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化工新材料产业及其在低碳发展中的作用。废弃材料回收和循环利用中的简单作用，全球新材料产业的发展状况。

化工新材料产业及其在低碳发展中的作用

• 前言
  • 近 50 年来，全球 CO2排放量逐年增加，2020年达到323亿吨，其中我国占比30.7%，2020年我国单位国内生产总值 （GDP） 的CO2排放量达到全球平均水平的 1.76 倍
  • 我国宣布在2030年前CO2排放达到峰值、2060 年前实现碳中和，开启了向“双碳”目标迈进的新纪元。
  • 新材料是第四次工业革命的基础，是我国传统产业升级和战略性新兴产业发展的 基石，在当前新一代信息技术、新能源、智能制造等新兴产业迅速崛起的背景下，叠加我国“双碳”目标对化工新材料市场需求的拉动，化工新材料在低碳发展进程中作用十分突出
  • 化工新材料与炼化行业推进绿色低碳发展、实现碳中和的关系十分密切，在炼化转型发展、高质量发展过程中不可或缺，值得炼化行业深入分析研究
• 全球新材料产业的发展状况
  • 新材料是指新近发展或正在发展的具有优异性能的结构材料和有特殊性质的功能材料化工。新材料主要包括高性能合成树脂、特种合成橡胶、高性能合成纤维、特种弹性体、复合材料、工程塑料、高端碳材料、电子化学品、降解材料、特种涂料、特种胶黏剂、特种助剂等一系列品种
  • 近年来，我国将新材料产业作为未来发展的战略性新兴产业，先后出台《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》《关于石化产业调结构促转型增效益的指导意见》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《化工新材料“十四五”规划指南》等若干政策文件予以扶持。在政策指引下，我国新材料行业发展强劲，2020 年新材料总产值达到约6.0万亿元，预计到2025年产业总产值将达到10万亿元，并保持年均增长20%[4]。
  • 然而，目前我国仅是材料大国而非材料强国，新材料属于我国对外依存度极高的八类产业之一，特别是高端化工新材料和化工高端装备及尖端技术严重依赖进口。据工业与信息化部统计，在我国大型企业所需的130多种关键材料中，32%的材料我国处于空白、完全无法生产，54%的材料国内能够生产但质量较差，仅有14%国内可以完全自给。
  • 化工新材料既是目前石化产业的短板之一，也是未来石化行业转型升级的主 要方向。随着“双碳”目标的启动，全球化工新材料进入新的发展阶段，我国化工新材料产业迎来前所未有的历史机遇期。
• 废弃材料回收和循环利用中的减碳作用
  • 废弃材料的化学回收技术(以塑料为例)
    • 物理方法适合处理高价值、品类单一、较为干净的废塑料，回收的 产物较难达到食品和医药等高价值应用领域要求
    • 化学方法可以处理低价值、混合、受污染的废塑料，包括废塑料化学回收、化学循环两种路线
  • 废塑料化学回收的减碳效果
    • 减碳效果十分明显，可代替焚烧法处理塑料废弃物，将碳固化在产品中，而不 是释放到大气中，从而大幅减少碳排放
• 思考
  • 在碳达峰碳中和目标下，能源行业的清洁低碳发展迫在眉睫，炼油化工行业属于高排放领域之一，面临转型升级和降低碳排放的双重挑战，加快炼油向化工转型、化工向新材料转型已是行业共识。对于我国化工新材料产业的发展，提出以下四方面的思考
    • 持续推进炼化转型升级
    • 加大科技创新投入
    • 推进以企业为创新主体的产、学、研、用协同创新，加快构建重点化工新材料全产业链，提高市场竞争力
    • 激活化工新材料科技创新体制机制，加强战略型领军人才引进与培养，为新材料产业发展注入强劲动力
• 化工新材料在低碳发展中的作用
  • 前言
    • 原料供应环节
      • 可以采用生物质、绿氢等可再生低碳原料以及直接以CO2为原料生产化工新材料，从而实现汇碳
    • 材料生产环节
      • 可以通过各种不同生产工艺路线过程将原料中的碳转移到新材料产品中，从而实现固碳
    • 材料的使用消费环节
      • 可以实现废弃材料的回收与循环利用，从而实现减碳
  • 可再生原料的汇碳作用
    • 采用生物质原料生产新材料
      • 《巴黎协定》
        • 确保全球平均气温上升幅度较工业革命前低2℃，并尽量将其控制在1.5℃以内，而要实现1.5℃的目标，未来全球60%的石油储量、90%以上的煤炭储量应“留在地下”，为此只有大幅削减化石能源的产量和用量
