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“雙碳”目標(biāo)下，能源加速低碳轉(zhuǎn)型，綠色成為高質(zhì)量發(fā)展鮮明底色。未來(lái)，化石能源逐步減少能源用途，轉(zhuǎn)向材料舞臺(tái)。在更綠色的未來(lái)，如果石油化工逐漸不以石油為原材料，會(huì)以什么為原材料？其前景如何？在中國(guó)石化近日主辦的“功勛不朽、薪火永傳”弘揚(yáng)閔恩澤科學(xué)家精神學(xué)術(shù)論壇上，諸多院士專家對(duì)此進(jìn)行了探討，本版整理刊發(fā)部分觀點(diǎn)，敬請(qǐng)關(guān)注。

本版文字由 本報(bào)記者 程 強(qiáng) 整理

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據(jù)國(guó)際可再生能源署預(yù)測(cè)，到2050年，包括生物質(zhì)、甲醇在內(nèi)的含碳能源依然是人類的主要能源。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石化總工程師謝在庫(kù)說(shuō)，生物質(zhì)原料經(jīng)生物煉制可以得到生物基材料和化合物，包括生物基聚酯、生物基橡膠、生物基聚酰胺、生物基復(fù)合材料等，使人類從不可再生的“碳?xì)浠衔铩睍r(shí)代走向可再生的“碳水化合物”時(shí)代。如纖維素兩步法制對(duì)二甲苯，集成度高、流程簡(jiǎn)潔、中間產(chǎn)物易于分離、能耗低，目前國(guó)內(nèi)百噸級(jí)生物基PX（對(duì)二甲苯）示范線已在建設(shè)中。

最近一段時(shí)間，新能源的熱點(diǎn)是綠色甲醇。綠色甲醇由生物質(zhì)氣化或二氧化碳與綠氫反應(yīng)制得，能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳零排放。生物質(zhì)氣化或生物質(zhì)熱裂解合成綠色甲醇是其中一條路線，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性直接關(guān)系綠色甲醇的未來(lái)。

中國(guó)工程院院士、美國(guó)國(guó)家工程院外籍院士曹湘洪說(shuō)，生物質(zhì)是自然界唯一的可再生的主要含碳?xì)湓氐奈镔|(zhì)，將分子結(jié)構(gòu)中另一種主要元素氧去掉后，它的碳?xì)湓乇群褪头浅＝咏Ｌ妓衔锖吞細(xì)浠衔镌闲誀畈煌?，造成轉(zhuǎn)化技術(shù)不同。一旦原料變成分子結(jié)構(gòu)相同的基礎(chǔ)化學(xué)品，比如一氧化碳和氫氣、乙醇、甲醇，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成生物基運(yùn)輸燃料、合成材料單體及聚合物，技術(shù)是完全可以通用的。

生物制造，就是以生物質(zhì)為原料，在微生物、酶或化學(xué)催化作用下進(jìn)行碳?xì)浠瘜W(xué)品合成，或進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成合成材料的過(guò)程，也可稱為生物煉制。早在2006年2月，82歲的閔恩澤院士就在《化學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了《利用可再生農(nóng)林生物質(zhì)資源的煉油廠——推動(dòng)化學(xué)工業(yè)邁入“碳水化合物”新時(shí)代》一文，明確提出面向未來(lái)要發(fā)展利用生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料的煉油廠，展現(xiàn)出科學(xué)大師高瞻遠(yuǎn)矚的戰(zhàn)略眼光。

利用農(nóng)林廢棄物、有機(jī)垃圾等生物質(zhì)，通過(guò)生物制造可以生產(chǎn)出各種生物基運(yùn)輸燃料、基礎(chǔ)化學(xué)品、精細(xì)化學(xué)品和高分子材料，品種之多，令人炫目。比如，以農(nóng)作物秸稈為原料，通過(guò)氣化、生物質(zhì)糖、快速催化熱解等途徑，可以得到甲醇、乙醇、乙二醇、對(duì)二甲苯等，繼而得到聚丙烯、聚乙烯、丁二烯橡膠、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。研究報(bào)告《生物基材料單體及聚合：2020-2025年全球產(chǎn)能及趨勢(shì)》指出，基于生物基原料生物制造的單體及合成材料基本覆蓋了目前市場(chǎng)上的石油基通用高分子材料。

