煤制乙醇工业生产技术对比分析

杜波(新奥科技发展有限公司 煤基低碳能源国家重点实验室，河北 廊坊 065001)

0 引言

自2017 年开始，我国就兴起可了煤制乙醇工艺的发展热潮。以习近平总书记为首的党中央及各地区政府先后出台多部文件强调煤制乙醇工艺手段的发展，与此同时，强调煤制乙醇发展过程中环境的保护及可持续发展战略的部署。要求全国各企业通过多种路径丰富煤制乙醇的技术手段，在不影响环境变化的情况下提高煤制乙醇的技术含量，生产水平。一直以来，我国都在进行煤制乙醇方面的研究，但往往受到各种因素的限制无法达到煤制乙醇制作的理想状态。在国家及各地区政府政策的支持下，我国科研人员及各企业开始对煤制乙醇工艺展开了更加全面的研究。截止到目前为止，我国所拥有的煤制乙醇工业技术多种多样，但不同工业技术所应用的技术手段，化学反应原理等都存在较大的差距，在煤制乙醇工艺制作效果方面也各不相同。在国家倡导可持续发展战略的情况下，有必要对不同原理的煤制乙醇工业技术手段就行对比探讨。

1 煤制乙醇工业主要生产技术

目前来说，工业生产中煤制乙醇生产技术主要分为两种。一种是直接对合成气进行生物提炼或催化得到的，该过程所获得的乙醇水分较多，要想获得无水乙醇还要进行分离操作。这种方法在物理上被称为直接制作法。将上述方法按照制作工艺进行划分可以再次分为生物发酵法和基于催化剂的化学方法两种。

另一种生产技术是通过甲醇、二甲醚等中间介质进行反应后得到乙醇，该生产方法为间接制作法，是目前生产工艺中适用范围最广、最受欢迎的一种。

1.1 合成气生物法制乙醇

合成气生物法制作乙醇是直接制作法的典型代表。工业制作过程中主要是将微生物置于特定环境下进行发酵最终生成乙醇。其中，起到主要作用的是厌氧乙酰辅酶。截止到目前为止，我国在合成气生物法制作乙醇方面还没有提炼出相对成熟的技术，工业生产中所使用的多为从新西兰引进的Lanza Tech技术。我国科研团队通过与新西兰团队进行通力合作打造了适合中国工业发展及中国国情的新型乙醇示范装置。该装置正式投入使用后极大地提高了乙醇提炼的纯度。与此同时，该技术的使用也存在一定缺陷，即连续性较差。截止到目前为止，我国依然没有突破这一难题。

1.2 合成气直接催化合成乙醇

合成气直接催化合成乙醇也是直接制作法的一种。该制作方法主要发挥催化剂的催化作用，实现合成气与低碳醇的互相转化。由此可知，该技术的应用关键是催化剂的开发与选择。煤制乙醇的合成对催化剂的适应性及催化剂的耐受性提出了较高的考验。在工业制作过程中，需要通过催化剂作用提高一氧化碳的转化率，使乙醇制作的选择性更高。目前为止，我国催化剂选择性较高的是大连化物所所使用的锰、铁等铑催化剂。据不完全统计，该类型的催化剂在煤制乙醇制作中能够将乙醇的选择性提高到百分之六十甚至更高。我国索普集团在看到铑催化剂这一应用前景后进一步升级了煤制乙醇的工业化装置，但由于铑催化剂使用的成本较高，煤制乙醇对催化剂本身的化学要求较高，使该集团的发展成本大大增加。此外，基于铑催化剂下的工业生产装置的制作无法稳定控制一氧化碳转化率及催化剂选择性，且在稳定控制的情况下二者相关参数均不能达到最佳状态，目前在国内的应用较少。

1.3 醋酸直接加氢制乙醇

醋酸直接加氢制乙醇在本质上也是利用催化剂进行煤制乙醇提炼的。该生产工艺在催化剂方面的要求较前者相比较低，在条件允许的情况下可以选择贵金属催化剂，同时也可以利用非贵金属催化剂完成化学反应。现阶段，我国在醋酸直接加氢制乙醇方面的研究相对比较成熟，该生产工艺的核心技术已被突破同时在多个项目中完成了工艺试用。但我国在该生产工艺的研究方面并不是十分先进的，全球范围来说最为领先的是美国，中国南京某企业在2013 年与美国企业开展合作，共同推进中国行情下的醋酸加氢制作工艺的发展。2016 年索普集团又与美国企业展开合作再次对前期制作的醋酸加氢制乙醇示范装置进行优化。此次研究索普集团取得了巨大成功，一次研究成功使我国在醋酸直接加氢制乙醇方面的探索实践大大缩短，在一定程度上减少了科研经费的支出。与此同时，也出现了化学反应进行不彻底或化学反应慢的问题，极大的限制了产品的选择及一氧化碳转化率的提升。基于此，我国科研团队还应该加强对催化剂性质的加强与优化。

