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杜安
乙烯是石油化学工业最基本的原料，是生产各种有机化工产品的基础。乙烯工业是石油化学工业的龙头，能够带动塑料深加工、橡胶制品、纺织、包装材料、化工机械制造、运输等相关行业乃至整个国民经济的发展，具有较强的支撑、辐射和带动作用。其生产规模和技术水平标志着一个国家石油化学工业的发展水平。
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我国乙烯工业发展现状及面临的新形势
历经半个多世纪的发展，我国乙烯工业已经取得巨大进步，特别是近十年，有许多里程碑事件，如图1所示。
我国乙烯工业已具备较强规模实力，拥有实现高质量发展的雄厚基础。2021年我国乙烯产能达4168万吨，占全球比例提高至20%，首次超过美国，成为世界最大的乙烯生产国。随着乙烯产能的快速增长，乙烯工业的规模化、基地化、园区化发展加快。2000~2021年蒸汽裂解装置平均规模由22万吨/年增至81万吨/年，百万吨级乙烯装置增至15套。产业布局不断优化，形成了以国内原油资源为中心的东北西北地区石化产业基地，以进口原油为主，紧贴市场中心的环渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲沿海石化产业集群，其中环渤海湾和杭州湾的乙烯总产能占比达到37.5%。规模效应和集聚效应显著增强。
绿色成为高质量发展的鲜明底色，乙烯工业发展必须兼顾减碳。2021年我国乙烯当量消费量为5884万吨，占全球乙烯消费量的40%，是全球最大的乙烯消费国。尽管随着基数的增大和经济增速的放缓，我国乙烯当量需求增速有所下降，但市场潜力依然很大。2021年我国人均乙烯当量消费量为42千克/人，与美国、西欧和日本等世界主要发达国家和地区的消费水平(70~90千克/人)相比还有较大差距，仍有较大的增长空间，从而推动乙烯等基础化工原料产能快速扩张，预计2030年我国乙烯能力将增加近一倍，达到8000万吨，碳排放也将随之增加，而碳达峰碳中和已被纳入我国生态文明建设整体布局，是以习近平同志为核心的党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，乙烯工业低碳发展是必然选择。
2021年7月，全国碳市场启动正式交易，发电行业成为首个纳入行业，预计“十四五”末石化行业也将纳入全国碳市场。2022年6月22日欧洲议会投票通过世界第一个“碳边界调整机制”(CBAM)议案。碳关税覆盖了电力、水泥、钢铁、炼油、化肥、有机化工、塑料、氢和氨等多个领域。将从2023年1月1日起适用，过渡期至2026年底，并逐步结束免费配额，至2032年全部结束。这将对我国石化产品出口造成一定影响，研究显示，按照30美元/吨征收碳税，石化产品出口降幅可达12.4%。乙烯工业发展的同时必须加快减碳步伐。
2021年10月国家发展改革委等部门发布《石化化工重点行业严格能效约束推动节能降碳行动方案》(2021-2025年)(下简称《行动方案》)，针对乙烯工业，提出了行动目标和重点任务。要求到 2025年，通过实施节能降碳行动，石油基乙烯能耗达到标杆水平(590千克标油/吨)的产能比例超过 30%，碳排放强度明显下降，绿色低碳发展能力显著增强。
而目前国内石油基乙烯能耗平均水平与基准水平目标(640千克标油/吨)相比尚有差距，因此《行动方案》要求，加大闲置产能、僵尸产能处置力度，推动 30万吨 /年及以下乙烯装置加快退出，严禁新建 80万吨 /年以下石脑油裂解装置。推广合成气一步法制烯烃、原油直接裂解制乙烯等技术，大型乙烯裂解炉、压缩机，高效换热器等设计制造技术，特殊催化剂、助剂制备技术，自主化智能控制系统。鼓励采用热泵、热夹点、热联合等技术，加强工艺余热、余压回收，实现能量梯级利用。探索推动蒸汽驱动向电力驱动转变。
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乙烯工业绿色低碳发展主要方向及技术路径