中國(guó)科學(xué)院院士何鳴元說(shuō)，生物質(zhì)是地球最豐富的含碳的可再生能源，但以生物質(zhì)為能源化工原料，從低能量密度向高能量密度轉(zhuǎn)變是熵值降低的過(guò)程，需要輸入能量、衡算得失。同時(shí)，生物質(zhì)生長(zhǎng)速度慢，美國(guó)在多年前就發(fā)展微藻，認(rèn)為微藻可以憑借最大的能量密度來(lái)生產(chǎn)，而且可以養(yǎng)殖，不需要占用耕地，即使這樣，微藻計(jì)劃到現(xiàn)在也不是很成功，所以生物質(zhì)真正成為能源化工大規(guī)模穩(wěn)定的原料供應(yīng)，還存在很大問(wèn)題。對(duì)于能源化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，將來(lái)不依靠石油，需要重構(gòu)供給鏈和價(jià)值鏈，合理的良性的價(jià)值鏈意味著每走一步都需要價(jià)值是正的，這樣才能維系運(yùn)行。

從生物油來(lái)看，最方便的辦法是生物制油，當(dāng)前最現(xiàn)實(shí)可行的就是從分散到集中，這樣對(duì)熵變過(guò)程比較有利，先在分散的小范圍內(nèi)把生物質(zhì)變成油，再集中運(yùn)輸?shù)綗捰突せ?，這樣所需要的能量最低也最合理。礦物油與生物油共煉，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始實(shí)踐。對(duì)于上游來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)液化是合理途徑，液態(tài)是化工行業(yè)規(guī)?；庸さ睦硐胛飸B(tài)，其中熱解是關(guān)鍵步驟。煉廠引入生物質(zhì)途徑最簡(jiǎn)單的就是催化裂化和加氫。

石化工業(yè)如何轉(zhuǎn)型發(fā)展生物制造

曹湘洪指出，面向未來(lái)，煉油化工行業(yè)發(fā)展生物制造，是綠色低碳的重要轉(zhuǎn)型方向，也是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重大舉措。

據(jù)估算，我國(guó)每年可作為能源利用的生物質(zhì)資源總量約4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。曹湘洪認(rèn)為，多年來(lái)生物制造在煉化行業(yè)沒(méi)有發(fā)展起來(lái)，主要是原料供應(yīng)鏈的問(wèn)題。生物質(zhì)的產(chǎn)出有季節(jié)性，與生物制造的連續(xù)性很難匹配，而且生物質(zhì)的能量密度較低、運(yùn)輸成本高、集中儲(chǔ)存風(fēng)險(xiǎn)大。

他建議從四個(gè)方面入手解決原料供應(yīng)鏈問(wèn)題。一是突破規(guī)模經(jīng)濟(jì)的概念約束，建立從原料到產(chǎn)品的分散與集中相結(jié)合的生物制造產(chǎn)業(yè)模式，按縣域因地制宜多點(diǎn)建設(shè)收集加工和儲(chǔ)存原料的加工廠、集中點(diǎn)上原料建設(shè)1~2個(gè)初級(jí)產(chǎn)品工廠、突破縣域集中初級(jí)產(chǎn)品建設(shè)終端產(chǎn)品工廠的產(chǎn)業(yè)鏈。二是尋求地方政府和林場(chǎng)支持，推動(dòng)工農(nóng)工林互惠合作。三是按市場(chǎng)規(guī)律對(duì)原料加工廠提供的產(chǎn)品按季節(jié)、質(zhì)量定價(jià)收購(gòu)。四是把原料收集加工廠和儲(chǔ)存基地作為支持鄉(xiāng)村振興的項(xiàng)目，建立生物制造有盈利、農(nóng)村農(nóng)民林業(yè)工人能增收、生物制造與農(nóng)村林場(chǎng)共同發(fā)展的新機(jī)制。

生物制造的產(chǎn)品和技術(shù)路線具有多樣性，如何選擇？曹湘洪認(rèn)為，產(chǎn)品選擇的原則是碳減排最大化、容易市場(chǎng)化。建議煉化行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展生物制造的重點(diǎn)產(chǎn)品為以生物航煤為主的可持續(xù)燃料、以生物基聚烯烴為主的可持續(xù)合成材料。生物基乙醇是可持續(xù)燃料，還可以用來(lái)生產(chǎn)生物基聚烯烴，因此煉化企業(yè)發(fā)展生物煉制，應(yīng)把乙醇作為重要的基礎(chǔ)化學(xué)品。

技術(shù)路線選擇的原則是過(guò)程碳排放最小化、原料性狀與轉(zhuǎn)化技術(shù)匹配最佳化、初級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)程安全性好、公用工程及“三廢”處理易配套。建議以農(nóng)作物秸稈與林業(yè)廢棄物為原料的生物制造，第一選擇是氣化路徑，第二選擇是糖平臺(tái)路徑；以畜禽糞便、城鎮(zhèn)廚余垃圾為原料的生物制造，選擇厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣路徑，沼氣脫水后變成生物甲烷，相當(dāng)于一口口氣井，可以用管道輸送，集中后催化轉(zhuǎn)化成合成氣，既可以選擇厭氧發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，也可以選擇費(fèi)托合成制油，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成為可持續(xù)生物航煤。

