化学工业是工业革命的产物,又是工业革命的加速器。纵观世界化工发展史,一是从时间轴看,在开启第二次工业革命之前,化学一直在为认识和寻找元素而探索,即使有少量产品,世界化工产品库里也主要是以无机化工产品构成。
伴随着第二次工业革命的大幕开启,世界化工史翻开了崭新的一页,即在1856年实验过程中意外获得了乙烯、丙烯、乙炔,有了这三种基础的烯烃和炔烃,合成化学开始起步,有机化学品闪亮登场,化工产品库开始丰富起来了。后来1863年的拜耳公司和1865年的巴登苯胺(巴斯夫的前身),分别以煤焦油为原料开始生产苯胺染料。再到1871年门捷列夫发表修订后的元素周期表,虽然当时能够确定的元素还不多、原子量也不准确,但化学元素规律研究的大门开启,化学探索及研究进一步加快。当时间来到20世纪,1913年哈伯-博世合成氨在巴斯夫实现了工业化生产,同年费歇尔将煤粉在高压下加氢制得汽油的专利也在德国问世。到了20世纪30年代,高分子聚合物如酚醛树脂、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和合成橡胶已有了一定的工业生产基础,聚甲醛、氨基树脂、丙烯酸树脂也都已经被合成和开发出来。1935年杜邦的尼龙66诞生,并于第二年开始尝试做丝袜,合成纤维诞生。当时代列车行驶到“二战”结束以后,世界石油化工、天然气化工的大发展,叠加第三次工业革命的信息化与智能化,世界化学工业和石油化工产业快速实现大型化和现代化,世界化工产品库的产品日益增多、更加丰富。这就是世界化学工业几乎与第二次工业革命同步,驶入了快速发展的快车道,并相互推动、相互作用,为人类社会创造了大量的、丰富多彩的物质产品,满足了人口的大量增加、社会的不断进步和人类健康美好生活的持续提升。
二是从创新轴看,回顾世界化工史,让我们更加深刻地认识到：创新是人类社会进步的不竭动力。当然,创新离不开优秀的带头人和创新团队,没有拉瓦锡通过“燃烧实验”启动“化学革命”,近代化学就不会起步；要是没有门捷列夫的元素周期表,化学家们即使花费更长时间,可能也很难研究清楚化学元素与原子量、原子价的关系以及排列和化学变化的规律；要不是哈伯通过实验发现在催化剂作用下,通过增加压力和降低温度、以氮气和氢气为原料实现了氨的合成,又与巴斯夫当时的工程师博世实现了产业化,化肥工业以及农业的大发展难如愿；要不是居里夫妇发现了人工放射能和爱因斯坦说服罗斯福总统下决心启动由奥本海默领导的“曼哈顿计划”,也许原子弹和人工利用核能就难成为现实；要不是齐格勒-纳塔催化剂的发现与应用,低压聚乙烯和高聚合度聚丙烯就难以实现,就很难奠定高分子工业的基础和实现高分子材料工业的快速发展和大型化。
中国化学工业和石化产业也是一样,如果没有侯德榜博士的“侯氏制碱法”开启中国民族化学工业的创新,我国的纯碱工业和新中国的氮肥工业就难以起步并满足急需；如果没有闵恩泽、侯祥麟等老一辈石油化工前辈们的创新与拼搏,石油化工领域的“五朵金花”可能就不会诞生,我们石油化工领域的很多关键催化剂、助剂等有可能今天还要受制于人。
篇幅所限,不能一一列举,从诺贝尔化学奖设立122年来的获奖者,以及中国化工学会“中国化工 百年百人”榜单,足可以证明石化产业今天的进步和成就,是无数创新探索者、无数企业家和众多石化人的智慧、汗水甚至是牺牲推动的。进入20世纪以后,诺贝尔奖对化学和化学工业的创新与发展发挥了重要影响,诺贝尔是瑞典化学家,也是一名工程师和实业家。他于1866年获得炸药的专利,很快又发明了无烟炸药,因此获得了巨额财富。后来因发明的炸药被用于战争,他对此感到遗憾,立遗嘱捐献资产(当时3200万瑞典克朗)作为基金,设立了化学、物理学、生理学或医学、和平和文学5个领域的诺贝尔奖,其中物理学、生理学或医学都与化学密切相关,这都大大激发了人们创新的热情。
推动化工石化创新发展的另一个重要因素是企业,熟悉世界化工发展史的人都认识到：要是没有杜邦、拜耳、巴斯夫、赫斯特、德固赛、汽巴、嘉吉、帝国化学、索尔维、孟山都、帝斯曼以及标准石油、壳牌、BP等一批企业,一直作为创新的主体、成果转化的主体,而不断推动着化工石化产业的创新与发展,今天的世界恐怕也难以如此的发达和文明。
