌氧发酵的过程中将CO、H2等气体转化成乙醇。而在代谢过程中主要受到三种酶的作用，分别为一氧化碳脱氢酶、甲酸脱氢酶以及氢化酶，并且其中一氧化碳脱氢酶是形成乙酰辅酶的重要酶。然而在此代谢过程中不仅只生成乙醇，还会伴有乙酸、丁醇等代谢物生成。在采用合成气厌氧发酵法生产乙醇中需要重点考虑的问题：首先，新型菌株的培育和测试；第二，将发酵过程进行优化，从而提高一氧化碳的转化率，有利于商业生产放大化[2]。

2.3 醋酸直接加氢法

醋酸直接加氢技术主要是在金属催化剂的作用下将醋酸直接加氢转换成乙醇，生产过程中在Pd催化剂的作用下生成乙醇，具体反应步骤为：第一，醋酸分子与氢分子均吸附在Pd催化剂的表面；第二，醋酸分子在催化剂的作用下碳氧键断裂，从而生成乙酰基，乙酰基加氢生产乙醛；第三，乙醛加氢后会生成乙氧基，乙氧基加氢后最终生成乙醇，最后乙醇分子从催化剂的表面脱离。此技术相对于合成气直接法制乙醇优势在于副反应相对较少。目前国内很多企业已经成功开发该项技术，其中塞拉尼斯和江苏索普集团等已有醋酸加氢制乙醇工业化示范装置。目前由于醋酸价格较高，该技术生产成本没有优势，塞拉尼斯南京27.5万吨醋酸加氢制乙醇装置已停产。

2.4 醋酸酯化加氢法

醋酸酯化加氢法主要是在强酸的作用下将同醇进行酯化反应生成醋酸酯，醋酸酯再加氢生成乙醇。催化剂为铜基催化剂，该技术反应条件温和，酯转化率高达97%以上，乙醇的选择性也在98%以上。目前，该技术与醋酸直接加氢法一样，由于醋酸价格较高，而没有成本优势。

2.5 合成氣经二甲醚制乙醇法

合成气经二甲醚制乙醇法是大连化物所和延长石油合作开发，该技术路线为：合成气合成制甲醇；甲醇脱水制二甲醚；二甲醚再与一氧化碳催发生羰基化反应生成乙酸甲酯；乙酸甲酯与氢气反应，生成乙醇和甲醇；然后通过精制分离甲醇和乙醇，甲醇作为二甲醚合成原料返回。甲醇脱水制二甲醚采用固体酸铝基催化剂，羰基化反应采用活性炭载体负载的Ir-La基催化剂。该技术是目前最经济的煤制乙醇工艺路线，无水乙醇每吨综合生产成本为4000元左右。目前延长石油和大连化物所已有10万吨/年合成气制乙醇工业示范，并已启动50万吨/年合成气制乙醇工艺包开发。

3 结语

综上所述，在以煤为原料生产燃料乙醇中直接法制乙醇的过程相对较为简单，原子经济性也相对较好，其缺点在于催化剂转化率选择性还不够高，目前还不适合大规模产业化生产。经过上文分析可得，合成气经二甲醚制乙醇法技术已经成熟，已经应用于工业化生产，并且其经济性也比较高。符合我国燃料乙醇发展要求。

参考文献：

[1]郭卫军.煤（合成气）制乙醇技术进展及工业化应用[J].能源化工，2015，36（05）：1-4.

[2]王宏涛，吕建宁，吕静，马新宾.煤制乙醇技术的研究及开发应用进展[J].煤化工，2014，42（04）：3-8.