01、乙烯工业发展史❖乙烯发现及早期的乙烯工业发展 乙烯，英文全称Ethylene，化学式为C2H4, 是由两个碳原子和四个氢原子组成的化合物，两个碳原子之间以碳碳双键连接。乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯工业是石油化工产业的核心，其产品占石化产品的75%以上，在国民经济中占有重要的地位。 乙烯的历史也非常久远，可以追溯到18世纪末。1779年荷兰化学家卡斯贝特森首先制备出乙烯。他采用的方法就是中学化学常见的乙醇与硫酸共热。在这个过程中他还发现乙烯具有易燃性，密度与空气接近，同时如果与氯气接触还能生成油状液体。当时人们只能简单测定乙烯的化学组成，对其结构并不了解，因此一度将它命名为二碳化氢。 乙烯还是一种植物激素，可以催熟果实。最初人们发现在煤气管道周围的树木落叶相对较早，后来才发现煤气中的少量乙烯有催熟作用。而成熟的果实本身就能产生乙烯要等到1934年由于气相色谱的出现才得到证实。 虽然焦炉煤气中含有少量乙烯，但焦炉煤气是混合物难以分离。因此在早期制备乙烯，还是要采用乙醇脱水的工艺，而乙醇的来源则是粮食发酵。在最初的生产工艺中，人们沿用硫酸作为脱水剂，后来随着催化科学的发展，后续发现将乙醇蒸汽通过氧化铝床层也能生成乙烯。乙醇脱氢法原料成本高，在经济上并不合理。这实际上和我们今天的生产流程恰恰相反，当今由于乙烯容易获得，我们通常用乙烯水化来生产乙醇。20世纪30年代以前，乙烯的用量不大，因此这样落后的生产技术也可以满足当时的需求。 到了20世纪初，随着炼油工业的进步，在石油蒸馏过程中产生了大量的炼厂气。最初的炼厂气来源于石油的蒸馏，后来随着催化裂化等工艺的出现，这些工艺也会副产大量炼厂气。如何进一步利用这些炼厂气提高经济效益也成为了各个石油公司研究的课题。对于炼厂气最早的利用实际上是在1917年，当时美国新泽西标准石油公司利用炼厂气中的丙烯合成了异丙醇。采用的工艺是将丙烯与硫酸反应，生成硫酸脂，随后水解生成异丙醇。 实际上炼厂气中就含有少量乙烯，由于炼厂气是混合物，为了利用这一部分乙烯必须进行气体分离。1919年林德公司利用深冷技术将炼厂气冷却为液体，然后利用各种组分沸点不同，实现了炼厂气中各成分的分离，从中提取出了少量的乙烯。 20世纪30年代可以说是化学工业爆发的年代，多种重要的化学品被发现并且逐渐实现商业化。例如乙烯重要的下游生产物——聚乙烯（PE），最初就是在1935年，ICI的科学家迈克尔·佩林（Michael Perrin）、约翰·佩顿（John Paton）和埃德蒙德·威廉姆斯（Edmond Williams）对福塞特和吉布森曾经的发现进行进一步的研究偶然所得。1938年，ICI生产了第一吨PE。1939年，第一套商业化PE制备装置建成投产。这套装置年产量可达10吨，并为PE的工业规模生产奠定了基础。 1936年催化裂化技术的开发，为石油化工提供了更多低分子烯烃原料。1941年新泽西标准石油公司在美国巴吞鲁日建成了全球第一套管式裂解炉( 箱式炉) 蒸汽裂解装置，开创了以乙烯装置为龙头的石油化工历史。  ❖乙烯来源和生产方式 石脑油、乙烷为主要原料，蒸汽裂解为主要生产方式 全球绝大多数的乙烯生产是通过裂解而成。蒸汽裂解乙烯是最重要的乙烯生成路径。原料包括天然气、液化石油气、轻油(石脑油)、轻柴油、重油、原油、乙烷和丙烷等。而聚乙烯、乙二醇、PVA、PVC、 苯乙烯等都是重要的下游产品。 传统的乙烯的生产多是外购石脑油通过裂解而成，一般情形下生产100万吨乙烯需要330万吨的石脑油原料，同时副产近50吨丙烯、18万吨丁二烯、20万吨纯苯、以及其他芳烃混合物、异丁烯、丁烯、碳五碳十、乙烯焦油等。 以乙烷、丙烯、丁烷为原料的裂解装置中，副产的丙烯、丁二烯、纯苯的量较少。美国在2010年以后由于页岩气革命，在开发过程中带来了大量的乙烷副产，也成为了裂解乙烯的优质原料。  乙烯蒸汽裂解通常是原料在多个平行的裂解炉中，裂解出口温度接近850°C（或1550°F）；在裂解炉中会有成千上万种的化学反应，但它们通常是由碳碳键经过热分解而成，其余是碳氢键分离。  影响裂解乙烯的副产品产量的因素主要有： 1、原料：含碳量多，偏重组分则对应的副产品多。 2、裂解深度：一种衡量原料分子被分解的程度；在裂解炉中温度达到了多少。 3、裂解参数：压力、裂解时间、技术、原料中所加蒸汽量等。 其中，裂解乙烯工艺中的乙烯收率与原料有着更为直接的关系：从多产乙烯、丙烯的角度，烷烃>环烷烃>单环芳烃>多环芳烃。从乙烷到柴油，相对分子量越大，乙烯、丙烯的收率越低。乙烷作为原料的双烯（乙烯+丙烯）收率在80%左右，丙烷为原料约为60%，石脑油为原料约为45%。  在中国能源禀赋为“富煤、贫油、少气”的背景下，中国走出了独具特色的CTO/MTO乙烯路线，并成为现代煤化工的六大路线之一。