三是横向对比看,以史为鉴,既要纵向看、还要横向看。纵向看是为了总结经验、汲取教训,以利今天的我们少走弯路,以更多的精力开创未来；横向看既为了相互借鉴、相互促进,更为了在对比中看到差距、补齐短板,以利未来做强做优。与世界石化产业、尤其是与发达国家石化工业相比,今天中国的石化产业是总量大、体系全、结构重、高端少,创新能力和国际竞争能力都有待加强。
总量大,多年来我国石化行业规上企业实现营业收入都在10万亿元以上(去年14.45万亿元),占工业经济总量的12%左右,去年石化规上企业实现利润总额1.16万亿元,约占工业总利润的14%,在国内不仅是名副其实的重要支柱产业,而且为经济稳增长、保就业以及为农业丰产丰收和战略新兴产业发展都作出了重要贡献；在国际上中国已连续12年列世界第二石化大国和世界第一化工大国,据欧洲化工理事会统计中国化工产值占世界总量的40.6%,远高于欧美日之总和,可见数量大的基础和平台是扎实的。
体系全,是指我国石化产业经过70多年来、尤其是改革开放以来的创新与发展,已形成完整的、成熟的从石油天然气开采到炼油、基础化工产品、精细化工产品以及化工新材料等的全产业链,其中油气勘探开采技术、炼油和基本化学品生产技术、现代煤化工技术等领域的整体技术水平都居世界先进水平之列,甚至这些领域的新技术、设备制造、主体催化剂等的研发以及自主设计、自主制造和自主配套能力均居世界先进之列,这种总体可控、完整的、成套的体系是自立自强的重要基础。
结构重,是我国石化产业结构不合理的短板体现,也是我国石化产业与发达国家相比的特殊性体现。
一个表现是我国石化产业的产品结构重。产品以大宗基础化学品为主,纯碱、烧碱、电石、焦炭、合成氨、尿素以及聚氯乙烯等通用合成材料和有机硅单体等多种以化石资源为原料、物耗高、排放高的大宗基础产品都是世界产能产量第一位。
另一个表现是我国石化产业的原料结构重。世界化学工业从起步一直到上世纪六七十年代,都是以煤化工、盐化工为主体,“二战”结束以后发达国家加快原料结构调整、加快向石油化工的转型。到上世纪80年代末,发达国家基本完成以石油和天然气为原料的石油化工为主的转型。而我国因工业化和现代化起步较晚,又加上“富煤贫油少气”的资源禀赋,我国目前石化产业的原料结构仍然是煤油气盐并重的局面。最具代表性的是合成氨和甲醇,发达国家都是以天然气为主,而我国今天仍有约80%的合成氨和甲醇都是以煤为原料。另一个代表性的产品是聚氯乙烯,发达国家伴随石油化工的发展都已转型为以乙烯为原料的氧氯化工艺,而我国约80%的聚氯乙烯仍是以电石为原料的乙炔化工。还有1,4-丁二醇,发达国家大多以C?为原料的石油路线,而我国也是以电石为原料的炔醛法(Reppe工艺)为主。类似的还有甲醛、醋酸、聚乙烯醇等产品,在发达国家都是天然气为起始原料,而我国生产这些产品的起始原料也是以煤为主。因资源禀赋造成的这种产品链结构和原料结构,自然也就带来了我国石化产业的能耗和碳排放量远高于发达国家的水平,在适应未来的低碳和碳达峰碳中和过程中,也就面临着更为严峻的挑战。
高端少,主要是指我国石化产业产品结构“低端过剩、高端短缺”的结构性矛盾仍然十分突出。我国20多种大宗基础化工产品产能产量多年高居世界榜首,而专用化学品和功能化学品、化工新材料及其高端复合材料、高性能纤维、高端膜材料等多年来一直依赖进口,就连高端聚烯烃及其专用料的大量市场需求也是靠进口。“十三五”以来我国石化产业多年的贸易逆差都高于2500亿美元,2021年2689.9亿美元。所以,高端、精细、专用化学品和高性能材料及其复合材料少,难以满足我国高端制造业、战略新兴产业以及航空航天、国防军工等需求的矛盾还是明显的。创新能力和国际竞争力的相关内容,在此不再赘述。
鉴古知今,做好当下
今日之中国石化产业,自2010年高居世界石化产业第二和世界化工产业之首,欧洲化工理事会和多家跨国公司预测：2030年中国之化工占比将占半壁江山。所以,国际化工协会联合会(ICCA)以及美欧日韩等石化与化工组织及众多跨国公司,都十分关注中国石化产业的发展以及中国石化产业界的方向、重点及声音。
