苯乙烯生产工艺及技术经济分析

1 技术现状及进展

目前苯乙烯生产工艺主要分为：乙苯脱氢工艺、苯乙烯/环氧丙烷共氧化法(SM/PO)工艺和C8抽提法。中间原料乙苯的生产工艺根据原料不同，分别为纯乙烯工艺(气相或液相法)和稀乙烯气相工艺(又称干气法)两种。

1.1 乙苯脱氢工艺

乙苯脱氢制苯乙烯是当今世界苯乙烯工业生产中应用最广泛的工艺，占世界总产能的83.3%[1]，其主要工艺专利商有Lummus/UOP和Fina/Badger等。乙苯催化脱氢技术经过近80年的发展，已相当成熟，影响该技术发展的关键问题是水蒸气消耗大和分离系统余热利用等。

自1972年来，Lummus Classic工艺得到了广泛的应用，近年来Lummus工艺采用共沸精馏，利用粗苯乙烯塔的热量蒸发乙苯，减少水蒸气的消耗和冷却水用量。20世纪90年代，在传统脱氢法基础上，Lummus及UOP等公司合作开发了乙苯脱氢-氢氧化Smart工艺，乙苯转化率明显提高，水比和能耗明显降低[2]。

近年来，Badger工艺技术不断改进，综合能耗相对较低，具有较强的竞争优势。Badger工艺采用双塔变压节能技术实现了粗苯乙烯塔热量的自身循环利用，减少了水蒸气和冷却水的消耗[3]。此外，Badger工艺还开发了直接加热(DHU)技术，采用燃料直接加热第一反应器流出物的方法，水比可以降至5。

乙苯脱氢工艺中，生产乙苯的原料来源也更多样化。2018年我国纯乙烯法约占乙苯脱氢工艺总产能的80%[4]，尽管目前纯乙烯法仍占主导地位，但由于稀乙烯法的经济性和高附加值，更多公司开始使用干气代替纯乙烯原料。

1.2 SM/PO工艺

SM/PO工艺采用乙苯和丙烯氧化联产环氧丙烷和苯乙烯，该工艺占全球苯乙烯产能的13.4%[1]。SM/PO工艺特点是苯乙烯纯度非常高，但是由于副产烃类氧化物(如醛类)，其回收和纯化装置较为复杂。

目前该技术的专利商主要有利安德巴塞尔(LyondellBasell)和壳牌(Shell)两家公司。我国现有2套已建成投产的SM/PO联产装置，一套是宁波镇海炼化利安德化学有限公司的620 kt/a苯乙烯装置，采用LyondellBasell技术，其催化剂为均相环烷酸钼;另一套是中海油的700 kt/a苯乙烯装置，采用Shell技术，催化剂为经过有机硅处理的多相氧化钛。

在国产化方面，2019年1月5日，万华化学集团化学股份有限公司将具有自主知识产权的“乙苯共氧化法高效绿色制备环氧丙烷成套技术”应用于新建的650/300 kt/a的SM/PO装置上，打破了国外公司的技术垄断[5]。另外，其他后期在建项目中，中信国安瑞华新材料有限公司、山东利华益集团股份有限公司、天津渤化化工发展有限公司和中化泉州石化有限公司等多套装置也将采用此工艺。

从2021年计划投产的装置来看，采用SM/PO工艺的装置产能约为3 280 kt/a，占我国新增产能的60%以上。随着装置炼化一体化、大型化发展以及拥有自主知识产权技术的突破，SM/PO工艺的应用将越来越广泛。

1.3 C8抽提法

C8抽提法是指将裂解汽油中4%～6%的苯乙烯抽提出来的一种方法。通过二段加氢工序处理，将裂解汽油中的苯乙烯加氢生成乙苯，这种富含乙苯的C8馏分可以直接用作汽油调和组分或者回收芳烃。如果在裂解汽油加氢之前对苯乙烯组分进行回收，则可以有效提高苯乙烯及剩余C8芳烃馏分的价值、降低加氢处理费用，使资源得到充分利用。

目前，裂解汽油C8抽提苯乙烯技术主要专利商有荷兰DSM、美国GTC和中国石化，国内大部分裂解汽油抽提回收苯乙烯装置均采用中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院的技术。辽通化工有限公司(27 kt/a)、天利高新技术股份有限公司(40 kt/a)、中沙天津石化有限公司(35 kt/a)、新华粤石化股份有限公司(30 kt/a)、大庆三聚化工有限公司(30 kt/a)和兰州汇丰石化有限公司(25 kt/a)的装置均使用该工艺生产苯乙烯。

1.4 其他新工艺路线

其他新工艺路线包括生物质合成苯乙烯、CO2氧化脱氢制苯乙烯、甲苯和甲醇烷基化制苯乙烯、乙烷制苯乙烯(SNOW)技术、丁二烯合成制苯乙烯等。近年来SNOW技术和丁二烯合成制苯乙烯技术的相关开发报道日趋减少。

