苯乙烯生產工藝及技術經濟分析

1 技術現狀及進展

目前苯乙烯生產工藝主要分為：乙苯脫氫工藝、苯乙烯/環氧丙烷共氧化法(SM/PO)工藝和C8抽提法。中間原料乙苯的生產工藝根據原料不同，分別為純乙烯工藝(氣相或液相法)和稀乙烯氣相工藝(又稱干氣法)兩種。

1.1 乙苯脫氫工藝

乙苯脫氫制苯乙烯是當今世界苯乙烯工業生產中應用最廣泛的工藝，占世界總產能的83.3%[1]，其主要工藝專利商有Lummus/UOP和Fina/Badger等。乙苯催化脫氫技術經過近80年的發展，已相當成熟，影響該技術發展的關鍵問題是水蒸氣消耗大和分離系統余熱利用等。

自1972年來，Lummus Classic工藝得到了廣泛的應用，近年來Lummus工藝采用共沸精餾，利用粗苯乙烯塔的熱量蒸發乙苯，減少水蒸氣的消耗和冷卻水用量。20世紀90年代，在傳統脫氫法基礎上，Lummus及UOP等公司合作開發了乙苯脫氫-氫氧化Smart工藝，乙苯轉化率明顯提高，水比和能耗明顯降低[2]。

近年來，Badger工藝技術不斷改進，綜合能耗相對較低，具有較強的競爭優勢。Badger工藝采用雙塔變壓節能技術實現了粗苯乙烯塔熱量的自身循環利用，減少了水蒸氣和冷卻水的消耗[3]。此外，Badger工藝還開發了直接加熱(DHU)技術，采用燃料直接加熱第一反應器流出物的方法，水比可以降至5。

乙苯脫氫工藝中，生產乙苯的原料來源也更多樣化。2018年我國純乙烯法約占乙苯脫氫工藝總產能的80%[4]，盡管目前純乙烯法仍占主導地位，但由于稀乙烯法的經濟性和高附加值，更多公司開始使用干氣代替純乙烯原料。

1.2 SM/PO工藝

SM/PO工藝采用乙苯和丙烯氧化聯產環氧丙烷和苯乙烯，該工藝占全球苯乙烯產能的13.4%[1]。SM/PO工藝特點是苯乙烯純度非常高，但是由于副產烴類氧化物(如醛類)，其回收和純化裝置較為復雜。

目前該技術的專利商主要有利安德巴塞爾(LyondellBasell)和殼牌(Shell)兩家公司。我國現有2套已建成投產的SM/PO聯產裝置，一套是寧波鎮海煉化利安德化學有限公司的620 kt/a苯乙烯裝置，采用LyondellBasell技術，其催化劑為均相環烷酸鉬;另一套是中海油的700 kt/a苯乙烯裝置，采用Shell技術，催化劑為經過有機硅處理的多相氧化鈦。

在國產化方面，2019年1月5日，萬華化學集團化學股份有限公司將具有自主知識產權的“乙苯共氧化法高效綠色制備環氧丙烷成套技術”應用于新建的650/300 kt/a的SM/PO裝置上，打破了國外公司的技術壟斷[5]。另外，其他后期在建項目中，中信國安瑞華新材料有限公司、山東利華益集團股份有限公司、天津渤化化工發展有限公司和中化泉州石化有限公司等多套裝置也將采用此工藝。

從2021年計劃投產的裝置來看，采用SM/PO工藝的裝置產能約為3 280 kt/a，占我國新增產能的60%以上。隨著裝置煉化一體化、大型化發展以及擁有自主知識產權技術的突破，SM/PO工藝的應用將越來越廣泛。

1.3 C8抽提法

C8抽提法是指將裂解汽油中4%～6%的苯乙烯抽提出來的一種方法。通過二段加氫工序處理，將裂解汽油中的苯乙烯加氫生成乙苯，這種富含乙苯的C8餾分可以直接用作汽油調和組分或者回收芳烴。如果在裂解汽油加氫之前對苯乙烯組分進行回收，則可以有效提高苯乙烯及剩余C8芳烴餾分的價值、降低加氫處理費用，使資源得到充分利用。

目前，裂解汽油C8抽提苯乙烯技術主要專利商有荷蘭DSM、美國GTC和中國石化，國內大部分裂解汽油抽提回收苯乙烯裝置均采用中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院的技術。遼通化工有限公司(27 kt/a)、天利高新技術股份有限公司(40 kt/a)、中沙天津石化有限公司(35 kt/a)、新華粵石化股份有限公司(30 kt/a)、大慶三聚化工有限公司(30 kt/a)和蘭州匯豐石化有限公司(25 kt/a)的裝置均使用該工藝生產苯乙烯。

1.4 其他新工藝路線

其他新工藝路線包括生物質合成苯乙烯、CO2氧化脫氫制苯乙烯、甲苯和甲醇烷基化制苯乙烯、乙烷制苯乙烯(SNOW)技術、丁二烯合成制苯乙烯等。近年來SNOW技術和丁二烯合成制苯乙烯技術的相關開發報道日趨減少。

