生產轉型+產品優化 乙烯工業再出發

王紅秋 中國石油石油化工研究院

形勢之變 

　　乙烯工業的重重挑戰

　　當前，地緣政治衝突升級、保護主義加劇、多邊貿易體制受阻以及關税壁壘增多等多重因素相互交織，嚴重衝擊全球產業鏈、供應鏈的穩定性。這使得我國石化產品出口、企業海外拓展以及科技創新面臨更大挑戰。

　　在國內，經濟長期向好的基本趨勢沒有改變，仍處於戰略機遇期，新質生產力的發展爲長期增長注入新動能。2025年政府工作報告明確將「因地制宜發展新質生產力，加快建設現代化產業體系」列為年度重點任務，強調通過科技創新與產業創新雙輪驅動，推動經濟發展質量變革與動能轉換。

　　對標國際先進水平，在產業集羣、綠色低碳、數智化、產品結構、科技創新等方面，我國乙烯工業仍存在一定差距，特別是產品結構性問題仍較突出。一方面，同質化產品生產成本高、質量不穩定、競爭力不強，導致開工率走低；另一方面，高端產品對外依存度高，自主保障能力弱，根源在於基礎研究能力不足。企業研發基本侷限於「跟跑」，自主創新能力薄弱，疊加乙烯產能增速遠高於需求增速的影響，短期內石化產品盈利水平難有起色。

　　「十四五」以來，化工企業生產經營面臨嚴峻挑戰，一些新建項目投產時間進一步推迟。考慮到交通領域的電動革命正加速將煉油向化工轉型，根據在建、擬建及規劃產能測算，預計到2030年，我國乙烯產能將超過8000萬噸。同時，受經濟發展方式轉變及絕對量基數增大等因素影響，近5年乙烯需求年均增速約為5%，較上一個5年下降約4個百分點，預計未來乙烯及下游產品需求增速將繼續放緩。

　　與此同時，乙烯行業的減碳與發展壓力並存。一方面，減碳是剛性要求。2021年10月，國家發展改革委等部門發佈《石化化工重點行業嚴格能效約束推動節能降碳行動方案（2021—2025年）》（以下簡稱《方案》），對乙烯工業的綠色低碳發展提出了行動目標和重點任務。要求到2025年，通過實施節能降碳行動，石油基乙烯能耗達到標杆水平（590千克標油/噸）的產能比例超過30%，而目前部分產能能耗平均水平與基準水平目標（640千克標油/噸）相比尚有差距。《方案》中明確提出，推動30萬噸/年及以下乙烯裝置加快退出，加快低碳乙烯生產技術、裝備製造技術、智能化技術、能量優化技術、電氣化技術的探索攻關和推廣，修訂完善《乙烯裝置單位產品能源消耗限額》等產業政策標準。另一方面，目前我國人均乙烯當量消費量為45千克，與美國、西歐和日本等主要發達國家和地區的消費水平相比，仍有較大增長空間。如果不採取有效措施，碳排放也將隨之增加。根據原料的不同，通常生產一噸乙烯的碳排放在1—2噸之間。存量乙烯的減碳任務已經很艱鉅，而行業的快速發展又要面對增量乙烯的減碳問題。此外，碳税、碳關税的徵收也將在2030年實施。因此，乙烯工業低碳發展是必然選擇。

突破之道

　　原料結構的多元格局

　　考慮到要兼顧乙烯產業鏈安全、經濟與綠色發展，預計未來10年，我國乙烯原料仍將以石油基原料為主，低碳原料比重將逐步提高，乙烯原料結構將呈現石腦油、加氫尾油、柴油、丙烷及液化氣、乙烷、生物質、廢棄高分子材料、二氧化碳、甲烷等多元化格局。

　　首先是廢塑料生產乙烯。該方法因兼具減污、減碳和資源循環利用的特點，近年來備受關注。廢塑料通過熱解或催化裂解等化學回收方法生成廢塑料油，經淨化處理脱除氯、硅等雜質，進入蒸汽裂解裝置生產乙烯，再進一步生產聚乙烯等下游產品。BASF、埃克森美孚等公司已採用自主技術建有每年萬噸級的工業裝置或工業示範裝置。但該路線也存在一些問題，例如，對於聚乙烯、聚丙烯等加聚類塑料來説，反應温度通常在500攝氏度以上，廢塑料油中的氯、硅等雜質含量是石油產品的數千倍，淨化難度較大。