其以煤为原料通过气化、变换、净化、合成等过程首先生产甲醇，再用甲醇生产烯烃（乙烯+丙烯），进而生产聚烯烃（聚乙烯、聚丙烯）等下游产品，其中煤制甲醇、烯烃聚合制聚烯烃均为传统的成熟技术，而甲醇制烯烃则是近年来开发成功的新技术，也是煤制烯烃的核心技术环节。2021年中国煤/甲醇制烯烃占16%。  生产技术成熟且多样化 乙烯裂解生产方式下，乙烯生产专利长期由五大专利商垄断，中国起步较晚但发展迅速。乙烯生产专利技术由于工艺复杂，半个世纪来一直由美国 Lummus、S&W、KBR、德国 Linde 和法国 Technip 五大专利商垄断，典型的生产工艺有：顺序分离技术路线（含顺序“渐近”分离技术路线）、前脱丙烷分离技术路线和前脱乙烷分离技术路线，并且均拥有各自的裂解技术。中国的乙烯工业相对欧美起步较晚，主要的技术路线都是通过消化吸收转化海外专利商技术得来。  法国德希尼布Technip：是乙烯行业的全球领导者，拥有40-50%的许可市场份额。在使用专有技术设计、建造和现代化改造最大的乙烯工厂方面拥有独特的经验。2012 年Technip 收购Stone &Webster，其中Stone & Webster 的乙烯技术经验超70 年，Technip 自身超40 年，合计有150 套原始投资的乙烯装置技术转让。2021年2月TechnipFMC完成分拆计划，Technip Energies将专注LNG、氢气和乙烯市场，同时在可持续化学和二氧化碳管理方面持续提升。 CB&I：通过与Lummus Technology的战略合作伙伴关系，80多年来，为化工和石化行业提供专业工程、采购、制造和施工服务；在全球为超过120 套乙烯装置提供创新技术，约占全球产能40%；已经成功地完成了200 多个原始投资、改造和扩展的设计项目。2018年5月，McDermott与CB&I公司合并，合并后CB&I普通股将不再在纽约证券交易所上市。 KBR 集团：成立于1901年，目前是世界级的工程设计公司。开发了毫秒炉裂解技术，目前各种技术应用于超过20 套新的乙烯装置，合计产能1300 万吨/年。 Linde ：世界领先的气体和工程公司，1931年应用专有的低温分离技术建成世界上第一个用低温蒸馏法从焦炉气中生成乙烯的工厂，1960年开始研究开发管式炉蒸汽裂解技术。应用于超过40 套大型乙烯装置，合计产能超过1800 万吨/年。 各种技术在配置、处理特定原料的能力以及其他因素方面略有不同，这些因素可能使特定技术对特定站点或工厂布局更具吸引力。“稳健性”（即以最小的问题启动并保持运行的能力）作为选择烯烃技术的重要标准。 各种技术都可以进行调整，以在任何给定的条件下提供最佳结果。因此，生产者建造烯烃工厂的人通常基于两个因素选择工艺或技术：根据其特定操作条件进行定制的能力，以及以最具竞争力的资本成本实施的能力。因此，烯烃工厂中基于相对于其他因素（如原料成本、副产品价值和工厂规模）的技术选择，生产成本差异化的机会很小。 煤化工路径下，目前代表性的甲醇制烯烃技术主要包括：由UOP（美国公司）和Hydro（挪威公司）共同开发的UOP/Hydro MTO 工艺，德国Lurgi 公司的MTP 工艺，中国科学院大连化学物理研究所的DMTO 工艺，中国石化上海石油化工研究院的SMTO 工艺，神华集团SHMTO 工艺，清华大学的循环流化床甲醇制丙烯（FMTP）工艺等。从上述几种典型工艺的实际应用情况看，目前我国煤制烯烃项目中所采用的工艺技术较为多样化，国内外技术均有涉及，但整体上以大连化物所DMTO技术应用推广最为广泛，据不完全统计，截止目前该技术已许可工业化装置25 套，涉及烯烃产能1458 万吨/年，其中投产14 套，烯烃产能776万吨/年，市场占有率67.9%。  装置技术是乙烯生产进步核心 乙烯裂解炉是乙烯生产装置的核心设备，主要作用是把天然气、炼厂气、原油及石脑油等各类原材料加工成裂解气，并提供给其它乙烯装置，最终加工成乙烯、丙烯及各种副产品。乙烯裂解炉的生产能力及技术的高低，直接决定了整套乙烯装置的生产规模、产量和产品品质，因此乙烯裂解炉在乙烯生产装置乃至整套石油化工生产中都起到龙头作用。  一套乙烯裂解装置由多台裂解炉并联而成，目前世界级规模中单台裂解炉的能力一般是：液体原料（石脑油等）的乙烯能力为20万吨/年/台；气体原料裂解（乙烷等）的乙烯能力为22万吨/年/台。近年来，林德公司设计了容量超过25万吨/年的裂解炉，以满足对乙烯不断增长的需求。 乙烯装置中的裂解炉由对流段、辐射段（包括辐射炉管和燃烧器）和急冷锅炉系统三部分构成。裂解反应在辐射段炉管中发生生成乙烯和丙烯等产品。对流段回收高温烟气余热，以气化和过热原料至反应所需的横跨温度，同时预热锅炉给水和超高压蒸汽。急冷锅炉系统的作用是终止裂解二次反应并回收裂解气的高温热量以产生超高压蒸汽。  