但我们必须清醒地认识到,我们只是石化大国、还不是强国,我们的规模和数量有着一定的优势,但我们的产业结构和产品结构有差距,创新能力和创新水平差距明显,国际竞争力和国际经营水平差距更大。认识到差距并正视差距,才能奋起直追、缩小差距,了解世界化工和石化产业的历史和发展史,才能更好地汲取先工业化过程所走的弯路和教训、借鉴发达国家工业化和现代化的经验,尤其是学习借鉴发达国家和跨国公司自上世纪90年代以来产业升级和战略转型的成功经验。立足今天石化大国的现状和基础,坚定地推进石化大国向石化强国迈进。
一是结构优化转型升级是当下的重点。“十三五”以来,石化全行业贯彻国务院办公厅发[2016] 57号文《关于石化产业调结构促转型增效益的指导意见》,调结构、促转型都取得了明显成效。但当前石化产业结构偏重和“低端过剩、高端短缺”的矛盾,仍需要我们加快结构调整和产业优化升级,实际上很多跨国公司已经为我们提供了有益的借鉴。
杜邦成立220年来,第一个百年是一家火药公司,之后通过不断依靠创新、加快战略转型,在第二个百年实现了由火药帝国向材料公司的转变,并成为聚酯、尼龙、聚甲醛、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲醇酯(PCT)、液晶聚合物等合成材料和工程塑料的领导者,进入第三个百年的时候,杜邦又宣布将加快向生命科学公司转型。但2018年与陶氏合并、并于2019年6月1日再拆分出新杜邦的这次转型,我始终认为值得商榷,因为不完全是杜邦的自主所为,究竟有多少被动和无奈也许历史会做出验证。
另两个大家熟悉的跨国公司是帝斯曼和索尔维。帝斯曼120年前成立时是一家煤炭公司,从煤和煤化工起家,逐渐发展焦炉煤气、化肥、橡胶塑料、精细化学品和高性能材料,去年又重组出去高性能材料业务,今天已转型为营养化学品、医药和专用化学品的先导性公司。索尔维因1861年创新成功“索尔维制碱法”比原来的吕布兰制碱法原料易得、污染少、燃料消耗也少而更具竞争力起家,在侯德榜《纯碱制造》公布之前、70多年靠技术封锁垄断世界市场,但索尔维今天的主导产业已完全转型为化工新材料和功能化学品,其血液透析材料、液晶显示材料、信息用化学品等具有很强的全球竞争力。
日本化工界的转型也值得我们关注,2016年我带队访问经产省、日本化工协会、石化协会及部分企业时了解到,日本本土的石脑油裂解装置已关掉3套,其关闭总产能约85万吨/年,原因是中韩石化产业快速发展和海湾地区轻烃制烯烃的成本优势带来的压力。继今年3月三井化学宣布退出精对苯二甲酸(PTA)业务之后,4月住友化学又宣布将退出己内酰胺和乙丙橡胶业务,日本化工企业的这种转型值得我们思考。鉴于我国成品油过剩、新能源车快速推进、化工新材料和精细化学品短缺的状况,我们的石化企业应当加快推进“减油增化”的产品结构调整进程,在成品油的产出比例上也要尽量调低柴汽比。原来已建成的具有经济规模的千万吨级及其以上的炼油装置,也要科学论证、科学设计并延伸产业链和产品链,充分利用好已有的产品基础以增产烯烃及其高端聚合物和精细化学品为目标,做好产业链延伸和产品结构升级优化。无机及精细化学品企业,要在精细化、差异化、功能化上下功夫。
二是绿色低碳转型是当下的紧迫任务。绿色低碳转型是为应对全球气候变暖,各个国家、各行各业共同的行动,虽然目前的俄乌冲突造成的能源供应、尤其是天然气供应紧张,绿色低碳遇到了新的挑战。但是,如果气温升高主要是人为大量排放温室气体造成的成为共识的话(已成为多数国家、多数人的共识),为保护人类唯一的地球家园而持续加大绿色低碳转型力度、向着碳中和目标共同持续努力的大趋势就不会改变。
石化产业是国民经济的重要支柱产业,目前也是以石油、天然气、煤炭等化石资源为原料的产业,在生产石化产品的过程必然伴随二氧化碳的发生,其排放量居工业领域前列,因此石化产业的绿色低碳转型比其他行业更为紧迫。
