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    傅向升:以史為鑒,開創未來
    責任編輯:左彬彬 來源:中國化工報 日期:2022-05-07

     

      化學工業是工業革命的產物,又是工業革命的加速器?v觀世界化工發展史,一是從時間軸看,在開啟第二次工業革命之前,化學一直在為認識和尋找元素而探索,即使有少量產品,世界化工產品庫里也主要是以無機化工產品構成。

      伴隨著第二次工業革命的大幕開啟,世界化工史翻開了嶄新的一頁,即在1856年實驗過程中意外獲得了乙烯、丙烯、乙炔,有了這三種基礎的烯烴和炔烴,合成化學開始起步,有機化學品閃亮登場,化工產品庫開始豐富起來了。后來1863年的拜耳公司和1865年的巴登苯胺(巴斯夫的前身),分別以煤焦油為原料開始生產苯胺染料。再到1871年門捷列夫發表修訂后的元素周期表,雖然當時能夠確定的元素還不多、原子量也不準確,但化學元素規律研究的大門開啟,化學探索及研究進一步加快。當時間來到20世紀,1913年哈伯-博世合成氨在巴斯夫實現了工業化生產,同年費歇爾將煤粉在高壓下加氫制得汽油的專利也在德國問世。到了20世紀30年代,高分子聚合物如酚醛樹脂、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和合成橡膠已有了一定的工業生產基礎,聚甲醛、氨基樹脂、丙烯酸樹脂也都已經被合成和開發出來。1935年杜邦的尼龍66誕生,并于第二年開始嘗試做絲襪,合成纖維誕生。當時代列車行駛到“二戰”結束以后,世界石油化工、天然氣化工的大發展,疊加第三次工業革命的信息化與智能化,世界化學工業和石油化工產業快速實現大型化和現代化,世界化工產品庫的產品日益增多、更加豐富。這就是世界化學工業幾乎與第二次工業革命同步,駛入了快速發展的快車道,并相互推動、相互作用,為人類社會創造了大量的、豐富多彩的物質產品,滿足了人口的大量增加、社會的不斷進步和人類健康美好生活的持續提升。

      二是從創新軸看,回顧世界化工史,讓我們更加深刻地認識到:創新是人類社會進步的不竭動力。當然,創新離不開優秀的帶頭人和創新團隊,沒有拉瓦錫通過“燃燒實驗”啟動“化學革命”,近代化學就不會起步;要是沒有門捷列夫的元素周期表,化學家們即使花費更長時間,可能也很難研究清楚化學元素與原子量、原子價的關系以及排列和化學變化的規律;要不是哈伯通過實驗發現在催化劑作用下,通過增加壓力和降低溫度、以氮氣和氫氣為原料實現了氨的合成,又與巴斯夫當時的工程師博世實現了產業化,化肥工業以及農業的大發展難如愿;要不是居里夫婦發現了人工放射能和愛因斯坦說服羅斯?偨y下決心啟動由奧本海默領導的“曼哈頓計劃”,也許原子彈和人工利用核能就難成為現實;要不是齊格勒-納塔催化劑的發現與應用,低壓聚乙烯和高聚合度聚丙烯就難以實現,就很難奠定高分子工業的基礎和實現高分子材料工業的快速發展和大型化。

      中國化學工業和石化產業也是一樣,如果沒有侯德榜博士的“侯氏制堿法”開啟中國民族化學工業的創新,我國的純堿工業和新中國的氮肥工業就難以起步并滿足急需;如果沒有閔恩澤、侯祥麟等老一輩石油化工前輩們的創新與拼搏,石油化工領域的“五朵金花”可能就不會誕生,我們石油化工領域的很多關鍵催化劑、助劑等有可能今天還要受制于人。

      篇幅所限,不能一一列舉,從諾貝爾化學獎設立122年來的獲獎者,以及中國化工學會“中國化工 百年百人”榜單,足可以證明石化產業今天的進步和成就,是無數創新探索者、無數企業家和眾多石化人的智慧、汗水甚至是犧牲推動的。進入20世紀以后,諾貝爾獎對化學和化學工業的創新與發展發揮了重要影響,諾貝爾是瑞典化學家,也是一名工程師和實業家。他于1866年獲得炸藥的專利,很快又發明了無煙炸藥,因此獲得了巨額財富。后來因發明的炸藥被用于戰爭,他對此感到遺憾,立遺囑捐獻資產(當時3200萬瑞典克朗)作為基金,設立了化學、物理學、生理學或醫學、和平和文學5個領域的諾貝爾獎,其中物理學、生理學或醫學都與化學密切相關,這都大大激發了人們創新的熱情。

      推動化工石化創新發展的另一個重要因素是企業,熟悉世界化工發展史的人都認識到:要是沒有杜邦、拜耳、巴斯夫、赫斯特、德固賽、汽巴、嘉吉、帝國化學、索爾維、孟山都、帝斯曼以及標準石油、殼牌、BP等一批企業,一直作為創新的主體、成果轉化的主體,而不斷推動著化工石化產業的創新與發展,今天的世界恐怕也難以如此的發達和文明。