自1941年第一个管式裂解炉的工业装置在美国巴图鲁日投产以来，世界各裂解炉开发商不断对裂解技术进行改造，目前全球商业化的裂解炉专利商只有美国Lummus、S&W、KBR、德国Linde、法国Technip以及中国石化，对应裂解炉炉型分别为SRT型裂解炉、USC型裂解炉、毫秒裂解炉、Pyrocrack型裂解炉、GK型裂解炉和CBL型裂解炉。  根据企业业务的不同，国内裂解炉企业可以分为技术商和制造商等。主要技术厂商有美国Lummus公司、美国S&W公司、美国KBR公司、中石化等，制造商主要有惠生工程（中国）有限公司、茂名重力石化装备股份公司、中石化炼化工程（集团）股份有限公司等。这些企业占据了国内裂解炉行业90%以上的市场份额。 未来裂解炉的技术发展方向将逐渐转向以下几个方面：一是裂解炉的大型化，目前200kt/a的裂解炉已经开始逐步推广，随着乙烯装置经济规模的不断扩大，对于裂解炉大型化的需求依然旺盛，因此裂解炉大型化是未来的发展方向；二是裂解炉的绿色化，随着人类的环保意识越来越强，人们在关注技术发展的同时更加关注绿色环保，因此裂解炉的绿色化是未来的发展方向之一，主要是低NOX燃烧系统的应用，更高的裂解选择性技术等；三是裂解炉的先进控制，这对于乙烯工厂化降低劳动强度，改善劳动环境有较大帮助，同时也能够避免人为的操作失误带来的装置波动等。以裂解炉电（可再生能源发电）加热为例： 2022年7月，壳牌和陶氏在荷兰阿姆斯特丹能源转型园区启动了一个实验装置，对蒸汽裂解炉进行电加热（E-cracking）。 2022年9月，巴斯夫、SABIC和林德已开始建设全球首个大型电加热蒸汽裂解炉示范装置，通过使用可再生能源而不是天然气用于裂解炉加热。与当今常用的技术相比，新技术有可能将化工行业最耗能的生产过程之一的二氧化碳排放量减少至少90%。 催化剂是生产聚烯烃的必备成分 聚合催化剂是聚烯烃制备过程中的必备成分。催化剂是聚烯烃的核心, 是实现烯烃高性能低成本规模化生产的关键。在石油化工行业，催化剂种类多样，根据其性能特点可分为聚合催化剂、氧化催化剂、加氢催化剂、脱氢催化剂等。在烯烃聚合过程中，聚合催化剂发挥着不可替代的作用，如不使用催化剂，则无法实现工业化生产。因此催化剂是烯烃聚合技术的核心，聚烯烃树脂性能的改进与聚烯烃催化剂的开发也有着极为密切的关系。  齐格勒-纳塔催化剂是最常用的聚烯烃催化剂，且已发展至第四代产品。20世纪50年代，德国化学家卡尔·齐格勒（Karl·Ziegler）和意大利化学家居里奥·纳塔（Giulio·Natta）发明了用于烯烃聚合的催化剂，采用由四氯化钛和铝烷基衍生物混合物组成的催化剂，以制造高分子量，高熔点和直链聚乙烯，即Ziegler-Natta催化剂（Z-N催化剂），并开拓了定向聚合的新领域，使得合成高规整度的聚烯烃成为可能。从此，很多塑料的生产不再需要高压，减少了生产成本，并且使得生产者可以对产物结构与性质进行控制。 据《我国聚烯烃产业技术的现状与发展建议》一文，目前工业用催化剂主要为齐格勒-纳塔催化剂, 茂金属催化剂是重要的补充, 非茂单活性中心催化剂目前市场占比较小。而国际上具有代表性的工艺技术巨头在催化剂的研发和应用上也日益丰富。 02、全球乙烯产能格局❖全球乙烯产能演变史 乙烯作为重要的石化产品，其产能的变化历史也反映着世界石化产业的发展，具有一定的周期属性，主要受到政策、原料价格和需求的影响。 20世纪：由欧美为主逐渐形成三足鼎立格局 从石化产业初期来看，拥有技术和原料的公司掌握了石化发展的领先地位，而产品需求和生产的大幅增加往往在国家发生重大事件之时，如第一次世界大战、第二次世界大战和朝鲜战争。化工的兴起在德国，而富有天然气和石油资源的美国则成为了石化的奠基者。1919年美国联合碳化物公司研究了乙烷、丙烷裂解制乙烯的方法，随后林德空气产品公司实现了从裂解气中分离乙烯，并用乙烯加工成化学产品。1923年，联合碳化物公司在西弗吉尼亚州的查尔斯顿建立了第一个以裂解乙烯为原料的石油化工厂。1936年催化裂化技术的开发，为石油化工提供了更多低分子烯烃原料。美国的乙烯消费量由1930年的14kt增加到1940年的120kt。50年代起，世界经济由战后恢复转入发展时期。随着石化产品需求和技术的不断发展，在1963年，美国已有18个石化企业，乙烯总能力达3.5Mt/a，满足了3Mt/a的需求。 西欧各国与日本，由于石油和天然气资源贫乏，裂解原料采用了价格低廉并易于运输的中东石脑油，以此为基础，建立了大型乙烯生产装置，大踏步地走上发展石油化工的道路。至此，石油化工的生产规模大幅度扩大。作为石油化工代表产品的乙烯，1980年全世界产量达到35.8Mt，创历史最高水平。 80年代，由于乙烯行业利润微薄，乙烯生产能力没有新的增加，但由于石油价格的下行，需求和生产再次复苏，1988年美国乙烯产量增加到了16.8Mt，装置开工率高于90%。 90年代，乙烯产能在地域结构发生重大变化。