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乙烯是石油化學工業(yè)最基本的原料，是生產(chǎn)各種有機化工產(chǎn)品的基礎。乙烯工業(yè)是石油化學工業(yè)的龍頭，能夠帶動塑料深加工、橡膠制品、紡織、包裝材料、化工機械制造、運輸?shù)认嚓P行業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟的發(fā)展，具有較強的支撐、輻射和帶動作用。其生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水平標志著一個國家石油化學工業(yè)的發(fā)展水平。
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我國乙烯工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的新形勢
歷經(jīng)半個多世紀的發(fā)展，我國乙烯工業(yè)已經(jīng)取得巨大進步，特別是近十年，有許多里程碑事件，如圖1所示。
我國乙烯工業(yè)已具備較強規(guī)模實力，擁有實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的雄厚基礎。2021年我國乙烯產(chǎn)能達4168萬噸，占全球比例提高至20%，首次超過美國，成為世界最大的乙烯生產(chǎn)國。隨著乙烯產(chǎn)能的快速增長，乙烯工業(yè)的規(guī)?；⒒鼗?、園區(qū)化發(fā)展加快。2000~2021年蒸汽裂解裝置平均規(guī)模由22萬噸/年增至81萬噸/年，百萬噸級乙烯裝置增至15套。產(chǎn)業(yè)布局不斷優(yōu)化，形成了以國內(nèi)原油資源為中心的東北西北地區(qū)石化產(chǎn)業(yè)基地，以進口原油為主，緊貼市場中心的環(huán)渤海灣、長江三角洲、珠江三角洲沿海石化產(chǎn)業(yè)集群，其中環(huán)渤海灣和杭州灣的乙烯總產(chǎn)能占比達到37.5%。規(guī)模效應和集聚效應顯著增強。
綠色成為高質(zhì)量發(fā)展的鮮明底色，乙烯工業(yè)發(fā)展必須兼顧減碳。2021年我國乙烯當量消費量為5884萬噸，占全球乙烯消費量的40%，是全球最大的乙烯消費國。盡管隨著基數(shù)的增大和經(jīng)濟增速的放緩，我國乙烯當量需求增速有所下降，但市場潛力依然很大。2021年我國人均乙烯當量消費量為42千克/人，與美國、西歐和日本等世界主要發(fā)達國家和地區(qū)的消費水平(70~90千克/人)相比還有較大差距，仍有較大的增長空間，從而推動乙烯等基礎化工原料產(chǎn)能快速擴張，預計2030年我國乙烯能力將增加近一倍，達到8000萬噸，碳排放也將隨之增加，而碳達峰碳中和已被納入我國生態(tài)文明建設整體布局，是以習近平同志為核心的黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，乙烯工業(yè)低碳發(fā)展是必然選擇。
2021年7月，全國碳市場啟動正式交易，發(fā)電行業(yè)成為首個納入行業(yè)，預計“十四五”末石化行業(yè)也將納入全國碳市場。2022年6月22日歐洲議會投票通過世界第一個“碳邊界調(diào)整機制”(CBAM)議案。碳關稅覆蓋了電力、水泥、鋼鐵、煉油、化肥、有機化工、塑料、氫和氨等多個領域。將從2023年1月1日起適用，過渡期至2026年底，并逐步結(jié)束免費配額，至2032年全部結(jié)束。這將對我國石化產(chǎn)品出口造成一定影響，研究顯示，按照30美元/噸征收碳稅，石化產(chǎn)品出口降幅可達12.4%。乙烯工業(yè)發(fā)展的同時必須加快減碳步伐。
2021年10月國家發(fā)展改革委等部門發(fā)布《石化化工重點行業(yè)嚴格能效約束推動節(jié)能降碳行動方案》(2021-2025年)(下簡稱《行動方案》)，針對乙烯工業(yè)，提出了行動目標和重點任務。要求到 2025年，通過實施節(jié)能降碳行動，石油基乙烯能耗達到標桿水平(590千克標油/噸)的產(chǎn)能比例超過 30%，碳排放強度明顯下降，綠色低碳發(fā)展能力顯著增強。