      三是橫向對比看,以史為鑒,既要縱向看、還要橫向看。縱向看是為了總結經驗、汲取教訓,以利今天的我們少走彎路,以更多的精力開創未來;橫向看既為了相互借鑒、相互促進,更為了在對比中看到差距、補齊短板,以利未來做強做優。與世界石化產業、尤其是與發達國家石化工業相比,今天中國的石化產業是總量大、體系全、結構重、高端少,創新能力和國際競爭能力都有待加強。

      總量大,多年來我國石化行業規上企業實現營業收入都在10萬億元以上(去年14.45萬億元),占工業經濟總量的12%左右,去年石化規上企業實現利潤總額1.16萬億元,約占工業總利潤的14%,在國內不僅是名副其實的重要支柱產業,而且為經濟穩增長、保就業以及為農業豐產豐收和戰略新興產業發展都作出了重要貢獻;在國際上中國已連續12年列世界第二石化大國和世界第一化工大國,據歐洲化工理事會統計中國化工產值占世界總量的40.6%,遠高于歐美日之總和,可見數量大的基礎和平臺是扎實的。

      體系全,是指我國石化產業經過70多年來、尤其是改革開放以來的創新與發展,已形成完整的、成熟的從石油天然氣開采到煉油、基礎化工產品、精細化工產品以及化工新材料等的全產業鏈,其中油氣勘探開采技術、煉油和基本化學品生產技術、現代煤化工技術等領域的整體技術水平都居世界先進水平之列,甚至這些領域的新技術、設備制造、主體催化劑等的研發以及自主設計、自主制造和自主配套能力均居世界先進之列,這種總體可控、完整的、成套的體系是自立自強的重要基礎。

      結構重,是我國石化產業結構不合理的短板體現,也是我國石化產業與發達國家相比的特殊性體現。

      一個表現是我國石化產業的產品結構重。產品以大宗基礎化學品為主,純堿、燒堿、電石、焦炭、合成氨、尿素以及聚氯乙烯等通用合成材料和有機硅單體等多種以化石資源為原料、物耗高、排放高的大宗基礎產品都是世界產能產量第一位。

      另一個表現是我國石化產業的原料結構重。世界化學工業從起步一直到上世紀六七十年代,都是以煤化工、鹽化工為主體,“二戰”結束以后發達國家加快原料結構調整、加快向石油化工的轉型。到上世紀80年代末,發達國家基本完成以石油和天然氣為原料的石油化工為主的轉型。而我國因工業化和現代化起步較晚,又加上“富煤貧油少氣”的資源稟賦,我國目前石化產業的原料結構仍然是煤油氣鹽并重的局面。最具代表性的是合成氨和甲醇,發達國家都是以天然氣為主,而我國今天仍有約80%的合成氨和甲醇都是以煤為原料。另一個代表性的產品是聚氯乙烯,發達國家伴隨石油化工的發展都已轉型為以乙烯為原料的氧氯化工藝,而我國約80%的聚氯乙烯仍是以電石為原料的乙炔化工。還有1,4-丁二醇,發達國家大多以C₄為原料的石油路線,而我國也是以電石為原料的炔醛法(Reppe工藝)為主。類似的還有甲醛、醋酸、聚乙烯醇等產品,在發達國家都是天然氣為起始原料,而我國生產這些產品的起始原料也是以煤為主。因資源稟賦造成的這種產品鏈結構和原料結構,自然也就帶來了我國石化產業的能耗和碳排放量遠高于發達國家的水平,在適應未來的低碳和碳達峰碳中和過程中,也就面臨著更為嚴峻的挑戰。

      高端少,主要是指我國石化產業產品結構“低端過剩、高端短缺”的結構性矛盾仍然十分突出。我國20多種大宗基礎化工產品產能產量多年高居世界榜首,而專用化學品和功能化學品、化工新材料及其高端復合材料、高性能纖維、高端膜材料等多年來一直依賴進口,就連高端聚烯烴及其專用料的大量市場需求也是靠進口!笆濉币詠砦覈a業多年的貿易逆差都高于2500億美元,2021年2689.9億美元。所以,高端、精細、專用化學品和高性能材料及其復合材料少,難以滿足我國高端制造業、戰略新興產業以及航空航天、國防軍工等需求的矛盾還是明顯的。創新能力和國際競爭力的相關內容,在此不再贅述。

    鑒古知今,做好當下

      今日之中國石化產業,自2010年高居世界石化產業第二和世界化工產業之首,歐洲化工理事會和多家跨國公司預測:2030年中國之化工占比將占半壁江山。所以,國際化工協會聯合會(ICCA)以及美歐日韓等石化與化工組織及眾多跨國公司,都十分關注中國石化產業的發展以及中國石化產業界的方向、重點及聲音。

