从原料到未来化学品：重新审视工业丙烯产业集群中的碳来源

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：From Feedstock to Future Chemicals: Rethinking Carbon Sources in Industrial Propylene Clusters

　　本研究评估了鹿特丹港丙烷集群中单独和同步部署替代碳源（ACS）技术对集群结构、经济和环境的影响。结果显示，单独部署ACS过程虽降低能源和水消耗及排放，但导致上游化学品过剩；同步部署可消除多个化石流程，但需承担高资本成本，且生物异丁烯（bio-IBN）过程显著增加用水和碳排放。研究强调需系统评估ACS整合的连锁效应及配套能源脱碳的必要性。

　　在当今全球范围内，推动化学工业去化石化已成为一个备受关注的议题。这一趋势不仅是为了减少对不可再生资源的依赖，更是为了应对气候变化带来的挑战，以及实现可持续发展的目标。化学工业是许多国家能源消耗和碳排放的主要来源之一，因此，寻找替代性的碳源（ACS）以替代传统化石燃料成为研究的热点。然而，尽管替代性碳源技术在单个生产环节中显示出一定的可行性，其在现有工业集群中的应用仍然面临诸多挑战，尤其是在大规模部署时，可能会对整个系统的结构和性能产生深远影响。

本文聚焦于荷兰鹿特丹港的丙烯产业集群，这是一个具有代表性的工业集群，其内部包含多个下游衍生化学品的生产过程。丙烯作为重要的化工基础原料，广泛用于生产丙二醇（PG）、聚醚多元醇（polyol）、丙二醇甲醚（PGME）、甲基叔丁基醚（MTBE）等产品。这些化学品在工业和消费领域有广泛的应用，例如作为溶剂、涂料添加剂、包装材料或除冰剂等。目前，这些下游化学品的生产主要依赖于化石燃料来源，但随着环保意识的增强和政策导向的变化，越来越多的研究开始关注如何利用替代性碳源来实现去化石化目标。

本文的目的是系统评估在现有丙烯产业集群中引入替代性碳源（ACS）技术对整体性能的影响，包括技术经济性、环境足迹以及资源利用效率等方面。研究选择了三种替代性碳源技术：基于二氧化碳的聚醚多元醇、生物丙二醇（bio-PG）以及生物甲基叔丁基醚（bio-MTBE）。通过分析这三种技术在单个部署和同时部署两种情景下的表现，研究人员揭示了这些技术对产业集群的结构和性能所带来的影响。

在单个替代性碳源技术的部署中，研究发现虽然这些技术在减少化石燃料消耗和降低直接碳排放方面具有显著优势，但它们仍需依赖部分化石燃料为基础的上游化学品，如丙烯氧化物（PO）和叔丁醇（TBA）。这意味着，在单独引入一种替代性碳源技术时，产业集群的结构变化并不显著，主要体现在部分化石燃料相关过程的冗余或废料处理上。然而，随着替代性碳源技术的逐步推广，这些上游过程可能需要进行调整或优化，以适应新的需求。例如，在引入基于生物丙二醇的生产过程时，原本用于生产PO和TBA的设施可能被部分替代或减少，但仍然需要保留部分生产能力以满足其他下游化学品的生产需求。

在技术经济性方面，研究指出，尽管替代性碳源技术在降低运营成本（OPEX）方面表现出一定的优势，如基于二氧化碳的聚醚多元醇和生物丙二醇，但它们的初始投资成本（CAPEX）却显著高于传统化石燃料技术。这主要是由于替代性碳源技术通常需要更复杂的设备和更高的建造成本。相比之下，生物甲基叔丁基醚的运营成本更高，尤其是由于生物异丁烯（bio-IBN）的生产过程需要大量能源和水资源，这使得其成本远高于其他两种技术。然而，生物甲基叔丁基醚的附加产品，如二氧化碳、丁烯和糠醛，为集群带来了额外的收入来源，从而部分抵消了其较高的成本。

从环境角度来看，研究显示，替代性碳源技术能够显著减少直接碳排放（Scope 1）和间接碳排放（Scope 2）。例如，基于二氧化碳的聚醚多元醇和生物丙二醇的碳排放分别减少了37%和2%，而生物甲基叔丁基醚则因生物异丁烯的高能耗，导致其间接碳排放增加了14倍。然而，如果集群能够实现能源和资源的全面去化石化，那么这些技术的环境效益将更加显著。例如，当使用非化石燃料来源的能源和蒸汽时，生物甲基叔丁基醚的间接碳排放可以降低至原化石燃料基准的14%。

此外，研究还关注了水资源的使用情况。替代性碳源技术在减少水资源消耗方面表现出一定的潜力，特别是基于二氧化碳的聚醚多元醇和生物丙二醇。然而，生物甲基叔丁基醚的生产过程需要大量冷却水和电力，导致其水资源消耗比传统化石燃料技术高出20倍。这表明，虽然替代性碳源技术在某些方面具有环保优势，但在其他方面，如水资源利用和能源需求上，仍需进一步优化。

在集群层面，研究分析了两种情景：单独部署一种替代性碳源技术，以及同时部署多种替代性碳源技术。单独部署时，集群的结构变化较小，主要体现在部分上游过程的调整和废料处理上。而同时部署多种替代性碳源技术则可能引发更广泛的结构调整，甚至导致某些传统化石燃料过程的完全淘汰。例如，在同时部署基于二氧化碳的聚醚多元醇、生物丙二醇和生物甲基叔丁基醚的过程中，丙烯氧化物和叔丁醇的生产过程减少了30%，而丙烯和异丁烷的生产过程则被完全替代。这种变化不仅影响了集群的资源利用效率，还对整个集群的经济性和环境表现产生了重要影响。

研究还探讨了替代性碳源技术对集群经济性的具体影响。在单独部署的情况下，尽管运营成本有所降低，但整体集群的运营成本仍高于传统化石燃料技术，主要原因是替代性碳源技术需要处理更多的废料，而这些废料在化石燃料集群中可能有较高的市场价值。同时，当同时部署多种替代性碳源技术时，集群的运营成本进一步降低，但由于需要大量新的设备和基础设施，初始投资成本大幅增加。这表明，在大规模去化石化过程中，经济性是一个需要重点考虑的因素。

此外，研究还强调了替代性碳源技术在集群中的潜在应用。例如，生物丙二醇可以通过进一步转化为丙烯氧化物（bio-PO），从而在集群内部实现资源的循环利用。这种做法不仅可以减少对外部资源的依赖，还能提高集群的整体效率和可持续性。然而，这种技术的实施需要相应的技术支持和基础设施建设，这在现有集群中可能面临一定的挑战。

总的来说，本文的研究结果揭示了在现有工业集群中引入替代性碳源技术的复杂性和多面性。虽然这些技术在减少化石燃料使用和降低环境影响方面具有显著优势，但它们对集群的结构调整、资源利用效率和经济性提出了新的要求。因此，未来的研究需要进一步关注替代性碳源技术的可扩展性、成本效益以及对现有基础设施的适应性。同时，还需要考虑如何在现有集群中实现这些技术的整合，以最大化其环境和经济效益。通过这些努力，工业集群可以更好地应对去化石化带来的挑战，实现更加可持续的发展模式。