乙烯作為基本的有機(jī)化工原料和石油化工業(yè)的龍頭產(chǎn)品，被譽(yù)為“石油化工之母”，隨著化工、能源、材料等乙烯衍生物產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，乙烯的產(chǎn)需矛盾日益突出。這就給生物乙烯，以大宗生物質(zhì)為起始原料制造乙烯，提供了難得的契機(jī)。在2007年中國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)期間，南京工業(yè)大學(xué)國(guó)家生化工程技術(shù)研究中心胡炎炎博士接受采訪時(shí)表示，發(fā)展生物乙烯已經(jīng)成為必然，作為石油替代戰(zhàn)略的重要方向和突破口，生物乙烯將給傳統(tǒng)的乙烯及其衍生物工業(yè)帶來(lái)持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。
據(jù)介紹，生物乙烯是以大宗生物質(zhì)為原料，通過微生物發(fā)酵得到乙醇，再在催化劑作用下脫水生成乙烯。上世紀(jì)60年代，巴西、印度、中國(guó)、巴基斯坦和秘魯?shù)葒?guó)家相繼建立了乙醇脫水制乙烯的工業(yè)裝置。雖然后來(lái)由石油烴類熱裂解生產(chǎn)乙烯的工藝幾乎成為乙烯的全部來(lái)源，但對(duì)乙醇脫水制乙烯的研究一直沒有放棄。2004年，我國(guó)迄今規(guī)模最大的1.7萬(wàn)噸/年生物乙烯裝置在安徽豐原集團(tuán)成功投產(chǎn)，中石化下屬的四川維尼綸廠也有了年產(chǎn)9000噸生物乙烯的工業(yè)化裝置。
同石油路線乙烯相比，生物乙烯的純度高、分離精制費(fèi)用低、投資小、建設(shè)周期短、收益快，而且不受資源分布的限制。因此，在石油資源急劇匱乏的時(shí)代，生物乙烯必將作為一條可持續(xù)發(fā)展的綠色化工路線與石油乙烯路線相抗衡。胡炎炎告訴記者，目前發(fā)展生物乙烯在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟(jì)上亦具有競(jìng)爭(zhēng)力，但是尚需解決一些規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題，主要是低成本乙醇生產(chǎn)技術(shù)、乙醇脫水生成乙烯的催化技術(shù)、過程耦合一體化工藝技術(shù)等，以此進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。
低成本乙醇生產(chǎn)技術(shù)
目前80%左右的乙醇以淀粉質(zhì)糧食為原料，約20%的乙醇以木質(zhì)纖維素為原料。糧食類淀粉質(zhì)原料的價(jià)格較高，因而抬高了乙醇的生產(chǎn)成本。因此，選擇低成本的原料路線是降低乙醇生產(chǎn)成本和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。利用秸稈類木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇是國(guó)際公認(rèn)的技術(shù)難題，但也是最有前途的技術(shù)之一。我國(guó)急需建立高水準(zhǔn)的、以木質(zhì)纖維素為原料的乙醇生產(chǎn)中試基地，并重點(diǎn)開展原料預(yù)處理、生物降解、可發(fā)酵糖的利用、秸稈類木質(zhì)纖維素綜合利用等方面的研究.
乙醇脫水制乙烯催化技術(shù)
據(jù)介紹，氧化鋁型催化劑是目前工業(yè)應(yīng)用相對(duì)成熟的催化劑，但是對(duì)反應(yīng)條件要求苛刻，反應(yīng)溫度高，乙醇原料濃度要求高，導(dǎo)致整體能耗高。因此，開發(fā)能夠在較低溫度下，將較低濃度的乙醇高選擇性和高轉(zhuǎn)化率地轉(zhuǎn)化為乙烯的長(zhǎng)壽命催化劑，已成為生物質(zhì)由乙醇中間體制乙烯的關(guān)鍵。雜多酸催化劑雖然活性高，但是壽命和熱穩(wěn)定性問題沒能得到解決，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。沸石分子篩催化劑的水熱穩(wěn)定性和壽命還需要進(jìn)一步提高，對(duì)發(fā)酵乙醇雜質(zhì)的耐受性也值得深入研究。
過程耦合一體化工藝
目前我國(guó)現(xiàn)有的乙醇脫水制乙烯裝置是建立在燃料乙醇后繼生產(chǎn)線上的，工藝路線比較陳舊，耗能過高。想要提高生物乙烯的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，就必須充分考慮生物乙烯的自身特點(diǎn)，將生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和乙醇脫水制乙烯兩個(gè)過程有機(jī)融合。應(yīng)該對(duì)生物質(zhì)路線制乙烯的生產(chǎn)過程進(jìn)行系統(tǒng)考慮，在能耗、催化效率及催化劑使用壽命等因素之間尋找一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。通過對(duì)整個(gè)工藝進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，將各工序中的熱能進(jìn)行綜合利用以減少能耗。
據(jù)悉，我國(guó)對(duì)生物乙烯的生物煉制技術(shù)非常重視，科技部在國(guó)家“863”計(jì)劃中已啟動(dòng)“生物基化學(xué)品的生物煉制技術(shù)”項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)的眾多高等院校、科研院所和重點(diǎn)企業(yè)已開展聯(lián)合攻關(guān)，解決生物乙烯產(chǎn)業(yè)化中存在的關(guān)鍵性技術(shù)問題。
胡炎炎所在的課題組經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，在燃料乙醇的中試及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目上已具備較好的基礎(chǔ)，并在生物乙醇脫水制乙烯專用催化劑方面取得成果，同時(shí)還在乙醇發(fā)酵、乙烯工業(yè)、化工工藝設(shè)計(jì)、過程優(yōu)化等領(lǐng)域積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。胡炎炎表示，他們的目標(biāo)是建成具有我國(guó)特色的，以低成本可再生資源為原料的節(jié)能型、清潔型2萬(wàn)噸/年生物乙烯工業(yè)化生產(chǎn)示范裝置。