      但我們必須清醒地認識到,我們只是石化大國、還不是強國,我們的規模和數量有著一定的優勢,但我們的產業結構和產品結構有差距,創新能力和創新水平差距明顯,國際競爭力和國際經營水平差距更大。認識到差距并正視差距,才能奮起直追、縮小差距,了解世界化工和石化產業的歷史和發展史,才能更好地汲取先工業化過程所走的彎路和教訓、借鑒發達國家工業化和現代化的經驗,尤其是學習借鑒發達國家和跨國公司自上世紀90年代以來產業升級和戰略轉型的成功經驗。立足今天石化大國的現狀和基礎,堅定地推進石化大國向石化強國邁進。

      一是結構優化轉型升級是當下的重點。“十三五”以來,石化全行業貫徹國務院辦公廳發[2016] 57號文《關于石化產業調結構促轉型增效益的指導意見》,調結構、促轉型都取得了明顯成效。但當前石化產業結構偏重和“低端過剩、高端短缺”的矛盾,仍需要我們加快結構調整和產業優化升級,實際上很多跨國公司已經為我們提供了有益的借鑒。

      杜邦成立220年來,第一個百年是一家火藥公司,之后通過不斷依靠創新、加快戰略轉型,在第二個百年實現了由火藥帝國向材料公司的轉變,并成為聚酯、尼龍、聚甲醛、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚對苯二甲酸1,4-環己烷二甲醇酯(PCT)、液晶聚合物等合成材料和工程塑料的領導者,進入第三個百年的時候,杜邦又宣布將加快向生命科學公司轉型。但2018年與陶氏合并、并于2019年6月1日再拆分出新杜邦的這次轉型,我始終認為值得商榷,因為不完全是杜邦的自主所為,究竟有多少被動和無奈也許歷史會做出驗證。

      另兩個大家熟悉的跨國公司是帝斯曼和索爾維。帝斯曼120年前成立時是一家煤炭公司,從煤和煤化工起家,逐漸發展焦爐煤氣、化肥、橡膠塑料、精細化學品和高性能材料,去年又重組出去高性能材料業務,今天已轉型為營養化學品、醫藥和專用化學品的先導性公司。索爾維因1861年創新成功“索爾維制堿法”比原來的呂布蘭制堿法原料易得、污染少、燃料消耗也少而更具競爭力起家,在侯德榜《純堿制造》公布之前、70多年靠技術封鎖壟斷世界市場,但索爾維今天的主導產業已完全轉型為化工新材料和功能化學品,其血液透析材料、液晶顯示材料、信息用化學品等具有很強的全球競爭力。

      日本化工界的轉型也值得我們關注,2016年我帶隊訪問經產省、日本化工協會、石化協會及部分企業時了解到,日本本土的石腦油裂解裝置已關掉3套,其關閉總產能約85萬噸/年,原因是中韓石化產業快速發展和海灣地區輕烴制烯烴的成本優勢帶來的壓力。繼今年3月三井化學宣布退出精對苯二甲酸(PTA)業務之后,4月住友化學又宣布將退出己內酰胺和乙丙橡膠業務,日本化工企業的這種轉型值得我們思考。鑒于我國成品油過剩、新能源車快速推進、化工新材料和精細化學品短缺的狀況,我們的石化企業應當加快推進“減油增化”的產品結構調整進程,在成品油的產出比例上也要盡量調低柴汽比。原來已建成的具有經濟規模的千萬噸級及其以上的煉油裝置,也要科學論證、科學設計并延伸產業鏈和產品鏈,充分利用好已有的產品基礎以增產烯烴及其高端聚合物和精細化學品為目標,做好產業鏈延伸和產品結構升級優化。無機及精細化學品企業,要在精細化、差異化、功能化上下功夫。

      二是綠色低碳轉型是當下的緊迫任務。綠色低碳轉型是為應對全球氣候變暖,各個國家、各行各業共同的行動,雖然目前的俄烏沖突造成的能源供應、尤其是天然氣供應緊張,綠色低碳遇到了新的挑戰。但是,如果氣溫升高主要是人為大量排放溫室氣體造成的成為共識的話(已成為多數國家、多數人的共識),為保護人類唯一的地球家園而持續加大綠色低碳轉型力度、向著碳中和目標共同持續努力的大趨勢就不會改變。

      石化產業是國民經濟的重要支柱產業,目前也是以石油、天然氣、煤炭等化石資源為原料的產業,在生產石化產品的過程必然伴隨二氧化碳的發生,其排放量居工業領域前列,因此石化產業的綠色低碳轉型比其他行業更為緊迫。

