守好糧袋子，點(diǎn)亮綠動(dòng)能：他們另辟蹊徑釀出“清潔燃料”

2025年2月，在山東一家企業(yè)廠(chǎng)區內，隨著(zhù)最后一道閥門(mén)的精準調節，無(wú)水乙醇從管道終端源源流出——年產(chǎn)50萬(wàn)噸鋼廠(chǎng)煤氣制乙醇項目正式投產(chǎn)。它“吞下”的是鋼廠(chǎng)排放的廢氣，“吐出”的卻是被譽(yù)為“清潔燃料”的無(wú)水乙醇，為國內焦化、煤氣化和甲醇的產(chǎn)業(yè)升級注入了新動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)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)的團隊，歷時(shí)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(lèi)杰出科技成就獎。而其意義遠超獲獎本身，是一條關(guān)乎國家糧食安全、能源自主與產(chǎn)業(yè)低碳轉型的創(chuàng )新之路。

“我們開(kāi)辟了煤炭、鋼廠(chǎng)尾氣清潔高效利用新路線(xiàn)，還推動(dòng)了乙醇新興戰略產(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(xiàn)。”朱文良說(shuō)。

一條“繞開(kāi)”糧食的新路徑

乙醇俗稱(chēng)酒精，既是重要的基礎化學(xué)品，也是公認的清潔汽油添加劑，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(zhù)一個(gè)窘境。

“關(guān)鍵在于需求大，產(chǎn)量根本不夠。”劉中民一語(yǔ)道破癥結。長(cháng)久以來(lái)，全球乙醇生產(chǎn)嚴重依賴(lài)“糧食路線(xiàn)”，即通過(guò)玉米、蔗糖等發(fā)酵制備。對于人多地少的中國來(lái)說(shuō)，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。

在此背景下，劉中民團隊立足我國化石能源富煤、貧油、少氣的特征，旨在開(kāi)發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權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(huì )造成設備腐蝕，從而導致生產(chǎn)成本較高;煤經(jīng)乙酸制乙醇在乙酸產(chǎn)能過(guò)剩時(shí)才有可能實(shí)現，同時(shí)因反應體系腐蝕性強，必須采用高價(jià)特種材料，裝置投資巨大。

基于上述限制，團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(guò)羰基化反應生成乙酸甲酯，最后加氫得到純凈乙醇。隨后，他們成功開(kāi)發(fā)出具有高活性、高穩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(cháng)石油集團展開(kāi)工業(yè)示范。

2017年1月11日，全球首套10萬(wàn)噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項目一次開(kāi)車(chē)成功，順利產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)無(wú)水乙醇，實(shí)現了全球首次工業(yè)示范。

從“一棵樹(shù)”到“一片森林”

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

全球首套50萬(wàn)噸/年煤制乙醇項目，是團隊錨定的下一個(gè)目標。而從10萬(wàn)噸/年的規模直接跨越到50萬(wàn)噸/年，所面臨的挑戰不僅是工藝與反應器規模的簡(jiǎn)單放大，更是對催化劑性能提出了更高要求。而團隊面臨的首要課題，是如何在借鑒第一代催化劑成功經(jīng)驗的同時(shí)，開(kāi)發(fā)出活性更高、穩定性更強的新一代工業(yè)催化劑。

“我們選擇從基礎科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，比如分子篩鋁精準合成、反應選擇性的調控機理等，并結合工業(yè)示范中觀(guān)察到的全新現象，持續開(kāi)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(guò)無(wú)數輪“合成-驗證-再合成-再驗證”的循環(huán)，歷時(shí)4年，團隊終于成功開(kāi)發(fā)出新一代二甲醚羰基化催化劑。其活性提升至原來(lái)的1.7倍，使用壽命也從6400小時(shí)大幅延長(cháng)至16400小時(shí)。2022年8月，該催化劑首次應用于10萬(wàn)噸/年工業(yè)示范裝置，性能得到充分驗證，為后續項目的成功投產(chǎn)奠定了基礎。