　　其次是生物質生產乙烯。這一方式可從源頭上減少碳排放，主要通過3條路線實現：一是以生物基石腦油為原料，利用現有蒸汽裂解裝置生產，與石油基原料相比可減碳50%到80%。日本出光興產和三井化學近期計劃合併各自在日本千葉的乙烯裝置，合併后，其生產原料將從化石石腦油轉向其可持續航空燃料（SAF）業務的副產品生物石腦油。二是以生物質為原料經由合成氣間接法或直接法制取乙烯。前者先生成甲醇，再生成烯烴，技術較成熟；后者由於催化劑積碳等問題的存在，目前發展仍較緩慢。三是以生物質為原料，通過微生物發酵工藝得到乙醇，再脱水生成乙烯。巴西在這方面有較多實踐，該國利用成本相對低廉的甘蔗資源建有20萬噸/年的工業裝置。該路徑第1代技術以玉米、甘蔗等糧食作物為原料，存在與人畜爭糧的侷限性；第2代以秸稈、木屑等農林廢棄物為原料，由於木質素含量偏高，難以生成適合發酵的糖類，乙醇的轉化率和選擇性、乙烯產率都還有待提高；第3代以微藻為原料，目前仍處於實驗階段，微藻規模化培養過程的低效率和高能耗，以及優良藻種的篩選等問題還有待解決。總體來説，該路徑的產業前景主要取決於成本、效益的競爭力，低成本規模化原料的連續穩定供應是關鍵因素之一。

　　再次是甲烷一步法制乙烯技術。它具有工藝流程短、耗能少、可利用温室氣體等優勢。這一技術主要包括甲烷氧化偶聯制乙烯和甲烷無氧一步法制乙烯2條路線。國內外許多研究機構在這一技術領域做了大量工作，但未達到工業預期。前者的典型例子是2015年Siluria公司與巴西Braskem公司、德國林德公司等合作在得克薩斯州建成365噸/年的試驗裝置。中國科學院大連化學物理研究所則對后者進行了深入研究，開發出單中心鐵催化劑，甲烷單程轉化率高達48.1%，乙烯的選擇性為48.4%。

　　最后是二氧化碳生產乙烯，在降低碳排放的同時實現資源化利用。二氧化碳電化學還原生成乙烯、二氧化碳加氫制甲醇、二氧化碳定向轉化合成聚酯等技術成為關注熱點。但二氧化碳是非常穩定的分子，其分子分解需要較大的能量，因此該技術還需持續提高轉化效率，降低二氧化碳的還原成本。

降碳之策

　　蒸汽裂解的綠色發展

　　在全球積極推進綠色低碳發展的大背景下，乙烯工業作為石油化工的核心領域，其減碳進程備受矚目。蒸汽裂解裝置作為乙烯生產的主流工藝，在降低碳排放方面佔據關鍵地位。深入剖析其碳排放源構成及相應的降碳策略，對於推動乙烯工業可持續發展意義重大。

　　以主流工藝蒸汽裂解裝置為例，碳排放源主要有裂解爐燃料燃燒排放、熱力和電消耗間接排放及火炬排放等。其中燃料燃燒排放和熱力消耗間接排放合計佔總排放的80%以上，所以過程降碳是重點。

　　過程節能與提高能效的技術主要有3種：一是輻射段裂解爐管強化傳熱技術。通過改變爐管內部構造來改變爐管內流體流動狀態，降低邊界層厚度和爐管管壁温度，同時增加接觸面積、強化傳熱，可將運行周期延長1.2—2倍，燃料效率提高6%—10%，減少4%—7%的二氧化碳排放。該技術已應用到全球上千台裂解爐中，是各家乙烯生產企業和技術專利商一直在升級迭代的技術。二是輻射段裂解爐管塗層技術。通過降低結焦速率，延長裂解爐運行周期和爐管使用壽命，減少燃料氣消耗。該技術按功能可分為屏障塗層技術和催化塗層技術，前者主要通過惰性阻隔抑制結焦，后者在阻隔基礎上，通過蒸汽氣化反應，催化去除焦炭。美國GE、韓國SK等公司都開發了系列相關技術。Westaim公司的屏障塗層技術則可將結焦速率降低50%—90%。三是傳統分離技術的優化和新型分離技術。前者通過優化分離流程，達到提高裂解產物分離效率、降低生產用能的目標；后者將MOFs等新材料作為吸附劑，實現乙烷/乙烯的高效分離，目前還處於實驗室研究階段。