      “十四五”期間,石化行業及其重點領域、重點產品、重點企業實施綠色低碳轉型的要求、目標和措施、路徑都已明確!吨泄仓醒 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》、國務院《2030年前碳達峰行動方案》以及國家發改委、工信部等部委印發的《高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平(2021年版)》《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南(2022年版)》以及《關于“十四五”推動石化化工行業高質量發展的指導意見》《石化化工行業碳達峰碳中和行動方案》等,無論是對碳達峰碳中和的戰略部署、戰略目標和總體要求,還是對石化化工行業的煉油、乙烯、對二甲苯、合成氨、燒堿、純堿、焦化等重點子行業和重點產品,都提出了具體的要求、目標和采用新技術、新工藝、新設備等路徑選擇。不僅有指標的要求,還有規模的要求,幾乎對每一個重點產品都再次明確“對能效水平在基準值以下,且無法通過節能改造達到基準值以上的生產裝置”,對煉油產能是“按照等量或減量置換的要求,通過上優汰劣、上大壓小等方式加快退出”;對于其他重點石化產品則一律強調“無法通過節能改造達到基準值以上的,加快淘汰退出”。建議我們的重點石化企業一定要高度重視、認真研究,加快重點企業和重點產品的綠色低碳轉型。

      三是關鍵核心技術的產業化是重點。新世紀以來、尤其是“十三五”以來,石化領域國內外創新不斷,新的重大成套技術、關鍵核心技術以及新工藝、新設備、核心催化劑相繼取得突破,并成功實現產業化,國內外石化產業的整體技術水平又有大的提升和新的跨越。

      最具有代表性、也是近10年來產業化、大型化發展最快的要數“烯烴原料輕質化”和“原油直接制化學品”。最具代表性的國家或區域要數北美和海灣地區,北美以美國為代表近10年來乙烯增量明顯高于以往,而新增乙烯主要采用乙烷裂解工藝;海灣地區以沙特為代表,新增烯烴主要以凝析液的輕烴組分為原料。

      2019年3月,我曾帶隊訪問陶氏并參觀了陶氏在休斯敦剛剛建成投產的乙烷裂解制乙烯裝置,當時陪同人員對我們講“這是世界上規模最大的、已投產的乙烷裂解裝置”,并告訴我們相鄰的一套裝置是巴西石化剛投產不久的“丙烷脫氫制丙烯裝置”。大家對SABIC的歷史和成立背景并不陌生:SABIC成立的主要目的就是為了更好地利用石油伴生氣資源生產烯烴、有機化學品和聚合物。美國是因為頁巖氣革命成功乙烷和天然氣資源豐富,海灣是石油伴生氣中輕烴資源豐富,關鍵是以輕烴為原料(乙烷裂解制乙烯、丙烷脫氫制丙烯)制取烯烴,其工藝流程短、投資省、產品純度高,與石腦油裂解或其他途徑所獲得烯烴相比、其生產成本最低。

      我國“十三五”以來依靠進口液化丙烷(或混合輕烴)已建成投產20套丙烷脫氫制丙烯裝置,已投產4套乙烷裂解制乙烯裝置(中石油2套依靠自產乙烷,另2套衛星石化靠進口乙烷、新浦化學是進口混合輕烴),目前國內輕烴制乙烯占比還很低,而丙烷脫氫制丙烯約占到我國丙烯總產能的20%左右。下一步在科學論證輕烴來源和供應鏈安全以及經濟競爭力的前提下,還可以慎重決策以輕烴為原料的烯烴裝置建設。

      “原油直接制化學品”是“十三五”以來國內談論最多的新工藝。2019年3月,我帶隊訪問和考察了?松梨谠谛录悠略@葝u的全球唯一的一套100萬噸/年乙烯工業化裝置,其化學品的產出率高達50%~70%,乙烯的成本比石腦油裂解低約100美元/噸。后來與沙特阿美交流中了解到,沙特阿美和SABIC、清華大學合作,也已經掌握了原油直接制化學品的技術,籌劃和擬建工業化裝置。2021年,中石化石科院、北京化工研究院都相繼宣布開發成功原油直接制化學品的技術。中海油吳青總工告訴我:中海油在惠州大亞灣也經工業性試驗驗證了自己的原油直接制化學品的新工藝,運行結果表明原料進料、烯烴產出率都更有競爭力。

      實際上,在國內成品油過剩的現狀面前,很多企業和企業家都已認識到“少油多化”轉型的現實重要性,“十三五”新投產的恒力石化、浙石化的煉化一體化裝置,通過全加氫工藝、應用新技術和新催化劑,其烯烴和化學品產出率都比以前的傳統裝置高許多。即將投產的中石化鎮海乙烯工程、古雷一體化項目、洋浦烯烴裝置以及中石油大南海一體化裝置等,都在采用新技術、新工藝實現“減油增化”和降低柴汽比方面做了大量工作。還有離子液體烷基化、雙氧水氧化、微通道反應器以及己二腈等技術的推廣應用也有著良好的空間。

