综述：沸石的未来前景——从分子层面到系统层面

全球能源向可再生能源转型，导致燃料需求下降而石化产品需求上升，预计到中期石化产品将占石油需求增长的一半以上。沸石作为关键催化剂，在催化裂化、加氢裂化等现有炼油流程中提升轻质烯烃和芳烃产量，同时具备二氧化碳转化为化学品及分解聚合物为燃料和化学品的双向应用潜力。文章通过分析近88,000项专利、现有工业应用及未来技术路径，提出优化炼油流程、开发低碳技术及循环经济模式，以适应碳中和目标下的石化行业转型。

大卫·巴耶茨（David Bajec）| 格列布·韦里亚索夫（Gleb Veryasov）

从凯捷（Capgemini）调任至TotalEnergies OneTech Belgium

摘要

在未来的几十年里，炼油和石化行业将经历一场变革，其特点是石化产品的需求将持续增长，而燃料消耗量则几乎不会增加，随后会趋于停滞。这一变化主要是由于全球向可再生能源和非内燃机技术的转型。展望未来，预计原油处理技术将逐步发展为从原油直接生产化学品的工艺，其中石化产品可能占炼油总产量的50%甚至更多。沸石将在推动这一转型过程中发挥关键作用。本文全面概述了沸石在炼油和石化领域的应用：（1）回顾过去：分析了自1940年以来提交的8.8万多项专利；（2）现状分析：重点介绍了当前和新兴的工业应用以及相关学术研究；（3）未来展望：提出了低碳、碳中和及碳负排放技术的潜在路径。

引言

随着全球能源系统向脱碳和电气化转型，炼油和石化行业也在经历重大变革，这一趋势受到相关政策的大力推动。虽然预计到2050年汽油和柴油等传统燃料的需求将大幅下降，但石化产品将成为未来石油需求的支柱，从而改变全球炼油企业和能源生产商的战略重点。

短期内，由于人口增长和发展中国家的消费增加，全球原油消费量预计将从2023年的每天1.02亿桶增加到2030年的接近1.06亿桶[1]。根据国际能源署（IEA）的预测，石化产品将成为推动石油需求增长的主要动力，约占预期增长量的一半。目前，石化原料占全球石油需求的约14%，这一比例预计会因塑料、合成纤维和化肥需求的增长而持续上升，尤其是在发展中国家。与燃料不同，石化产品较难被可再生能源替代，因此在能源转型中具有较高的韧性[2][3]。

全球生产格局中的一个重要因素是竞争加剧：2020年至2025年间，全球乙烯产能增加了4000多万吨，其中约70%的新产能集中在中国，这些新产能通常采用更先进的技术，旨在提高轻质原油的石化产品产量。同期，石化产品需求增长了约2700万吨[4]。炼油企业必须投资于灵活且具备未来适应性的基础设施，以应对不断变化的需求和原料类型。同时，政策制定者需要关注能源转型规划中石化产品的“盲点”，确保可持续发展目标不仅涵盖燃料，还包括从石油和天然气中提取的材料。随着世界向净零排放目标迈进，炼油和石化行业将承担双重使命：既要应对传统燃料需求的下降，又要支持关键化学品的持续增长。

如今，沸石已在炼油厂得到广泛应用，有助于基础化学品（如轻质烯烃和芳烃）的生产和转化。随着交通运输领域对燃料需求的下降以及基础化学品需求的增长，炼油和石化综合体必然需要调整生产方式以提高石化产品的产量。本文通过回顾自1940年以来关于各种沸石应用的专利、正在进行的技术商业化项目以及新兴的石化项目，探讨了该领域的重要发展动态，这些因素将塑造石化行业的未来方向，包括对现有炼油副产品的深度加工以及生产适合单体生产的轻质原料流。此外，本文还展望了长期前景，即当二氧化碳因政策和法规成为具有经济价值的原料时，实现碳负排放的可能性。

章节摘录

现代炼油厂与沸石的当前作用

沸石是一种结晶铝硅酸盐材料，由硅和铝原子通过氧原子连接形成三维结构，具有均匀的孔隙和通道，能够选择性吸附分子。由于其高表面积、热稳定性和形状选择性，沸石在石化过程中具有很高的催化潜力。如图1所示，沸石在炼油过程中发挥着关键作用。

石化产品的生产

主要石化产品（如C4及以下的轻质烯烃、丁二烯、BTX（苯、甲苯和二甲苯）是通过多种催化和非催化工艺生产的，这些工艺以原油馏分、煤炭和天然气成分作为原料。BTX主要来自热解汽油（pyrolysis gasoline）——这是石脑油蒸汽裂解的副产品，以及低辛烷值石脑油的催化重整过程，后者可转化为富含异构烷烃和芳烃的重质重整产物。

沸石在推动石化生产转型中的作用

依赖沸石催化剂的主要工艺包括流化催化裂化、加氢裂化、异构化、烷基化、芳构化等。沸石具有多种特性（如孔隙率、酸度、形状选择性和在恶劣条件下的稳定性），使其成为这些炼油工艺的理想催化剂。不同类型的沸石具有不同的孔径和结构，这也影响了催化剂中活性位点的强度。

炼油厂的重组前景

如前所述，通过调整现有工艺中的沸石催化剂和反应条件，可以提高石化产品的产量。图11展示了一个假设性的炼油方案，该方案优化了轻质烯烃的产量，同时利用加氢裂化去除杂质并缩短除最轻和最重产品流之外的所有馏分的碳链长度。

沸石在循环经济和二氧化碳减排中的作用

沸石可用于多种基于非化石原料的化学品生产路径。一方面，沸石可作为高效催化剂，将二氧化碳转化为化学品（例如在MTO过程中生成烯烃[132]；另一方面，沸石可用于将聚烯烃和其他聚合物分解为燃料和化学品。其中，单体生产最为重要，因为燃料的生产会伴随二氧化碳排放。

结论

本文探讨了在能源转型和全球碳氢化合物产品需求变化背景下沸石的未来前景。自1941年以来，已有超过8.8万项关于沸石合成和应用的专利被提交；这些文献表明，MFI、FAU、BEA、CHA和MOR结构类型的沸石在炼油和石化行业需求最大，尽管这些结构仅占整个行业的23%。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。

CRediT作者贡献声明

大卫·巴耶茨（David Bajec）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论制定及数据整理。格列布·韦里亚索夫（Gleb Veryasov）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、监督工作、方法论制定及概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。