编者按：化学工业从利用天然植物油、煤焦和木焦油开始，发展到当前以石油和天然气原料为主体的石油
化学工业，其发展历程方兴未艾。然而2000年以来，世界油气价格迅速上涨，原油价格由33美元/桶涨至2005
年的56美元/桶，目前更是接近150美元/桶；天然气价格亦由4.01美元/百万Btu涨到2005年的7.62美元/
百万Btu，2007年已突破10美元/百万Btu。而原料价格约占大宗化学品生产成本的60%~70%，油气价格快速
飙升对化学工业构成了极大的冲击，化学工业原料的替代及转换问题引起世界化工大国的广泛关注。本刊编辑
部曾于第26～27期相继对煤基化工、生物炼厂等化工替代原料的获得途径、工艺研发现状、经济可行性、对
环境的影响等方面进行了全面报道，本期将围绕包括煤、生物质在内的6种替代原料的技术现状、可行性比较、
研发要求、政策倾向以及未来发展预测进行系统而全面的评析。


从战略高度研究化学工业的原料转换
——美国发表《化学品生产的替代性、可再生性和新型原料》专题研究报告
中国化工信息中心教授级高级工程师  朱曾惠
    美国化学工业每年耗用的天然气和石油资源相当于3.4×1015 Btu，约占化学工业能量消耗的50%、全国
总能耗的4%及天然气总消耗的3%。近年，随着碳源供应日趋紧张且价格高涨，美国化学工业衰退迹象浮现，
化学品出口量下降，已连续80年出超的化学品贸易在2002年出现了赤字，同时各大化工公司开始大幅减员，
这种情况引起了美国相关部门的广泛关注。未来依赖石油和天然气的原料路线风险日益增加，化学工业替代性
原料的开发迫在眉睫，替代原料的开发不仅将推动美国能源独立的目标早日实现，同时也是保持美国化学工业
全球竞争力的需要。
　　2007年7月，美国发布题为《化学品生产的替代性、可再生性和新型原料》的专题报告，广泛而深入地评
价了煤、石油焦、油砂、油页岩、城市有机固体垃圾和非传统天然气等6种替代性原料以及气化、发酵/萃取、
裂解、液化和炼焦等工艺，并就各种原料的供应、经济成本、技术成熟度、CO2排放等方面进行综合评析，确
定各种原料及其技术的可行性，认为煤、石油焦及生物质的气化和生物质发酵/萃取等工艺较为成熟，实现工
业规模生产指日可待。此外，对相应的化学产品链进行了研究，确定了可以应用这些原料和技术并可获得最大
收益的领域。对于如何从战略高度面对化学工业的原料转换问题，颇有启迪意义。
　　一、替代原料技术
    1. 技术现状
　　煤气化技术比较成熟，广泛用于发电和液态燃料生产，但是部分工艺及装置需要改进以获取更好的经济效
益，并能适应美国化学工业的CO2排放的需求。按美国能源部2006年要求，规模在100～500MW的小型气化炉
将不再用于大批量化学品的生产，而且对集成式气化联合循环（IGCC）发电和费托合成工艺生产运输燃料也是
不经济的。在提高能源效率和CO2管理方面，IGCC技术有很大的改进。有如当前的炼油工业和化工厂的关系一
样，未来的发电或燃料生产的IGCC装置可以为化工厂提供原料。
　　生物质气化工艺进展缓慢，与煤和石油焦相比需要进行更多的研发工作。目前已经开发的气化系统的类型
和规模在化学工业应用过程中，其经济效果不尽如人意。化学工业生产需要中到高热值的合成气，目前发电和
生产燃料用的空气气化炉所提供的合成气热值较低，不适用于化工生产。
　　第一代生物质发酵工艺用于糖基原料专用化学品生产，在技术和经济上均是可行的，并已有工业产品销售。
然而，大宗化学品的生产以纤维素为原料则更经济，因此需要进行大量的研究开发，克服技术障碍，使得第二
代发酵工艺在技术和经济层面取得更大的突破。此外，生物炼厂中生物燃料与化工产品联产，可以更好地改进
第二代工艺的经济性。
　　2. 研发需求
　　改变传统生产路线，采用替代原料，技术进步则是减少经济成本和环境影响的关键。通过对相关文献和系
列产业研讨会资料进行汇总，技术研发建议如下：
　　● 研发重点应集中于对国内(指美国)化工行业具有重大影响的大宗通用化学品（如生产水平在100万t/a
以上的产品）的生产。
　　● 近期机遇应集中于替代原料的开发，或对现有生产装置经微小的改动后再扩产，例如，从近期影响看，
只需对与传统化工操作相比有1～2个单元操作不同的工艺进行调研和开发；另一方面，长期机遇将转向运用