1981年，世界上有132个乙烯厂，其中87个（占比66%）在美国、西欧和日本，到1988年总数增加到155个，而在这些地区的公司只有74个，仅占47%。主要增长在亚太、非洲和中东地区。 非洲和中东地区成为乙烯主要产能地带并不是需求驱动，而是由于他们拥有丰富的油气资源，原料成本优势突出。中东地区更是成为了大量乙烯衍生物（如乙二醇和聚乙烯）出口地，该地区的廉价原料也为亚洲的供应增加提供了条件。到1995年，随着伊朗、卡塔尔和沙特阿拉伯一批新厂的建成投产，中东地区的乙烯生产能力以每年450万吨的数量增加。在过去的10年中，该地区的生产能力复合年增长率达到了19%，比全球乙烯需求量的增长速率快了3倍。 亚洲的乙烯需求在80-90年代大幅增长，1997年达20Mt，相较1980年的6Mt增长超过3倍，年均增长率达7.8%。 由此，世界乙烯总产能由1981年的48Mt/a 增加到1998年的92Mt/a。北美、西欧和亚太所占比例分别为 35.1%、23.0%和26.9%，形成了三足鼎立的格局。 21世纪：三次产能扩张及转移 21世纪以来，全球乙烯产能主要经过三次扩张及产能地转移：随着发展中国家经济高速发展带来日益增长的化工产品需求，全球乙烯产能稳步增长，在2009-2011年乙烯经历了一段新的高峰投产期。新增产能主要是来自于中国和中东，三年总计新增乙烯产能超 2200 万吨。2011年后，美国的页岩气革命带来了乙烷产乙烯的投量高峰，中国则经历了煤（甲醇）制乙烯产能的提升和近三年大炼化带来的乙烯产能扩张。 从整体产能来看，截至2021年，全球乙烯产能达到2.1亿吨/年，同比增长6.2%。2021年，世界乙烯装置总数约340座，乙烯装置的平均规模约为62万吨/年。 从产能分布地区和国家来看，2021年，在中国乙烯产能推动下，亚太地区乙烯总产能已升至8330万吨/年，在世界乙烯总产能的占比从2015年的36%升至40%。近年来，亚太地区乙烯产能始终保持快速增长态势，超过了欧美乙烯产能总和，其世界领先地位不断提升。 美国、中国和沙特阿拉伯的乙烯产能仍稳居世界前三位，我国和美国的乙烯产能基本持平，差距缩小至59万吨/年。韩国乙烯产能大幅增加，正向乙烯生产大国挺进。伊朗乙烯产能跃居世界第五位。 中东地区：原料成本优势驱动 中东乙烯有2/3是以乙烷和丙烷做原料，其乙烷价格长期低于美国乙烷价格，例如在2011年为0.75～1.25美元/百万英热单位，远低于当时美国约10美元/百万英热单位的乙烷价格。原料成本优势推动当地产能持续扩张，2018年海合会地区乙烯衍生物产能为3300万吨/年，占全球乙烯衍生物总产能的21%，2000年以来的年均增速达到9.8%。但由于其油气田伴生乙烷增量放缓，近年来产能增速放缓，且新建装置中采用石脑油、轻烃等混合原料的比例显著提高。 东北亚：以中国为代表的新兴市场需求及政策驱动 进入21世纪，中国乙烯产能有两轮集中投放期：2005-2006 年和2009-2010 年，主要是由于在国内需求增长下，三桶油炼厂进行扩产。1999年到2008年十年间，我国乙烯产能从435万吨跃升到998.5万吨/年，到2009年年底全国乙烯产能首次突破千万吨大关，达到1177.8万吨/年，稳居世界第二位。 2011年后，由于油价高企，我国煤（甲醇）制乙烯产能逐步扩展，煤制乙烯产能占比有一定提升。该工艺主要是通过煤炭替代石油生产甲醇，进而转化为乙烯、丙烯等。2010年，第1套煤制乙烯装置——内蒙古神华包头煤化工有限公司60万t/a 煤制乙烯项目投入商业化运营，标志着我国已实现煤基甲醇制烯烃技术的工业化应用;2011年，我国首套20万t/a 甲醇制乙烯项目(中原石油化工有限责任公司) 投产; 2014—2016 年是我国煤制烯烃项目的投产高峰期。截至2021年底，我国煤制烯烃生产能力达到1115万吨/年。 随着国际油价大幅下跌，国内煤/甲醇制烯烃项目经济性明显下降，规划项目投资节奏显著放缓。而基础炼化产业尤其是炼化一体化项目盈利丰厚，行业投资热情高涨。2018年，中海油惠州二期和中海壳牌二期建成投产，拉开了国内大炼化新一轮扩能的序幕。随后，恒力石化、浙江石化、中科炼化、中化泉州等多个炼化一体化项目建成投产。此外，新浦化学、万华化学、宝来/利安德巴塞尔等多个轻烃/石脑油裂解项目顺利建成投产。 受到外资、民企加快建设乙烯项目以及迫切需要缩小国内供求缺口驱动，2019年-2020年，我国乙烯产能进一步释放。2015～2020年，中国乙烯年产能已经从2200.5万吨增长至3518万吨，年均复合增长率近10%。2020年，中国占东北亚地区乙烯总产能的60%， 2015年至2020年几乎所有新增产能都来自中国。2021年中国乙烯生产能力4368万吨/年。 北美：页岩气革命催生美国乙烯产能新释放 北美地区一直是全球乙烯的主要生产地区，由于竞争力的原因，北美的乙烯开工率在 2008 年曾经降到 80%以下，其中在2008-2010 年间产能减少 240 万吨。