1.1 乙烯產(chǎn)能持續(xù)穩(wěn)步增長
2020 年,全球乙烯產(chǎn)能預(yù)計超過2×108??t/a,新增產(chǎn)能仍然來自美國和中國,全球乙烯裝置總數(shù)約為330座,平均規(guī)模約為58.7×104??t/a,比2019 年的56.7×104??t/a有所提升。預(yù)計未來5年,乙烯產(chǎn)能年均增速將達(dá)到4.3%,需求增速將達(dá)到32%,開工率呈下降態(tài)勢 。
1.2 原料向多元化、 輕質(zhì)化和低成本化發(fā)展
隨著頁巖氣、煤炭以及生物質(zhì)能源和可再生能源的發(fā)展,以石腦油為原料的傳統(tǒng)石化產(chǎn)業(yè)面 臨著很大的挑戰(zhàn)。預(yù)計2020年,全球乙烯裂解原料中石腦油比例將降至 39% 以下,乙烷的比例將提高到約40%,蒸汽裂解工藝依舊占據(jù)乙烯生產(chǎn)的主導(dǎo)地位,約占乙烯總產(chǎn)能的97%。對于低油價下的石腦油裂解制乙烯工藝,亞洲與北美、中東的成本差距縮小,北美和中東依舊具有優(yōu)勢。預(yù)計到2022年,在全球乙烯原料中,以乙烷為代表的輕質(zhì)化原料占比將超過50%,石腦油原料將低至39% 。
2020年6月,沙特阿美公司(Saudi?Aramco)收購了沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)70%的股份,計劃向上下游一體化發(fā)展。當(dāng)月,BP公司售出了全球化工業(yè)務(wù),未來的發(fā)展重點(diǎn)將聚焦于便利零售和移動出行、低碳電力和能源、具有韌性和針對性的油氣等三大重點(diǎn)領(lǐng)域,形成更專注、更一體化的實(shí)體,在全球范圍內(nèi)重組業(yè)務(wù)。
1.4 綠色低碳、 智能化發(fā)展成全球共識
對于石油化工這種資本密集型和能源密集型的行業(yè),綠色低碳與智能化發(fā)展已成為全球共識。同時智能化工廠的建設(shè),最終目的也是為了促進(jìn)綠色化工和低碳化工。要實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的綠色化,減少或避免廢棄物的排放是一個主要方向。在工藝設(shè)計時,不僅要考慮化學(xué)反應(yīng)的理論產(chǎn)率,同時還必須考慮不同途徑的原子利用率,從而實(shí)現(xiàn)零排放、零污染的目標(biāo)。歐盟作為國際碳減排的領(lǐng)軍者,率先建立了歐洲碳排放權(quán)交易體系。美國加利福尼亞州通過了《全球變暖解決方案》(《Global?Warming?Solutions?Act.》),規(guī)定該州2030年的溫室氣體排放量要比1990年能降低 40%。BP 公司應(yīng)用能源成本監(jiān)控管理工具,進(jìn)行五級能源管理水平自動評級和基準(zhǔn)對比,集成工廠內(nèi)外的信息,提高信息的一致性和準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)績效管理的標(biāo)準(zhǔn)化,促進(jìn)跨煉廠的績效對比分析,提升科學(xué)決策水平 。
2.1 低成本石化生產(chǎn)技術(shù)
石化行業(yè)以烯烴為原料,可以向下衍生出一系列產(chǎn)品。在低成本化生產(chǎn)的驅(qū)動下,繁衍出很多生產(chǎn)烯烴的技術(shù),2020年進(jìn)展比較突出的有原油直接裂解制烯烴、芳烴技術(shù)以及甲醇制烯烴(DMTO-Ⅲ)技術(shù)等。
近年來,以降低成本為主旨的原油直接裂解生產(chǎn)化工品的技術(shù)方興未艾,主要研究方有??松梨诠尽⑸程匕⒚拦尽⑸程鼗A(chǔ)工業(yè)公司和中國清華大學(xué)等,2020 年該類技術(shù)和商業(yè)上都取得較為顯著的進(jìn)展。