而目前國內(nèi)石油基乙烯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，因此《行動方案》要求，加大閑置產(chǎn)能、僵尸產(chǎn)能處置力度，推動 30萬噸 /年及以下乙烯裝置加快退出，嚴禁新建 80萬噸 /年以下石腦油裂解裝置。推廣合成氣一步法制烯烴、原油直接裂解制乙烯等技術(shù)，大型乙烯裂解爐、壓縮機，高效換熱器等設計制造技術(shù)，特殊催化劑、助劑制備技術(shù)，自主化智能控制系統(tǒng)。鼓勵采用熱泵、熱夾點、熱聯(lián)合等技術(shù)，加強工藝余熱、余壓回收，實現(xiàn)能量梯級利用。探索推動蒸汽驅(qū)動向電力驅(qū)動轉(zhuǎn)變。
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乙烯工業(yè)綠色低碳發(fā)展主要方向及技術(shù)路徑
2021年我國石化化工行業(yè)CO2排放量占中國CO2排放總量8%左右，其中乙烯工業(yè)占行業(yè)的8%左右。蒸汽裂解生產(chǎn)乙烯是我國乙烯的最主要生產(chǎn)路線，約占我國乙烯總產(chǎn)能的 84%，生產(chǎn)過程主要包括裂解爐蒸汽裂解、裂解氣壓縮和精餾分離三部分。碳排放源主要有裂解爐燃料燃燒CO2排放、熱力和電消耗間接排放及火炬排放等，其中燃料燃燒直接排放約占60%、熱力和電消耗間接排放約占30%，是最主要的兩大CO2排放源。因此提高裂解爐熱效率、采用高效分離技術(shù)、智能化賦能以及蒸汽驅(qū)動向電力驅(qū)動轉(zhuǎn)變是蒸汽裂解裝置節(jié)能減排的有效路徑之一。
01 | 裂解爐管強化傳熱技術(shù)通過改變裂解爐管內(nèi)部結(jié)構(gòu)(形狀)或材料，改變爐管內(nèi)流體流動狀態(tài)，增加接觸面積、降低邊界層厚度，強化傳熱，減少燃料消耗和碳排放。
美國Lummus等公司開發(fā)的翅片管可將普通爐管熱效率提高20%~30%，已較為成熟。加拿大久保田公司開發(fā)的MERT系列螺旋紋管可提高40%以上傳熱效率，目前已得到廣泛應用。德國Schmidt + Clemens公司開發(fā)的Scope系列爐管，使用HT-E合金，通過均勻環(huán)流模式，提高熱效率，從而減少燃料消耗。Lummus公司的IHT爐管技術(shù)在管內(nèi)表面焊接彎曲擋流板，提高反應混合度與熱效率，可將生產(chǎn)周期延長1.2~2.0倍，已在50多套石腦油裂解裝置上得到應用。
02 | 裂解爐管涂層技術(shù)可延長裂解爐運行周期和爐管使用壽命，大幅降低結(jié)焦速率，減少燃料氣消耗。
按功能可分為屏障涂層和催化涂層，屏障涂層主要起到惰性阻隔的作用，抑制結(jié)焦；催化涂層在阻隔作用的基礎上，通過蒸汽氣化反應，催化去除焦炭。美國Alon公司的AlcroPlex Al/Si屏障涂層最高可抑制90%乙烷裂解結(jié)焦和80%石腦油裂解結(jié)焦，將HP 40爐管運行周期延長1倍。美國GE公司推出的YieldUp催化涂層材料可與水分子發(fā)生化學吸附和脫質(zhì)子反應，形成的高活性氧原子與焦炭接觸后立即反應生成CO和CO2，將運行周期增長6倍，目前已通過中試。
03 | 高效分離技術(shù)可提高裂解產(chǎn)物分離效率，大幅降低過程用能，是乙烯裝置節(jié)能減排的重點措施之一。
除采用先進回收系統(tǒng)(ARS)和二元/三元制冷技術(shù)等不斷優(yōu)化傳統(tǒng)精餾分離過程外，科學家們也在積極探索新型分離材料。根據(jù)分子動力學直徑不同，以及乙烯分子中的不飽和鍵特點，學者們合成并研究了多種MOFs材料，如MAF-49、PCN-250等都被證明具有良好的乙烯/乙烷選擇性；此外，浙江大學研究了一種新型氫鍵-有機框架材料(HOFs)，因獨特的非極性/惰性孔道表面，可與乙烷產(chǎn)生強作用力，實現(xiàn)乙烷/乙烯反轉(zhuǎn)分離，是一種較好的乙烷類吸附劑。但目前這些材料仍處于實驗室階段，需持續(xù)研究，爭取早日實現(xiàn)工業(yè)化應用。
