乙烯行业分析（一）--乙烯原料结构及全球生产格局

摘要 

❖乙烯产能变革主要受到政策、原料价格和需求的影响，2025年前中国将引领产能增长，并由原料驱动转向技术驱动

21世纪以来三次产能扩张（中东乙烷、美国页岩气和中国煤制乙烯）主要由原料成本驱动，“十四五”期间欧美产能逐步转移至消费地，自给率缺口促使我国产能进一步扩张。（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。因此技术、工艺进步将是未来产能的主要驱动因素，体现在我国乙烯装置技术、关键原料/催化剂逐步自主化，下游产品更贴合消费市场。

❖结论与推荐

乙烯产业经过百年发展进化，其传统的生产工艺已成熟，在当前能源创新与能源安全的双重背景下，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。

乙烯产业链

01

乙烯生产工艺

一、石脑油、乙烷为主要原料

传统乙烯生产多是以石脑油为原料进行裂解，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50万吨丙烯、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、碳五碳九、乙烯焦油等。

以乙烷、丙烷、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。

乙烯蒸汽裂解工艺流程图

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%。

表1  不同裂解原料的产品分布（以质量分数计%）

乙烯裂解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。

表2  乙烯裂解主要生产专利技术

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，以便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。

二、煤、甲醇为主要原料

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20%。

MTO工艺流程图

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%。

表3  煤制烯烃主要工艺

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。

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。

表4  国际代表性烯烃催化剂企业

02

全球乙烯产能格局

❖全球乙烯产能

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：

1）2009-2011年，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；

2）美国的页岩气革命带来了乙烷产乙烯的投量高峰；

3）中国煤（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。

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。

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，在中国乙烯产能增长推动下，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。

21世纪以来全球乙烯产能分布区域占比变化

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。

2021年各国乙烯产能情况

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。

表5  中东地区21世纪以来重要乙烯项目

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800万吨/年以上。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。

近十年我国乙烯不同生产工艺产能占比趋势

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。

美国乙烯产量走势和美国乙烷价格走势

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。

美国主要NGL管线情况

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。

2016-2025年全球乙烯新增产能及需求增速

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。

美国乙烯产能按装置划分  裂解乙烯装置现金成本（美元/吨）

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。

表6  2022-2025年美国新增及预计新增乙烯投产项目

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。

表7  近年海外能化巨头在华投资项目

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%。

近年我国乙烯当量自给率情况

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。

来源：炼油乙烯副产品深加工

化工智库整理

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