埃克森美孚公司原油直接制取烯烴工藝(Crude?Oil-to-Chemicals,COTC) 省略了煉油過程,將原油直接供給裂解裝置(見圖1)。裂解裝置不僅可以加工輕質(zhì)氣體,也可以處理經(jīng)過預(yù)處理后的比石腦油和液化石油氣等輕質(zhì)原料更重的原料。該工藝可以大大降低原料成本、裝置能耗和溫室氣體排放。據(jù)估算,該工藝(采用布倫特原油作原料)生產(chǎn)乙烯的成本比石腦油路線低約160美元/t。2014 年 1 月在新加坡裕廊島建成的原油直接制烯烴裝置產(chǎn)能為 100×104??t/a,是全球首套采用原油直接制取烯烴的商業(yè)化運(yùn)營裝置。??松梨诠驹诨葜荽髞啚呈瘏^(qū)正在建設(shè)一套120×104??t/a的原油直接裂解乙烯裝置,預(yù)計2023年將建成投產(chǎn) 。
沙特阿美公司和沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司聯(lián)合開發(fā)的原油直接制取烯烴工藝也在中東取得代表性進(jìn)展。該工藝將原油直接送往加氫裂化裝置,脫硫后先分離出較輕質(zhì)組分,將其送到傳統(tǒng)的蒸汽裂解裝置進(jìn)行裂解,而較重組分進(jìn)入深度催化裂化裝置進(jìn)行最大化烯烴生產(chǎn)。該工藝的原油轉(zhuǎn)化率將近50%。盡管采用該技術(shù)的原油直接制烯烴項(xiàng)目還未投入生產(chǎn),但已有數(shù)據(jù)表明,該工藝成本或比石腦油裂解低200美元/t。
2020年11月,由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所自主研發(fā)的第三代甲醇制烯烴(DMTO-Ⅲ)技術(shù)在北京通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定??蒲腥藛T在對甲醇制烯烴反應(yīng)機(jī)理和烯烴選擇性控制原理進(jìn)一步深入認(rèn)識的基礎(chǔ)上,研制了新一代甲醇制烯烴催化劑,開發(fā)了新型高效流化床反應(yīng)器,完成了中試放大試驗(yàn),研發(fā)了DMTO-Ⅲ技術(shù),最終形成了可采用非石油資源來生產(chǎn)低碳烯烴的甲醇制烯烴技術(shù)。
2020年,該技術(shù)已建成5000??t/a 的催化劑生產(chǎn)線并成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。新一代甲醇制烯烴催化劑兼顧已有工業(yè)裝置和新技術(shù)開發(fā)需求,已在多套DMTO工業(yè)裝置中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。專家在現(xiàn)場對中試裝置進(jìn)行了72h連續(xù)運(yùn)行考核,結(jié)果甲醇轉(zhuǎn)化率99.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),乙烯和丙烯的選擇性 85.90(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),噸烯烴(乙烯 + 丙烯)甲醇單耗為2.66t。
與當(dāng)前已經(jīng)工業(yè)化的技術(shù)相比,DMTO-Ⅲ技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性有顯著提高。單套裝置甲醇處理能力大幅度增加,而且由于不設(shè)C4以上組分催化裂解反應(yīng)器,其甲醇原料單耗與第二代甲醇制烯烴技術(shù)基本相同,單位烯烴產(chǎn)能的能耗可明顯下降。
2.2 合成樹脂生產(chǎn)技術(shù)
合成樹脂、合成橡膠和合成纖維三大合成材料主要是以石油、煤和天然氣為原料生產(chǎn)的。其中,合成樹脂作為世界上最重要的石化產(chǎn)品之一,2020年除了不斷開發(fā)和優(yōu)化生產(chǎn)新工藝,在茂金屬催化劑和產(chǎn)品回收技術(shù)方面都取得了很大進(jìn)步。