“十四五”期间,石化行业及其重点领域、重点产品、重点企业实施绿色低碳转型的要求、目标和措施、路径都已明确。《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、国务院《2030年前碳达峰行动方案》以及国家发改委、工信部等部委印发的《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021年版)》《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)》以及《关于“十四五”推动石化化工行业高质量发展的指导意见》《石化化工行业碳达峰碳中和行动方案》等,无论是对碳达峰碳中和的战略部署、战略目标和总体要求,还是对石化化工行业的炼油、乙烯、对二甲苯、合成氨、烧碱、纯碱、焦化等重点子行业和重点产品,都提出了具体的要求、目标和采用新技术、新工艺、新设备等路径选择。不仅有指标的要求,还有规模的要求,几乎对每一个重点产品都再次明确“对能效水平在基准值以下,且无法通过节能改造达到基准值以上的生产装置”,对炼油产能是“按照等量或减量置换的要求,通过上优汰劣、上大压小等方式加快退出”；对于其他重点石化产品则一律强调“无法通过节能改造达到基准值以上的,加快淘汰退出”。建议我们的重点石化企业一定要高度重视、认真研究,加快重点企业和重点产品的绿色低碳转型。
三是关键核心技术的产业化是重点。新世纪以来、尤其是“十三五”以来,石化领域国内外创新不断,新的重大成套技术、关键核心技术以及新工艺、新设备、核心催化剂相继取得突破,并成功实现产业化,国内外石化产业的整体技术水平又有大的提升和新的跨越。
最具有代表性、也是近10年来产业化、大型化发展最快的要数“烯烃原料轻质化”和“原油直接制化学品”。最具代表性的国家或区域要数北美和海湾地区,北美以美国为代表近10年来乙烯增量明显高于以往,而新增乙烯主要采用乙烷裂解工艺；海湾地区以沙特为代表,新增烯烃主要以凝析液的轻烃组分为原料。
2019年3月,我曾带队访问陶氏并参观了陶氏在休斯敦刚刚建成投产的乙烷裂解制乙烯装置,当时陪同人员对我们讲“这是世界上规模最大的、已投产的乙烷裂解装置”,并告诉我们相邻的一套装置是巴西石化刚投产不久的“丙烷脱氢制丙烯装置”。大家对SABIC的历史和成立背景并不陌生：SABIC成立的主要目的就是为了更好地利用石油伴生气资源生产烯烃、有机化学品和聚合物。美国是因为页岩气革命成功乙烷和天然气资源丰富,海湾是石油伴生气中轻烃资源丰富,关键是以轻烃为原料(乙烷裂解制乙烯、丙烷脱氢制丙烯)制取烯烃,其工艺流程短、投资省、产品纯度高,与石脑油裂解或其他途径所获得烯烃相比、其生产成本最低。
我国“十三五”以来依靠进口液化丙烷(或混合轻烃)已建成投产20套丙烷脱氢制丙烯装置,已投产4套乙烷裂解制乙烯装置(中石油2套依靠自产乙烷,另2套卫星石化靠进口乙烷、新浦化学是进口混合轻烃),目前国内轻烃制乙烯占比还很低,而丙烷脱氢制丙烯约占到我国丙烯总产能的20%左右。下一步在科学论证轻烃来源和供应链安全以及经济竞争力的前提下,还可以慎重决策以轻烃为原料的烯烃装置建设。
“原油直接制化学品”是“十三五”以来国内谈论最多的新工艺。2019年3月,我带队访问和考察了埃克森美孚在新加坡裕廊岛的全球唯一的一套100万吨/年乙烯工业化装置,其化学品的产出率高达50%~70%,乙烯的成本比石脑油裂解低约100美元/吨。后来与沙特阿美交流中了解到,沙特阿美和SABIC、清华大学合作,也已经掌握了原油直接制化学品的技术,筹划和拟建工业化装置。2021年,中石化石科院、北京化工研究院都相继宣布开发成功原油直接制化学品的技术。中海油吴青总工告诉我：中海油在惠州大亚湾也经工业性试验验证了自己的原油直接制化学品的新工艺,运行结果表明原料进料、烯烃产出率都更有竞争力。
实际上,在国内成品油过剩的现状面前,很多企业和企业家都已认识到“少油多化”转型的现实重要性,“十三五”新投产的恒力石化、浙石化的炼化一体化装置,通过全加氢工艺、应用新技术和新催化剂,其烯烃和化学品产出率都比以前的传统装置高许多。即将投产的中石化镇海乙烯工程、古雷一体化项目、洋浦烯烃装置以及中石油大南海一体化装置等,都在采用新技术、新工艺实现“减油增化”和降低柴汽比方面做了大量工作。还有离子液体烷基化、双氧水氧化、微通道反应器以及己二腈等技术的推广应用也有着良好的空间。
四是生物基化学品和生物可降解材料是近些年的热点。生物基化学品和生物可降解材料一直是全球研发的重点,在“双碳”战略驱动下,生物基可再生资源制化学品和可降解材料又迎来了新的发展机遇。
