?乙烯發(fā)現及早期的乙烯工業(yè)發(fā)展
乙烯，英文全稱Ethylene，化學式為C2H4, 是由兩個碳原子和四個氫原子組成的化合物，兩個碳原子之間以碳碳雙鍵連接。乙烯是世界上產量最大的化學產品之一，乙烯工業(yè)是石油化工產業(yè)的核心，其產品占石化產品的75%以上，在國民經濟中占有重要的地位。
乙烯的歷史也非常久遠，可以追溯到18世紀末。1779年荷蘭化學家卡斯貝特森首先制備出乙烯。他采用的方法就是中學化學常見的乙醇與硫酸共熱。在這個過程中他還發(fā)現乙烯具有易燃性，密度與空氣接近，同時如果與氯氣接觸還能生成油狀液體。當時人們只能簡單測定乙烯的化學組成，對其結構并不了解，因此一度將它命名為二碳化氫。
乙烯還是一種植物激素，可以催熟果實。最初人們發(fā)現在煤氣管道周圍的樹木落葉相對較早，后來才發(fā)現煤氣中的少量乙烯有催熟作用。而成熟的果實本身就能產生乙烯要等到1934年由于氣相色譜的出現才得到證實。
雖然焦爐煤氣中含有少量乙烯，但焦爐煤氣是混合物難以分離。因此在早期制備乙烯，還是要采用乙醇脫水的工藝，而乙醇的來源則是糧食發(fā)酵。在最初的生產工藝中，人們沿用硫酸作為脫水劑，后來隨著催化科學的發(fā)展，后續(xù)發(fā)現將乙醇蒸汽通過氧化鋁床層也能生成乙烯。乙醇脫氫法原料成本高，在經濟上并不合理。這實際上和我們今天的生產流程恰恰相反，當今由于乙烯容易獲得，我們通常用乙烯水化來生產乙醇。20世紀30年代以前，乙烯的用量不大，因此這樣落后的生產技術也可以滿足當時的需求。
到了20世紀初，隨著煉油工業(yè)的進步，在石油蒸餾過程中產生了大量的煉廠氣。最初的煉廠氣來源于石油的蒸餾，后來隨著催化裂化等工藝的出現，這些工藝也會副產大量煉廠氣。如何進一步利用這些煉廠氣提高經濟效益也成為了各個石油公司研究的課題。對于煉廠氣最早的利用實際上是在1917年，當時美國新澤西標準石油公司利用煉廠氣中的丙烯合成了異丙醇。采用的工藝是將丙烯與硫酸反應，生成硫酸脂，隨后水解生成異丙醇。
實際上煉廠氣中就含有少量乙烯，由于煉廠氣是混合物，為了利用這一部分乙烯必須進行氣體分離。1919年林德公司利用深冷技術將煉廠氣冷卻為液體，然后利用各種組分沸點不同，實現了煉廠氣中各成分的分離，從中提取出了少量的乙烯。
20世紀30年代可以說是化學工業(yè)爆發(fā)的年代，多種重要的化學品被發(fā)現并且逐漸實現商業(yè)化。例如乙烯重要的下游生產物——聚乙烯（PE），最初就是在1935年，ICI的科學家邁克爾·佩林（Michael Perrin）、約翰·佩頓（John Paton）和埃德蒙德·威廉姆斯（Edmond Williams）對福塞特和吉布森曾經的發(fā)現進行進一步的研究偶然所得。1938年，ICI生產了第一噸PE。1939年，第一套商業(yè)化PE制備裝置建成投產。這套裝置年產量可達10噸，并為PE的工業(yè)規(guī)模生產奠定了基礎。
1936年催化裂化技術的開發(fā)，為石油化工提供了更多低分子烯烴原料。1941年新澤西標準石油公司在美國巴吞魯日建成了全球第一套管式裂解爐( 箱式爐) 蒸汽裂解裝置，開創(chuàng)了以乙烯裝置為龍頭的石油化工歷史。
?乙烯來源和生產方式
石腦油、乙烷為主要原料，蒸汽裂解為主要生產方式
全球絕大多數的乙烯生產是通過裂解而成。蒸汽裂解乙烯是最重要的乙烯生成路徑。原料包括天然氣、液化石油氣、輕油(石腦油)、輕柴油、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產品。