1.4 醋酸酯化加氢制乙醇

醋酸酯化加氢制乙醇工艺技术较上述几种生产手段而言难度较高，需要在强酸催化剂的辅助下完成化学反应。醋酸酯的生成主要依靠的是酯化反应的发生，该物质生成后还需要与铜基催化剂相结合完成加氢制乙醇工艺。与醋酸直接加氢法相比该生产方法的工艺性较强、过程比较复杂。但其在抵抗腐蚀方面所具备的优势是无法替代的，更为重要的是该技术应用于工业生产中能够大大降低分离过程中能量的损耗，与我国可持续发展的发展观念十分一致。因此，再次降低分离耗能、提高抗腐蚀性能也成为目前我国在醋酸酯化加氢制乙醇生产工艺方面的主要研究方向。

相较于上述几种生产工艺来说，此制作方法的应用前景更为广阔。自该技术出现以来，我国众多单位开始对此技术展开了更加深入的研究，截止到目前为止，该技术已正式应用于部分工业制作过程中。如江苏丹化集团、上海石化院等都是醋酸酯化加氢制乙醇技术手段的主要研究基地，且在该技术手段的研究方面均取得了一定的成果。河南顺达化工企业同样对该生产工艺进行了研究，其所建设的升级版工业化生产装置已应用于各项工业生产项目中。在装置运行状态及市场销售上面均做出了突出贡献。

1.5 二甲醚羟基化制乙醇

该生产工艺的使用需要通过甲醇等中间反应物进行，合成气也是该生产工艺的原料之一。在制得乙醇之前需要首先对甲醇进行脱水反应使其产生反映效果更胜一筹的二甲醚。之后在一定条件下二甲醚与一氧化碳发生羟基反应。这样一来，就生成了乙酸甲酯化合物，最后加氢再次反应即可成功制得煤制乙醇。该工艺手段的使用较上述以醋酸源为主的技术手段相比对于催化剂的要求较低，不需要使用成本较高的贵金属催化剂或防腐性能姣好的反应釜。在制作成本方面，该技术手段的优势是显而易见的。其次，该生产工艺使用过程中产出的醋酸甲酯与甲醇同样具有市场价值，在企业乙醇生产状况不佳等消极情况出现时可将其引入市场进行销售。此外，二甲醚羟基化制乙醇生产工艺中的二甲醚合成技术在我国发展已相对成熟。因此，应重点对该生产工艺实施过程中羟基反应、加氢反应等的发生进行重新思考与关注。

目前来说，我国在此方面的研究成果主要以中科院大连化学物理研究所与陕西延长石油集团的合作为主。此次合作二甲醚羟基化制乙醇生产工艺的研究取得了一定程度的进展。2017年，陕西延长石油集团将其建成的合成气制乙醇装置正式投入使用。经鉴定，该工艺手段所得无水乙醇产品合格率大大提升，乙醇提炼纯度更是达到了前所未有的高度。

2 煤制乙醇工业生产技术综合对比分析

通过对上述五种煤制乙醇技术路线进行分析可以发现。直接制作法并不会消耗过多的建设成本，且需要进行的化学反应较少，制作难度较低。但就直接制作法整体而言，其核心技术发展尚未成熟，目前正处于摸索阶段，且正式投入是工业化使用较少，还需要一定的时间实现产业化发展。

间接制作法相对于直接制作法来说虽然需要发生的化学反应较多，制作难度与所提升，但其技术含量与制作难度是成正比的。从另一方面来说，间接制作法在我国的应用范围较广，并已正式应用于工业化生产。这对于醋酸产能过剩或经营状况不好的企业来说无疑是一大福利。醋酸可作为副产品进行二次销售，既能有效解决工业生产过程中醋酸生产过剩导致原材料浪费的情况又能够为企业运营创造更多的盈利空间。与此同时，间接制作法的应用能够在一定程度上使科研成本及建设成本有所提高。二甲醚羟基化制乙醇的生产工艺对于催化剂使用的要求并不高，相对来说在成本方面具有一定的优势。就设备本身而言，由于整套装置趋于无酸制作，在设备材质方面的要求也不是很高，普通的钢材也可满足制作要求。因此在设备材质选择与设备建设投资方面也具有相应优势。基于此，该工艺手段在我国应用范围较广且科研成果较多，具有较大的发展空间与市场潜力。

3 结语

综上所述，煤制乙醇的制作方法多种多样。在具体方法的选择过程中相关工作人员要充分考虑该制作方法是否符合我国基本国情及与工业发展的契合程度如何，最大程度上发挥不同工艺手段的市场应用价值。尽管我国煤制乙醇的制作方法较多，我国在新型生产工艺技术挖掘及原生产工艺优化升级方面依然在不断努力。因此，煤制乙醇的市场竞争力随着其优势的发挥使制作装置及企业运营的市场竞争力进一步提升。此外，基于我国环境保护现状，国家及各地区政府对于可持续发展战略的落实十分重视，煤制乙醇生产工艺的使用与可持续发展观基本思想保持高度一致，已然成为未来乙醇燃料制作的主要工艺技术。