      • 我国每年可利用的生物质资源中农业废弃物约4亿吨，林业废弃物约 3.5 亿吨
      • 生物质原料主要来源于太阳能和植物的光合作用，是吸收自然界CO2、实现碳汇的最佳途径。在植物的生长过程中，通过光合作用，每年可将 2000 亿吨的 CO2转化为碳水化合物，因此生物质材料的 CO2排放量低，仅为石化基塑料的20%，属于典型的低碳材料。所以生物基产品生产和使用过程中均能大幅削减碳排放，随着生物基产品占比逐步提高，减排优势将更加显著。
      • 目前生物质原料主要用于能源、生态农业和环境修复、绿色建材、储能碳材料等领域。其碳减排功效得到普遍认可。
      • 目前，全球生物基材料产能已达3000万吨/年以上，年均增速超过20%[10]。其应用范围不断拓展，正在加快从医用材料和高端功能性材料应用领域向大宗工业产品和生活消费品应用领域转变。
    • 以CO2为原料生产新材料
      • CO2热化学转化
        • 多年来，CO2主要用于生产尿素，在其他诸如碳酸饮料、食品冷藏、焊接、金属加工等 CO2 综合利用途径中，并未直接消耗和减排 CO2。
        • 将CO2 与化学性质活泼的环氧丙烷、环氧乙烷等进行反应制备聚碳酸酯以及可降解塑料等新材料，可望成为未来 CO2应用的热点领域之一。
      • CO2电化学还原
        • 电化学还原技术优势有反应条件温和、使用清洁能源、催化效率高、可合成多种含碳化合物以及能够通过控制电解条件调控目标产物
        • 可以在低运行温度下以简单的方法获得碳氢化合物和含氧化合物
        • CO2还可用于新型电化学电池Al-CO2电池和 Na-CO2电池的电极材料
  • 新材料的固碳作用
    • 前言
      • 从石油加工转化生产化工新材料的全过程中有几种重要的代表性材料，如高端碳材料、汽车轻量化材料、光伏材料、碳捕集材料，或其材料本身、或其应用效果都有显著的固碳作用，突出体现在可实现产品高碳、使用后减碳甚至零碳的目标
    • 高端碳材料
      • • 由于碳材料的成分主要是碳元素，在化石原料的转化过程中有相当一部分碳转移至碳材料中，有助于解决化石原料中碳的去向问题，支撑全产业链降低碳排放
      • 石油沥青
        • 主要用作道路沥青和建筑沥青等，用途广泛但工业附加值较低
        • 总体发展趋势从普通道路沥青、重交通道路沥青，再到改性沥青
          • 改性沥青作为一种高等级道路沥青，是在基质沥青中添加橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细橡胶粉等添加剂，从而提高沥青产品性能，其固碳量可达 85% 左右
      • 石油焦
        • 作为渣油经延迟焦化工艺生成的产物，其固碳量在 90% 左右
          • 尤其是针状焦可作为生产高功率和超高功率电极的优质材料，同时在锂离子电池、电化学电容器等方面也有广泛应用
      • 锂电池负极材料
        • 碳系材料包括石墨、硬碳、软碳和石墨 烯等负极材料，其固碳量大于99.5%
    • 车用轻量化材料
      • 使用轻量化材料是汽车实现节能、降低排放、提高汽车动力性的重要途径，据相关统计研究一般汽车自重减轻10%，可节约油品6%～8%，意味着减少相同比例的CO2排放量
      • 汽车轻量化中应用的化工材料主要是高端合成树脂、工程材料及复合材料。此类材料在汽车轻量化领域的优势集中体现在材料的技术含量高、功能性强、性能优异、质量和体积轻薄
      • 此除了要求材料轻量化之外，也要求使用的材料品种尽可能均一化，即使用品种尽可能少的塑料材料，使得材料在使用后便于回收利用
      • 整体上，我国车用塑料消费量呈现逐年增长趋势，这类材料在“以塑代钢”、实现车体轻量化、降低油耗、减少CO2排放方面作用突出
    • 新能源材料
      • 1.光伏材料
      • 2.风电材料
    • 碳捕集材料
      • 碳基吸附材料易于合成和再生，原料来源丰富稳定、实用高效，但由于材料的弱范德华力使其吸附能力对温度比较敏感，适宜在低于60℃下使用
      • 沸石材料比表面积大、吸附稳定，但是吸附温度也容易影响其吸附能力，当温度超过 100 ℃时其对 CO2 的吸附能力就会降低。