2021年我国石化化工行业CO2排放量占中国CO2排放总量8%左右，其中乙烯工业占行业的8%左右。蒸汽裂解生产乙烯是我国乙烯的最主要生产路线，约占我国乙烯总产能的 84%，生产过程主要包括裂解炉蒸汽裂解、裂解气压缩和精馏分离三部分。碳排放源主要有裂解炉燃料燃烧CO2排放、热力和电消耗间接排放及火炬排放等，其中燃料燃烧直接排放约占60%、热力和电消耗间接排放约占30%，是最主要的两大CO2排放源。因此提高裂解炉热效率、采用高效分离技术、智能化赋能以及蒸汽驱动向电力驱动转变是蒸汽裂解装置节能减排的有效路径之一。
01 | 裂解炉管强化传热技术通过改变裂解炉管内部结构(形状)或材料，改变炉管内流体流动状态，增加接触面积、降低边界层厚度，强化传热，减少燃料消耗和碳排放。
美国Lummus等公司开发的翅片管可将普通炉管热效率提高20%~30%，已较为成熟。加拿大久保田公司开发的MERT系列螺旋纹管可提高40%以上传热效率，目前已得到广泛应用。德国Schmidt + Clemens公司开发的Scope系列炉管，使用HT-E合金，通过均匀环流模式，提高热效率，从而减少燃料消耗。Lummus公司的IHT炉管技术在管内表面焊接弯曲挡流板，提高反应混合度与热效率，可将生产周期延长1.2~2.0倍，已在50多套石脑油裂解装置上得到应用。
02 | 裂解炉管涂层技术可延长裂解炉运行周期和炉管使用寿命，大幅降低结焦速率，减少燃料气消耗。
按功能可分为屏障涂层和催化涂层，屏障涂层主要起到惰性阻隔的作用，抑制结焦；催化涂层在阻隔作用的基础上，通过蒸汽气化反应，催化去除焦炭。美国Alon公司的AlcroPlex Al/Si屏障涂层最高可抑制90%乙烷裂解结焦和80%石脑油裂解结焦，将HP 40炉管运行周期延长1倍。美国GE公司推出的YieldUp催化涂层材料可与水分子发生化学吸附和脱质子反应，形成的高活性氧原子与焦炭接触后立即反应生成CO和CO2，将运行周期增长6倍，目前已通过中试。
03 | 高效分离技术可提高裂解产物分离效率，大幅降低过程用能，是乙烯装置节能减排的重点措施之一。
除采用先进回收系统(ARS)和二元/三元制冷技术等不断优化传统精馏分离过程外，科学家们也在积极探索新型分离材料。根据分子动力学直径不同，以及乙烯分子中的不饱和键特点，学者们合成并研究了多种MOFs材料，如MAF-49、PCN-250等都被证明具有良好的乙烯/乙烷选择性；此外，浙江大学研究了一种新型氢键-有机框架材料(HOFs)，因独特的非极性/惰性孔道表面，可与乙烷产生强作用力，实现乙烷/乙烯反转分离，是一种较好的乙烷类吸附剂。但目前这些材料仍处于实验室阶段，需持续研究，争取早日实现工业化应用。
04 | 智能控制系统(IPC)通过数据辨识来建立输入变量与输出变量之间的关系模型，预测输出变量趋势并实现闭环控制，可提高装置运行平稳性和产品质量稳定性，降低装置能耗。
以Aspen Tech公司推出的以动态矩阵控制(DMC)法为基础的DMCPlus软件为代表的生产过程先进控制(APC)技术，通过减少过程变量的波动程度，并在此基础上实现卡边操作，提高产品收率。目前已有公司将人工智能(AI)技术应用于乙烯生产过程，信息化技术在未来将更多地帮助优化传统化工生产过程，进一步实现精细绿色生产。
05 | 使用绿电为裂解炉供热，有望实现高达90%的减排，裂解炉电气化将成为降低乙烯裂解装置碳排放的重要路径。
全球多家公司，包括陶氏与壳牌合作，巴斯夫、沙比克和林德合作，以及国内的大型石油石化公司等都在进行电加热裂解炉研究。包括长寿命和大功率电热炉设计、新型高效电热体材料技术、先进控制系统等，均需实现技术突破。此外，芬兰Coolbrook公司与剑桥大学合作研制了旋转动态反应器(RDR)技术，其反应器中心是一个转速为20,000r/min的转子。它将石脑油或乙烷原料以超音速推进扩散室，由冲击波产生的动能转化为热能，将原料加热到裂解温度，预计将于2025年实现工业化。
同时，加快原油直接裂解制烯烃技术的工业推广；加强前瞻性、战略性和基础性的课题研究与技术攻关，做好技术储备、提供创新引领。重视天然气高附加值利用，加强甲烷制乙烯和合成气制烯烃的研究开发投入，力争催化剂等核心技术的突破和解决工程技术问题，早日实现工业化应用。加快废塑料热解油净化技术、二氧化碳制乙烯技术的研发节奏，实现废物的低成本资源化利用。布局第3代生物质制乙烯技术，提升乙醇转化率与选择性。
