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乙烯是石油化學(xué)工業(yè)最基本的原料，是生產(chǎn)各種有機(jī)化工產(chǎn)品的基礎(chǔ)。乙烯工業(yè)是石油化學(xué)工業(yè)的龍頭，能夠帶動(dòng)塑料深加工、橡膠制品、紡織、包裝材料、化工機(jī)械制造、運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)行業(yè)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有較強(qiáng)的支撐、輻射和帶動(dòng)作用。其生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展水平。
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我國(guó)乙烯工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的新形勢(shì)
歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)乙烯工業(yè)已經(jīng)取得巨大進(jìn)步，特別是近十年，有許多里程碑事件，如圖1所示。
我國(guó)乙烯工業(yè)已具備較強(qiáng)規(guī)模實(shí)力，擁有實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的雄厚基礎(chǔ)。2021年我國(guó)乙烯產(chǎn)能達(dá)4168萬噸，占全球比例提高至20%，首次超過美國(guó)，成為世界最大的乙烯生產(chǎn)國(guó)。隨著乙烯產(chǎn)能的快速增長(zhǎng)，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(jí)乙烯裝置增至15套。產(chǎn)業(yè)布局不斷優(yōu)化，形成了以國(guó)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(jìn)口原油為主，緊貼市場(chǎng)中心的環(huán)渤海灣、長(zhǎng)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(dá)到37.5%。規(guī)模效應(yīng)和集聚效應(yīng)顯著增強(qiáng)。
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(guó)乙烯當(dāng)量消費(fèi)量為5884萬噸，占全球乙烯消費(fèi)量的40%，是全球最大的乙烯消費(fèi)國(guó)。盡管隨著基數(shù)的增大和經(jīng)濟(jì)增速的放緩，我國(guó)乙烯當(dāng)量需求增速有所下降，但市場(chǎng)潛力依然很大。2021年我國(guó)人均乙烯當(dāng)量消費(fèi)量為42千克/人，與美國(guó)、西歐和日本等世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的消費(fèi)水平(70~90千克/人)相比還有較大差距，仍有較大的增長(zhǎng)空間，從而推動(dòng)乙烯等基礎(chǔ)化工原料產(chǎn)能快速擴(kuò)張，預(yù)計(jì)2030年我國(guó)乙烯能力將增加近一倍，達(dá)到8000萬噸，碳排放也將隨之增加，而碳達(dá)峰碳中和已被納入我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)整體布局，是以習(xí)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(guó)碳市場(chǎng)啟動(dòng)正式交易，發(fā)電行業(yè)成為首個(gè)納入行業(yè)，預(yù)計(jì)“十四五”末石化行業(yè)也將納入全國(guó)碳市場(chǎng)。2022年6月22日歐洲議會(huì)投票通過世界第一個(gè)“碳邊界調(diào)整機(jī)制”(CBAM)議案。碳關(guān)稅覆蓋了電力、水泥、鋼鐵、煉油、化肥、有機(jī)化工、塑料、氫和氨等多個(gè)領(lǐng)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(fèi)配額，至2032年全部結(jié)束。這將對(duì)我國(guó)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(dá)12.4%。乙烯工業(yè)發(fā)展的同時(shí)必須加快減碳步伐。
2021年10月國(guó)家發(fā)展改革委等部門發(fā)布《石化化工重點(diǎn)行業(yè)嚴(yán)格能效約束推動(dòng)節(jié)能降碳行動(dòng)方案》(2021-2025年)(下簡(jiǎn)稱《行動(dòng)方案》)，針對(duì)乙烯工業(yè)，提出了行動(dòng)目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)。要求到 2025年，通過實(shí)施節(jié)能降碳行動(dòng)，石油基乙烯能耗達(dá)到標(biāo)桿水平(590千克標(biāo)油/噸)的產(chǎn)能比例超過 30%，碳排放強(qiáng)度明顯下降，綠色低碳發(fā)展能力顯著增強(qiáng)。
而目前國(guó)內(nèi)石油基乙烯能耗平均水平與基準(zhǔn)水平目標(biāo)(640千克標(biāo)油/噸)相比尚有差距，因此《行動(dòng)方案》要求，加大閑置產(chǎn)能、僵尸產(chǎn)能處置力度，推動(dòng) 30萬噸 /年及以下乙烯裝置加快退出，嚴(yán)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(jī)，高效換熱器等設(shè)計(jì)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(lì)采用熱泵、熱夾點(diǎn)、熱聯(lián)合等技術(shù)，加強(qiáng)工藝余熱、余壓回收，實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用。探索推動(dòng)蒸汽驅(qū)動(dòng)向電力驅(qū)動(dòng)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(guó)石化化工行業(yè)CO2排放量占中國(guó)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(guó)乙烯的最主要生產(chǎn)路線，約占我國(guó)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(dòng)向電力驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(dòng)狀態(tài)，增加接觸面積、降低邊界層厚度，強(qiáng)化傳熱，減少燃料消耗和碳排放。
美國(guó)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(yīng)用。德國(guó)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(yīng)混合度與熱效率，可將生產(chǎn)周期延長(zhǎng)1.2~2.0倍，已在50多套石腦油裂解裝置上得到應(yīng)用。
02 | 裂解爐管涂層技術(shù)可延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)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(chǔ)上，通過蒸汽氣化反應(yīng)，催化去除焦炭。美國(guó)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(yùn)行周期延長(zhǎng)1倍。美國(guó)GE公司推出的YieldUp催化涂層材料可與水分子發(fā)生化學(xué)吸附和脫質(zhì)子反應(yīng)，形成的高活性氧原子與焦炭接觸后立即反應(yīng)生成CO和CO2，將運(yùn)行周期增長(zhǎng)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(diǎn)措施之一。
除采用先進(jìn)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(xué)家們也在積極探索新型分離材料。根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)直徑不同，以及乙烯分子中的不飽和鍵特點(diǎn)，學(xué)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(xué)研究了一種新型氫鍵-有機(jī)框架材料(HOFs)，因獨(dú)特的非極性/惰性孔道表面，可與乙烷產(chǎn)生強(qiáng)作用力，實(shí)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(shí)驗(yàn)室階段，需持續(xù)研究，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