      四是生物基化學品和生物可降解材料是近些年的熱點。生物基化學品和生物可降解材料一直是全球研發的重點,在“雙碳”戰略驅動下,生物基可再生資源制化學品和可降解材料又迎來了新的發展機遇。

      據經濟合作與發展組織(OECD)預測,未來10年至少有20%以上的石化產品可由生物基產品替代,歐盟《工業生物技術遠景規劃》也預測:2030年生物基原料將替代6%~12%的化工原料、30%~60%的精細化學品將由生物基獲得。大家熟悉的是生物基乙醇,美國以轉基因玉米和巴西以甘蔗為原料是技術和經濟上都成熟的一個代表,以生物基乙醇為原料經脫水反應可獲得乙烯(上世紀80年代,北京化工研究院已開發成功工業化技術),由此只要經濟上過關、可以制得一系列有機化學品及聚合物。

      目前可工業化的生物基可降解材料有聚乳酸、聚羥基脂肪酸酯(PHA)、聚甲基乙撐碳酸酯(PPC)等,其他的生物基材料還有聚酰胺(尼龍11、尼龍1010、尼龍56等)以及可降解的聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚乙醇酸(PGA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等。

      這次北京冬奧會一次性餐具用的就是豐原集團提供的聚乳酸,目前PBAT、PBS、PGA等可降解塑料種類擬建規模都很大。三菱化學用異山梨醇代替雙酚A開發成功的生物基聚碳,其透明性、光學性能、高耐磨性及抗沖擊性能都優于雙酚A型聚碳酸酯,已做成汽車全景天窗,未來不僅用于汽車、能源,還將用于光學、電子儀器、裝飾裝修等。與帝斯曼、阿科瑪、贏創等公司交流中也了解到他們研發的生物基丁二酸以及生物基長碳鏈尼龍等。多年來一直被杜邦壟斷、比化學法更具競爭力的生物基產品是1,3-丙二醇,制備1,3-丙二醇的化學法有丙烯醛水合氫化法和環氧乙烷羰基化法,都因設備投資高、過程污染重、成本高而退出。1,3-丙二醇的生物法分葡萄糖為原料生物發酵和甘油為原料生物發酵工藝,杜邦的葡萄糖發酵工藝質量好、成本低而長期壟斷國際市場。國內的甘油發酵工藝因原料轉化率低、產品高端用途受限而競爭力差些。因此,國內生產新型聚酯纖維PTT所需的1,3-丙二醇部分可國內供應,而化妝品、醫藥等高端領域基本被杜邦壟斷。我們曾組織國家科技攻關的聚丙烯酰胺也是分化學法和生物法,作為三次采油用化學品和造紙用、水處理用等多用途的聚丙烯酰胺,與1,3-丙二醇一樣也是生物法比化學法更具競爭力。

      今天主要談談生物可降解材料,這是自國家頒布“禁(限)塑令”以來十分火爆的一個領域。生物可降解材料的確可以在一次性購物(包裝)袋、地膜、快遞、醫用等領域替代原來的不可降解塑料,但因使用和加工性能所限、不可能在所有的塑料應用場景全部替代原來的不可降解塑料。這幾年生物可降解材料的火爆也是全球為解決塑料污染問題而更加重視,我們還應客觀地評價塑料誕生百年來為人類社會和文明進步所作出的重要貢獻,尤其是在代鋼代木、節能減排等方面發揮的重要作用。

      塑料污染、塑料的海洋污染是由于使用不當、加上隨意丟棄造成的,解決塑料污染問題、保護生態環境和海洋,不可能依靠可降解材料全部代替不可降解材料這單一路徑來實現。不可降解材料的合理回收和科學循環再利用是解決塑料污染的重要途徑之一。

      循環利用又分物理循環和化學法循環,不可降解材料的物理梯級循環利用是目前相對實用的路徑,而化學法循環再利用是實現不可降解材料高值循環利用的重要方法,也是化學反應技術發揮重要而不可替代作用的領域之一,更是化學家和化學工程師們面臨的重要課題;瘜W法循環再利用不是什么新課題,伴隨著高分子化學的發展和聚合物的日益增多,化學家已經注意到高分子材料難降解的問題,并開始研究如何化解未來的塑料污染問題。