据经济合作与发展组织(OECD)预测,未来10年至少有20%以上的石化产品可由生物基产品替代,欧盟《工业生物技术远景规划》也预测：2030年生物基原料将替代6%~12%的化工原料、30%~60%的精细化学品将由生物基获得。大家熟悉的是生物基乙醇,美国以转基因玉米和巴西以甘蔗为原料是技术和经济上都成熟的一个代表,以生物基乙醇为原料经脱水反应可获得乙烯(上世纪80年代,北京化工研究院已开发成功工业化技术),由此只要经济上过关、可以制得一系列有机化学品及聚合物。
目前可工业化的生物基可降解材料有聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚甲基乙撑碳酸酯(PPC)等,其他的生物基材料还有聚酰胺(尼龙11、尼龙1010、尼龙56等)以及可降解的聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚乙醇酸(PGA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等。
这次北京冬奥会一次性餐具用的就是丰原集团提供的聚乳酸,目前PBAT、PBS、PGA等可降解塑料种类拟建规模都很大。三菱化学用异山梨醇代替双酚A开发成功的生物基聚碳,其透明性、光学性能、高耐磨性及抗冲击性能都优于双酚A型聚碳酸酯,已做成汽车全景天窗,未来不仅用于汽车、能源,还将用于光学、电子仪器、装饰装修等。与帝斯曼、阿科玛、赢创等公司交流中也了解到他们研发的生物基丁二酸以及生物基长碳链尼龙等。多年来一直被杜邦垄断、比化学法更具竞争力的生物基产品是1,3-丙二醇,制备1,3-丙二醇的化学法有丙烯醛水合氢化法和环氧乙烷羰基化法,都因设备投资高、过程污染重、成本高而退出。1,3-丙二醇的生物法分葡萄糖为原料生物发酵和甘油为原料生物发酵工艺,杜邦的葡萄糖发酵工艺质量好、成本低而长期垄断国际市场。国内的甘油发酵工艺因原料转化率低、产品高端用途受限而竞争力差些。因此,国内生产新型聚酯纤维PTT所需的1,3-丙二醇部分可国内供应,而化妆品、医药等高端领域基本被杜邦垄断。我们曾组织国家科技攻关的聚丙烯酰胺也是分化学法和生物法,作为三次采油用化学品和造纸用、水处理用等多用途的聚丙烯酰胺,与1,3-丙二醇一样也是生物法比化学法更具竞争力。
今天主要谈谈生物可降解材料,这是自国家颁布“禁(限)塑令”以来十分火爆的一个领域。生物可降解材料的确可以在一次性购物(包装)袋、地膜、快递、医用等领域替代原来的不可降解塑料,但因使用和加工性能所限、不可能在所有的塑料应用场景全部替代原来的不可降解塑料。这几年生物可降解材料的火爆也是全球为解决塑料污染问题而更加重视,我们还应客观地评价塑料诞生百年来为人类社会和文明进步所作出的重要贡献,尤其是在代钢代木、节能减排等方面发挥的重要作用。
塑料污染、塑料的海洋污染是由于使用不当、加上随意丢弃造成的,解决塑料污染问题、保护生态环境和海洋,不可能依靠可降解材料全部代替不可降解材料这单一路径来实现。不可降解材料的合理回收和科学循环再利用是解决塑料污染的重要途径之一。
循环利用又分物理循环和化学法循环,不可降解材料的物理梯级循环利用是目前相对实用的路径,而化学法循环再利用是实现不可降解材料高值循环利用的重要方法,也是化学反应技术发挥重要而不可替代作用的领域之一,更是化学家和化学工程师们面临的重要课题。化学法循环再利用不是什么新课题,伴随着高分子化学的发展和聚合物的日益增多,化学家已经注意到高分子材料难降解的问题,并开始研究如何化解未来的塑料污染问题。
