在陕西榆林榆神工业园，50万吨/年煤基乙醇装置“蓄势待发”。这将是全球规模最大的煤基乙醇项目，奠定了我国煤制乙醇技术的国际领先地位。
科技创新如何助力“双碳”目标实现?近日，“走进中国科学院·记者行——‘科技双碳’服务经济主战场榆林段活动”举行。记者在采访中了解到，50万吨/年煤基乙醇项目预计将于9月开始投料试车、打通全流程，并将正式投入生产，对保障国家能源安全和粮食安全具有重要战略意义。
煤炭如何清洁利用变成酒精?新京报记者在榆林进行实地探访并采访了中科院大连化物所的专家。
去年燃料乙醇缺口约1000万吨
乙醇，俗称酒精，既是重要的基础化学品，又与人们的日常生活息息相关，可用于制造饮料、香精、消毒剂等。目前，乙醇的最大用处是作为汽油添加剂，即燃料乙醇使用，可有效改善汽油品质，大幅减少车辆污染物的排放。乙醇是世界上公认的环保清洁燃料，全球66%的乙醇被作为燃料乙醇添加到汽油中，为各国所接受和推广。此外，乙醇可以便利地转化为乙烯，促进下游精细化工行业的发展。
据中国工程院院士、中科院大连化物所所长刘中民介绍，传统乙醇生产技术主要以粮食为原料进行发酵。目前，全世界乙醇产量约一亿吨，主要由美国和巴西利用粮食和甘蔗等生物原料生产。2020年，我国乙醇产量987万吨，其中燃料乙醇约274万吨，主要利用陈粮进行生产。
2017年，国家十五部委曾明确提出，到2020年在全国范围内推广使用车用乙醇汽油，但至今没有实现，其中最主要的问题就是燃料乙醇产量不足。2021年，中国汽油表观消费量1.4亿吨，需燃料乙醇1400万吨，缺口约1000万吨。在我国石油对外依存度超过70%的情况下，燃料乙醇对我国能源安全具有重要意义。
但我国地少人多，粮食安全是国家头等大事，以粮食为原料制备燃料乙醇并不适合在我国大范围推广。开发非粮燃料乙醇技术可以避免出现“与人争粮”的局面，保障粮食安全。
避免“与人争粮”，开辟化石能源制乙醇全新工艺路线
刘中民说，从生物质发展的角度来说，用秸秆纤维素制乙醇最具意义，尽管取得了一些进展，但由于技术的经济性问题，目前还处于研发阶段。
利用化石能源生产乙醇，一直是全世界努力的目标和共同面临的挑战。我国能源资源的特点为“富煤、贫油、少气”。推进煤炭清洁高效利用，是实现碳达峰碳中和目标的重要途径。“我国煤炭资源量占化石能源的比例达到95%，因此，开发具有自主知识产权的煤基乙醇成套技术符合我国的实际国情。”他表示。
合成气是一氧化碳和氢气的混合气，可由煤、天然气或生物质气化得到。煤经合成气直接制乙醇是一项世界性的挑战，因反应过程需要贵金属催化剂、产物选择性低、设备易腐蚀等问题，长期停留在研究开发阶段。
中科院大连化物所研发出了一条环境友好的全新工艺路线——以煤基合成气为原料，经二甲醚羰基化、加氢合成乙醇。这条路线采用非贵金属催化剂，无腐蚀，可以直接生产无水乙醇，是煤基乙醇的理想路线。
据刘中民介绍，这条技术路线打破了以贵金属为催化剂的传统羰基化反应理念，在科技界和工业界受到极大关注，但该技术需要突破催化剂活性低、稳定性差等难题。而中科院大连化物所通过大量的创新性研究和技术攻关，成功开发出具有高活性和高稳定性的分子筛羰基化催化剂，在二甲醚羰基化研究方面取得重大突破，为其进一步工业化奠定了基础。
从实验室研究到10万吨工厂，只用了6年
“研发的根本目的是为了应用。我们的专长是基础研究和应用研究相结合，下一步要和企业开放合作。”刘中民说。
2012年，中科院大连化物所和延长石油集团开始联合开展“合成气制乙醇整套工艺技术”项目研发工作。2017年1月11日，具有我国自主知识产权技术的全球首套10万吨/年煤基乙醇工业示范项目打通全流程，生产出合格无水乙醇。
“从实验室研究到10万吨工厂，我们前后只用了六年时间，这个速度是非常快的。” 刘中民说。
煤基乙醇技术(DMTE)以煤为原料，通过煤气化制取合成气(一氧化碳和氢气的混合气)，然后合成甲醇，进而经脱水、羰基化、加氢三个步骤制取乙醇产品。
与传统的乙醇合成技术相比，煤基乙醇工艺过程中无水或极少量水，分离所得产品直接为无水乙醇，降低了产品的分离能耗，节省了生产成本。工艺过程中所采用的催化剂为常规的分子筛催化剂和铜基催化剂，成本低。同时工艺中无需添加碘甲烷等卤化物助剂，避免了抗腐蚀特殊材料锆材或哈氏合金的使用，减少了设备投资。“中间产物乙酸甲酯也是大宗化学品，可以按市场的需求及时调整产品结构。”刘中民补充道。
产量翻番，每年可节约生物乙醇原料粮150万吨
在10万吨示范项目的基础上，双方正在进行技术升级迭代，50万吨/年煤基乙醇项目已于2020年6月奠基动工。预计今年9月，50万吨/年乙醇装置将投料试车。这将是全球规模最大的煤基乙醇项目，标志着乙醇生产迈入大规模工业化时代，奠定了我国煤制乙醇技术的国际领先地位。
“这里设有三台大型乙醇储罐，每台容积为一万立方米，其中存储的就是纯度为99.5%-99.9%的优质无水乙醇……”在工作人员的带领下，7月18日，记者来到榆神工业园煤基乙醇项目生产现场。在占地1700多亩的产区内，有一大片高塔耸立的区域，这里就是项目最核心的50万吨/年煤基乙醇装置区。
其中高达118米的煤基乙醇精制塔最为醒目，它的直径为8米，是全球最大煤基乙醇精制塔，进料量达到每小时109吨。与之相对而立的，是99米的甲醇脱脂塔，这对巍然耸立着的“钢铁巨兽”是项目最具标志性的设备。顺着盘旋的阶梯，记者攀爬至接近30米的平台，这里四台并排而立的设备是乙醇装置的心脏——羰基化反应器，在生产乙醇的过程中发挥着关键作用。
“按照总体计划，装置将于今年9月投料试车、打通全流程，产出合格产品。”延长石油榆神能源化工有限公司总经理郭尊礼说，项目用低阶煤代替粮食制取乙醇，按照3吨粮食生产1吨乙醇测算，榆神50万吨/年煤基乙醇项目建成投产后，每年可节约生物乙醇原料粮150万吨，相当于榆林市全年粮食产量(年均230万吨)的65%。
刘中民说，煤基乙醇的成本(大型化后全成本)约3500元/吨，而粮食制乙醇成本为5000元/吨。煤基乙醇技术不但可以以煤为原料，也能以天然气、生物质、钢厂煤气为原料生产乙醇，为煤炭资源的清洁、高效、低碳利用和国家“双碳”目标的实现提供强有力的技术支撑。