01 | 原油直接制化学品技术略过了原油常减压蒸馏等过程，通过原油直接蒸汽裂解或催化裂解，生产高附加值石化产品，可显著降低生产过程能耗和碳排放。
直接蒸汽裂解主要取决于原油品质，而催化裂解的核心是催化剂。埃克森美孚公司于2014年在新加坡建成了全球首套商业化原油直接蒸汽裂解制乙烯装置，采用页岩油，主要工艺改进是在裂解炉对流段和辐射段之间加了一个闪蒸罐，轻质原油经过对流段预热后与稀释蒸汽一起进入闪蒸罐，气液组分分离，其中气态组分(质量分数为 76%) 进入辐射段进行裂解，液态组分(质量分数为 24%)被送至邻近的炼厂或直接销售。相对于传统蒸汽裂解装置，可节省能耗约5～10 kg EO/ t原料。沙特阿美的原油催化裂解直接制化学品技术通过了工业试验。原油直接进入加氢裂化装置，脱硫并将高沸点组分转化为低沸点组分；之后经过分离，轻组分进入蒸汽裂解装置，重组分进入沙特阿美自主研发的高苛刻度催化裂化装置，目前尚无相关工业化报道。
02 | 甲烷一步法制乙烯技术具有工艺流程短、耗能少、反应过程本身实现了温室气体零排放等优势。该技术主要包括甲烷氧化偶联制乙烯(OCM)和甲烷无氧一步法制乙烯、芳烃和氢气等产品两种路线，但目前仍未达到工业期望的效果。
其中OCM技术以2015年Siluria公司与巴西Braskem公司、德国林德公司以及沙特阿美旗下的SAEV公司合作在得克萨斯州建成投运365吨/年的OCM试验装置为代表。在甲烷无氧一步法制乙烯方面，中国科学院大连化学物理研究所与中国石油等单位开发出了硅化物(氧化硅或碳化硅)晶格限域的单中心铁催化剂，但目前尚未见到中试试验报道。应继续加强甲烷制乙烯的研发投入，力争催化剂等核心技术的突破和解决专用反应器、分离精制工艺以及工程放大非技术问题，早日实现工业化应用。
03 | 合成气是碳资源转化利用的重要平台，主要包括合成气间接制烯烃和直接转化制烯烃两种工艺，间接法是将合成气生成甲醇再制烯烃的过程，而直接法是将合成气在催化剂的作用下通过费托合成制备低碳烯烃。
目前间接法已实现工业化应用，其中较具代表性的有埃克森美孚公司的MTO工艺、UOP/Hydro公司的MTO工艺、中国石化的SMTO工艺、中科院大连物化所DMTO工艺等。与间接法相比，直接法制低碳烯烃具有流程短、能耗较低等优势。中科院大连化物所、清华大学、中国石化等都开展了相关研究，应加快研发进程，提高催化剂活性与选择性，力争早日实现工业化。
04 | 废塑料生产乙烯是将废塑料通过化学回收方法生成废塑料热解油，再经净化处理脱除Cl、Si等杂质，进入蒸汽裂解装置生产乙烯，进一步生产聚乙烯等下游产品，实现了塑料的闭环循环，兼具减污、减碳和节省资源的作用。
Axens公司联合Plastic Energy 和 REPSOL公司开发了废塑料热解-后精制-蒸汽裂解技术，并且在西班牙有两套4千吨/年装置进行工业连续生产。SABIC公司开发了废塑料热解-加氢-蒸汽裂解技术，已完成工业示范，生产的经认证的TRUE CIRCLE再生聚合物已成功应用于联合利华、梦龙等产品包装。未来的研发重点为杂质脱除与装置对原料的适应性。
05 | 以CO2为原料通过还原反应生成乙烯在降低生产排放的同时还实现了CO2的资源化利用。在电化学系统中，氢离子由阳极水产生，CO2在阴极被还原，碳和氢结合成乙烯。
Braskem公司于2020年宣布与UIC合作研发基于CO2电化学还原的乙烯生产技术。据测算，在使用可再生能源的前提下，该系统可将乙烯生产碳强度降低20%~30%。该技术仍需优化铜基催化剂组成和结构来实现长期运行的稳定性和活性。另外，大规模具有经济效益必须建立在成熟完备的CO2捕集与存储技术基础上，仍需将CO2富集等技术作为研发重点。
06 | 生物质原料生产乙烯可实现源头减碳。
目前以Braskem公司为代表的第1代乙醇发酵法制乙烯技术已经成熟。以BP与德希尼布公司Hummingbird®技术与Axens、道达尔和IFP联合推出了聚合级生物乙烯生产技术Atol®为代表的第2代纤维素乙醇以及第3代生物微藻乙醇制乙烯技术仍在积极研发中，第2代和第3代技术由于原料化学结构较为复杂，乙醇转化率与选择性、乙烯产率尚有待提高。
(作者：中国石油石油化工研究院王红秋、侯雨璇、付凯妹)
原标题：产能已居全球之首，我国乙烯怎样兼顾发展和减碳？关注这几大方向！