04 | 智能控制系統(tǒng)(IPC)通過數(shù)據(jù)辨識(shí)來建立輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系模型，預(yù)測(cè)輸出變量趨勢(shì)并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可提高裝置運(yùn)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(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)法為基礎(chǔ)的DMCPlus軟件為代表的生產(chǎn)過程先進(jìn)控制(APC)技術(shù)，通過減少過程變量的波動(dòng)程度，并在此基礎(chǔ)上實(shí)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(yīng)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精細(xì)綠色生產(chǎn)。
05 | 使用綠電為裂解爐供熱，有望實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(guó)內(nèi)的大型石油石化公司等都在進(jìn)行電加熱裂解爐研究。包括長(zhǎng)壽命和大功率電熱爐設(shè)計(jì)、新型高效電熱體材料技術(shù)、先進(jìn)控制系統(tǒng)等，均需實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。此外，芬蘭Coolbrook公司與劍橋大學(xué)合作研制了旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)反應(yīng)器(RDR)技術(shù)，其反應(yīng)器中心是一個(gè)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(jìn)擴(kuò)散室，由沖擊波產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，將原料加熱到裂解溫度，預(yù)計(jì)將于2025年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
同時(shí)，加快原油直接裂解制烯烴技術(shù)的工業(yè)推廣；加強(qiáng)前瞻性、戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性的課題研究與技術(shù)攻關(guān)，做好技術(shù)儲(chǔ)備、提供創(chuàng)新引領(lǐng)。重視天然氣高附加值利用，加強(qiáng)甲烷制乙烯和合成氣制烯烴的研究開發(fā)投入，力爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)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(shí)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(xué)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(jìn)是在裂解爐對(duì)流段和輻射段之間加了一個(gè)閃蒸罐，輕質(zhì)原油經(jīng)過對(duì)流段預(yù)熱后與稀釋蒸汽一起進(jìn)入閃蒸罐，氣液組分分離，其中氣態(tài)組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 76%) 進(jìn)入輻射段進(jìn)行裂解，液態(tài)組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 24%)被送至鄰近的煉廠或直接銷售。相對(duì)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(xué)品技術(shù)通過了工業(yè)試驗(yàn)。原油直接進(jìn)入加氫裂化裝置，脫硫并將高沸點(diǎn)組分轉(zhuǎn)化為低沸點(diǎn)組分；之后經(jīng)過分離，輕組分進(jìn)入蒸汽裂解裝置，重組分進(jìn)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(guān)工業(yè)化報(bào)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(yīng)過程本身實(shí)現(xiàn)了溫室氣體零排放等優(yōu)勢(shì)。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(dá)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(guó)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(yùn)365噸/年的OCM試驗(yàn)裝置為代表。在甲烷無氧一步法制乙烯方面，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與中國(guó)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(yàn)報(bào)道。應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)甲烷制乙烯的研發(fā)投入，力爭(zhēng)催化劑等核心技術(shù)的突破和解決專用反應(yīng)器、分離精制工藝以及工程放大非技術(shù)問題，早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
03 | 合成氣是碳資源轉(zhuǎn)化利用的重要平臺(tái)，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(fèi)托合成制備低碳烯烴。
目前間接法已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，其中較具代表性的有埃克森美孚公司的MTO工藝、UOP/Hydro公司的MTO工藝、中國(guó)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(shì)。中科院大連化物所、清華大學(xué)、中國(guó)石化等都開展了相關(guān)研究，應(yīng)加快研發(fā)進(jìn)程，提高催化劑活性與選擇性，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
04 | 廢塑料生產(chǎn)乙烯是將廢塑料通過化學(xué)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(jìn)入蒸汽裂解裝置生產(chǎn)乙烯，進(jìn)一步生產(chǎn)聚乙烯等下游產(chǎn)品，實(shí)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(jìn)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(rèn)證的TRUE CIRCLE再生聚合物已成功應(yīng)用于聯(lián)合利華、夢(mèng)龍等產(chǎn)品包裝。未來的研發(fā)重點(diǎn)為雜質(zhì)脫除與裝置對(duì)原料的適應(yīng)性。
05 | 以CO2為原料通過還原反應(yīng)生成乙烯在降低生產(chǎn)排放的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了CO2的資源化利用。在電化學(xué)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(xué)還原的乙烯生產(chǎn)技術(shù)。據(jù)測(cè)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和活性。另外，大規(guī)模具有經(jīng)濟(jì)效益必須建立在成熟完備的CO2捕集與存儲(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)上，仍需將CO2富集等技術(shù)作為研發(fā)重點(diǎn)。
06 | 生物質(zhì)原料生產(chǎn)乙烯可實(shí)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(dá)爾和IFP聯(lián)合推出了聚合級(jí)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(xué)結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(guó)石油石油化工研究院王紅秋、侯雨璇、付凱妹)
原標(biāo)題：產(chǎn)能已居全球之首，我國(guó)乙烯怎樣兼顧發(fā)展和減碳？關(guān)注這幾大方向！