　　就過程用能清潔化、電氣化來説，以天然氣等低碳燃料替代煤、 重油等高碳燃料的方式主要取決於我國的資源稟賦和能源結構。綠氫替代是全球關注的熱點，但綠氫的使用推廣仍須等待制輸儲用等各環節技術、成本、安全等問題的解決。要實現綠電電氣化供熱、供能，則不僅需要能源供應領域的重大轉型，更需要對相應的基礎設施、工藝技術等進行變革。目前，將物料温度加熱到800攝氏度以上的大功率電加熱爐尚處於研發階段，長壽命和大功率電熱爐、新型高效電熱體材料、先進控制系統等均需實現技術突破。各大石油石化公司都對相關技術的研發進行了佈局。巴斯夫、沙比克與林德三家公司共同開發的電加熱裂解爐技術進展較快，去年4月，首套大型示範裝置在路德維希港基地建成投產。不過，該路線的發展除了需要技術突破外，還需要解決經濟性和安全性等問題。

變革之需

　　轉型發展的關鍵舉措

　　在乙烯工業的發展進程中，生產流程集約化、數字化以及產品高端化、系列化成為關鍵的發展方向，旨在通過工藝改進、技術組合、流程優化、數智賦能、分子管理等多種方式，實現能源和原料消耗最小化，同時最大化提升裝置運行效率與生產靈活性。

　　原油直接制乙烯技術是其中重要的路徑。它通過減少中間過程，達成減少投資、降低生產成本、提高石油資源利用效率以及節能減碳的目標。此技術主要包含原油直接蒸汽裂解制乙烯和原油直接催化裂解制化學品兩條路線。原油直接蒸汽裂解制乙烯主要取決於原油的品質。埃克森美孚於2014年在新加坡建成全球首套商業化裝置，採用API-43的頁岩油。因原油與石腦油的價差較大，該技術具備一定成本優勢。而原油直接催化裂解制化學品的核心在於催化劑，沙特阿美、印度信實、中國石化、中國石油等多家企業都在積極研發。今年2月，沙特阿美宣佈其在韓國蔚山的Shaheen原油制化學品（COTC）項目建設已完成55%，預計2026年投產。不過，該技術的應用仍面臨在同一反應環境下「小分子難裂解、大分子易結焦」的問題。

　　運營管理數字化智能化同樣不可忽視。數字化運營能夠使生產力提高3%—5%，成本降低10%—40%，實現產量、能耗、物耗的整體優化。近年來，乙烯生產企業雖已完成一定程度的自動化升級，主要包括DCS、MES、裂解原料模擬、過程控制等系統的使用，但這一過程中產生的大量數據由於各種原因未能充分收集和利用，其數字化進程缺乏系統理論指導和成功經驗借鑑，距離應用5G、AI、物聯網、大數據、雲計算等新一代信息技術，實現裝置能耗、收率等運行指標最優化的智能製造階段仍有一定差距。

　　應對激烈的市場競爭、快速變化的需求以及綠色發展的壓力，必須以技術突破為核心，以綠色低碳為支撐，通過產業鏈協同和數字化賦能，在細分產品賽道發力，實現產品的高端化、差異化、系列化。一方面，要解決高端產品對外依存度高，無法有效支撐下游新興產業發展壯大的問題。以高端聚烯烴為例，隨着乙烯新增產能的釋放，下游聚烯烴產能出現快速增長，然而，下游產品的性能、質量卻未同步提升。另一方面，要推動產品供給側結構性改革，形成全系列產品解決方案，滿足下游用户的個性化、定製化需求，在單個產品取得突破后，及時擴大產品系列。同時，圍繞下游用户需求，藉助催化劑、工藝創新或后改性等，不斷迭代優化現有產品，推動產品差異化和高端化發展，構建 「基礎+定製」體系，利用智能化配方系統優化催化劑/助劑配伍，形成金字塔產品結構，如埃克森美孚的車用Exxtral聚丙烯系列就擁有上百個牌號。