有些人不了解化学的反应过程、也不了解化学家的能耐,化学反应大多都是可逆的：能合成就能分解、能聚合就能解聚。化学家的能耐就是：自己聚合反应得到的高分子聚合物、就一定能够通过解聚(或裂解)反应使之分解。有的人觉得神奇,实际上这是化学反应的基本原理,技术上没有障碍,只是成本和代价问题,即经济性能否过关?熟悉化工历史和发展过程的人可能记得：杜邦上世纪90年代就开始研发废物减量化,那时杜邦就已经认识到“废弃物是未充分利用的资源”,自杜邦公司不断创新新聚合物、引领高分子材料高歌猛进的时候,杜邦就已经开始投入大量人力物力开发废塑料的回收利用技术。已经开发成功的“甲醇分解技术”将废聚酯(PET)饮料瓶分解成对苯二甲酸二甲酯和乙二醇单体,然后重新合成新的PET；1991年杜邦就回收利用了12.7万吨工艺废料。上世纪末和本世纪初,杜邦共运营着11个塑料再生利用装置,每年加工废塑料量为45.4万吨。今天的巴斯夫也在研发热裂解工艺,把废塑料热裂解为合成气或油品,用这种原料在路德维希港一体化基地再生产各种化学品或聚合物,品质达到食品级。那有人会问“为什么没有推广开呢？”前面讲了“技术不成问题,关键是运营成本和回收后的塑料、价格是高于还是低于新塑料的价格?即经济竞争力问题”。
目前废弃塑料的污染在持续恶化,尤其是对海洋生态造成的恶化更加严重,所以联合国环境规划署、世界塑料理事会以及“终止塑料废弃物联盟”等国际组织,还有巴斯夫、科思创、亨斯迈、埃克森美孚、壳牌、中石化、石科院、金发科技、瞿金平院士、陈学庚院士等众多企业和科学家、企业家,都开启了创新废弃塑料回收与循环利用的新篇章。今天看起来日益严峻的塑料污染问题终会被解决的,可仅有成熟的技术是不够的,还需要政策的推动与支持、经济竞争力以及人们的共识和全球的行动。
以史为鉴,开创未来
时代的列车已驶入21世纪20年代,世界石化产业已成为一个成熟而重要的产业,石化产品与合成材料涉及经济、社会以及人类生活的方方面面,这都对石化产业的创新发展提出了更高的要求。去年结合建党百年学习党史,我们不断深化行业史的学习,学史明理、学史思辨,关键是以史为鉴、开创未来,中国经济正行进在高质量发展的新阶段,我国石化产业也正处于石化大国向强国跨越的关键期,如何以史为鉴、开创未来？世界化学工业和石化产业的发展史告诉我们：关键靠创新。
但今天是21世纪,化学、化工与石化的创新与过去的历史时期有着很多不同。
一是方法不同。以近代化学的鼻祖波义耳1654年通过真空实验发现气体的体积与压力成反比的“波义耳法则”和他1661年出版《怀疑的化学家》为标志,打开了人类探索化学的大门。100多年后,拉瓦锡的“燃烧实验”又为人们打开了化学实验的大门,化学领域的创新更加提速。但那时以及再以后的100多年,化学领域的很多创新都是偶然的。
如1856年一名18岁的学生想合成疟疾特效药奎宁,却意外获得了合成染料。这就是皇家化学院的帕金,他实验得到了一块褐色状物,不知为何物。他把其中一种原料苯甲胺换成了苯胺再试,得到的是黑色物,虽然当时不知这黑色物的化学结构,却发现这种黑色物可以把织物染成紫色,最早的合成染料“苯胺紫”诞生了,很快就诞生了拜耳和巴斯夫的前身--巴登苯胺等合成染料公司。
青霉素的发现也是偶然。伦敦圣玛丽医院的弗莱明1928年正在研究流感病毒,外出休假几天归来,发现葡萄球菌培养皿被霉污染了,并发现培养基里种的菌受到霉的抑制。弗莱明进一步研究这个霉属青霉菌,进而提取出有效成分命名为青霉素。进一步实验发现,青霉素能杀死很多病菌,但对动物和白细胞无害,全球知名的青霉素被意外发现。
门捷列夫发现元素周期表也很有意思。他一直想把已发现的化学元素进行分类和排序,但一直未能如愿,他就把已发现的元素写在纸片上,在坐火车的漫长旅途中把玩,并试图按原子量或原子价进行分类。当他按原子量的顺序一排出来,他便发现元素的性质确实有周期性,于是1871年他发表了元素周期表。虽然当时因原子量估算不准确有个别错位,也因已发现的元素不多、表上有不少空格,但随着研究的深入基本补齐了他当年的空格和预言,才有了今天我们看到的元素周期表。
这样的故事还有很多,在20世纪之前有不少新化学品和化合物是偶然或意外发现的。但今天不同了,今天人们的知识和手段可以设计实验流程,实验还没开始、每一步得到的化学品、甚至副产物都基本是明了的。
二是条件不同。以前、就算“二战”之前,我们的实验条件与今天相比可以说天壤之别,尤其是分析测试仪器,我们访问过UOP在芝加哥的创新总部、杜邦威明顿中央研究院、霍尼韦尔全球体验中心(华盛顿、休斯敦、上海)、华谊集团科创研究院以及陶氏、SABIC、赢创、科莱恩、科思创、亨斯迈、塞拉尼斯、空气产品等很多跨国公司的研发中心和国内很多的研究院。今天的核磁、电镜、激光仪、质谱、气液色谱等一应俱全,确定一个新物质的结构与过去相比很快、也很容易,再加上智能化和数字化控制系统,大大提高了创新效率、缩短了创新周期。所以,今天的创新条件、创新手段与以前大为改善。