2011年后随着美国页岩气革命带来廉价乙烷原料供应爆发式增长，推动北美乙烯产能重新进入扩张周期。 在2010年前，美国乙烷价格处于高位，大约在600美元/吨的水平，而后随着页岩气革命，大量的页岩气被开采出来。由于美国天然气多以湿气为主，天然气被分离进入管网后，剩下总质量占比约30%的天然气凝析液NGL被输送至美国休斯敦地区再进行分馏，其中乙烷、丙烷占比分别接近40%和30%。 北美天然气凝析液的价格并没有像过去那样随着原油价格的上涨而增加，逐步与石油脱钩，乙烷价格自此一直保持在200美元/吨的水平以下，具有持续的竞争优势。而美国如Enterprise，ETP，Targa，Oneok等中游公司不断加大投资开发NGL管道，使得大量的乙烷、丙烷等轻烃能够从EagleFord，Bakken， Barnett和Marcellus等富含天然气凝析液的气田通过星罗密布的NGL管道得以汇聚到美国休斯敦的化工中心。 2015年到2020年，美国墨西哥湾沿岸新增约1300万吨乙烯产能，乙烯总产能达到4000万吨，全球产能占比超过20%，成为全球最大的乙烯生产地。2020年，美国的乙烯生产原料有82%来自乙烷，而12%来自LPG（丙烷和丁烷），以乙烷为主的轻质化乙烯原料利用，使得美国成为仅次于中东的第二大成本竞争地区。 ❖“十四五”全球乙烯产能展望 GlobalData发布的《2025年前全球乙烯产业前景展望》报告预测，2025年前全球乙烯产能将出现大幅增长，有望从2020年的2.0132亿吨/年提高至2025年的2.9942亿吨/年，增幅达到49%。 2025年前中国将引领亚洲地区乙烯产能增长，中国将新增3125万吨/年的乙烯产能。GlobalData将印度确定为乙烯新增产能第二大的国家，2025年前将新增乙烯产能1185万吨/年。主要新增产能将来自霍尔迪亚石化公司的Cuddalore乙烯装置和Nayara能源公司瓦迪纳乙烯装置。这两套装置的产能均为180万吨/年。伊朗将是新增乙烯产能第三大国家，2025年前将新增产能999万吨/年。主要新增产能将来自Sepehr Makran Chabahar乙烯装置，到2024年产能将达到135万吨/年。 美国新建乙烯扩张趋缓，产能逐步转移 美国的能源和原料成本具有优势。美国乙烯生产主要来自乙烷，2021年，乙烷为裂解原料的装置（包含掺混乙烷装置中以纯乙烷为原料的装置）占美国乙烯产量的80%。据CEFIC计算，得益于乙烷占主导，北美裂解乙烯装置现金成本仅高于中东。 美国本土乙烯产能扩张渐缓。自2014年底以来，由于原油价格大幅下跌，加之新冠疫情导致的需求破坏，北美石化扩能投资步伐近两年有所放缓，更有甚者取消或推迟了已公布的项目： - 泰国PTT全球化工公司(PTTGC)已再次推迟位于美国俄亥俄州贝尔蒙特的乙烯项目。由于韩国大林公司已于2020年退出该项目，项目的未来尚不确定。 - 2020年10月，美国雪佛龙菲利普斯化工公司推迟了其与卡塔尔石油公司在美国墨西哥湾沿岸的合资裂解项目的最终投资决定。该项目乙烯和高密度聚乙烯产能达200万吨/年，项目的前端工程设计已经完成。 - 台塑集团旗下的台塑石化公司（FPCC）计划2023年在路易斯安那州投产两套120万吨的乙烷裂解项目。在 2019年10月，由于污染的原因，公司被罚款5000万美元，此外还被勒令整改，需实现零塑排放。该公司后续再次表示，将推迟项目建设。 根据英国专业数据分析商安迅思公司供需数据库分析，2017～2020年为美国本土乙烯的第一波扩能潮。2020年美国乙烯新增产能将达约220万吨/年的峰值并结束第一波扩能潮。第一波扩能潮令美国增加了1090万吨/年产能。预计2021～2024年的第二波扩能潮只相当于第一波的影子，新增产能将降至480万吨/年左右。从目前统计情况来看，美国未来几年乙烯投产项目多以扩建产能为主。 产能转移在近年成为美国大多数能化巨头的选择，中国成为接棒者之一。全球化学工业正在将投资转向本地化供应，即便是大宗通用化学品，也在努力实现分子旅行最小化。美国乙烯的扩能也在遵循这一变化。 自给率缺口驱动中国产能进一步扩张 尽管近几年我国乙烯产能迅速放量，但乙烯当量消费进口依存度依然较高，仍在50%以上。由于乙烯需要在零下100℃存储及运输，直接进口难度较大，因此乙烯的生产商多以下游衍生品的形式进行产品的销售。国内乙烯的实际市场容量一般采用“当量消费量”，当量消费量=产量+净进口量 （进口量-出口量） +下游产品净进口折算量。根据国家统计局，2021年，我国乙烯产量约为2826万吨，而当量消费量达到5832万吨，当量缺口达到3006万吨左右，自给率约为48.5%。 中石油经研院预测，2022年中国新增乙烯产能仍将达到565万吨/年，总产能增至4933万吨/年，将赶上或超过美国。