2022年10月20日，50萬(wàn)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，每年可節約生物乙醇原料糧約150萬(wàn)噸。在緩解我國乙醇對糧食依賴(lài)的同時(shí)，項目每年還可轉化低階煤約160萬(wàn)噸，為煤炭的清潔高效利用提供了強有力的技術(shù)支撐。

“這標志著(zhù)乙醇技術(shù)正式進(jìn)入大規模工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)代。”朱文良介紹。

與此同時(shí)，團隊也在不斷拓展技術(shù)原料來(lái)源，讓技術(shù)適配更多場(chǎng)景。“我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，每年副產(chǎn)的焦爐氣、高爐氣和轉爐氣中富含大量一氧化碳、氫氣和甲烷。當前大部分鋼廠(chǎng)煤氣僅用于燃燒發(fā)電等，經(jīng)濟性不高，不僅浪費了寶貴的碳、氫資源，還產(chǎn)生了大量二氧化碳。”劉紅超介紹。

團隊將目光繼續瞄準核心催化劑，并優(yōu)化反應工藝，進(jìn)一步提高了技術(shù)指標，為大規模工業(yè)化奠定了堅實(shí)基礎。

2023年底，安徽淮北全球最大60萬(wàn)噸/年乙醇裝置試產(chǎn)成功，2024年2月28日一次性開(kāi)車(chē)成功產(chǎn)出合格乙醇，實(shí)現了20個(gè)月建成項目、兩個(gè)月全流程開(kāi)車(chē)。該裝置采用焦爐煤氣制取乙醇，為二甲醚經(jīng)乙酸甲酯制乙醇技術(shù)打開(kāi)了更廣闊的應用天地。

“該項目對煤炭進(jìn)行深度加工，并且最大限度回收利用焦爐煤氣，實(shí)現了煤炭與工業(yè)廢氣的協(xié)同利用。”安徽碳鑫科技有限公司黨委書(shū)記、董事長(cháng)張平說(shuō)。

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

中國技術(shù)走出國門(mén)

“二甲醚經(jīng)乙酸甲酯制乙醇技術(shù)”的成功開(kāi)發(fā)與推廣應用，不僅為相關(guān)產(chǎn)業(yè)注入了新的發(fā)展動(dòng)能，也為國家清潔能源發(fā)展提供了堅實(shí)的技術(shù)支撐。2024年，其價(jià)值獲得行業(yè)認可，榮膺中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì )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(mén)。

團隊構建了嚴密的全球知識產(chǎn)權網(wǎng)絡(luò )，在歐洲、伊朗、沙特等20多個(gè)國家和地區獲得專(zhuān)利授權。截至目前，該項技術(shù)已簽訂15項技術(shù)實(shí)施許可合同，產(chǎn)能達515萬(wàn)噸/年;已投產(chǎn)7項，產(chǎn)能達265萬(wàn)噸/年，拉動(dòng)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(shí)現了中國原創(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(zhuān)利技術(shù)，并于2025年入選中國在共建“一帶一路”國家和地區發(fā)明專(zhuān)利十大優(yōu)秀案例。

從保障糧食安全，到優(yōu)化能源結構，再到助力“雙碳”目標，這項技術(shù)為我國糧食安全、能源安全與化工產(chǎn)業(yè)鏈穩定提供了堅實(shí)支撐，也為能源產(chǎn)業(yè)結構低碳轉型注入了強勁動(dòng)力。

與此同時(shí)，人工智能的快速發(fā)展給傳統研究領(lǐng)域帶來(lái)了新的機遇與挑戰。劉中民團隊積極推動(dòng)相關(guān)研究，通過(guò)構建突破逐級放大的化學(xué)工程新方法體系，打造“實(shí)驗室小試-虛擬工廠(chǎng)-實(shí)際工廠(chǎng)”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，以全鏈條大數據中心為基礎、行業(yè)大模型為橋梁、智能體為應用載體，構建新的“人工智能+化工”生態(tài)。

回望來(lái)時(shí)路，從實(shí)驗室克級催化劑的反復試錯，到控制屏幕上數十萬(wàn)噸級裝置的數據奔流;從“與人爭糧”的困局，到“點(diǎn)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(zhù)自主創(chuàng )新的執著(zhù)與智慧。

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