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唐宏青:煤制乙醇市场分析及工艺路线介绍

日期: 2018-08-28
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2017年9月13日,国家发改委等15个部委联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》(以下简称方案)。根据方案,到2020年,全国范围内将基本实现车用乙醇汽油全覆盖。方案明确要扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油,但没有说明煤制乙醇是否也包括在内。因此,煤化工企业能否借到新政的东风,成为业内十分关心的问题。

 

从2004年起,国内陆续在11个省区推广生物燃料乙醇。其中河南、安徽、黑龙江、吉林、辽宁、广西为全省区推广应用。据统计,湖北9个地市、山东7个地市、河北6个地市、江苏5个地市、内蒙3个盟市,2014年全年销售变性燃料乙醇230万吨,E10车用乙醇汽油2300万吨(约占全国车用汽油总量的1/4)。

 

2015年与2014年销售量基本持平。2016年燃料乙醇消费量260万吨,其中国产206万吨,进口54万吨。从以上数据可以看出,目前国内燃料乙醇的生产和消费的发展都不是很快。据统计,2016年中国汽油产量为12932万吨,按照国家规定10%添加,燃料乙醇需求为1293.2万吨。尽管目前国内只有8家生物燃料乙醇企业,总体产能规模仅为259万吨,但考虑到方案发布后将推动生物法乙醇产能的迅速扩张,煤制乙醇的市场空间能有多大,目前还难确定。煤制乙醇企业要想借到政策的东风,就要在工业化和成本竞争力上做文章。

 

从煤出发制取乙醇,首先必须得到合成气。然后从合成气出发,可以直接得到乙醇,也可以经过一些中间物如甲醇、乙烯、醋酸、二甲醚等制取乙醇。

 

到目前为止,可供选择的煤制乙醇工艺路线有以下4种:

 

路线一:合成气直接合成乙醇

 

一条途径是一氧化碳和氢气在催化剂作用下直接合成C1-C5低碳醇,然后分离出乙醇。该途径所得产物中大部分是甲醇,产物因催化剂不同而异,缺点是乙醇含量低,很难高于50%。中国科学院山西煤炭化学研究所自20世纪80年代初研制该途径适用的锌-铬催化体系,通过工业侧线模试、产品脱水和原料气精脱硫等技术的研究,完成了1200小时的中试运转。

 

另一条途径是合成气直接制高浓度乙醇,使用的是铑催化剂。20世纪80年代中国科学院大连化学物理研究所开发了担载铑催化剂。中试结果表明,该催化剂连续运转1200小时性能稳定,乙醇选择性大于80%。2011年,江苏索普集团在年产30000吨合成气制乙醇成套技术研发项目中采用了该项技术。

 

路线二:醋酸加氢生成乙醇

 

美国塞拉尼斯公司技术以氧化硅、石墨、硅酸钙或铝硅酸盐为载体的铂/锡催化剂,在约250℃的条件下,由醋酸和氢气选择性地生成乙醇。2012年3月,塞拉尼斯公司在南京化工园区采用该技术建设年产27.5万吨乙醇并副产5.1万吨乙酸乙酯装置,项目总投资1.8亿美元。目前该生产装置已投产。

 

2012年4月,河南顺达化工科技有限公司与西南化工研究设计院合作,利用该公司现有年产36万吨乙酸装置,在河南驻马店建设年产20万吨乙酸酯加氢制乙醇的装置。目前该项目建设进程缓慢。

 

路线三:二甲醚羰基化后加氢生成乙醇

 

一氧化碳和氢气在催化剂作用下先合成甲醇,甲醇脱水生成二甲醚,二甲醚羰基化合成醋酸甲酯,醋酸甲酯加氢生成乙醇。

 

中国科学院大连化学物理研究所采用非贵金属羰基化催化剂来实现这条路线。2013年陕西延长石油(集团)有限责任公司和大连化物所启动了10万吨/年合成气制乙醇工业示范项目,2017年1月11日产出合格无水乙醇产品,纯度达99.71%,主要指标均达到设计值。

 

路线四:乙烯出发制乙醇

 

从煤为原料出发得到乙烯,该技术在国内已经很普及,在此不做详细介绍。而从乙烯出发制乙醇,1930年美国先采用硫酸水合法,随后又开发了直接水合法。

 

硫酸水合法的生产工艺分两步进行。第一步是乙烯与硫酸反应生成烷基硫酸酯,第二步是烷基硫酸酯水解生成乙醇。该方法需要采用特殊的蒸发器进行真空蒸发,费用大,污染严重,副反应多,原料消耗高。

 

直接水合法是气相法,工艺条件为要求反应温度在250摄氏度左右,压力在7.0兆帕,在磷酸硅藻土催化剂下进行。在此工艺条件下,乙烯的单程转化率在5%左右,选择性在94%到95%之间,工艺环境污染比较小。美国联合碳化物公司用此工艺生产乙醇,流程分为合成、精制和脱水3部分。

 

纵观以上4种工艺路线,前3条尽管受人关注,并有一定的工业试验基础,但从实际运行情况来看,距离工业化技术成熟还有一定距离,很难在投产3到5年内达到年设计值并保证安全、稳定、长周期、满负荷运行。而最后一条工艺路线,从煤化工的角度而言是可行的,不仅有早年工业化成熟经验,而且目前煤制乙烯后添加乙烯水合路线的各个单元都已成熟,只是缺乏工业化组合实例。煤化工企业要想实现煤制乙醇的工业化,在工艺路线选择上要尤其用心。

 

从生产成本看,用煤制乙醇,理论上生产1吨乙醇需要比例为1:2的合成气(一氧化碳:氢气)2919标方。按照上述工艺生产低碳醇的实际消耗定额约为3500标方左右,预计煤制乙醇和低碳醇的成本在4500~5000元/吨左右。目前我国主要采用传统的粮食发酵法制乙醇,成本高于5000元/吨。而目前国内纤维素乙醇还处于中试阶段,成本超过7000元/吨。可以说,在当前情况下,煤制乙醇在成本竞争力还是有优势的。

 

但当前煤制乙醇能否实现工业化和大型化,与国家推广燃料乙醇政策是分不来的。煤化工企业尤其要注意,煤制乙醇全国最终需求量就在几百万吨范围内,而沿海地区有乙烷进口生产乙烯,也可能生产一些乙醇供当地使用。因此煤制乙醇不宜盲目地大规模发展,尤其不应当在工业化技术不十分成熟的情况下,动辄上几十万或百万吨级的装置,恨不得一下子占领全国市场。

 

对煤化工企业来说,在现有装置上建设10万吨级侧线的增产扩能改造,产品就地销售,才是发展煤制乙醇的最佳选择,才能实现经济、效益、快速。尤其对已有合成气、甲醇、醋酸、二甲醚、煤制乙烯、煤制油等的企业(凡是有合成气或副产少量乙烯的企业),针对现有已经或即将过剩的产能,在装置后连接一条侧线单元生产乙醇,不失为一条实现产品多元化的出路。


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