我國(guó)發(fā)展生物制造缺少全產(chǎn)業(yè)鏈成熟技術(shù)支持的問(wèn)題比較突出。曹湘洪建議，石油化工行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展生物制造，現(xiàn)階段要重點(diǎn)突破的技術(shù)是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成基礎(chǔ)化學(xué)品技術(shù)?？梢栽谏镏圃熘袘?yīng)用的石油基化學(xué)品及合成材料技術(shù)，要根據(jù)生物制造的要求，進(jìn)行匹配性、適用性研究開(kāi)發(fā)。要及時(shí)將石油基化學(xué)品及材料研究開(kāi)發(fā)的新認(rèn)識(shí)、新思路、新技術(shù)融入生物制造技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。要盡快研究制定生物制造產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法，引導(dǎo)生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。要盡快研究提出已有煤氣化裝置摻煉生物質(zhì)、已有煉化裝置摻煉生物油后終端產(chǎn)品中綠色低碳產(chǎn)品產(chǎn)量的核定方法及產(chǎn)品碳足跡計(jì)算方法，申請(qǐng)國(guó)家有關(guān)部門(mén)批準(zhǔn)后，能按生物基產(chǎn)品或碳循環(huán)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

可持續(xù)航空燃料成熱點(diǎn)

何鳴元說(shuō)，可持續(xù)航空燃料（SAF）是將來(lái)最重要的以烴為原料生產(chǎn)的一種燃料。作為航空領(lǐng)域脫碳最有希望的燃料，SAF與其他燃料相比，其能量密度、體積密度都是最優(yōu)秀的，幾乎不可替代。

據(jù)了解，殼牌萊茵能源化工基地規(guī)劃到2030年改造完成，原料除了一部分油，還有廢塑料、生物質(zhì)，以及太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，通過(guò)不同原料和工藝生產(chǎn)可持續(xù)航空燃料、液化天然氣、生物燃料、氫氣，以及潤(rùn)滑油等傳統(tǒng)產(chǎn)品。

德國(guó)伍德公司也計(jì)劃配置PtX（綠電轉(zhuǎn)化為多種形式）與生物質(zhì)技術(shù)，構(gòu)建可持續(xù)燃料化工基地，將生物質(zhì)氣化得到合成氣，再與綠電綠氫結(jié)合，生產(chǎn)甲醇、化肥、航煤等能源化學(xué)品。

近期，碳捕獲和轉(zhuǎn)化生物技術(shù)公司LanzaJet宣布全球首個(gè)將乙醇轉(zhuǎn)化為可持續(xù)航空燃料的生產(chǎn)工廠開(kāi)業(yè)。該工廠位于美國(guó)佐治亞州，每年將利用低碳和經(jīng)認(rèn)證的乙醇生產(chǎn)1000萬(wàn)加侖符合美國(guó)和全球標(biāo)準(zhǔn)的可持續(xù)航空燃料和可再生柴油。

關(guān)于SAF的技術(shù)，當(dāng)前成熟技術(shù)是植物油直接加氫制SAF，生物質(zhì)氣化費(fèi)托合成制SAF和乙醇制SAF技術(shù)還需要5~10年，生物質(zhì)熱解加氫制SAF和綠電與二氧化碳制SAF則需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

中安聯(lián)合在煤氣化裝置開(kāi)展耦合生物質(zhì)能的SE—東方爐粉煤氣化工業(yè)試驗(yàn)（生物質(zhì)摻燒）。 趙天奇 攝

以廢塑料為原料的循環(huán)利用

何鳴元說(shuō)，廢塑料將來(lái)也是煉油化工企業(yè)一大原料來(lái)源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2050年，塑料生產(chǎn)60%的原料將來(lái)自循環(huán)。廢塑料可以物理循環(huán)利用，但要真正使廢塑料回到單體，必須通過(guò)熱加工化學(xué)循環(huán)利用。

烴的熱轉(zhuǎn)化和催化轉(zhuǎn)化之間存在競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)關(guān)系。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化有三條途徑：焚燒是完全氧化，會(huì)產(chǎn)生污染物；氣化是部分氧化，能效提高，污染物減少；熱解是非氧化，能進(jìn)一步提高能效、減少污染物，生成二氧化碳最少，可以較低成本獲取能源和化學(xué)品，更具發(fā)展前景。

熱解是將石油大分子轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿拥倪^(guò)程，從熱裂化、催化裂化到深度催化裂化再到催化熱解，熱轉(zhuǎn)化程度進(jìn)一步提高后，從而可以生產(chǎn)更多的烯烴。

熱解與催化熱解產(chǎn)物的比例、產(chǎn)物選擇性有很大的不同，熱解-化學(xué)循環(huán)將成為新一代塑料制烯烴技術(shù)，也可以用超臨界水解聚技術(shù)，使熱解過(guò)程更好地進(jìn)行。