1.4.1 生物质合成苯乙烯

近年来绿色苯乙烯的合成在研究方面取得了一些进展。美国和瑞典的研究人员发现从森林废弃物中生产生物苯乙烯的可行性，利用森林废弃物作为真菌菌株的饲喂基质生产苯乙烯[6]。美国Anellotech公司开发了热催化生物质转化技术(Bio-TCat)，用ZSM-5沸石分子筛对木屑等生物质催化，快速热解生产苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)等芳烃，再通过生物乙烯和生物苯的常规烷基化反应合成苯乙烯[7]。美国亚利桑那州立大学设计出工程化的大肠杆菌生产苯乙烯，通过采用来自植物、酵母和细菌的基因来实现，如采用葡萄糖合成苯乙烯[8]。中国科学院咸漠等[9]开发了一种以生物质水解液为原料合成苯乙烯的基因工程菌，具有绿色和可持续性，且大大高出以葡萄糖为碳源生产的苯乙烯的产量。

1.4.2 CO2氧化脱氢制苯乙烯

作为一种绿色反应体系，CO2氧化脱氢制苯乙烯受到研究人员的广泛关注。乙苯脱氢反应为强吸热反应，需要大量的过热水蒸气作为稀释剂以降低反应物乙苯的分压。用CO2作为温和氧化剂替代常用的过热水蒸气，不仅提高反应的转化率和选择性，同时在抑制催化剂的失活上也有明显效果。CO2氧化脱氢制苯乙烯的催化剂主要为负载型金属氧化物，活性组分有Fe、V、Cr、Ce、Cs等，但催化剂的稳定性有待提高，目前均处于实验室研究阶段[10-12]。

1.4.3 甲苯和甲醇烷基化制苯乙烯

自20世纪70年代研究人员在碱金属交换的X型和Y型分子筛上成功将甲苯与甲醇侧链烷基化制成苯乙烯以来，该技术得到广泛研究。与乙苯脱氢法相比，该技术具有原料价廉且来源广泛、能耗较低和工艺简单等优势。中国科学院大连化学物理研究所公开采用甲醇无氧脱氢催化剂与碱性分子筛复合双功能催化剂催化甲苯和甲醇制苯乙烯的技术[13]；美国弗纳技术公司采用了金属离子改性的黏合剂对甲苯烷基化制苯乙烯催化剂进行改进[14]；中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院采用金属离子对分子筛进行离子交换，然后用浸渍法将金属元素负载到分子筛催化剂上[15]；浙江环化科技有限公司通过加入一定量的碱性类反应助剂，苯乙烯选择性可达100%[16]。由于催化剂寿命问题，上述研究均处于实验室阶段，未见工业化报道。

2 不同工艺路线生产成本分析

随着苯乙烯不断扩能，未来苯乙烯将处于供大于求的状态，目前研发焦点聚集在如何提高自身的竞争力以及降低生产成本上。文章将国内以及世界不同地区(2018年第一季度)采用不同工艺路线生产苯乙烯的装置进行了生产成本对比分析，其生产成本主要由净原料成本、公用工程、固定费用、折旧以及10%投资回报率(ROCE)组成。

2.1 国内不同苯乙烯工艺生产成本对比分析

将国内采用纯乙烯法(600 kt/a)、稀乙烯法(600 kt/a)、SM/PO法(600 kt/a)、C8抽提法(33 kt/a)4种工艺的生产成本进行了比较(见表1)。

表1 国内不同苯乙烯工艺生产成本对比分析

从表1可以看出：稀乙烯法的生产成本最低，为1 020 美元/t，其主要优势体现在较低的原料成本、公用工程、固定费用和折旧费用等。稀乙烯法的原料干气主要来自炼厂催化裂化装置，成本较低，而乙苯并不是流通的化学品，因此将稀乙烯法与脱氢法相结合，可以较为显著地增加脱氢法的竞争优势。相对稀乙烯法而言，纯乙烯法的主要区别在净原料成本较高，导致其生产成本稍高于稀乙烯法，为1 308美元/t。SM/PO法的回收和纯化装置较为复杂，所以其公用工程、固定费用和折旧等费用均较高，尽管考虑了环氧丙烷的副产收益，但其生产成本也较高，为1 566美元/t。C8抽提法的装置规模比其他3种工艺的要小很多，装置的规模效应未体现出来，因此C8抽提法在4种工艺路线中生产成本最高，为3 164美元/t。由于石脑油是C8抽提法的主要原料，该工艺的原料和副产物价格普遍趋向于石脑油，导致其净原料成本远远高于其他工艺，且装置规模较小，单位固定成本相对较高，所以C8抽提法的生产成本最高。

2.2 国外不同苯乙烯工艺生产成本对比分析

对建在美国墨西哥湾沿岸和中东地区的纯乙烯法(600 kt/a)、稀乙烯法(600 kt/a)、SM/PO法(600 kt/a)、C8抽提法(33 kt/a)4种工艺生产成本进行了对比(见表2)。

