煤制乙醇技術的應用及發展

王健

摘 要：我國煤制乙醇技術目前正處于多元化發展的重要階段，隨著我國糧食燃料乙醇停止發展以來，則更加注重煤制乙醇和纖維素乙醇的發展。基于此，本文從我國煤制乙醇研究進展出發，探討合成氣化學催化法、合成氣厭氧發酵法、醋酸直接加氫法以及醋酸酯化加氫法在煤制乙醇技術中的應用，借助煤制乙醇技術以期為我國燃料乙醇發展提供幫助。

關鍵詞：煤制乙醇；化學催化；厭氧發酵；酯化加氫

1 煤制乙醇最新研究進展分析

現階段，大部分國家燃料乙醇還是以糧食為主，美國主要以玉米為原料，其是世界上燃料乙醇生產最大的國家，而巴西則主要以甘蔗為主要原料，是世界燃料乙醇第二生產大國。我國則僅次于以上兩國位居第三，我國燃料乙醇最主要的應用途徑為交通工具汽油的添加劑。目前，國內乙醇汽油的推廣已經覆蓋了多個省份，并且隨著試點規模的不斷擴大，燃料乙醇的需求量也將逐漸增加。據統計，按完全成本測算生物質乙醇成本在4700-5600元之間；而煤制乙醇成本普遍在4000-4200元之間，即使考慮糧食乙醇補貼和消費稅減免等因素后，煤制乙醇仍具有顯著的成本優勢，成本差至少在300元/噸左右，最大可達約800元/噸。由此可見，煤制乙醇相對于糧食和纖維素制乙醇成本都要低，發展煤制乙醇將會國家的經濟發展有重要意義。

2 煤制乙醇技術工藝分析

煤制乙醇過程中以煤為原料，將其制成合成氣，其主要成分為一氧化碳和氫氣，然后根據不同的工藝生產燃料乙醇。以煤為原材料生產乙醇的工藝線路主要分為：合成氣化學催化法；合成氣厭氧發酵法；醋酸直接加氫法；醋酸酯化加氫法；合成氣經二甲醚制乙醇法。

2.1 合成氣化學催化法

合成氣化學催化法主要是指在銠基或銅基催化劑等的作用下將合成氣轉化成C1～C5的雜醇，分離得到乙醇。此技術和甲醇合成技術類似，工藝流程短，易于工業化，是未來理想的煤制乙醇路線。目前此技術存在的問題在于一氧化碳的轉化率和乙醇選擇性均較低，同時產物組分復雜，分離困難。今后研究的重點是開發出一氧化碳的轉化率高和乙醇選擇性高的催化劑[1]。

2.2 合成氣厭氧發酵法

合成氣厭氧發酵法主要是利用厭氧生物新陳代謝最終形成乙醇。應用于生產乙醇的微生物不僅需要具有厭氧特點，還需要具有耐高濃度的CO、CO2、NOx等氣體組分的特點，因此對厭氧菌的要求非常高。根據對相關研究顯示，生物在代謝過程中生成乙醇，主要是生物在厭氧乙酰輔酶A的作用下生產的，其能夠在厭氧發酵的過程中將CO、H2等氣體轉化成乙醇。而在代謝過程中主要受到三種酶的作用，分別為一氧化碳脫氫酶、甲酸脫氫酶以及氫化酶，并且其中一氧化碳脫氫酶是形成乙酰輔酶的重要酶。然而在此代謝過程中不僅只生成乙醇，還會伴有乙酸、丁醇等代謝物生成。在采用合成氣厭氧發酵法生產乙醇中需要重點考慮的問題：首先，新型菌株的培育和測試；第二，將發酵過程進行優化，從而提高一氧化碳的轉化率，有利于商業生產放大化[2]。

2.3 醋酸直接加氫法

醋酸直接加氫技術主要是在金屬催化劑的作用下將醋酸直接加氫轉換成乙醇，生產過程中在Pd催化劑的作用下生成乙醇，具體反應步驟為：第一，醋酸分子與氫分子均吸附在Pd催化劑的表面；第二，醋酸分子在催化劑的作用下碳氧鍵斷裂，從而生成乙酰基，乙酰基加氫生產乙醛；第三，乙醛加氫后會生成乙氧基，乙氧基加氫后最終生成乙醇，最后乙醇分子從催化劑的表面脫離。此技術相對于合成氣直接法制乙醇優勢在于副反應相對較少。目前國內很多企業已經成功開發該項技術，其中塞拉尼斯和江蘇索普集團等已有醋酸加氫制乙醇工業化示范裝置。目前由于醋酸價格較高，該技術生產成本沒有優勢，塞拉尼斯南京27.5萬噸醋酸加氫制乙醇裝置已停產。

2.4 醋酸酯化加氫法

醋酸酯化加氫法主要是在強酸的作用下將同醇進行酯化反應生成醋酸酯，醋酸酯再加氫生成乙醇。催化劑為銅基催化劑，該技術反應條件溫和，酯轉化率高達97%以上，乙醇的選擇性也在98%以上。目前，該技術與醋酸直接加氫法一樣，由于醋酸價格較高，而沒有成本優勢。

2.5 合成氣經二甲醚制乙醇法

合成氣經二甲醚制乙醇法是大連化物所和延長石油合作開發，該技術路線為：合成氣合成制甲醇；甲醇脫水制二甲醚；二甲醚再與一氧化碳催發生羰基化反應生成乙酸甲酯；乙酸甲酯與氫氣反應，生成乙醇和甲醇；然后通過精制分離甲醇和乙醇，甲醇作為二甲醚合成原料返回。甲醇脫水制二甲醚采用固體酸鋁基催化劑，羰基化反應采用活性炭載體負載的Ir-La基催化劑。該技術是目前最經濟的煤制乙醇工藝路線，無水乙醇每噸綜合生產成本為4000元左右。目前延長石油和大連化物所已有10萬噸/年合成氣制乙醇工業示范，并已啟動50萬噸/年合成氣制乙醇工藝包開發。

3 結語

綜上所述，在以煤為原料生產燃料乙醇中直接法制乙醇的過程相對較為簡單，原子經濟性也相對較好，其缺點在于催化劑轉化率選擇性還不夠高，目前還不適合大規模產業化生產。經過上文分析可得，合成氣經二甲醚制乙醇法技術已經成熟，已經應用于工業化生產，并且其經濟性也比較高。符合我國燃料乙醇發展要求。

參考文獻：

[1]郭衛軍.煤（合成氣）制乙醇技術進展及工業化應用[J].能源化工，2015，36（05）：1-4.

[2]王宏濤，呂建寧，呂靜，馬新賓.煤制乙醇技術的研究及開發應用進展[J].煤化工，2014，42（04）：3-8.