三是难度不同。今天创新条件好了、手段高了,可创新难度却越来越大。如果以杜邦成立的1802年为出发点,纵观这200多年世界化工石化领域的众多产品,大都是在19世纪和20世纪的前半期发现和发明、合成的。20世纪下半期以来整体看石化产业的进步,主要在产品的大型化、现代化,在不断扩展使用新用途和新领域,即使有的产品谓之“新产品”大多是官能团的改变、支链的变化、使用性能的提升,尤其是无机化学品领域全新物质的发现就更是少之又少。合成材料产品也是一样,“五大通用塑料”“五大工程塑料”包括“五大特种工程塑料”几乎都是上世纪80年代以前合成的。
以比较新的合成材料为例：高压法聚乙烯是1933年发明的、低压法聚乙烯是1953年合成的,乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)1928 年首次低压法合成、1938年又发明了高压聚合的专利,聚碳酸酯工程塑料是1958年熔融酯交换工艺诞生,聚甲醛是1955年获得均聚产品、1961年获得共聚产品,PBT于1942年就研制出来,PET是1946年发表专利、1953年工业化生产,聚四氟乙烯是1938年发现、1950年工业化生产。当然茂金属聚合物是20世纪50年代以后的事了,因为1952年才推定出二茂铁的化学结构,茂金属催化剂才开始定型。最典型的还有尼龙,最早发现的是尼龙6,于1837年发现、1942年工业化；但工业化最早的是尼龙66,于1938年工业化(1931年发现),往后尼龙610于1941年工业化,尼龙1010于1961年工业化,尼龙1212是1990年工业化。看得出来尼龙系列这些产品只是碳链长短或脂肪族与芳香族的不同,基本结构都是二元酸与二元胺缩聚而成,碳链的长短或脂肪族与芳香族决定了尼龙的化学性能和物理性能不同、致使耐温范围和强度等不同、应用领域的不同,就是最新的生物基尼龙56,也只是生物发酵的戊二胺取代了己二胺的区别,并无本质不同。茂金属聚烯烃也是类似,催化剂不同、聚烯烃的性能和用途不同,属类划分还是聚乙烯聚丙烯,而不是什么别的聚合烃类。20世纪下半期以来,精细化学品、农药、医药领域新产品创新的还有不少,其他领域的新化学品、新物质创新难度确实越来越大。
四是开创未来的聚焦点如何选择?下面这段话思考了很久,常说“抛砖引玉”,也许这里抛出的只是块“泥巴”。回顾了“近代化学鼻祖波义耳”和“现代化学之父拉瓦锡”以来的世界化工石化发展史,化工石化发展到今天,又面临地球变暖、能源、粮食、水以及新的流行病(如当前的新冠肺炎疫请)等许多新的挑战。21世纪的今天确实与历史上任何一个时期都有很大的不同,化学化工确实也能够为解决所面临的新挑战发挥特别的作用。
开创未来的第一个聚焦点是化学合成新方法的创新。化学合成可以比作化学的“核”,化学合成方法若实现突破、实现了创新,一定是重大突破和重大创新。世界化工创新发展史也充分证明了这一点,自波义耳至今整整350年,世界化学工业开启快速发展大门是与第二次工业革命同步、现代合成化学的诞生,1862年化学家将氢气通入碳电极的电弧中得到了乙炔,再过4年实验人员通过乙炔合成了苯,从此开启了合成方法的研究,有机化合物的数量快速增加,世界化学工业翻开了新的一页。有机化学、高分子化学、现代生物化工相继诞生,世界化工石化产业开始翻天覆地的变化。我们的科学家要开创未来首先聚焦的就应当是新的化学合成方法,聚焦高选择性、能耗少、环境友好、定向合成,在新催化剂、分子设计、手性合成以及原子催化等方面。催化剂是关键,如合成氨：1905年哈伯从化学平衡上就已知道可以通过氮气和氢气合成氨,到1909年以锇作催化剂才实现了氨的合成,直到1913年与巴斯夫的工程师博世合作开发成功高效的铁系催化剂才最终实现了工业化。再就是,要是没有钒系催化剂很多氧化反应就难以实现、要是没有铑膦络合催化剂羰基化反应难以实现、如果离开了镍系催化剂很多加氢反应就失去了活力......