      有些人不了解化學的反應過程、也不了解化學家的能耐,化學反應大多都是可逆的:能合成就能分解、能聚合就能解聚;瘜W家的能耐就是:自己聚合反應得到的高分子聚合物、就一定能夠通過解聚(或裂解)反應使之分解。有的人覺得神奇,實際上這是化學反應的基本原理,技術上沒有障礙,只是成本和代價問題,即經濟性能否過關?熟悉化工歷史和發展過程的人可能記得:杜邦上世紀90年代就開始研發廢物減量化,那時杜邦就已經認識到“廢棄物是未充分利用的資源”,自杜邦公司不斷創新新聚合物、引領高分子材料高歌猛進的時候,杜邦就已經開始投入大量人力物力開發廢塑料的回收利用技術。已經開發成功的“甲醇分解技術”將廢聚酯(PET)飲料瓶分解成對苯二甲酸二甲酯和乙二醇單體,然后重新合成新的PET;1991年杜邦就回收利用了12.7萬噸工藝廢料。上世紀末和本世紀初,杜邦共運營著11個塑料再生利用裝置,每年加工廢塑料量為45.4萬噸。今天的巴斯夫也在研發熱裂解工藝,把廢塑料熱裂解為合成氣或油品,用這種原料在路德維希港一體化基地再生產各種化學品或聚合物,品質達到食品級。那有人會問“為什么沒有推廣開呢?”前面講了“技術不成問題,關鍵是運營成本和回收后的塑料、價格是高于還是低于新塑料的價格?即經濟競爭力問題”。

      目前廢棄塑料的污染在持續惡化,尤其是對海洋生態造成的惡化更加嚴重,所以聯合國環境規劃署、世界塑料理事會以及“終止塑料廢棄物聯盟”等國際組織,還有巴斯夫、科思創、亨斯邁、?松梨、殼牌、中石化、石科院、金發科技、瞿金平院士、陳學庚院士等眾多企業和科學家、企業家,都開啟了創新廢棄塑料回收與循環利用的新篇章。今天看起來日益嚴峻的塑料污染問題終會被解決的,可僅有成熟的技術是不夠的,還需要政策的推動與支持、經濟競爭力以及人們的共識和全球的行動。

    以史為鑒,開創未來

      時代的列車已駛入21世紀20年代,世界石化產業已成為一個成熟而重要的產業,石化產品與合成材料涉及經濟、社會以及人類生活的方方面面,這都對石化產業的創新發展提出了更高的要求。去年結合建黨百年學習黨史,我們不斷深化行業史的學習,學史明理、學史思辨,關鍵是以史為鑒、開創未來,中國經濟正行進在高質量發展的新階段,我國石化產業也正處于石化大國向強國跨越的關鍵期,如何以史為鑒、開創未來?世界化學工業和石化產業的發展史告訴我們:關鍵靠創新。

      但今天是21世紀,化學、化工與石化的創新與過去的歷史時期有著很多不同。

      一是方法不同。以近代化學的鼻祖波義耳1654年通過真空實驗發現氣體的體積與壓力成反比的“波義耳法則”和他1661年出版《懷疑的化學家》為標志,打開了人類探索化學的大門。100多年后,拉瓦錫的“燃燒實驗”又為人們打開了化學實驗的大門,化學領域的創新更加提速。但那時以及再以后的100多年,化學領域的很多創新都是偶然的。

      如1856年一名18歲的學生想合成瘧疾特效藥奎寧,卻意外獲得了合成染料。這就是皇家化學院的帕金,他實驗得到了一塊褐色狀物,不知為何物。他把其中一種原料苯甲胺換成了苯胺再試,得到的是黑色物,雖然當時不知這黑色物的化學結構,卻發現這種黑色物可以把織物染成紫色,最早的合成染料“苯胺紫”誕生了,很快就誕生了拜耳和巴斯夫的前身--巴登苯胺等合成染料公司。

      青霉素的發現也是偶然。倫敦圣瑪麗醫院的弗萊明1928年正在研究流感病毒,外出休假幾天歸來,發現葡萄球菌培養皿被霉污染了,并發現培養基里種的菌受到霉的抑制。弗萊明進一步研究這個霉屬青霉菌,進而提取出有效成分命名為青霉素。進一步實驗發現,青霉素能殺死很多病菌,但對動物和白細胞無害,全球知名的青霉素被意外發現。

      門捷列夫發現元素周期表也很有意思。他一直想把已發現的化學元素進行分類和排序,但一直未能如愿,他就把已發現的元素寫在紙片上,在坐火車的漫長旅途中把玩,并試圖按原子量或原子價進行分類。當他按原子量的順序一排出來,他便發現元素的性質確實有周期性,于是1871年他發表了元素周期表。雖然當時因原子量估算不準確有個別錯位,也因已發現的元素不多、表上有不少空格,但隨著研究的深入基本補齊了他當年的空格和預言,才有了今天我們看到的元素周期表。

      這樣的故事還有很多,在20世紀之前有不少新化學品和化合物是偶然或意外發現的。但今天不同了,今天人們的知識和手段可以設計實驗流程,實驗還沒開始、每一步得到的化學品、甚至副產物都基本是明了的。

