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)。