新冠肺炎疫情使全球熔噴料需求加大,降解法生產(chǎn)熔噴料有殘留、味道大。生產(chǎn)高品質(zhì)聚丙烯熔噴料迫在眉睫。2020年10月,中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院在成功完成了2種茂金屬催化劑工業(yè)試驗(yàn)后,又開發(fā)出高等規(guī)度、窄分布的茂金屬超高熔體質(zhì)量流動速率聚丙烯(mUHMIPP),產(chǎn)品技術(shù)性能達(dá)到指標(biāo)要求。
茂金屬催化丙烯直接聚合制備出的熔噴紡絲聚丙烯材料,解決了中國高級衛(wèi)生防疫聚丙烯無紡布材料市場短缺的問題。這次工業(yè)試驗(yàn)成功,為中國茂金屬催化劑技術(shù)和茂金屬聚烯烴新材料進(jìn)入世界一流水平打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。
聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一種應(yīng)用廣泛的合成樹脂產(chǎn)品,也是制造塑料瓶的主要原料。法國 Carbios 公司于 2020年1月宣布開發(fā)了一種可以使用酶回收 PET 塑料的新工藝,該工藝可以將彩色瓶子制造成透明瓶子。
傳統(tǒng)的熱機(jī)械回收方法不能用于回收有色、不透明、黑暗或復(fù)雜的塑料,而這些塑料通常最終會進(jìn)入垃圾填埋場或焚燒爐。PET再循環(huán)工藝只能將其降級應(yīng)用于纖維等,制造新的塑料產(chǎn)品,且比例較低。而Carbios公司的工藝使用生物催化劑(一種酶),經(jīng)過設(shè)計和優(yōu)化,可以無限回收 PET 塑料,如瓶子、包裝和 PET 聚酯纖維,通過塑料廢物的酶促進(jìn)生物再循環(huán)生產(chǎn)出第一批用100%純化對苯二甲酸(rPTA)制成的 PET 瓶。在此過程中,將塑料廢物、水和特制酶一起放入反應(yīng)容器中,在 65℃下加熱 16h,經(jīng)過過濾和凈化過程,回收構(gòu)成PET塑料的單體,即PTA(精對苯二甲酸)和MEG(單乙二醇),然后將它們重新聚合成原始 PET 并轉(zhuǎn)化成瓶子,整個過程不再需要使用新的化石資源作為原料。在整個工藝過程中,PTA和MEG可以從 PET 的解聚中完全回收。所有添加劑和顏色都是在固體形式的過濾和純化過程中提取的。在示范生產(chǎn)線中,部分水(特別是蒸汽)可在過程中重復(fù)使用。剩余的廢水經(jīng)過凈化后,可以在傳統(tǒng)的廢水處理廠進(jìn)行處理。Carbios公司就該工藝在法國建立了示范工廠。
2021年年初,示范工廠將全面投入運(yùn)營,通過將技術(shù)授權(quán)給PET或PTA生產(chǎn)商,計劃2023年建成一個全面的運(yùn)營工廠,預(yù)計產(chǎn)能可達(dá) 20×104?t/a。Carbios公司的生物再循環(huán)工藝被認(rèn)為是將PET塑料和纖維完全解構(gòu)為其單體的顛覆性技術(shù)。這些單體可以重復(fù)用于生產(chǎn)新塑料,促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì),不會降低質(zhì)量。
2.3 綠色化工與環(huán)保技術(shù)
綠色化工與環(huán)保技術(shù)是在現(xiàn)有化學(xué)工程技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)選反應(yīng)原料、改進(jìn)反應(yīng)流程等方式,達(dá)到減少產(chǎn)生化工廢棄物及排放污染物的要求。2020年比較突出的是基于廢氣處理技術(shù)的進(jìn)展。