新增产能中气基乙烯延续快速发展势头，占比达到61%，已高于油基乙烯的投产规模。 2022年后，国内乙烯产能扩张延续扩张态势，但产能增长较2020年和2021年有所放缓。2023—2025年国内仍有大量乙烯项目投产，投产概率极大的乙烯产能共计1545万吨/年。其中，油基乙烯将占绝大多数；气基乙烯新增产能面临较大不确定性，主要受限于海外乙烷供应稳定性；煤/甲醇基乙烯新增产能规模将较为有限方面，主要由于各省在“双碳”目标下陆续出台煤化工等行业产能控制政策。 主要工艺技术公司发展 我们选取乙烯发展史上具有代表性的三家乙烯链工艺技术持有公司，复盘其发展历程。我们认为（1）专注有竞争优势的主业发展是化工企业做大做强的通路，也是困境反转的解决方法；（2）通过技术层面渗透全球聚烯烃产业发展，是竞争日益激烈的乙烯行业的突破路径之一。技术壁垒无法成为长期的战略优势，而技术替代却能成为未来长时间的稳定利润来源。
03、原料多元化，技术低碳化，烯烃产品高端化❖乙烯原料多元化已成必然趋势 近年来，全球乙烯原料的多元化和轻质化发展趋势明显。美国页岩气的成功开发，不仅为本国乙烯提供了廉价的原料，还影响到世界乙烯原料的变化，使得乙烯原料的选择更具多样性。我国乙烯较大的当量缺口，以及原油高进口依存度凸显了烯烃原料多元化的重要性。原料的可获性、价格水平、生产工艺等因素，使煤/甲醇制乙烯、乙烷裂解制烯烃项目各具优势。 高油价下煤制烯烃具成本优势 不同乙烯路线成本结构如下图所示，可以看出，煤制烯烃成本构成中，原材料占比仅20%左右；而石脑油蒸汽裂解原料占80%左右，乙烷裂解原料占比也达到60%以上。因此，煤制烯烃项目成本对原料价格变化并不敏感，承受市场风险的能力较强，但由于产品价格下跌无法通过原料价格对冲，对利润影响显著。 煤制烯烃由于现金成本较低，在40美元／桶以下的低油价情况下仍能维持经营所需现金流，有较强的抗风险能力；但从完全成本角度，只有油价60美元／桶以上，其相对石脑油蒸汽裂解路线才具有优势；但考虑到其投资强度远高于其它路线，从投资回报能力角度考虑，当油价80美元／桶以上，其相对蒸汽裂解路线才有明显优势。 美国乙烷供应增加，乙烷裂解仍有优势 我国乙烷进口依赖度较高，美国是我国乙烷的主要进口国。未来美国乙烷裂解装置投产项目较少，叠加乙烷开采的稳步提升，整体看乙烷供需偏宽松，乙烷价格上涨空间有限。据 EIA 统计，2021年美国乙烷富余量约2000万吨，并随着油价与天然气价格的上涨，开采量的上升将带动未来几年乙烷产量保持快速增长。以目前约400美元/吨价格来看，进口乙烷制乙烯进料成本约对应油价60美元/桶时石脑油裂解成本。根据美国MB乙烷远期曲线，2023年乙烷均价在335美元/吨，2024年上半年回落至 275美元/吨，长期进料成本将对应油价45美元/桶时石脑油裂解成本，远低于目前油价。 2022年4月，我国工信部等6部门发布《关于“十四五”推动石化化工行业高质量发展的指导意见》（以下简称“意见”），通过一系列举措，推进我国由石化化工大国向强国迈进。《意见》指出，优化烯烃、芳烃原料结构，引导烯烃原料轻质化、优化芳烃原料结构，提高碳五、碳九等副产资源利用水平。我们认为乙烷、丙烷裂解制烯烃项目在国内仍有发展空间。 ❖乙烯生产技术愈加注重低碳化 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。我国确立2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，这就意味着石化化工行业低碳发展是必然选择。实现双碳目标，乙烯化工行业应从原料生产、装置更新、运营管理等多环节介入，全流程打造节能减排低碳的生产路线。 蒸汽裂解装置节能减排 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%。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、热力和电消耗间接排放是最主要的两大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。 1、裂解炉管强化传热技术通过改变裂解炉管内部结构或材料，改变炉管内流体流动状态，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。 2、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。 3、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。如MAF-49、PCN-250等都被证明具有良好的乙烯/乙烷选择性；此外，浙江大学研究的新型氢键-有机框架材料（HOFs），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。 4、智能控制系统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。 5、 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，预计将于2025年实现工业化。2020年6月，陶氏与壳牌宣布了一项联合开发协议，旨在加速开发乙烯蒸汽裂解装置的电气化新技术。据悉，若将EDH与电裂解技术整合，CO2排放可降低40%～50%。陶氏计划通过实施该类技术，到2050年实现碳中和目标。 多途径直接制乙烯
