2025年2月，在山東一家企業(yè)廠區(qū)內(nèi)，隨著最后一道閥門的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，無水乙醇從管道終端源源流出——年產(chǎn)50萬噸鋼廠煤氣制乙醇項目正式投產(chǎn)。它“吞下”的是鋼廠排放的廢氣，“吐出”的卻是被譽(yù)為“清潔燃料”的無水乙醇，為國內(nèi)焦化、煤氣化和甲醇的產(chǎn)業(yè)升級注入了新動力。

這一切的背后，源于中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡稱大連化物所)研究員朱文良與中國工程院院士劉中民帶領(lǐng)的團(tuán)隊，歷時十余年攻克的二甲醚經(jīng)乙酸甲酯制乙醇技術(shù)。近期，該技術(shù)榮獲2025年中國科學(xué)院技術(shù)發(fā)明類杰出科技成就獎。而其意義遠(yuǎn)超獲獎本身，是一條關(guān)乎國家糧食安全、能源自主與產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新之路。

“我們開辟了煤炭、鋼廠尾氣清潔高效利用新路線，還推動了乙醇新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的快速形成，為煤化工產(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展打造了一條全新技術(shù)路線。”朱文良說。

一條“繞開”糧食的新路徑

乙醇俗稱酒精，既是重要的基礎(chǔ)化學(xué)品，也是公認(rèn)的清潔汽油添加劑，廣泛存在于人們的生活中。然而在中國，乙醇汽油的推廣卻面臨著一個窘境。

“關(guān)鍵在于需求大，產(chǎn)量根本不夠。”劉中民一語道破癥結(jié)。長久以來，全球乙醇生產(chǎn)嚴(yán)重依賴“糧食路線”，即通過玉米、蔗糖等發(fā)酵制備。對于人多地少的中國來說，這條路徑容易引發(fā)“與人爭糧、與糧爭地”的矛盾，直接關(guān)系國家糧食安全。因此，發(fā)展非糧乙醇技術(shù)，成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界共同追求的目標(biāo)。

在此背景下，劉中民團(tuán)隊立足我國化石能源富煤、貧油、少氣的特征，旨在開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤基乙醇成套技術(shù)。

煤制乙醇在國際上有兩條主流技術(shù)路徑，卻各有瓶頸：煤經(jīng)合成氣直接制乙醇，不僅需要用到貴金屬催化劑銠，還會造成設(shè)備腐蝕，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高;煤經(jīng)乙酸制乙醇在乙酸產(chǎn)能過剩時才有可能實現(xiàn)，同時因反應(yīng)體系腐蝕性強(qiáng)，必須采用高價特種材料，裝置投資巨大。

基于上述限制，團(tuán)隊最終確定以煤基合成氣為原料，先制取甲醇和二甲醚，再讓二甲醚通過羰基化反應(yīng)生成乙酸甲酯，最后加氫得到純凈乙醇。隨后，他們成功開發(fā)出具有高活性、高穩(wěn)定性的分子篩羰基化催化劑，在二甲醚羰基化研究中取得重大突破，并聯(lián)合陜西延長石油集團(tuán)展開工業(yè)示范。

2017年1月11日，全球首套10萬噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項目一次開車成功，順利產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)無水乙醇，實現(xiàn)了全球首次工業(yè)示范。

從“一棵樹”到“一片森林”

首套示范裝置的成功并非終點，而是新起點。劉中民團(tuán)隊深知，技術(shù)的生命力在于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用和不斷優(yōu)化升級。隨即，團(tuán)隊著手二甲醚經(jīng)乙酸甲酯制乙醇技術(shù)“從1到100”的推廣應(yīng)用。

全球首套50萬噸/年煤制乙醇項目，是團(tuán)隊錨定的下一個目標(biāo)。而從10萬噸/年的規(guī)模直接跨越到50萬噸/年，所面臨的挑戰(zhàn)不僅是工藝與反應(yīng)器規(guī)模的簡單放大，更是對催化劑性能提出了更高要求。而團(tuán)隊面臨的首要課題，是如何在借鑒第一代催化劑成功經(jīng)驗的同時，開發(fā)出活性更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)的新一代工業(yè)催化劑。

“我們選擇從基礎(chǔ)科學(xué)問題出發(fā)，比如分子篩鋁精準(zhǔn)合成、反應(yīng)選擇性的調(diào)控機(jī)理等，并結(jié)合工業(yè)示范中觀察到的全新現(xiàn)象，持續(xù)開展新一代核心催化劑研制。”大連化物所研究員劉紅超介紹。

經(jīng)過無數(shù)輪“合成-驗證-再合成-再驗證”的循環(huán)，歷時4年，團(tuán)隊終于成功開發(fā)出新一代二甲醚羰基化催化劑。其活性提升至原來的1.7倍，使用壽命也從6400小時大幅延長至16400小時。2022年8月，該催化劑首次應(yīng)用于10萬噸/年工業(yè)示范裝置，性能得到充分驗證，為后續(xù)項目的成功投產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

2022年10月20日，50萬噸/年煤制乙醇項目一次投產(chǎn)成功，充分驗證了技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性。