傳統(tǒng)的乙烯的生產多是外購石腦油通過裂解而成，一般情形下生產100萬噸乙烯需要330萬噸的石腦油原料，同時副產近50噸丙烯、18萬噸丁二烯、20萬噸純苯、以及其他芳烴混合物、異丁烯、丁烯、碳五碳十、乙烯焦油等。
以乙烷、丙烯、丁烷為原料的裂解裝置中，副產的丙烯、丁二烯、純苯的量較少。美國在2010年以后由于頁巖氣革命，在開發(fā)過程中帶來了大量的乙烷副產，也成為了裂解乙烯的優(yōu)質原料。
乙烯蒸汽裂解通常是原料在多個平行的裂解爐中，裂解出口溫度接近850°C（或1550°F）；在裂解爐中會有成千上萬種的化學反應，但它們通常是由碳碳鍵經過熱分解而成，其余是碳氫鍵分離。
影響裂解乙烯的副產品產量的因素主要有：
1、原料：含碳量多，偏重組分則對應的副產品多。
2、裂解深度：一種衡量原料分子被分解的程度；在裂解爐中溫度達到了多少。
3、裂解參數：壓力、裂解時間、技術、原料中所加蒸汽量等。
其中，裂解乙烯工藝中的乙烯收率與原料有著更為直接的關系：從多產乙烯、丙烯的角度，烷烴>環(huán)烷烴>單環(huán)芳烴>多環(huán)芳烴。從乙烷到柴油，相對分子量越大，乙烯、丙烯的收率越低。乙烷作為原料的雙烯（乙烯+丙烯）收率在80%左右，丙烷為原料約為60%，石腦油為原料約為45%。
在中國能源稟賦為“富煤、貧油、少氣”的背景下，中國走出了獨具特色的CTO/MTO乙烯路線，并成為現代煤化工的六大路線之一。其以煤為原料通過氣化、變換、凈化、合成等過程首先生產甲醇，再用甲醇生產烯烴（乙烯+丙烯），進而生產聚烯烴（聚乙烯、聚丙烯）等下游產品，其中煤制甲醇、烯烴聚合制聚烯烴均為傳統(tǒng)的成熟技術，而甲醇制烯烴則是近年來開發(fā)成功的新技術，也是煤制烯烴的核心技術環(huán)節(jié)。2021年中國煤/甲醇制烯烴占16%。
生產技術成熟且多樣化
乙烯裂解生產方式下，乙烯生產專利長期由五大專利商壟斷，中國起步較晚但發(fā)展迅速。乙烯生產專利技術由于工藝復雜，半個世紀來一直由美國 Lummus、S&W、KBR、德國 Linde 和法國 Technip 五大專利商壟斷，典型的生產工藝有：順序分離技術路線（含順序“漸近”分離技術路線）、前脫丙烷分離技術路線和前脫乙烷分離技術路線，并且均擁有各自的裂解技術。中國的乙烯工業(yè)相對歐美起步較晚，主要的技術路線都是通過消化吸收轉化海外專利商技術得來。
法國德希尼布Technip：是乙烯行業(yè)的全球領導者，擁有40-50%的許可市場份額。在使用專有技術設計、建造和現代化改造最大的乙烯工廠方面擁有獨特的經驗。2012 年Technip 收購Stone &Webster，其中Stone & Webster 的乙烯技術經驗超70 年，Technip 自身超40 年，合計有150 套原始投資的乙烯裝置技術轉讓。2021年2月TechnipFMC完成分拆計劃，Technip Energies將專注LNG、氫氣和乙烯市場，同時在可持續(xù)化學和二氧化碳管理方面持續(xù)提升。
CB&I：通過與Lummus Technology的戰(zhàn)略合作伙伴關系，80多年來，為化工和石化行業(yè)提供專業(yè)工程、采購、制造和施工服務；在全球為超過120 套乙烯裝置提供創(chuàng)新技術，約占全球產能40%；已經成功地完成了200 多個原始投資、改造和擴展的設計項目。2018年5月，McDermott與CB&I公司合并，合并后CB&I普通股將不再在紐約證券交易所上市。
