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乙烯是石油化學工業最基本的原料，是生產各種有機化工產品的基礎。乙烯工業是石油化學工業的龍頭，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、運輸等相關行業乃至整個國民經濟的發展，具有較強的支撐、輻射和帶動作用。其生產規模和技術水平標志著一個國家石油化學工業的發展水平。
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我國乙烯工業發展現狀及面臨的新形勢
歷經半個多世紀的發展，我國乙烯工業已經取得巨大進步，特別是近十年，有許多里程碑事件，如圖1所示。
我國乙烯工業已具備較強規模實力，擁有實現高質量發展的雄厚基礎。2021年我國乙烯產能達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國。隨著乙烯產能的快速增長，乙烯工業的規模化、基地化、園區化發展加快。2000~2021年蒸汽裂解裝置平均規模由22萬噸/年增至81萬噸/年，百萬噸級乙烯裝置增至15套。產業布局不斷優化，形成了以國內原油資源為中心的東北西北地區石化產業基地，以進口原油為主，緊貼市場中心的環渤海灣、長江三角洲、珠江三角洲沿海石化產業集群，其中環渤海灣和杭州灣的乙烯總產能占比達到37.5%。規模效應和集聚效應顯著增強。
綠色成為高質量發展的鮮明底色，乙烯工業發展必須兼顧減碳。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。盡管隨著基數的增大和經濟增速的放緩，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達國家和地區的消費水平(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文明建設整體布局，是以習近平同志為核心的黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，乙烯工業低碳發展是必然選擇。
2021年7月，全國碳市場啟動正式交易，發電行業成為首個納入行業，預計“十四五”末石化行業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，并逐步結束免費配額，至2032年全部結束。這將對我國石化產品出口造成一定影響，研究顯示，按照30美元/噸征收碳稅，石化產品出口降幅可達12.4%。乙烯工業發展的同時必須加快減碳步伐。
2021年10月國家發展改革委等部門發布《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)(下簡稱《行動方案》)，針對乙烯工業，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桿水平(590千克標油/噸)的產能比例超過 30%，碳排放強度明顯下降，綠色低碳發展能力顯著增強。
而目前國內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，加大閑置產能、僵尸產能處置力度，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，大型乙烯裂解爐、壓縮機，高效換熱器等設計制造技術，特殊催化劑、助劑制備技術，自主化智能控制系統。鼓勵采用熱泵、熱夾點、熱聯合等技術，加強工藝余熱、余壓回收，實現能量梯級利用。探索推動蒸汽驅動向電力驅動轉變。
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乙烯工業綠色低碳發展主要方向及技術路徑
2021年我國石化化工行業CO2排放量占中國CO2排放總量8%左右，其中乙烯工業占行業的8%左右。蒸汽裂解生產乙烯是我國乙烯的最主要生產路線，約占我國乙烯總產能的 84%，生產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、智能化賦能以及蒸汽驅動向電力驅動轉變是蒸汽裂解裝置節能減排的有效路徑之一。
01 | 裂解爐管強化傳熱技術通過改變裂解爐管內部結構(形狀)或材料，改變爐管內流體流動狀態，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公司開發的Scope系列爐管，使用HT-E合金，通過均勻環流模式，提高熱效率，從而減少燃料消耗。Lummus公司的IHT爐管技術在管內表面焊接彎曲擋流板，提高反應混合度與熱效率，可將生產周期延長1.2~2.0倍，已在50多套石腦油裂解裝置上得到應用。
02 | 裂解爐管涂層技術可延長裂解爐運行周期和爐管使用壽命，大幅降低結焦速率，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%乙烷裂解結焦和80%石腦油裂解結焦，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生化學吸附和脫質子反應，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 | 高效分離技術可提高裂解產物分離效率，大幅降低過程用能，是乙烯裝置節能減排的重點措施之一。
除采用先進回收系統(ARS)和二元/三元制冷技術等不斷優化傳統精餾分離過程外，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，可與乙烷產生強作用力，實現乙烷/乙烯反轉分離，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，需持續研究，爭取早日實現工業化應用。