按照3噸糧食生產(chǎn)1噸乙醇測算，項目建成投產(chǎn)后，每年可節(jié)約生物乙醇原料糧約150萬噸。在緩解我國乙醇對糧食依賴的同時，項目每年還可轉(zhuǎn)化低階煤約160萬噸，為煤炭的清潔高效利用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

“這標(biāo)志著乙醇技術(shù)正式進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)時代。”朱文良介紹。

與此同時，團(tuán)隊也在不斷拓展技術(shù)原料來源，讓技術(shù)適配更多場景。“我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，每年副產(chǎn)的焦?fàn)t氣、高爐氣和轉(zhuǎn)爐氣中富含大量一氧化碳、氫氣和甲烷。當(dāng)前大部分鋼廠煤氣僅用于燃燒發(fā)電等，經(jīng)濟(jì)性不高，不僅浪費(fèi)了寶貴的碳、氫資源，還產(chǎn)生了大量二氧化碳。”劉紅超介紹。

團(tuán)隊將目光繼續(xù)瞄準(zhǔn)核心催化劑，并優(yōu)化反應(yīng)工藝，進(jìn)一步提高了技術(shù)指標(biāo)，為大規(guī)模工業(yè)化奠定了堅實基礎(chǔ)。

2023年底，安徽淮北全球最大60萬噸/年乙醇裝置試產(chǎn)成功，2024年2月28日一次性開車成功產(chǎn)出合格乙醇，實現(xiàn)了20個月建成項目、兩個月全流程開車。該裝置采用焦?fàn)t煤氣制取乙醇，為二甲醚經(jīng)乙酸甲酯制乙醇技術(shù)打開了更廣闊的應(yīng)用天地。

“該項目對煤炭進(jìn)行深度加工，并且最大限度回收利用焦?fàn)t煤氣，實現(xiàn)了煤炭與工業(yè)廢氣的協(xié)同利用。”安徽碳鑫科技有限公司黨委書記、董事長張平說。

“如果大量鋼廠尾氣利用該技術(shù)生成乙醇，將會促進(jìn)清潔燃料乙醇大規(guī)模生產(chǎn)，滿足社會對乙醇的需求，帶動一個新產(chǎn)業(yè)。”劉中民描繪了一幅綠色循環(huán)的藍(lán)圖：鋼鐵廠的碳排放廢料，變成了能源化工的寶貴原料，直接推動了鋼鐵、能源、環(huán)境等多個高碳行業(yè)的低碳化融合發(fā)展。

中國技術(shù)走出國門

“二甲醚經(jīng)乙酸甲酯制乙醇技術(shù)”的成功開發(fā)與推廣應(yīng)用，不僅為相關(guān)產(chǎn)業(yè)注入了新的發(fā)展動能，也為國家清潔能源發(fā)展提供了堅實的技術(shù)支撐。2024年，其價值獲得行業(yè)認(rèn)可，榮膺中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會技術(shù)發(fā)明獎特等獎。

如今，二甲醚經(jīng)乙酸甲酯制乙醇技術(shù)的影響力已走出了國門。

團(tuán)隊構(gòu)建了嚴(yán)密的全球知識產(chǎn)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，在歐洲、伊朗、沙特等20多個國家和地區(qū)獲得專利授權(quán)。截至目前，該項技術(shù)已簽訂15項技術(shù)實施許可合同，產(chǎn)能達(dá)515萬噸/年;已投產(chǎn)7項，產(chǎn)能達(dá)265萬噸/年，拉動直接投資超300億元。其中，兩套裝置技術(shù)已經(jīng)許可給“一帶一路”國家，實現(xiàn)了中國原創(chuàng)化工成套技術(shù)的輸出。2024年，該技術(shù)獲評共建“一帶一路”綠色專利技術(shù)，并于2025年入選中國在共建“一帶一路”國家和地區(qū)發(fā)明專利十大優(yōu)秀案例。

從保障糧食安全，到優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，再到助力“雙碳”目標(biāo)，這項技術(shù)為我國糧食安全、能源安全與化工產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定提供了堅實支撐，也為能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型注入了強(qiáng)勁動力。

與此同時，人工智能的快速發(fā)展給傳統(tǒng)研究領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。劉中民團(tuán)隊積極推動相關(guān)研究，通過構(gòu)建突破逐級放大的化學(xué)工程新方法體系，打造“實驗室小試-虛擬工廠-實際工廠”的化工新技術(shù)研發(fā)范式，創(chuàng)新性提出“1+1+N”人工智能石化化工新范式，以全鏈條大數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)、行業(yè)大模型為橋梁、智能體為應(yīng)用載體，構(gòu)建新的“人工智能+化工”生態(tài)。

回望來時路，從實驗室克級催化劑的反復(fù)試錯，到控制屏幕上數(shù)十萬噸級裝置的數(shù)據(jù)奔流;從“與人爭糧”的困局，到“點化廢氣為清潔能源”的暢想成真，這條中國“醇”新之路，每一步都刻印著自主創(chuàng)新的執(zhí)著與智慧。

“未來，我們將聚焦煤化工、石油化工等融合發(fā)展方向，為推動清潔能源可持續(xù)化發(fā)展帶來更多可能。”劉中民表示。