      二是條件不同。以前、就算“二戰”之前,我們的實驗條件與今天相比可以說天壤之別,尤其是分析測試儀器,我們訪問過UOP在芝加哥的創新總部、杜邦威明頓中央研究院、霍尼韋爾全球體驗中心(華盛頓、休斯敦、上海)、華誼集團科創研究院以及陶氏、SABIC、贏創、科萊恩、科思創、亨斯邁、塞拉尼斯、空氣產品等很多跨國公司的研發中心和國內很多的研究院。今天的核磁、電鏡、激光儀、質譜、氣液色譜等一應俱全,確定一個新物質的結構與過去相比很快、也很容易,再加上智能化和數字化控制系統,大大提高了創新效率、縮短了創新周期。所以,今天的創新條件、創新手段與以前大為改善。

      三是難度不同。今天創新條件好了、手段高了,可創新難度卻越來越大。如果以杜邦成立的1802年為出發點,縱觀這200多年世界化工石化領域的眾多產品,大都是在19世紀和20世紀的前半期發現和發明、合成的。20世紀下半期以來整體看石化產業的進步,主要在產品的大型化、現代化,在不斷擴展使用新用途和新領域,即使有的產品謂之“新產品”大多是官能團的改變、支鏈的變化、使用性能的提升,尤其是無機化學品領域全新物質的發現就更是少之又少。合成材料產品也是一樣,“五大通用塑料”“五大工程塑料”包括“五大特種工程塑料”幾乎都是上世紀80年代以前合成的。

      以比較新的合成材料為例:高壓法聚乙烯是1933年發明的、低壓法聚乙烯是1953年合成的,乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)1928 年首次低壓法合成、1938年又發明了高壓聚合的專利,聚碳酸酯工程塑料是1958年熔融酯交換工藝誕生,聚甲醛是1955年獲得均聚產品、1961年獲得共聚產品,PBT于1942年就研制出來,PET是1946年發表專利、1953年工業化生產,聚四氟乙烯是1938年發現、1950年工業化生產。當然茂金屬聚合物是20世紀50年代以后的事了,因為1952年才推定出二茂鐵的化學結構,茂金屬催化劑才開始定型。最典型的還有尼龍,最早發現的是尼龍6,于1837年發現、1942年工業化;但工業化最早的是尼龍66,于1938年工業化(1931年發現),往后尼龍610于1941年工業化,尼龍1010于1961年工業化,尼龍1212是1990年工業化?吹贸鰜砟猃埾盗羞@些產品只是碳鏈長短或脂肪族與芳香族的不同,基本結構都是二元酸與二元胺縮聚而成,碳鏈的長短或脂肪族與芳香族決定了尼龍的化學性能和物理性能不同、致使耐溫范圍和強度等不同、應用領域的不同,就是最新的生物基尼龍56,也只是生物發酵的戊二胺取代了己二胺的區別,并無本質不同。茂金屬聚烯烴也是類似,催化劑不同、聚烯烴的性能和用途不同,屬類劃分還是聚乙烯聚丙烯,而不是什么別的聚合烴類。20世紀下半期以來,精細化學品、農藥、醫藥領域新產品創新的還有不少,其他領域的新化學品、新物質創新難度確實越來越大。

      四是開創未來的聚焦點如何選擇?下面這段話思考了很久,常說“拋磚引玉”,也許這里拋出的只是塊“泥巴”;仡櫫恕敖瘜W鼻祖波義耳”和“現代化學之父拉瓦錫”以來的世界化工石化發展史,化工石化發展到今天,又面臨地球變暖、能源、糧食、水以及新的流行病(如當前的新冠肺炎疫請)等許多新的挑戰。21世紀的今天確實與歷史上任何一個時期都有很大的不同,化學化工確實也能夠為解決所面臨的新挑戰發揮特別的作用。

      開創未來的第一個聚焦點是化學合成新方法的創新。化學合成可以比作化學的“核”,化學合成方法若實現突破、實現了創新,一定是重大突破和重大創新。世界化工創新發展史也充分證明了這一點,自波義耳至今整整350年,世界化學工業開啟快速發展大門是與第二次工業革命同步、現代合成化學的誕生,1862年化學家將氫氣通入碳電極的電弧中得到了乙炔,再過4年實驗人員通過乙炔合成了苯,從此開啟了合成方法的研究,有機化合物的數量快速增加,世界化學工業翻開了新的一頁。有機化學、高分子化學、現代生物化工相繼誕生,世界化工石化產業開始翻天覆地的變化。我們的科學家要開創未來首先聚焦的就應當是新的化學合成方法,聚焦高選擇性、能耗少、環境友好、定向合成,在新催化劑、分子設計、手性合成以及原子催化等方面。催化劑是關鍵,如合成氨:1905年哈伯從化學平衡上就已知道可以通過氮氣和氫氣合成氨,到1909年以鋨作催化劑才實現了氨的合成,直到1913年與巴斯夫的工程師博世合作開發成功高效的鐵系催化劑才最終實現了工業化。再就是,要是沒有釩系催化劑很多氧化反應就難以實現、要是沒有銠膦絡合催化劑羰基化反應難以實現、如果離開了鎳系催化劑很多加氫反應就失去了活力......