04 | 智能控制系統(IPC)通過數據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閉環控制，可提高裝置運行平穩性和產品質量穩定性，降低裝置能耗。
以Aspen Tech公司推出的以動態矩陣控制(DMC)法為基礎的DMCPlus軟件為代表的生產過程先進控制(APC)技術，通過減少過程變量的波動程度，并在此基礎上實現卡邊操作，提高產品收率。目前已有公司將人工智能(AI)技術應用于乙烯生產過程，信息化技術在未來將更多地幫助優化傳統化工生產過程，進一步實現精細綠色生產。
05 | 使用綠電為裂解爐供熱，有望實現高達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、先進控制系統等，均需實現技術突破。此外，芬蘭Coolbrook公司與劍橋大學合作研制了旋轉動態反應器(RDR)技術，其反應器中心是一個轉速為20,000r/min的轉子。它將石腦油或乙烷原料以超音速推進擴散室，由沖擊波產生的動能轉化為熱能，將原料加熱到裂解溫度，預計將于2025年實現工業化。
同時，加快原油直接裂解制烯烴技術的工業推廣；加強前瞻性、戰略性和基礎性的課題研究與技術攻關，做好技術儲備、提供創新引領。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投入，力爭催化劑等核心技術的突破和解決工程技術問題，早日實現工業化應用。加快廢塑料熱解油凈化技術、二氧化碳制乙烯技術的研發節奏，實現廢物的低成本資源化利用。布局第3代生物質制乙烯技術，提升乙醇轉化率與選擇性。
01 | 原油直接制化學品技術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，生產高附加值石化產品，可顯著降低生產過程能耗和碳排放。
直接蒸汽裂解主要取決于原油品質，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，輕質原油經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，其中氣態組分(質量分數為 76%) 進入輻射段進行裂解，液態組分(質量分數為 24%)被送至鄰近的煉廠或直接銷售。相對于傳統蒸汽裂解裝置，可節省能耗約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通過了工業試驗。原油直接進入加氫裂化裝置，脫硫并將高沸點組分轉化為低沸點組分；之后經過分離，輕組分進入蒸汽裂解裝置，重組分進入沙特阿美自主研發的高苛刻度催化裂化裝置，目前尚無相關工業化報道。
02 | 甲烷一步法制乙烯技術具有工藝流程短、耗能少、反應過程本身實現了溫室氣體零排放等優勢。該技術主要包括甲烷氧化偶聯制乙烯(OCM)和甲烷無氧一步法制乙烯、芳烴和氫氣等產品兩種路線，但目前仍未達到工業期望的效果。
其中OCM技術以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。應繼續加強甲烷制乙烯的研發投入，力爭催化劑等核心技術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問題，早日實現工業化應用。
03 | 合成氣是碳資源轉化利用的重要平臺，主要包括合成氣間接制烯烴和直接轉化制烯烴兩種工藝，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。
目前間接法已實現工業化應用，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，應加快研發進程，提高催化劑活性與選擇性，力爭早日實現工業化。
04 | 廢塑料生產乙烯是將廢塑料通過化學回收方法生成廢塑料熱解油，再經凈化處理脫除Cl、Si等雜質，進入蒸汽裂解裝置生產乙烯，進一步生產聚乙烯等下游產品，實現了塑料的閉環循環，兼具減污、減碳和節省資源的作用。
Axens公司聯合Plastic Energy 和 REPSOL公司開發了廢塑料熱解-后精制-蒸汽裂解技術，并且在西班牙有兩套4千噸/年裝置進行工業連續生產。SABIC公司開發了廢塑料熱解-加氫-蒸汽裂解技術，已完成工業示范，生產的經認證的TRUE CIRCLE再生聚合物已成功應用于聯合利華、夢龍等產品包裝。未來的研發重點為雜質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排放的同時還實現了CO2的資源化利用。在電化學系統中，氫離子由陽極水產生，CO2在陰極被還原，碳和氫結合成乙烯。
Braskem公司于2020年宣布與UIC合作研發基于CO2電化學還原的乙烯生產技術。據測算，在使用可再生能源的前提下，該系統可將乙烯生產碳強度降低20%~30%。該技術仍需優化銅基催化劑組成和結構來實現長期運行的穩定性和活性。另外，大規模具有經濟效益必須建立在成熟完備的CO2捕集與存儲技術基礎上，仍需將CO2富集等技術作為研發重點。
06 | 生物質原料生產乙烯可實現源頭減碳。
目前以Braskem公司為代表的第1代乙醇發酵法制乙烯技術已經成熟。以BP與德希尼布公司Hummingbird®技術與Axens、道達爾和IFP聯合推出了聚合級生物乙烯生產技術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仍在積極研發中，第2代和第3代技術由于原料化學結構較為復雜，乙醇轉化率與選擇性、乙烯產率尚有待提高。
(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：產能已居全球之首，我國乙烯怎樣兼顧發展和減碳？關注這幾大方向！
