去年9月13日,國家發改委等15個部委聯合印發《關於擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》。
根據方案,到2020年,全國範圍內將基本實現車用乙醇汽油全覆蓋。方案明確要擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油,但沒有說明煤制乙醇是否也包括在內。因此,煤化工企業能否借到新政的東風,成為業內十分關心的問題。
當前煤制乙醇能否實現工業化和大型化,與國家推廣燃料乙醇政策是分不來的。煤化工企業尤其要注意,煤制乙醇全國最終需求量就在幾百萬噸範圍內,而沿海地區有乙烷進口生產乙烯,也可能生產一些乙醇供當地使用。因此煤制乙醇不宜盲目地大規模發展,尤其不應當在工業化技術不十分成熟的情況下,動輒上幾十萬或百萬噸級的裝置,恨不得一下子佔領全國市場。
對煤化工企業來說,在現有裝置上建設10萬噸級側線的增產擴能改造,產品就地銷售,才是發展煤制乙醇的最佳選擇,才能實現經濟、效益、快速。尤其對已有合成氣、甲醇、醋酸、二甲醚、煤制乙烯、煤制油等的企業(凡是有合成氣或副產少量乙烯的企業),針對現有已經或即將過剩的產能,在裝置後連接一條側線單元生產乙醇,不失為一條實現產品多元化的出路。
從生產成本看,用煤制乙醇,理論上生產1噸乙醇需要比例為1:2的合成氣(一氧化碳:氫氣)2919標方。按照上述工藝生產低碳醇的實際消耗定額約為3500標方左右,預計煤制乙醇和低碳醇的成本在4500~5000元/噸左右。
目前我國主要採用傳統的糧食發酵法制乙醇,成本高於5000元/噸。而目前國內纖維素乙醇還處於中試階段,成本超過7000元/噸。可以說,在當前情況下,煤制乙醇在成本競爭力還是有優勢的。
從2004年起,國內陸續在11個省區推廣生物燃料乙醇。其中河南、安徽、黑龍江、吉林、遼寧、廣西為全省區推廣應用。據統計,湖北9個地市、山東7個地市、河北6個地市、江蘇5個地市、內蒙3個盟市,2014年全年銷售變性燃料乙醇230萬噸,E10車用乙醇汽油2300萬噸(約佔全國車用汽油總量的1/4)。
2015年與2014年銷售量基本持平。2016年燃料乙醇消費量260萬噸,其中國產206萬噸,進口54萬噸。從以上數據可以看出,目前國內燃料乙醇的生產和消費的發展都不是很快。
據統計,2016年中國汽油產量為12932萬噸,按照國家規定10%添加,燃料乙醇需求為1293.2萬噸。儘管目前國內只有8家生物燃料乙醇企業,總體產能規模僅為259萬噸,但考慮到方案發布後將推動生物法乙醇產能的迅速擴張,煤制乙醇的市場空間能有多大,目前還難確定。煤制乙醇企業要想借到政策的東風,就要在工業化和成本競爭力上做文章。
從煤出發製取乙醇,首先必須得到合成氣。然後從合成氣出發,可以直接得到乙醇,也可以經過一些中間物如甲醇、乙烯、醋酸、二甲醚等製取乙醇。
到目前為止,可供選擇的煤制乙醇工藝路線有以下4種:
路線一:合成氣直接合成乙醇
一條途徑是一氧化碳和氫氣在催化劑作用下直接合成C1-C5低碳醇,然後分離出乙醇。該途徑所得產物中大部分是甲醇,產物因催化劑不同而異,缺點是乙醇含量低,很難高於50%。中國科學院山西煤炭化學研究所自20世紀80年代初研製該途徑適用的鋅-鉻催化體系,通過工業側線模試、產品脫水和原料氣精脫硫等技術的研究,完成了1200小時的中試運轉。
另一條途徑是合成氣直接制高濃度乙醇,使用的是銠催化劑。20世紀80年代中國科學院大連化學物理研究所開發了擔載銠催化劑。中試結果表明,該催化劑連續運轉1200小時性能穩定,乙醇選擇性大於80%。2011年,江蘇索普集團在年產30000噸合成氣制乙醇成套技術研發項目中採用了該項技術。
路線二:醋酸加氫生成乙醇
美國塞拉尼斯公司技術以氧化矽、石墨、矽酸鈣或鋁矽酸鹽為載體的鉑/錫催化劑,在約250℃的條件下,由醋酸和氫氣選擇性地生成乙醇。2012年3月,塞拉尼斯公司在南京化工園區採用該技術建設年產27.5萬噸乙醇並副產5.1萬噸乙酸乙酯裝置,項目總投資1.8億美元。目前該生產裝置已投產。
2012年4月,河南順達化工科技有限公司與西南化工研究設計院合作,利用該公司現有年產36萬噸乙酸裝置,在河南駐馬店建設年產20萬噸乙酸酯加氫制乙醇的裝置。目前該項目建設進程緩慢。
路線三:二甲醚羰基化後加氫生成乙醇
一氧化碳和氫氣在催化劑作用下先合成甲醇,甲醇脫水生成二甲醚,二甲醚羰基化合成醋酸甲酯,醋酸甲酯加氫生成乙醇。
中國科學院大連化學物理研究所採用非貴金屬羰基化催化劑來實現這條路線。2013年陝西延長石油(集團)有限責任公司和大連化物所啟動了10萬噸/年合成氣制乙醇工業示範項目,2017年1月11日產出合格無水乙醇產品,純度達99.71%,主要指標均達到設計值。
路線四:乙烯出發制乙醇
從煤為原料出發得到乙烯,該技術在國內已經很普及,在此不做詳細介紹。而從乙烯出發制乙醇,1930年美國先採用硫酸水合法,隨後又開發了直接水合法。
硫酸水合法的生產工藝分兩步進行。第一步是乙烯與硫酸反應生成烷基硫酸酯,第二步是烷基硫酸酯水解生成乙醇。該方法需要採用特殊的蒸發器進行真空蒸發,費用大,汙染嚴重,副反應多,原料消耗高。
直接水合法是氣相法,工藝條件為要求反應溫度在250攝氏度左右,壓力在7.0兆帕,在磷酸硅藻土催化劑下進行。在此工藝條件下,乙烯的單程轉化率在5%左右,選擇性在94%到95%之間,工藝環境汙染比較小。美國聯合碳化物公司用此工藝生產乙醇,流程分為合成、精製和脫水3部分。
縱觀以上4種工藝路線,前3條儘管受人關注,並有一定的工業試驗基礎,但從實際運行情況來看,距離工業化技術成熟還有一定距離,很難在投產3到5年內達到年設計值並保證安全、穩定、長周期、滿負荷運行。而最後一條工藝路線,從煤化工的角度而言是可行的,不僅有早年工業化成熟經驗,而且目前煤制乙烯後添加乙烯水合路線的各個單元都已成熟,只是缺乏工業化組合實例。煤化工企業要想實現煤制乙醇的工業化,在工藝路線選擇上要尤其用心。