      第二個聚焦點是生命科學領域的創新。自20世紀下半期以來,化學逐步滲透到人類社會的各個方面,今天不僅是工業、經濟、國防、制造業領域,醫藥、生物,甚至生態環境治理、轉基因種子、高效高品質農業、靶向病蟲草害防治,還有人類難以醫治的很多疾病的靶向治療、細胞定向修復、人造器官等,這些都與今天的化學科學家們的創新密切相關。上世紀下半期以來,生物化學和分子生物學領域獲得諾貝爾化學獎的人迅速增加,很多都集中在分子生物學、DNA、核苷酸和核苷酸輔酶、蛋白質、胰島素、植物光合作用、氨基酸、遺傳工程基礎、生物大分子結構測定等方面。彭孝軍院士研發的腫瘤靶向治療就取得了很好的臨床成果;三菱化學的細胞修復試劑、上;ぱ芯吭汉腿饣瘜W的氧18特種水,主要用于核醫學成像、生物醫藥、環境監測等方面的示蹤劑。今天的化學家和創新工作者,千萬不能認為這些與我無關。

      第三個聚焦點是新能源的戰略轉型。人類社會的現代化和經濟的快速發展,化石資源的大量消耗,溫室氣體的持續大量排放,地球已到了難以承受的地步,目前履行《巴黎協定》越來越成為共識,呼聲越來越強烈,新能源戰略轉型迫在眉睫。新能源及新能源汽車等所需的很多高性能催化材料、高性能膜材料、絕緣材料以及很多功能化學品,都離不開化學、化工和石化。而新能源轉型所需的這些高性能材料和功能性產品、尤其是能效轉化效率高的材料,目前都有很大的差距,因材料的制約技術上難過關,經濟上更難過關。

      一個最典型的代表就是未來作為新能源的綠氫制備、儲運與使用。作為新能源首先制取方法要過關,目前的化石資源制氫、電解水制氫、甲醇分解制氫等方法,所獲得氫都難以滿足新能源大量使用的要求,工業副產氫可以做局部區域示范性應用?茖W家預測陽光分解水制氫的最終成功,才是氫作為清潔能源實現的一天。陽光分解水制氫國際國內都在研發與創新過程中,三菱化學、東京大學以及中國科技大學等都取得了較好的階段性成果,但是能效轉化率太低、所獲得的氫的成本太高,急需在高效催化劑制備及涂敷技術、氫氧分離的高性能分離膜以及氫的儲運材料等方面獲得創新與突破。綠氫突破以后,與捕集提純的工業排放二氧化碳反應就可以獲得甲醇及烯烴和一系列有機化學品、高分子聚合物。

      第四個聚焦點是二氧化碳資源化利用的綠色化學創新。碳達峰碳中和為化學家又提出了新的創新命題,碳捕集、利用與封存(CCUS)國內外都在開展示范性應用和工程化放大試驗;二氧化碳制化學品的創新國內何鳴元院士、韓布興院士、丁奎嶺院士、李燦院士以及上海高研院、中科院化學所等眾多機構都積累了很多階段性成果和寶貴的經驗,但是離產業化還有不小的距離,這方面的創新是化學家和科技工作者需要聚焦的新命題。

      以二氧化碳為原料合成甲醇,進而制烯烴、有機化學品、油品等,去年看到美國的Twelve公司利用一種金屬催化劑已經實現了二氧化碳和水制得聚丙烯,其聚丙烯的功效和性能與石腦油聚丙烯一樣,已與奔馳合作生產出世界上第一個以二氧化碳為原料的汽車零件,并且已于汽車、家居、服裝等多個品牌以及寶潔和美國航空航天局達成合作。二氧化碳為原料人工合成淀粉已在中科院天津工業生物所實驗室實現。二氧化碳合成汽油中科院大連化物所已取得突破,首套千噸級中試裝置已順利生產出符合國六標準汽油。二氧化碳與環氧乙烷制碳酸二甲酯奧克化學與張鎖江院士合作已取得階段性工業化成果。巴斯夫開展的二氧化碳與甲烷干重整制合成氣也取得階段性成果,同時正在研發二氧化碳與乙烯為原料合成丙烯酸,進而生產高吸水性樹脂用于嬰兒和老年用品。二氧化碳資源化利用綠色化學的突破正在穩步取得進展和突破,再過15年左右必將為碳中和作出重要貢獻。

      至此,這波疫情期間、靜下來梳理的石化百年史是一部創新史石化百年史是一部艱苦創業史“以史為鑒,開創未來”三篇連載,告一段落。這算是疫情帶給本人的意外收獲,也希望帶給石化同仁和朋友們某些回憶和啟發,對石化行業的創新發展不可能帶來微許漣漪,就算是一點點“水漂”也值得欣慰,讓我們共同攜手:承繼傳統,以史為鑒,開創未來。

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