新的化学品和加工设备制造新产品。
　　● 所有的技术必须具有改善技术现状的潜力，对采用传统原料的现有技术具有成本效益，能够广泛应用
于可显著降低油气消耗、具有环境可持续性的工业和社会。
　　从专业领域考虑，技术改进的研究开发的重点应放在以下方面：
　　● 新型碳转化技术：新工艺开发如等离子气化技术（美国专利申请号20030024806）和芝麻菜加氢（美国
专利号4323538）技术都是新的、尚未试验过的技术范例，这些技术可能对化学品生产有益，特别是它们的规
模将比气化技术更适合。
　　● 新型分离技术：开发高能效、高选择性和经济效益优异的新型分离技术，包括空气分离制氧、气化炉
反应产品分离、液化反应产品分离以及CO2的分离、捕集和控制。
　　● 反应工艺过程：
　　开发能够采用低成本的废弃物和纤维素生物质生产化学品的新型酶；
　　开发生物质转化生产化学品的、具有一定规模的发酵工艺；
　　大大改进由煤生产化学品以减少废弃物和能源消耗的费托合成工艺；
　　开发由替代原料生产化学品的直接液化工艺。
　　● 缩减工艺规模：
　　对于用于发电和生产燃料的气化装置和辅助设备，要认真地确定其规模的经济性，而即使是最大的世界级
的用碳原料的化工装置要与这些公用性装置相比，规模也是较小的。因此，要开发的新型气化系统（设计和材
料）都需要是对规模经济不敏感。
　　● 结构材料
　　气化炉内件的维护费用（包括检修费用和资金等）很高，新型结构材料要能解决这些问题。
　　● 工艺过程控制技术和装置设计
　　主要是能源节约和排放控制战略。
　　● CO2技术：
　　CO2的控制、捕集、销售或螯合固定的技术和计划方案是非生物质替代原料取得成功的关键。
　　为了尽快取得节能减排成效，研究开发应集中于煤气化制烯烃和芳烃工艺和将木质素转化为芳烃的发酵/
萃取工艺。
　　二、政策性需求
    化学品生产原料的改变是一项重大的事业模式的转变，正如农业从供应食物到运输燃料（这方面政府的补
贴政策已有20多年）的转化一样具有风险。因此，除技术开发以外，各州和联邦的相应能源政策需要适应新
原料应用装置在浮动的能源价格环境中带来的高投资风险。
　　联邦的新政策需确保足够的、多样化的能源供应，适应和减轻原料转换对经济和环境的影响。从政策层面
考虑有3个方面：替代性碳补贴；CO2排放；贷款的保证，减少风险。
　  三、组织结构的变革
    组织结构的变化有两方面：一是传统化学工业的参与者；二是政府投资重点。组织结构的变化是向替代性
原料转换取得成功的关键。化学工业是比较保守的工业，已经与石油基原料供应者建立了长期的密切的联系。
替代原料的应用将要求化学工业部门进一步了解和建立与未来原料供应商的新型关系，而这些供应商目前尚未
成为化学工业的利益相关者。此外，化学品生产商与一些可能提供替代燃料和电力的公用部门在邻近替代原料
等共同配置资源方面应形成一种经济上互利的优势。这样，化工厂可能进行化学品和燃料/电力联产，并将依
赖于公用部门提供原料。化学工业必须努力研究开发，而且应与这些新的原料供应商或有可能成为新的生产合
作伙伴进行合作。
　　四、未来发展方向
    能源部当前的几项规划都提出降低能源消耗，开发化石替代燃料用于运输和发电，但是迄今为止尚未投入
太多精力研究化学产品制造原料中的油气替代问题。当前联邦政府的研发重点是运输燃料和发电，而忽略了制
造部门如果用替代原料来减少进口石油和国产天然气的使用具有很大的节能潜力。替代原料将为提高国家的长
期制造能力、提升国际竞争力提供一条崭新的途径。
　　化学工业是非公用工程最大的天然气用户，其石油用量仅次于运输业，因此美国能源部（DOE）被建议率
先提出减少油气作化工原料。能源部的工业技术规划（ITP）已经提出用煤或生物质替代油基原料的问题。能
源部的生物质规划也发表了题为《由生物质生产高附加值化学品》（2004）的研究报告，确认了12种能够以糖
为原料制造的化学品，这同时也体现了生物炼厂的好处。美国当前产量最大的100种产品尚不包括这12种以
糖为原料的化学品。能源部的化石能源规划的重点是大规模气化和CO2捕集，以支撑天然气电厂向燃煤发电的
转变。目前对中小型气化系统所需的化工原料尚未提出具体要求。
　　为降低化学工业中替代原料、可再生原料以及新型原料变化可能带来的能源和环境影响，技术研发工作应