KBR 集團：成立于1901年，目前是世界級的工程設計公司。開發(fā)了毫秒爐裂解技術，目前各種技術應用于超過20 套新的乙烯裝置，合計產能1300 萬噸/年。
Linde ：世界領先的氣體和工程公司，1931年應用專有的低溫分離技術建成世界上第一個用低溫蒸餾法從焦爐氣中生成乙烯的工廠，1960年開始研究開發(fā)管式爐蒸汽裂解技術。應用于超過40 套大型乙烯裝置，合計產能超過1800 萬噸/年。
各種技術在配置、處理特定原料的能力以及其他因素方面略有不同，這些因素可能使特定技術對特定站點或工廠布局更具吸引力?！胺€(wěn)健性”（即以最小的問題啟動并保持運行的能力）作為選擇烯烴技術的重要標準。
各種技術都可以進行調整，以在任何給定的條件下提供最佳結果。因此，生產者建造烯烴工廠的人通?；趦蓚€因素選擇工藝或技術：根據其特定操作條件進行定制的能力，以及以最具競爭力的資本成本實施的能力。因此，烯烴工廠中基于相對于其他因素（如原料成本、副產品價值和工廠規(guī)模）的技術選擇，生產成本差異化的機會很小。
煤化工路徑下，目前代表性的甲醇制烯烴技術主要包括：由UOP（美國公司）和Hydro（挪威公司）共同開發(fā)的UOP/Hydro MTO 工藝，德國Lurgi 公司的MTP 工藝，中國科學院大連化學物理研究所的DMTO 工藝，中國石化上海石油化工研究院的SMTO 工藝，神華集團SHMTO 工藝，清華大學的循環(huán)流化床甲醇制丙烯（FMTP）工藝等。從上述幾種典型工藝的實際應用情況看，目前我國煤制烯烴項目中所采用的工藝技術較為多樣化，國內外技術均有涉及，但整體上以大連化物所DMTO技術應用推廣最為廣泛，據不完全統(tǒng)計，截止目前該技術已許可工業(yè)化裝置25 套，涉及烯烴產能1458 萬噸/年，其中投產14 套，烯烴產能776萬噸/年，市場占有率67.9%。
裝置技術是乙烯生產進步核心
乙烯裂解爐是乙烯生產裝置的核心設備，主要作用是把天然氣、煉廠氣、原油及石腦油等各類原材料加工成裂解氣，并提供給其它乙烯裝置，最終加工成乙烯、丙烯及各種副產品。乙烯裂解爐的生產能力及技術的高低，直接決定了整套乙烯裝置的生產規(guī)模、產量和產品品質，因此乙烯裂解爐在乙烯生產裝置乃至整套石油化工生產中都起到龍頭作用。
一套乙烯裂解裝置由多臺裂解爐并聯而成，目前世界級規(guī)模中單臺裂解爐的能力一般是：液體原料（石腦油等）的乙烯能力為20萬噸/年/臺；氣體原料裂解（乙烷等）的乙烯能力為22萬噸/年/臺。近年來，林德公司設計了容量超過25萬噸/年的裂解爐，以滿足對乙烯不斷增長的需求。
乙烯裝置中的裂解爐由對流段、輻射段（包括輻射爐管和燃燒器）和急冷鍋爐系統(tǒng)三部分構成。裂解反應在輻射段爐管中發(fā)生生成乙烯和丙烯等產品。對流段回收高溫煙氣余熱，以氣化和過熱原料至反應所需的橫跨溫度，同時預熱鍋爐給水和超高壓蒸汽。急冷鍋爐系統(tǒng)的作用是終止裂解二次反應并回收裂解氣的高溫熱量以產生超高壓蒸汽。
自1941年第一個管式裂解爐的工業(yè)裝置在美國巴圖魯日投產以來，世界各裂解爐開發(fā)商不斷對裂解技術進行改造，目前全球商業(yè)化的裂解爐專利商只有美國Lummus、S&W、KBR、德國Linde、法國Technip以及中國石化，對應裂解爐爐型分別為SRT型裂解爐、USC型裂解爐、毫秒裂解爐、Pyrocrack型裂解爐、GK型裂解爐和CBL型裂解爐。