巴斯夫公司和??松梨诠韭?lián)合推出的一項(xiàng)高效節(jié)能的胺基氣體處理技術(shù)(OASE?sulfexx),采用了新開發(fā)的專有胺基溶劑,可以達(dá)到選擇性脫除H2S、最大限度降低氣體物流中對CO2的共吸收目的。
該技術(shù)為克勞斯尾氣處理裝置、高壓酸氣脫除和酸氣濃縮裝置提供了良好的解決方案,可大幅降低產(chǎn)品中H2S體積含量,并減少CO2的吸收,達(dá)到未來排放標(biāo)準(zhǔn) 。
CH4和CO2等溫室氣體的干重整需要使用含貴金屬(例如鉑和銠)的催化劑,成本較高。若替換成傳統(tǒng)的鎳基催化劑,又易形成積炭,并且在鎳金屬面上形成表面碳納米粒子,改變了催化劑的組成和幾何結(jié)構(gòu),導(dǎo)致失活。韓國科學(xué)家開發(fā)一種新型的催化劑,可將溫室氣體干重整為可用于CO、H2和其他化學(xué)品。該催化劑由廉價而豐富的鎳、鎂和鉬制成,可引發(fā)并加快CO2和CH4轉(zhuǎn)化為H2的反應(yīng),有效催化時間超過30d?。
針對大量催化劑表面的活性位點(diǎn)缺乏控制的特點(diǎn),研究人員在單晶MgO存在的還原環(huán)境下,在活性氣體中加熱制備鎳、鉬納米粒子。納米粒子在空白MgO晶體表面移動尋找錨點(diǎn),封閉活化催化劑自身的高能活性位,并永久固定納米顆粒的位置,這樣鎳基催化劑將不會積炭,而且表面鎳顆粒也不會互相結(jié)合。研究人員將這種催化劑稱為單晶邊緣納米催化劑。鎳微粒連續(xù)地與晶體階梯邊緣結(jié)合,覆蓋了參與積炭的MgO表面高能中心,鎳顆粒尺寸不再增大,因此,催化劑不會發(fā)生積炭,使干重整反應(yīng)均勻可控。這種經(jīng)濟(jì)耐用的催化劑,對邁向碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。
以綠色新型反應(yīng)介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)有毒有害介質(zhì)是綠色化學(xué)工藝發(fā)展的重要趨勢。超臨界、水、離子液體作為新型綠色介質(zhì),已成為國際科技前沿和熱點(diǎn),在化學(xué)反應(yīng)、催化與分離、電化學(xué)、材料制備等眾多領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。新型反應(yīng)介質(zhì)領(lǐng)域受到密切關(guān)注的熱點(diǎn)包括:不同尺度離子液體的構(gòu)效關(guān)系、分子設(shè)計方法;離子液體規(guī)?;苽?、分離、純化及循環(huán)利用技術(shù);新型離子液體設(shè)計、新結(jié)構(gòu)離子液體開發(fā);高效利用離子液體的新工藝過程;基于新型介質(zhì)的過程強(qiáng)化;基于新型介質(zhì)的過程放大規(guī)律等 。
3.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)將深度融入傳統(tǒng)石化產(chǎn)業(yè)
從石化領(lǐng)域應(yīng)用端考慮,大數(shù)據(jù)環(huán)境可以優(yōu)化生產(chǎn)、提高設(shè)備運(yùn)行維護(hù)效率、科學(xué)匹配生產(chǎn)方案、提高自動化程度。如何通過大數(shù)據(jù)的應(yīng)用,深度解決經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)、高效生產(chǎn)的矛盾,是石化領(lǐng)域大數(shù)據(jù)研究的長期目標(biāo)。但石化企業(yè)的規(guī)模大、流程長、集中度高、操控體系復(fù)雜,所以篩查有效數(shù)據(jù)、挖掘潛在效益以及全局化調(diào)控都將是今后研究的著力點(diǎn)。