课题组在ACS Sus. Chem. Eng.期刊发表论文“Economic and environmental evaluation of ethylene production via syngas-derived ethanol dehydration”，并获得期刊公众号的推广，以下为推文内容。
原文地址为：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c03687
推文原地址为：https://mp.weixin.qq.com/s/BVgNmmP8h-dXkJdF2myFhg
英文原题：Economic and environmental evaluation of ethylene production via syngas-derived ethanol dehydration
通讯作者：赵志仝 太原理工大学 王峰 中国科学院大连化学物理研究所 李学宽 中国科学院山西煤炭化学研究所
作者：赵志仝，张志鑫，郝盼，陈冲，刘永忠，刘永健，李学宽，王峰
摘要
为应对能源危机与气候变化，本研究设计了以煤和生物质为原料，经合成气催化转化制乙醇进而脱水生产乙烯的集成工艺，分别命名为CSEDH和BSEDH，并进行工艺-经济-能耗-碳排放的综合评估。与两种现有的乙烯生产工艺（煤基甲醇制烯烃和生物发酵乙醇脱水制乙烯）比较，发现CSEDH的最低售价比生物质路线低33%–46%，但与煤基甲醇制烯烃工艺相比，CSEDH工艺总投资低，能耗高，经济竞争力随煤价和生产规模的增加由强变弱直至变差。BSEDH工艺的生命周期一次化石能源消耗和碳排放最低，当碳交易价格高于320元/吨CO2eq时，BSEDH展现出明显的经济竞争力。研究指出了不同乙烯生产工艺的机会与挑战，助力发展低碳高效的乙烯生产工艺。
引言
乙烯是重要的化工原料，传统的蒸汽裂解生产工艺在石油和天然气储量有限的地区受到限制，而煤基甲醇制烯烃（MTO）和生物乙醇脱水制乙烯（EDH）工艺具有摆脱油气依赖的特点，受到关注。目前MTO工艺发展迅速，尽管EDH反应具有产物单一，乙烯选择性高（90%-99%），反应系统简单，投资约为MTO系统的1/3等优势，但EDH的原料乙醇依赖生物发酵，受生物质选择和转化效率影响未能大规模应用。开发煤或生物质基合成气经催化转化制乙醇，进而耦合EDH过程生产乙烯的集成工艺可拓宽原料来源，提高反应效率，但也存在挑战：（1）相比于煤基甲醇制烯烃工艺，煤基乙醇制乙烯中间反应步骤多，涉及煤气化、合成气制甲醇、甲醇制二甲醚、二甲醚制乙酸甲酯、乙酸甲酯制乙醇和乙醇脱水制乙烯等过程，可能导致高能耗；（2）相比于接近常温常压的生物发酵工艺，生物质催化制乙醇工艺存在气化（600-1500 °C、4.0-6.5 MPa）、空气分离（-196--183 °C、0.13-0.60 °C）等条件苛刻的过程，导致更高的能耗和设备要求。因此不能直接的确定合成气基乙醇脱水制乙烯在经济可行性和环境友好性方面是否具有竞争力，需要评估和比较不同的乙烯生产工艺，确定各方法的优势，才能推动乙烯的可持续发展和产业规划。
图文介绍
分别以煤和玉米秸秆为原料，设计两种合成气催化制乙醇并耦合乙醇脱水生产乙烯的集成工艺，分别命名为CSEDH和BSEDH，进而通过工艺流程模拟得到完整的投入产出及能耗清单；通过技术经济分析计算系统总投资和产品最低售价；通过生命周期评价评估一次化石能源消耗和碳排放，并与煤基甲醇制烯烃CMTO和生物发酵乙醇脱水制乙烯BEDH工艺进行对比。
图1. CSEDH工艺的流程设计
乙烯的煤化工路线产能设定为60万吨/年、煤价为600元时，CSEDH工艺的总投资比CMTO低5.12%，但乙烯最低售价比CMTO高0.39%。生物化工路线的产能设为5万吨/年、秸秆为300元/吨，BSEDH工艺的总投资比BEDH低31.24%，原因在于BEDH工艺的生物发酵转化效率低，导致乙醇制备单元体积庞大，降低了经济性。当生产规模均设定为10万吨时，BSEDH比CSEDH工艺的最低售价低20.01%。另外，考察了生产规模和原料价格对最低售价的影响，发现两种煤化工路线的经济性会随生产规模发生变化，小规模对CSEDH工艺有利，大规模对CMTO有利，规模转折点在50万吨/年。
图2. 不同乙烯生产工艺的(A)总投资；(B)煤化工路线的最低售价；(C)生物化工路线的最低售价；(d)生命周期一次化石能源消耗；(e)生命周期碳排放
在生命周期一次化石能源消耗和碳排放方面，生物化工路线具有显著优势，碳排放为负值，说明生命周期内的碳排放低于化学品中固定的碳量。煤化工路线的碳排放为10.21-10.53吨CO2eq，主要来源于反应过程，烯烃的碳利用率仅28%-33%，原因是原料与中间体甲/乙醇的H2/CO比不匹配，导致原料中过半的碳以CO2形式排放出去。
图3. 四种乙烯生产路线的碳流图(a) CSEDH；(b) CMTO；(c) BSEDH；(d) BEDH（设原料碳含量为100）
总结与展望
研究设计了两种合成气催化制乙醇耦合乙醇脱水生产乙烯的集成工艺，并进行了工艺-经济-能耗-碳排放的综合评估，新型CSEDH工艺在经济性和碳排放方面与成熟的CMTO工艺相当，但CSEDH工艺产品单一，因此在只关注乙烯生产的情景下，更具有竞争力。BSEDH工艺具有碳减排的显著优势，产品经济竞争力较弱，主要是受限于生物质供应，生产规模较小，但在严格的碳排放管控情景下，如碳排放交易价格超320 元/吨CO2eq时，可实现盈利。研究为乙烯生产行业的清洁低碳高效发展提供了借鉴。
相关论文发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering，赵志仝博士为文章的第一作者，赵志仝博士、王峰研究员、李学宽研究员为通讯作者。
通讯作者介绍
赵志仝 博士
赵志仝，太原理工大学讲师，硕士生导师，从事煤基资源的化学产品工程、过程系统工程研究。
王峰 研究员
王峰，研究员，中国科学院大连化学物理研究所副所长，从事多相催化反应及工程应用等研究工作。在Nature、Science等杂志发表论文200余篇。
李学宽 研究员
李学宽，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员，从事化学品加氢、油品深度脱硫、合成气制化学品等研究。
文章信息
ACS Sustainable Chem. Eng.2025, 13, 36, 14770–14781
Publication Date: September 4, 2025
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c03687
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