❖烯烃产品步入高附加值区间 乙烯下游产品多且竞争加剧 聚乙烯是乙烯消费主要下游方向。2020年，HDPE、LLDPE、LDPE和环氧乙烷分别占全球乙烯消费结构的29.4%、20.2%、13.5%和15.3%。从国内看，聚乙烯2020年的占比达61%；其次是乙二醇和环氧乙烷，在乙烯下游应用中占比分别为11%和10%；苯乙烯在乙烯应用中占比为9%，聚氯乙烯占比5%。 随着我国乙烯产能扩张，下游产品也进入供应增速的阶段，低端产品同质化严重，竞争加剧。 新材料成为产业重要发展方向 从全球格局看，中国化工品研发投入在不断加大，中国将进入化工品高附加值区。根据CEFIC数据，在化工品研发投入方面（R&D expenditure），2020年中国为140亿欧元，在全球占比为29.4%；而2010年的投入仅为43亿欧元，在全球占比为14.7%。 从国内行业发展看，近年来，在国家政策引领及企业技术进步等推动下，我国化工新材料行业发展已具备一定基础。根据石化联合会数据，2020年，我国化工新材料产业规模约6500亿元，消费规模约9600亿元，消费量约3770万吨，自给率约71%。 随着国内产业结构优化升级，半导体、电子电器、新能源、信息通信、航空航天等相对新兴领域发展势头良好，有望带动上游化工新材料需求持续增长。预计 “十四五”末我国化工新材料消费量将达到5700万吨，自给率上升到75%，占化工行业整体比重超过10%。 乙烯下游值得关注的新材料 1)茂金属聚乙烯-需求潜力大 茂金属聚乙烯（mPE）由乙烯和α-烯烃（如 1-丁烯、1-己烯、1-辛烯）共聚得到。通过单活性茂金属催化剂，可精密控制结晶结构、分子量分布、单体含量等，具有强度高、透明性好等性能优势，主要用于高端薄膜生产，以及管材、油箱等其他领域。 茂金属催化剂为核心壁垒，我国mPE进口依存度超过90%（进口主要来自埃克森美孚、陶氏、三井化学等）。国产催化剂活性低、用量大、综合使用成本高，目前除中国石化旗下4家企业外，其余企业均选用进口茂金属催化剂，但进口催化剂价格高且供应受限，对mPE生产存在一定影响。 目前，全球茂金属聚乙烯产能约700万吨/年，埃克森美孚在美国和新加坡各有130万吨和190万吨产能，陶氏化学在美国和泰国分别有 60万吨和65万吨产能，两家公司为目前全球最大的mPE生产企业。 自2019年开始，国内不断涌入茂金属聚烯烃新兵，但主要是两桶油阵营。2021年，宝丰能源成为进入茂金属聚烯烃领域的唯一民营企业。后续来看，埃克森美孚（惠州）、中海油壳牌（三期）、中沙古雷、裕廊石化、广东石化、盛虹石化等国内重点聚乙烯企业都在布局和筹划建设茂金属聚乙烯。随着产能放量，预计需求量和国产化同步加速。 2)EVA-光伏料供应仍紧 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）受益光伏市场需求爆发，光伏级EVA（VA含量28-33%）供不应求。尽管后续国内产能迎来阶段投产高峰，但考虑到光伏级稳产周期较长（例如斯尔邦从建成到稳定产出历时约4年），光伏料供需或仍维持偏紧状态。 海外光伏级EVA树脂有效产能约55万吨，主要集中于韩华、杜邦、TPC、LG 化学等海外厂商。我国大炼化企业已在EVA领域有所突破，如盛虹斯尔邦与荣盛石化均处于目前光伏级EVA产能第一梯队。 3)POE-适配N型电池发展趋势 从海外龙头产业布局的变化不难看出，聚酯产业集中度或将进一步加强，并且聚酯产品高端化、可持续化趋势愈聚烯烃弹性体（POE）材料以乙烯、丙烯，以及α-烯烃等为原料，采用高温溶液聚合工艺路线生产，主要作为抗冲击改性剂及增韧剂等，广泛用于汽车、包装、电线电缆、医疗器械及家用电器等领域。国内的POE材料应用尚在起步阶段，消费结构以汽车行业为主（零配件如：汽车保险杠、内饰、门板等），占据总消费量的68%。 POE因其良好的力学性能、耐紫外性能、耐老化性能及流变性能等可被作为光伏EVA料改性剂或单独作为封装胶膜使用。并具有更优秀的低水蒸气透过率和高体积电阻率。 双面组件的市场占比将持续提升。据中国光伏行业协会发布的《中国光伏产业发展路线图（2021年版）》，随着下游应用端对于双面发电组件发电增益的认可，以及受到美国豁免双面发电组件201关税的影响，双面组件市场占比较2020年上涨7.7个百分点至37.4%。