第二个聚焦点是生命科学领域的创新。自20世纪下半期以来,化学逐步渗透到人类社会的各个方面,今天不仅是工业、经济、国防、制造业领域,医药、生物,甚至生态环境治理、转基因种子、高效高品质农业、靶向病虫草害防治,还有人类难以医治的很多疾病的靶向治疗、细胞定向修复、人造器官等,这些都与今天的化学科学家们的创新密切相关。上世纪下半期以来,生物化学和分子生物学领域获得诺贝尔化学奖的人迅速增加,很多都集中在分子生物学、DNA、核苷酸和核苷酸辅酶、蛋白质、胰岛素、植物光合作用、氨基酸、遗传工程基础、生物大分子结构测定等方面。彭孝军院士研发的肿瘤靶向治疗就取得了很好的临床成果；三菱化学的细胞修复试剂、上海化工研究院和三菱化学的氧18特种水,主要用于核医学成像、生物医药、环境监测等方面的示踪剂。今天的化学家和创新工作者,千万不能认为这些与我无关。
第三个聚焦点是新能源的战略转型。人类社会的现代化和经济的快速发展,化石资源的大量消耗,温室气体的持续大量排放,地球已到了难以承受的地步,目前履行《巴黎协定》越来越成为共识,呼声越来越强烈,新能源战略转型迫在眉睫。新能源及新能源汽车等所需的很多高性能催化材料、高性能膜材料、绝缘材料以及很多功能化学品,都离不开化学、化工和石化。而新能源转型所需的这些高性能材料和功能性产品、尤其是能效转化效率高的材料,目前都有很大的差距,因材料的制约技术上难过关,经济上更难过关。
一个最典型的代表就是未来作为新能源的绿氢制备、储运与使用。作为新能源首先制取方法要过关,目前的化石资源制氢、电解水制氢、甲醇分解制氢等方法,所获得氢都难以满足新能源大量使用的要求,工业副产氢可以做局部区域示范性应用。科学家预测阳光分解水制氢的最终成功,才是氢作为清洁能源实现的一天。阳光分解水制氢国际国内都在研发与创新过程中,三菱化学、东京大学以及中国科技大学等都取得了较好的阶段性成果,但是能效转化率太低、所获得的氢的成本太高,急需在高效催化剂制备及涂敷技术、氢氧分离的高性能分离膜以及氢的储运材料等方面获得创新与突破。绿氢突破以后,与捕集提纯的工业排放二氧化碳反应就可以获得甲醇及烯烃和一系列有机化学品、高分子聚合物。
第四个聚焦点是二氧化碳资源化利用的绿色化学创新。碳达峰碳中和为化学家又提出了新的创新命题,碳捕集、利用与封存(CCUS)国内外都在开展示范性应用和工程化放大试验；二氧化碳制化学品的创新国内何鸣元院士、韩布兴院士、丁奎岭院士、李灿院士以及上海高研院、中科院化学所等众多机构都积累了很多阶段性成果和宝贵的经验,但是离产业化还有不小的距离,这方面的创新是化学家和科技工作者需要聚焦的新命题。
以二氧化碳为原料合成甲醇,进而制烯烃、有机化学品、油品等,去年看到美国的Twelve公司利用一种金属催化剂已经实现了二氧化碳和水制得聚丙烯,其聚丙烯的功效和性能与石脑油聚丙烯一样,已与奔驰合作生产出世界上第一个以二氧化碳为原料的汽车零件,并且已于汽车、家居、服装等多个品牌以及宝洁和美国航空航天局达成合作。二氧化碳为原料人工合成淀粉已在中科院天津工业生物所实验室实现。二氧化碳合成汽油中科院大连化物所已取得突破,首套千吨级中试装置已顺利生产出符合国六标准汽油。二氧化碳与环氧乙烷制碳酸二甲酯奥克化学与张锁江院士合作已取得阶段性工业化成果。巴斯夫开展的二氧化碳与甲烷干重整制合成气也取得阶段性成果,同时正在研发二氧化碳与乙烯为原料合成丙烯酸,进而生产高吸水性树脂用于婴儿和老年用品。二氧化碳资源化利用绿色化学的突破正在稳步取得进展和突破,再过15年左右必将为碳中和作出重要贡献。
至此,这波疫情期间、静下来梳理的“石化百年史是一部创新史”“石化百年史是一部艰苦创业史”“以史为鉴,开创未来”三篇连载,告一段落。这算是疫情带给本人的意外收获,也希望带给石化同仁和朋友们某些回忆和启发,对石化行业的创新发展不可能带来微许涟漪,就算是一点点“水漂”也值得欣慰,让我们共同携手：承继传统,以史为鉴,开创未来。