从现在开始，同时，美国的产业相关者也应密切合作实现这一变革。
　　以上情况和建设归纳成两表，见表1和表2。

                             表1  替代性、可再生性和新型原料的价值比较
原料               可能进入的程度     价格          CO2产生量                    技术状况
煤          高：就地和集中均可，易运    低     多：产生CO2量大但可在工   已有技术，已工业化
            输和存储                   艺过程中捕集
生物质          中等：与煤相比，不宜就地    高     零排放或经捕集               已有小量化学品技术
            建设、分销、分类和提浓
油页岩、油砂  高：应先加工成原油再运输    中→高     多：但可在加工过程中捕集  油砂已有5～6年历史，
                                                                             油页岩历史更长
石油焦          高→中：宜在炼厂附近，可    低     多：可在加工过程中捕集       技术成熟，已工业化
           以运输
有机垃圾废料  低：分散，难以浓缩，影响    高     不多                       有限：需要进一步收
            健康，对有些价值高的产                           集，社会支持和政策
            品不合适                                                     比技术开发更重要
分散气体      低：不能输送，难以应用    低(与资  低：比煤油低               成熟
(stranded gas)                           源有关）    

                                表2  化学品原料替代途径的可能性排序
可能性排序           煤        生物质    有机垃圾废料  分散气源       石油焦     油砂 油页岩
烯烃：              高：用气化  高：乙醇发酵和脱水  中：气化   低：用管道  高：气化残  低：首先要先
乙烯 丙烯 丁二烯        制乙烯                       输送乙烯       留物        转化为原油
                      中：气化（经济上无           不现实    
                        吸引力）
芳烃：        高：用气化  高：以木质素为原料                     油页岩中芳烃
苯 甲苯 二甲苯                                                      （非气化）
含氯烃类              乙二醇、丙二醇、醇  聚酯和聚            
                        酸、苯酚(非气化)  碳酸酯回
                                      收和解聚
卤素烃类              HCl+生物质                
脂肪族烃      用微生物进
                    行煤转化                    

　　化学工业原料的转换是一个战略性问题，它不仅涉及国家能源政策，也关系到化学工业的可持续发展。该
报告从战略高度研究此问题，并相应地从技术、政策和产业组织结构等方面提出解决化学品生产原料替代的建
议。我国化学工业原料结构与美国不同，但也面临原料路线的挑战，业界对此问题也非常关注，并与节能减排
关系密切。从战略高度研究化学原料的转换，提出全面的原料替代路线和方向，希望美国的这份报告会对国内
相关行业具有一定的参考价值和借鉴意义。