论文标题：Petrochemical Industry for the Future

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.06.017

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随着全球对低碳和净零排放目标的不断推进，石油化工行业正迎来一场深刻的变革。在发表于Engineering的研究中，张耀、邢恩会、李明丰等专家深入探讨了石油化工的至简发展路径，构建了一种基于简化工程思维和碳一化学（C1化学）的新型发展模式，旨在通过精准合成和高效气化技术重塑现代石化工业。

文章指出，化石能源在过去数百年间为人类文明的演进提供了重要的能量与物质基础，但随着能源需求从高碳向低碳、无碳转型，石油化工的加工基础和发展思路亟待调整。研究认为，以一氧化碳（CO）为目标产品的新型气化技术与精准合成为核心的C1化学技术相结合，有望成为石油化工领域的关键平台技术，推动行业实现碳原子的精准管控，显著提升原子利用效率，降低能耗及碳排放。

石油化工的复杂性源于其演进过程和历史成因。自20世纪以来，石油化工产品从简单的照明煤油到复杂的合成材料，技术不断演进，形成了高度复杂的工业体系。然而，这种复杂性也带来了诸多问题，如原料依赖程度高、碳原子利用效率低、能耗水平高以及装置标准化不足等。文章指出，现有石油化工装置仅能以原油为原料，难以适应煤炭、生物质、天然气、废塑料等含碳物质，且在生产过程中存在大量“沉默分子”，导致低能效和高能耗问题。

变革的条件正在趋于成熟。一方面，能源结构的快速重塑为石油化工的转型提供了契机。可再生能源的快速发展以及绿氢的崛起正在改变传统能源格局。据国际能源署（IEA）预测，到2050年，可再生能源在一次能源消费中的占比将达到60%以上，而绿氢的制造成本预计将在2030年降至1美元/kg，实现与灰氢的平价竞争。这些变化将为石油化工行业提供更清洁、更可持续的能源基础。

另一方面，其他行业的成功经验也为石油化工的至简发展提供了启示。例如，电动汽车的崛起得益于其更高的能量转换效率和简化的制造流程，而人造肉的发展则通过现代生物合成技术实现了生产效率的提升。这些案例表明，从物质的最本源出发，遵循基本原理进行生产，能够有效解决复杂性带来的问题。

石油化工的至简发展路径强调从繁杂到简化的工程思维转变。文章提出，通过构建基于C1化学的短流程工艺，可以实现石油化工流程的简化和绿色化。例如，原油直接裂解技术通过构建短流程工艺，实现了低能耗、高产出的目标，被认为是传统炼油产业转型的颠覆性技术变革。然而，这种技术仍存在原子利用效率不高、轻质原油依赖性强等问题。因此，未来的发展需要破除馏分炼油的概念，从高效原子组装出发，减少单元数量，降低分离强度。

C1化学作为未来石油化工的核心技术，具有巨大的发展潜力。它以含一个碳原子的化合物为初始原料，通过精准合成实现从基础化学品到复杂有机物的转化。尽管现有的C1化学技术如甲醇制烯烃（MTO）和费托合成（FT）已实现工业化，但仍存在能量消耗高、反应体系复杂和碳排放强度大等问题。文章指出，未来C1化学的发展将摆脱对化石能源的依赖，转向以水、绿氢和可再生能源为基础的绿色化学体系。

图1 未来石油化工的物质和能量构成。CCUS：碳捕集、利用与封存。

石油化工的至简重构将沿着中短期和长期的时间轴进行演化。在中短期，随着绿氢生产技术的成熟，部分绿氢将替代现有灰氢，C1化学的过程碳排放将显著降低。在此基础上，石油重组分将通过气化转化为合成气，再与绿氢结合生成烯烃、芳烃等目标产物。在长期，随着电力能源对汽柴油的大部分替代，石油化工流程将全面重构，形成以气化为核心、以C1合成为基础的高效工业体系。届时，生物质、废塑料等含碳原料将通过气化转化为高纯度CO，再与绿氢结合生成化学品，实现可持续发展。

文章还指出，石油化工至简发展路径具有显著优势，包括降低原料依赖性、提升碳原子效率、提高能源效率、增强过程标准化以及拓展发展空间。例如，气化技术的通用性强，可扩展至多种含碳原料，摆脱了对特定原料的限制。同时，通过精准合成，可以显著提高碳原子的利用效率，减少“沉默分子”的数量，从而简化分离过程，降低能耗。

图2 石油化工至简发展路径图。BTX：苯、甲苯和二甲苯。

图3 未来石油化工流程图。

石油化工的至简发展仍面临诸多挑战。关键科学技术的突破是实现这一目标的关键，包括高效气化技术、合成气直接制烯烃和芳烃技术、电催化CO2还原技术以及绿电绿氢成套技术。例如，气化技术需要在提升原料适应性、提高碳原子气化转化率、降低反应能耗等方面取得突破；而合成气直接制烯烃和芳烃技术则需要解决催化剂活性、选择性和稳定性等问题。此外，思维惯性的破除也是实现石油化工至简发展的重要环节。文章呼吁，应从未来视角系统审视石油化工的历史和演变规律，摆脱传统思维的束缚，推动行业实现更高质量的发展。

石油化工的至简发展不仅是应对全球碳排放挑战的必然选择，也是推动行业实现绿色、低碳转型的重要途径。通过引入简化工程思维和C1化学技术，石油化工行业有望在未来的能源转型中发挥关键作用，为人类社会的可持续发展提供坚实的物质和能量基础。

论文信息：

Yao Zhang, Enhui Xing, Wei Han, Panfeng Yang, Song Zhang, Su Liu, Dongxue Cao, Mingfeng Li. Petrochemical Industry for the Future. Engineering, 2024, 43(12): 104-120.

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.06.017