另辟“賽道”制乙醇
2023-03-13
乙醇,俗稱酒精,既是重要的基礎(chǔ)化學(xué)品,也是世界公認(rèn)的清潔燃料。全球66%的乙醇被添加到汽油中,用作燃料乙醇,大幅減少了污染物排放。然而,我國使用乙醇汽油卻相對較少。說起個中原因,中科院大連化物所所長劉中民院士告訴科技日報記者:“關(guān)鍵在于需求大,乙醇產(chǎn)量根本不夠。”過去,乙醇生產(chǎn)主要以糧食為原料,但這會造成與人爭糧、與糧爭地的問題。糧食安全是國家頭等大事,該技術(shù)路徑并不適合在我國大范圍推廣。為了讓乙醇生產(chǎn)與糧食脫鉤,劉中民團(tuán)隊一直在化石能源制乙醇的方向上攻關(guān)。經(jīng)過十多年努力,他們終于成功開辟出煤基乙醇的新“賽道”。
過不了“經(jīng)濟(jì)關(guān)”
我國化石能源資源儲量中,煤炭占比達(dá)95%。“開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤基乙醇成套技術(shù),符合我國的實(shí)際國情。”劉中民團(tuán)隊對此有清醒的認(rèn)識。煤制乙醇,雖然方向明確,但團(tuán)隊成員、中科院大連化物所研究員朱文良坦言,“不是大家不想做,而是這件事情實(shí)在不好做。”多年來,這條“賽道”上聚集了來自全球諸多國家的競爭者,卻都止步于研究開發(fā)階段,未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
傳統(tǒng)的煤制乙醇技術(shù)路線有兩條:一是煤經(jīng)合成氣直接制乙醇,二是煤經(jīng)乙酸制乙醇。“這兩條路都荊棘密布,離實(shí)際應(yīng)用比較遠(yuǎn)。”劉中民說。煤經(jīng)合成氣直接制乙醇是個世界性難題,主要因為需要用到貴金屬催化劑銠。“這條技術(shù)路線不僅產(chǎn)量很低,還會造成設(shè)備腐蝕,生產(chǎn)成本太高,不具有經(jīng)濟(jì)可行性,無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。”劉中民解釋。煤經(jīng)乙酸制乙醇的技術(shù)路線也過不了“經(jīng)濟(jì)關(guān)”。“乙酸具有很強(qiáng)的腐蝕性,生產(chǎn)裝置需要用到昂貴的抗腐蝕材料,導(dǎo)致生產(chǎn)裝置的投資特別大。”劉中民說,更重要的是,這條技術(shù)路線也要使用貴金屬催化劑,“企業(yè)要算經(jīng)濟(jì)賬,不太愿意投入。”
掃除催化劑“攔路虎”
兩條傳統(tǒng)的技術(shù)路線都走不通,怎么辦?只能另辟“賽道”!2010年10月,劉中民研究團(tuán)隊在一條全新的“賽道”上,正式開展煤制乙醇技術(shù)攻堅。“這條新‘賽道’以煤基合成氣為原料,經(jīng)甲醇、二甲醚羰基化、加氫合成乙醇。”在劉中民看來,這條路線最有希望實(shí)現(xiàn)煤經(jīng)合成氣制乙醇,同時具有較好的經(jīng)濟(jì)性。然而,“這條技術(shù)路線并不好走,催化劑活性低、穩(wěn)定性差,是很大的‘攔路虎’。”朱文良說。為找出合適的有工業(yè)應(yīng)用價值的二甲醚羰基化催化劑,研究人員進(jìn)行了多年艱辛探索。2010年至2012年,朱文良和研究團(tuán)隊成員做了大量催化劑研究和篩選試驗,但始終沒有突破,催化劑的壽命一直停留在幾十個小時。“在這個階段,要篩選大批催化劑,每種至少開展10個試驗,在不同的溫度、配比、壓力等條件下,一個個試。”團(tuán)隊成員劉紅超至今難忘這段最煎熬的日子——明明很努力,但一直看不到突破的希望。特別是有一次,試驗快做完時,突然因為打雷停電了,數(shù)據(jù)丟失,只能從頭再來。研究沒有突破,沮喪也在所難免。回憶起那段時間,朱文良說,睡不著覺是常有的事。但慶幸的是,“那時我們都是年輕人,大家勁往一處使,沒有一個人放棄”。2013年初,團(tuán)隊成員終于看到了期盼已久的曙光。新開發(fā)出的催化劑穩(wěn)定性較好,壽命達(dá)到900小時,已經(jīng)到了技術(shù)突破的臨界點(diǎn)。接下來,催化劑壽命被不斷延長:1150小時,6400小時,16000小時……催化劑的難關(guān)總算過去了。
在爭吵中加深理解
在提高催化劑壽命的同時,試驗規(guī)模也在擴(kuò)大。中試是一個承上啟下、把實(shí)驗室成果往工業(yè)化應(yīng)用的過程,催化劑填裝量從1克變成100克,放大了100倍。“放大過程中,每個條件都會影響試驗的運(yùn)行結(jié)果,直接關(guān)系到試驗的成功與否。”朱文良介紹,中試不同于實(shí)驗室的小試研究,大家都沒干過,“加上開始的試運(yùn)行,共失敗了4次,當(dāng)時壓力真的很大。”沒有啃不下來的“硬骨頭”,沒有闖不過去的“火焰山”。“每次失敗后,我們都會復(fù)盤,分析到底是哪個地方出現(xiàn)問題,應(yīng)該如何避免,還有什么潛在的問題和風(fēng)險,下一次試驗該如何優(yōu)化。”朱文良說,因為看問題的角度不同,復(fù)盤的過程中,團(tuán)隊成員經(jīng)常發(fā)生爭論,“但回頭看,吵的過程也是加深理解、認(rèn)清規(guī)律的過程。”與爭論相伴的,是常態(tài)化地加班討論試驗方案。功夫不負(fù)有心人。2017年1月11日,具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的全球首套10萬噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項目打通全流程,生產(chǎn)出合格無水乙醇。
黨的二十大報告指出,必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力,深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略,開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道,不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢。
最近,全球首套20萬噸/年焦?fàn)t煤氣制乙醇項目已成功投產(chǎn)。