1.4.1 生物質合成苯乙烯

近年來綠色苯乙烯的合成在研究方面取得了一些進展。美國和瑞典的研究人員發現從森林廢棄物中生產生物苯乙烯的可行性，利用森林廢棄物作為真菌菌株的飼喂基質生產苯乙烯[6]。美國Anellotech公司開發了熱催化生物質轉化技術(Bio-TCat)，用ZSM-5沸石分子篩對木屑等生物質催化，快速熱解生產苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)等芳烴，再通過生物乙烯和生物苯的常規烷基化反應合成苯乙烯[7]。美國亞利桑那州立大學設計出工程化的大腸桿菌生產苯乙烯，通過采用來自植物、酵母和細菌的基因來實現，如采用葡萄糖合成苯乙烯[8]。中國科學院咸漠等[9]開發了一種以生物質水解液為原料合成苯乙烯的基因工程菌，具有綠色和可持續性，且大大高出以葡萄糖為碳源生產的苯乙烯的產量。

1.4.2 CO2氧化脫氫制苯乙烯

作為一種綠色反應體系，CO2氧化脫氫制苯乙烯受到研究人員的廣泛關注。乙苯脫氫反應為強吸熱反應，需要大量的過熱水蒸氣作為稀釋劑以降低反應物乙苯的分壓。用CO2作為溫和氧化劑替代常用的過熱水蒸氣，不僅提高反應的轉化率和選擇性，同時在抑制催化劑的失活上也有明顯效果。CO2氧化脫氫制苯乙烯的催化劑主要為負載型金屬氧化物，活性組分有Fe、V、Cr、Ce、Cs等，但催化劑的穩定性有待提高，目前均處于實驗室研究階段[10-12]。

1.4.3 甲苯和甲醇烷基化制苯乙烯

自20世紀70年代研究人員在堿金屬交換的X型和Y型分子篩上成功將甲苯與甲醇側鏈烷基化制成苯乙烯以來，該技術得到廣泛研究。與乙苯脫氫法相比，該技術具有原料價廉且來源廣泛、能耗較低和工藝簡單等優勢。中國科學院大連化學物理研究所公開采用甲醇無氧脫氫催化劑與堿性分子篩復合雙功能催化劑催化甲苯和甲醇制苯乙烯的技術[13]；美國弗納技術公司采用了金屬離子改性的黏合劑對甲苯烷基化制苯乙烯催化劑進行改進[14]；中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院采用金屬離子對分子篩進行離子交換，然后用浸漬法將金屬元素負載到分子篩催化劑上[15]；浙江環化科技有限公司通過加入一定量的堿性類反應助劑，苯乙烯選擇性可達100%[16]。由于催化劑壽命問題，上述研究均處于實驗室階段，未見工業化報道。

2 不同工藝路線生產成本分析

隨著苯乙烯不斷擴能，未來苯乙烯將處于供大于求的狀態，目前研發焦點聚集在如何提高自身的競爭力以及降低生產成本上。文章將國內以及世界不同地區(2018年第一季度)采用不同工藝路線生產苯乙烯的裝置進行了生產成本對比分析，其生產成本主要由凈原料成本、公用工程、固定費用、折舊以及10%投資回報率(ROCE)組成。

2.1 國內不同苯乙烯工藝生產成本對比分析

將國內采用純乙烯法(600 kt/a)、稀乙烯法(600 kt/a)、SM/PO法(600 kt/a)、C8抽提法(33 kt/a)4種工藝的生產成本進行了比較(見表1)。

表1 國內不同苯乙烯工藝生產成本對比分析

從表1可以看出：稀乙烯法的生產成本最低，為1 020 美元/t，其主要優勢體現在較低的原料成本、公用工程、固定費用和折舊費用等。稀乙烯法的原料干氣主要來自煉廠催化裂化裝置，成本較低，而乙苯并不是流通的化學品，因此將稀乙烯法與脫氫法相結合，可以較為顯著地增加脫氫法的競爭優勢。相對稀乙烯法而言，純乙烯法的主要區別在凈原料成本較高，導致其生產成本稍高于稀乙烯法，為1 308美元/t。SM/PO法的回收和純化裝置較為復雜，所以其公用工程、固定費用和折舊等費用均較高，盡管考慮了環氧丙烷的副產收益，但其生產成本也較高，為1 566美元/t。C8抽提法的裝置規模比其他3種工藝的要小很多，裝置的規模效應未體現出來，因此C8抽提法在4種工藝路線中生產成本最高，為3 164美元/t。由于石腦油是C8抽提法的主要原料，該工藝的原料和副產物價格普遍趨向于石腦油，導致其凈原料成本遠遠高于其他工藝，且裝置規模較小，單位固定成本相對較高，所以C8抽提法的生產成本最高。

2.2 國外不同苯乙烯工藝生產成本對比分析

對建在美國墨西哥灣沿岸和中東地區的純乙烯法(600 kt/a)、稀乙烯法(600 kt/a)、SM/PO法(600 kt/a)、C8抽提法(33 kt/a)4種工藝生產成本進行了對比(見表2)。