04 | 智能控制系統(tǒng)(IPC)通過數(shù)據(jù)辨識來建立輸入變量與輸出變量之間的關系模型，預測輸出變量趨勢并實現(xiàn)閉環(huán)控制，可提高裝置運行平穩(wěn)性和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，降低裝置能耗。
以Aspen Tech公司推出的以動態(tài)矩陣控制(DMC)法為基礎的DMCPlus軟件為代表的生產(chǎn)過程先進控制(APC)技術(shù)，通過減少過程變量的波動程度，并在此基礎上實現(xiàn)卡邊操作，提高產(chǎn)品收率。目前已有公司將人工智能(AI)技術(shù)應用于乙烯生產(chǎn)過程，信息化技術(shù)在未來將更多地幫助優(yōu)化傳統(tǒng)化工生產(chǎn)過程，進一步實現(xiàn)精細綠色生產(chǎn)。
05 | 使用綠電為裂解爐供熱，有望實現(xiàn)高達90%的減排，裂解爐電氣化將成為降低乙烯裂解裝置碳排放的重要路徑。
全球多家公司，包括陶氏與殼牌合作，巴斯夫、沙比克和林德合作，以及國內(nèi)的大型石油石化公司等都在進行電加熱裂解爐研究。包括長壽命和大功率電熱爐設計、新型高效電熱體材料技術(shù)、先進控制系統(tǒng)等，均需實現(xiàn)技術(shù)突破。此外，芬蘭Coolbrook公司與劍橋大學合作研制了旋轉(zhuǎn)動態(tài)反應器(RDR)技術(shù)，其反應器中心是一個轉(zhuǎn)速為20,000r/min的轉(zhuǎn)子。它將石腦油或乙烷原料以超音速推進擴散室，由沖擊波產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為熱能，將原料加熱到裂解溫度，預計將于2025年實現(xiàn)工業(yè)化。
同時，加快原油直接裂解制烯烴技術(shù)的工業(yè)推廣；加強前瞻性、戰(zhàn)略性和基礎性的課題研究與技術(shù)攻關，做好技術(shù)儲備、提供創(chuàng)新引領。重視天然氣高附加值利用，加強甲烷制乙烯和合成氣制烯烴的研究開發(fā)投入，力爭催化劑等核心技術(shù)的突破和解決工程技術(shù)問題，早日實現(xiàn)工業(yè)化應用。加快廢塑料熱解油凈化技術(shù)、二氧化碳制乙烯技術(shù)的研發(fā)節(jié)奏，實現(xiàn)廢物的低成本資源化利用。布局第3代生物質(zhì)制乙烯技術(shù)，提升乙醇轉(zhuǎn)化率與選擇性。
01 | 原油直接制化學品技術(shù)略過了原油常減壓蒸餾等過程，通過原油直接蒸汽裂解或催化裂解，生產(chǎn)高附加值石化產(chǎn)品，可顯著降低生產(chǎn)過程能耗和碳排放。
直接蒸汽裂解主要取決于原油品質(zhì)，而催化裂解的核心是催化劑。?？松梨诠居?014年在新加坡建成了全球首套商業(yè)化原油直接蒸汽裂解制乙烯裝置，采用頁巖油，主要工藝改進是在裂解爐對流段和輻射段之間加了一個閃蒸罐，輕質(zhì)原油經(jīng)過對流段預熱后與稀釋蒸汽一起進入閃蒸罐，氣液組分分離，其中氣態(tài)組分(質(zhì)量分數(shù)為 76%) 進入輻射段進行裂解，液態(tài)組分(質(zhì)量分數(shù)為 24%)被送至鄰近的煉廠或直接銷售。相對于傳統(tǒng)蒸汽裂解裝置，可節(jié)省能耗約5～10 kg EO/ t原料。沙特阿美的原油催化裂解直接制化學品技術(shù)通過了工業(yè)試驗。原油直接進入加氫裂化裝置，脫硫并將高沸點組分轉(zhuǎn)化為低沸點組分；之后經(jīng)過分離，輕組分進入蒸汽裂解裝置，重組分進入沙特阿美自主研發(fā)的高苛刻度催化裂化裝置，目前尚無相關工業(yè)化報道。
02 | 甲烷一步法制乙烯技術(shù)具有工藝流程短、耗能少、反應過程本身實現(xiàn)了溫室氣體零排放等優(yōu)勢。該技術(shù)主要包括甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯(OCM)和甲烷無氧一步法制乙烯、芳烴和氫氣等產(chǎn)品兩種路線，但目前仍未達到工業(yè)期望的效果。