可再生原料會(huì)改善蒸汽裂解目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性，引入可再生石腦油和可再生柴油后，乙烯與丙烯的比例比常規(guī)蒸汽裂解有很大幅度的提高。

謝在庫(kù)說(shuō)，廢塑料的回收利用方面，交叉烷烴復(fù)分解技術(shù)可以將高密度聚乙烯（HDPE）轉(zhuǎn)化為清潔柴油或高品質(zhì)蠟，氫解-芳構(gòu)化串聯(lián)催化技術(shù)可以將低密度聚乙烯（LDPE）直接轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)鏈烷基芳烴?？苫厥詹牧系母咧祷h(huán)利用很有必要，但最根本的還是源頭設(shè)計(jì)，采用產(chǎn)品全流程思維，開(kāi)發(fā)一些可以聚合的單體，生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的熱、光或催化處理后，又回歸到單體，即可實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。這是一個(gè)遠(yuǎn)大目標(biāo)。

二氧化碳的高值化利用

謝在庫(kù)說(shuō)，在CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)體系中，二氧化碳的利用很重要。目前已經(jīng)工業(yè)化的技術(shù)有二氧化碳制無(wú)機(jī)碳酸鹽、二氧化碳制碳酸氫銨和尿素、二氧化碳制一氧化碳、二氧化碳制水楊酸、二氧化碳制碳酸酯和聚碳酸酯等，正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)有二氧化碳兩步法加氫制甲醛、二氧化碳天然氣重整制合成氣等，正在探索的技術(shù)有光催化或生物催化法二氧化碳制化學(xué)品、電解法二氧化碳制甲酸甲醇等化學(xué)品。二氧化碳的生物利用方面，將一種梭菌進(jìn)行遺傳工程改造，改造后的工程細(xì)菌可將工業(yè)生產(chǎn)中的二氧化碳等廢氣轉(zhuǎn)化為丙酮和異丙醇，提供了“負(fù)碳排放”制備化學(xué)品的手段。

何鳴元說(shuō)，二氧化碳也可以與烴耦合制芳烴，因?yàn)槎趸紵o(wú)氫而石腦油富氫，通過(guò)調(diào)整原料氫碳比，可以提高芳烴收率，實(shí)現(xiàn)二氧化碳高值化利用，同時(shí)促進(jìn)石腦油制芳烴工業(yè)的低碳化發(fā)展。甲烷制氫也具有優(yōu)越性，通過(guò)等離子體分解為氫和碳，碳可以做成碳材料，也可以將甲烷氧化制甲醇。這些都是烴加工的發(fā)展方向。

打造數(shù)字化細(xì)胞工廠

中國(guó)工程院院士、北京化工大學(xué)校長(zhǎng)譚天偉說(shuō)，生物制造是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是將生物經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新產(chǎn)品推向商業(yè)規(guī)模的引擎，是一種新質(zhì)生產(chǎn)力。合成生物學(xué)是生物制造的關(guān)鍵支撐技術(shù)。生物制造可在很多工業(yè)部門(mén)發(fā)揮應(yīng)對(duì)氣候變化的潛力。從最初的醫(yī)藥、保健品，到未來(lái)的農(nóng)業(yè)、食品，還有化學(xué)品和新材料，都可以用生物制造。

北京化工大學(xué)將生物制造與人工智能相結(jié)合，建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微生物代謝網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)、優(yōu)化算法和代謝網(wǎng)絡(luò)模型，打造了數(shù)字化細(xì)胞工廠。

如，氨基葡萄糖是一種保健食品，過(guò)去都是從蝦蟹殼中提取出來(lái)的，受原料資源所限價(jià)格比較貴。北京化工大學(xué)利用模型計(jì)算谷氨酸棒狀桿菌生物合成氨基葡萄糖的最佳途徑，并進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，使氨基葡萄糖的產(chǎn)量最高達(dá)到138.9克/升，對(duì)葡萄糖的得率達(dá)到0.44克/克，也就是說(shuō)，1克葡萄糖能得到0.44克氨基葡萄糖，成本可以大幅下降。

再比如，杜邦公司首先工業(yè)化生產(chǎn)1,3-丙二醇，從葡萄糖到甘油再到1,3-丙二醇，專利已經(jīng)全部申請(qǐng)，這十幾年之內(nèi)都沒(méi)有取得突破，它的好處就是得率很高，每克葡萄糖理論上可以得到0.59克1,3-丙二醇，但最大的問(wèn)題是要添加維生素B12，成本很高。數(shù)字化細(xì)胞工廠設(shè)計(jì)出一條新途徑，每克葡萄糖理論得率也達(dá)到0.59克1,3-丙二醇，但不需要添加維生素B12，通過(guò)培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件優(yōu)化，現(xiàn)在1,3-丙二醇產(chǎn)量初步達(dá)到11.21克/升。