预计到2023年，单双面组件市场占比基本相当。 未来随着在生产成本的降低及良率的提升，N型电池（主要包括异质结电池和TOPCon电池）将会是电池技术的主要发展方向之一。POE产品的阻隔性、强抗PID能力、无醋酸等特性使其在N型电池、异质结电池时具备了其他封装材料不具备的天生优势，是目前双面组件及N型电池、异质结电池的主要封装胶膜。根据 CPIA 数据，当前胶膜市场仍然以 EVA 胶膜为主，目前 EVA（含白色 EVA）的市场占有率超过 70%。但随着技术成本发展，预计POE胶膜及EPE共挤型胶膜渗透率将逐渐提升。 α-烯烃是POE产业链最核心壁垒，目前全球POE产能仅约110万吨，集中于海外厂商，包括陶氏（46万吨/年）、埃克森美孚、SK、三井公司等。我国已加快POE产品自主研发进程，部分企业已经攻克了POE的生产技术，并逐步推进工业化的量产。 4）锂电池隔膜：继续受益新能源车放量 隔膜技术含量较高，成本约占锂离子电池成本的10%-20%，毛利率可达50%-60%。目前市场化的锂离子电池隔膜材料主要有PE单层、PE多层、PP单层和PP-PE-PP三层。 受到全球“电动化”影响，2021年我国锂电隔膜出货量78亿平米，同比增长110%，增长势头强劲。 截至2021年，龙头恩捷股份、星源材质产能分别为50、19亿平方米。后续亦将继续加码，均公布了超20亿平方米的产能布局。恒力石化旗下康辉新材料引进日本芝浦机械株式会社和青岛中科华联新材料股份有限公司的湿法锂电池隔膜生产线共12条，年产能16亿平方米。预计最早可于2023年投产。 5）高端BOPET薄膜需求广阔 BOPET薄膜上游为PTA、乙二醇等原料，下游应用广泛主要包括印刷包装、液晶显示、新能源、半导体照明等领域。其中包装印刷领域需求占比较大，为55.45%，其次是其他工业和电子、电气领域，需求占比分别为28.47%、15.31%。 高端BOPET膜还可用于光学显示材料基膜，太阳能背板膜、MLCC离型膜等领域，有望充分受益下游细分领域蓬勃发展。 光学聚酯基膜是光电子产业链前端最重要的战略材料之一，其用聚酯芯片作为主要材料。随着液晶电视、手机、平板电脑等消费需求增长，显示领域对光学膜需求不断提升。 MLCC离型膜是MLCC（片式多层陶瓷电容器）的配套产品。MLCC被广泛应用在智能手机、汽车电子、可穿戴设备、5G通信基站等众多领域。随着MLCC在消费电子、汽车、5G、军工业等各大应用市场的持续扩容，相应的离型膜需求也随之大幅增加。 我国低端BOPET薄膜产能充足，高端BOPET薄膜进口依赖度高。2021年我国BOPET产能利用率仅为67.9%。2021年我国BOPET进口量为6.53万吨，进口单价为11093.07美元/吨；出口量为44.34万吨，出口单价为3051.77美元/吨，进口单价超出口单价约3.6倍。 国外企业技术垄断。例如，光学基膜是BOPET行业中技术上技术壁垒最高的领域之一，因为它们必须满足高透光率、低雾度和高亮度的要求。高端光学基膜产品市场主要来自Toray、3M、三菱和SKC，这些公司约占国内背光模组市场份额的70%。 高性能膜材料具有高附加值以及较强的产品竞争力，国内生产企业正积极布局高端BOPET薄膜。恒力石化旗下康辉新材已拥有超20万吨/年BOPET产能，且成功开发了多种高端MLCC离型基膜专用纳米母料，实现量产。 04 投资建议 乙烯产业经过百年发展进化，其传统的生产工艺业已成熟，在当前能源创新与能源安全的双重背景下，我们认为乙烯行业今后的发展方向将是原料多元化、技术低碳化以及产品高端化。着重关注两条主线： 1）油价波动下，煤制烯烃以及烷制乙烯各有优势。我国煤化工具有天然资源、技术经验领先，在海外能源高企下具有明显成本优势；美国乙烷供给放量但下游乙烯裂解装置无大的新增，乙烷价格有望回归合理区间，轻烃化工有低能耗、低碳排、流程短收率高、产氢多的优势，属于国家政策鼓励工艺。 2）乙烯产能的投放今后将由技术、新市场需求驱动，新材料是乙烯产能消化的重要突破途径，注重科技研发、产品更符合市场发展趋势的化工企业将更具有长远竞争力；我国大炼化在EVA已经形成突破，未来在POE等方面有望形成新的增长点。 重点推荐：卫星化学、荣盛石化、恒力石化、东方盛虹、宝丰能源、万华化学等。 05 风险提示 1）国内的乙烯产能过剩风险。未来全球新增乙烯产能主要集中在中国国内，若下游化工品需求大幅低于预期，乙烯产能或在短时间内难以消化，乙烯价格或有剧烈波动，从而挤压企业利润。 2）新技术及新材料应用进展不及预期的风险。国内多数石化化工龙头布局新材料，若其项目进展不及预期，或对企业成长性评估带来负面影响。 |
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