表2 美國和中東地區不同苯乙烯工藝生產成本對比分析

乙苯脫氫法工藝中，純乙烯法和稀乙烯法的公用工程、固定費用、折舊及10%ROCE基本相同，其主要區別在凈原料成本方面。純乙烯法中，美國和中東地區分別是1 196美元/t、1 235美元/t；稀乙烯法中，中東地區的原料催化裂化(FCC)氣體單價較低，因此其生產成本最低，為919美元/t；SM/PO法工藝中，美國的生產成本最低，為1 505美元/t，因為作為副產物的環氧丙烷在美國市場的價格較高；相對其他3種工藝，SM/PO法工藝在幾個地區的生產成本較為接近；C8抽提法工藝中，由于中東地區的石腦油價格較低，其原料裂解汽油成本遠遠低于美國和中國，并且蒸汽價格較低，其凈原料和公用工程成本具有絕對的優勢，其C8抽提法工藝生產成本僅為1 963美元/t，只有美國和中國的三分之二。

3 市場供需及預測

3.1 世界苯乙烯的產能及供需情況

2020年世界苯乙烯產能為36.57 Mt/a，同比增長6.1%,產能排名前三位的地區分別是東北亞、北美和西歐。在2014年出現了近5.4 Mt/a的供應過剩之后，苯乙烯行業在5年內通過關閉舊資產和重組公司來鞏固產能。展望未來，預計全球苯乙烯產能將以年均2.9%的速度增長，到2025年將增加5.57 Mt/a，大部分產能增長發生在中國。

世界苯乙烯產業集中度相對較高，產能主要來自大型煉化企業，2019年前10位苯乙烯生產企業產能合計16.70 Mt/a，占總產能的49%，前三位企業產能占世界總產能的比例為19.6%。其中，荷蘭皇家殼牌苯乙烯產能居世界之首，占總產能的7.1%；英力士Styrolution是第二大苯乙烯生產商，占6.6%。2018年3月，英力士宣布在美國墨西哥灣沿岸新建一套世界規模的苯乙烯工廠，預計未來5年，英力士將是全球最大的苯乙烯生產商，中國石化和利安德巴塞爾公司是僅次于英力士的兩大生產商。到2025年，全球苯乙烯產能將以年均2.9%的速度增長，達到近42.14 Mt/a。表3為2015—2025年世界苯乙烯供需情況。

表3 2015—2025年世界苯乙烯供需情況

3.2 我國苯乙烯的產量及供需情況

2020年我國苯乙烯新增產能2.57 Mt/a，創近年新高。新增產能包括浙江石油化工有限公司(1.20 Mt/a)、恒力石化股份有限公司(0.72 Mt/a)、寶來利安德巴賽爾石化有限公司(0.35 Mt/a)及唐山旭陽化工有限公司(0.30 Mt/a)等。預計2021年苯乙烯新增產能仍將保持高位，達1.90 Mt/a左右。

2020年，苯乙烯因建筑等行業受疫情沖擊，消費出現小幅下降，全年消費量為12.17 Mt左右；隨著疫情影響消退,2021年苯乙烯消費將出現反彈，消費增速有望達8%以上，達到13.15 Mt左右。

回顧“十三五”期間，苯乙烯產能規模近乎翻番，建筑保溫、冷鮮物流、家電、汽車等領域消費的快速增長支撐著苯乙烯消費，國內苯乙烯缺口一直維持在3.00 Mt左右。預計“十四五”時期，隨著國內大型煉化一體化下游配套苯乙烯產能投放，以及SM/PO法生產苯乙烯產能陸續達產，國內苯乙烯供需格局將出現顯著改變。預計到“十四五”末期，國內苯乙烯產能規模將突破20 Mt/a，年均消費增速為5.5%左右，將徹底改變供不及需的格局，或將出現少量凈出口。表4 為2015—2025年國內苯乙烯供需及預測情況。

表4 2015—2025年國內苯乙烯供需及預測情況

4 結語

(1)苯乙烯裝置大型化、一體化、基地化格局初步形成。未來幾年新投產裝置主要集中在華東地區，且均為依托具有煉化一體化優勢、靠近華東市場消費腹地的大型化項目，預計行業競爭將更加激烈。

(2)隨著國內苯乙烯產能的全部釋放與下游需求的增速放緩，苯乙烯產量將進入低速維穩增長期。預計至2025年我國苯乙烯消費量將達到15.88 Mt，產能出現過剩，市場競爭將更加激烈。

(3)由于我國乙烯資源嚴重供不足需，發展及開辟苯乙烯生產的新材料路線尤為重要，稀乙烯法因為經濟性和高附加值將成為苯乙烯生產的另一主要技術路線。隨著裝置煉化一體化、大型化發展以及擁有自主產權技術的突破，未來SM/PO工藝在新建的苯乙烯裝置中占比會明顯提升。

(4)對比其他地區苯乙烯工藝技術成本，中國在原料及蒸汽等公用工程上成本較高，導致其總生產成本沒有競爭優勢。應加強落后裝置和產能的淘汰，利用現有的先進技術改造國內中小型化工企業，提高裝置技術經濟指標，開發低水比、低能耗、清潔高效的工藝技術及催化劑尤為重要。