表2 美国和中东地区不同苯乙烯工艺生产成本对比分析

乙苯脱氢法工艺中，纯乙烯法和稀乙烯法的公用工程、固定费用、折旧及10%ROCE基本相同，其主要区别在净原料成本方面。纯乙烯法中，美国和中东地区分别是1 196美元/t、1 235美元/t；稀乙烯法中，中东地区的原料催化裂化(FCC)气体单价较低，因此其生产成本最低，为919美元/t；SM/PO法工艺中，美国的生产成本最低，为1 505美元/t，因为作为副产物的环氧丙烷在美国市场的价格较高；相对其他3种工艺，SM/PO法工艺在几个地区的生产成本较为接近；C8抽提法工艺中，由于中东地区的石脑油价格较低，其原料裂解汽油成本远远低于美国和中国，并且蒸汽价格较低，其净原料和公用工程成本具有绝对的优势，其C8抽提法工艺生产成本仅为1 963美元/t，只有美国和中国的三分之二。

3 市场供需及预测

3.1 世界苯乙烯的产能及供需情况

2020年世界苯乙烯产能为36.57 Mt/a，同比增长6.1%,产能排名前三位的地区分别是东北亚、北美和西欧。在2014年出现了近5.4 Mt/a的供应过剩之后，苯乙烯行业在5年内通过关闭旧资产和重组公司来巩固产能。展望未来，预计全球苯乙烯产能将以年均2.9%的速度增长，到2025年将增加5.57 Mt/a，大部分产能增长发生在中国。

世界苯乙烯产业集中度相对较高，产能主要来自大型炼化企业，2019年前10位苯乙烯生产企业产能合计16.70 Mt/a，占总产能的49%，前三位企业产能占世界总产能的比例为19.6%。其中，荷兰皇家壳牌苯乙烯产能居世界之首，占总产能的7.1%；英力士Styrolution是第二大苯乙烯生产商，占6.6%。2018年3月，英力士宣布在美国墨西哥湾沿岸新建一套世界规模的苯乙烯工厂，预计未来5年，英力士将是全球最大的苯乙烯生产商，中国石化和利安德巴塞尔公司是仅次于英力士的两大生产商。到2025年，全球苯乙烯产能将以年均2.9%的速度增长，达到近42.14 Mt/a。表3为2015—2025年世界苯乙烯供需情况。

表3 2015—2025年世界苯乙烯供需情况

3.2 我国苯乙烯的产量及供需情况

2020年我国苯乙烯新增产能2.57 Mt/a，创近年新高。新增产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)、宝来利安德巴赛尔石化有限公司(0.35 Mt/a)及唐山旭阳化工有限公司(0.30 Mt/a)等。预计2021年苯乙烯新增产能仍将保持高位，达1.90 Mt/a左右。

2020年，苯乙烯因建筑等行业受疫情冲击，消费出现小幅下降，全年消费量为12.17 Mt左右；随着疫情影响消退,2021年苯乙烯消费将出现反弹，消费增速有望达8%以上，达到13.15 Mt左右。

回顾“十三五”期间，苯乙烯产能规模近乎翻番，建筑保温、冷鲜物流、家电、汽车等领域消费的快速增长支撑着苯乙烯消费，国内苯乙烯缺口一直维持在3.00 Mt左右。预计“十四五”时期，随着国内大型炼化一体化下游配套苯乙烯产能投放，以及SM/PO法生产苯乙烯产能陆续达产，国内苯乙烯供需格局将出现显著改变。预计到“十四五”末期，国内苯乙烯产能规模将突破20 Mt/a，年均消费增速为5.5%左右，将彻底改变供不及需的格局，或将出现少量净出口。表4 为2015—2025年国内苯乙烯供需及预测情况。

表4 2015—2025年国内苯乙烯供需及预测情况

4 结语

(1)苯乙烯装置大型化、一体化、基地化格局初步形成。未来几年新投产装置主要集中在华东地区，且均为依托具有炼化一体化优势、靠近华东市场消费腹地的大型化项目，预计行业竞争将更加激烈。

(2)随着国内苯乙烯产能的全部释放与下游需求的增速放缓，苯乙烯产量将进入低速维稳增长期。预计至2025年我国苯乙烯消费量将达到15.88 Mt，产能出现过剩，市场竞争将更加激烈。

(3)由于我国乙烯资源严重供不足需，发展及开辟苯乙烯生产的新材料路线尤为重要，稀乙烯法因为经济性和高附加值将成为苯乙烯生产的另一主要技术路线。随着装置炼化一体化、大型化发展以及拥有自主产权技术的突破，未来SM/PO工艺在新建的苯乙烯装置中占比会明显提升。

(4)对比其他地区苯乙烯工艺技术成本，中国在原料及蒸汽等公用工程上成本较高，导致其总生产成本没有竞争优势。应加强落后装置和产能的淘汰，利用现有的先进技术改造国内中小型化工企业，提高装置技术经济指标，开发低水比、低能耗、清洁高效的工艺技术及催化剂尤为重要。