其中OCM技術(shù)以2015年Siluria公司與巴西Braskem公司、德國林德公司以及沙特阿美旗下的SAEV公司合作在得克薩斯州建成投運365噸/年的OCM試驗裝置為代表。在甲烷無氧一步法制乙烯方面，中國科學院大連化學物理研究所與中國石油等單位開發(fā)出了硅化物(氧化硅或碳化硅)晶格限域的單中心鐵催化劑，但目前尚未見到中試試驗報道。應繼續(xù)加強甲烷制乙烯的研發(fā)投入，力爭催化劑等核心技術(shù)的突破和解決專用反應器、分離精制工藝以及工程放大非技術(shù)問題，早日實現(xiàn)工業(yè)化應用。
03 | 合成氣是碳資源轉(zhuǎn)化利用的重要平臺，主要包括合成氣間接制烯烴和直接轉(zhuǎn)化制烯烴兩種工藝，間接法是將合成氣生成甲醇再制烯烴的過程，而直接法是將合成氣在催化劑的作用下通過費托合成制備低碳烯烴。
目前間接法已實現(xiàn)工業(yè)化應用，其中較具代表性的有?？松梨诠镜腗TO工藝、UOP/Hydro公司的MTO工藝、中國石化的SMTO工藝、中科院大連物化所DMTO工藝等。與間接法相比，直接法制低碳烯烴具有流程短、能耗較低等優(yōu)勢。中科院大連化物所、清華大學、中國石化等都開展了相關研究，應加快研發(fā)進程，提高催化劑活性與選擇性，力爭早日實現(xiàn)工業(yè)化。
04 | 廢塑料生產(chǎn)乙烯是將廢塑料通過化學回收方法生成廢塑料熱解油，再經(jīng)凈化處理脫除Cl、Si等雜質(zhì)，進入蒸汽裂解裝置生產(chǎn)乙烯，進一步生產(chǎn)聚乙烯等下游產(chǎn)品，實現(xiàn)了塑料的閉環(huán)循環(huán)，兼具減污、減碳和節(jié)省資源的作用。
Axens公司聯(lián)合Plastic Energy 和 REPSOL公司開發(fā)了廢塑料熱解-后精制-蒸汽裂解技術(shù)，并且在西班牙有兩套4千噸/年裝置進行工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)。SABIC公司開發(fā)了廢塑料熱解-加氫-蒸汽裂解技術(shù)，已完成工業(yè)示范，生產(chǎn)的經(jīng)認證的TRUE CIRCLE再生聚合物已成功應用于聯(lián)合利華、夢龍等產(chǎn)品包裝。未來的研發(fā)重點為雜質(zhì)脫除與裝置對原料的適應性。
05 | 以CO2為原料通過還原反應生成乙烯在降低生產(chǎn)排放的同時還實現(xiàn)了CO2的資源化利用。在電化學系統(tǒng)中，氫離子由陽極水產(chǎn)生，CO2在陰極被還原，碳和氫結(jié)合成乙烯。
Braskem公司于2020年宣布與UIC合作研發(fā)基于CO2電化學還原的乙烯生產(chǎn)技術(shù)。據(jù)測算，在使用可再生能源的前提下，該系統(tǒng)可將乙烯生產(chǎn)碳強度降低20%~30%。該技術(shù)仍需優(yōu)化銅基催化劑組成和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)長期運行的穩(wěn)定性和活性。另外，大規(guī)模具有經(jīng)濟效益必須建立在成熟完備的CO2捕集與存儲技術(shù)基礎上，仍需將CO2富集等技術(shù)作為研發(fā)重點。
06 | 生物質(zhì)原料生產(chǎn)乙烯可實現(xiàn)源頭減碳。
目前以Braskem公司為代表的第1代乙醇發(fā)酵法制乙烯技術(shù)已經(jīng)成熟。以BP與德希尼布公司Hummingbird®技術(shù)與Axens、道達爾和IFP聯(lián)合推出了聚合級生物乙烯生產(chǎn)技術(shù)Atol®為代表的第2代纖維素乙醇以及第3代生物微藻乙醇制乙烯技術(shù)仍在積極研發(fā)中，第2代和第3代技術(shù)由于原料化學結(jié)構(gòu)較為復雜，乙醇轉(zhuǎn)化率與選擇性、乙烯產(chǎn)率尚有待提高。
(作者：中國石油石油化工研究院王紅秋、侯雨璇、付凱妹)
原標題：產(chǎn)能已居全球之首，我國乙烯怎樣兼顧發(fā)展和減碳？關注這幾大方向！