根據企業(yè)業(yè)務的不同，國內裂解爐企業(yè)可以分為技術商和制造商等。主要技術廠商有美國Lummus公司、美國S&W公司、美國KBR公司、中石化等，制造商主要有惠生工程（中國）有限公司、茂名重力石化裝備股份公司、中石化煉化工程（集團）股份有限公司等。這些企業(yè)占據了國內裂解爐行業(yè)90%以上的市場份額。
未來裂解爐的技術發(fā)展方向將逐漸轉向以下幾個方面：一是裂解爐的大型化，目前200kt/a的裂解爐已經開始逐步推廣，隨著乙烯裝置經濟規(guī)模的不斷擴大，對于裂解爐大型化的需求依然旺盛，因此裂解爐大型化是未來的發(fā)展方向；二是裂解爐的綠色化，隨著人類的環(huán)保意識越來越強，人們在關注技術發(fā)展的同時更加關注綠色環(huán)保，因此裂解爐的綠色化是未來的發(fā)展方向之一，主要是低NOX燃燒系統(tǒng)的應用，更高的裂解選擇性技術等；三是裂解爐的先進控制，這對于乙烯工廠化降低勞動強度，改善勞動環(huán)境有較大幫助，同時也能夠避免人為的操作失誤帶來的裝置波動等。以裂解爐電（可再生能源發(fā)電）加熱為例：
2022年7月，殼牌和陶氏在荷蘭阿姆斯特丹能源轉型園區(qū)啟動了一個實驗裝置，對蒸汽裂解爐進行電加熱（E-cracking）。
2022年9月，巴斯夫、SABIC和林德已開始建設全球首個大型電加熱蒸汽裂解爐示范裝置，通過使用可再生能源而不是天然氣用于裂解爐加熱。與當今常用的技術相比，新技術有可能將化工行業(yè)最耗能的生產過程之一的二氧化碳排放量減少至少90%。
催化劑是生產聚烯烴的必備成分
聚合催化劑是聚烯烴制備過程中的必備成分。催化劑是聚烯烴的核心, 是實現烯烴高性能低成本規(guī)?；a的關鍵。在石油化工行業(yè)，催化劑種類多樣，根據其性能特點可分為聚合催化劑、氧化催化劑、加氫催化劑、脫氫催化劑等。在烯烴聚合過程中，聚合催化劑發(fā)揮著不可替代的作用，如不使用催化劑，則無法實現工業(yè)化生產。因此催化劑是烯烴聚合技術的核心，聚烯烴樹脂性能的改進與聚烯烴催化劑的開發(fā)也有著極為密切的關系。
齊格勒-納塔催化劑是最常用的聚烯烴催化劑，且已發(fā)展至第四代產品。20世紀50年代，德國化學家卡爾·齊格勒（Karl·Ziegler）和意大利化學家居里奧·納塔（Giulio·Natta）發(fā)明了用于烯烴聚合的催化劑，采用由四氯化鈦和鋁烷基衍生物混合物組成的催化劑，以制造高分子量，高熔點和直鏈聚乙烯，即Ziegler-Natta催化劑（Z-N催化劑），并開拓了定向聚合的新領域，使得合成高規(guī)整度的聚烯烴成為可能。從此，很多塑料的生產不再需要高壓，減少了生產成本，并且使得生產者可以對產物結構與性質進行控制。
據《我國聚烯烴產業(yè)技術的現狀與發(fā)展建議》一文，目前工業(yè)用催化劑主要為齊格勒-納塔催化劑, 茂金屬催化劑是重要的補充, 非茂單活性中心催化劑目前市場占比較小。而國際上具有代表性的工藝技術巨頭在催化劑的研發(fā)和應用上也日益豐富。
?全球乙烯產能演變史
乙烯作為重要的石化產品，其產能的變化歷史也反映著世界石化產業(yè)的發(fā)展，具有一定的周期屬性，主要受到政策、原料價格和需求的影響。
20世紀：由歐美為主逐漸形成三足鼎立格局
從石化產業(yè)初期來看，擁有技術和原料的公司掌握了石化發(fā)展的領先地位，而產品需求和生產的大幅增加往往在國家發(fā)生重大事件之時，如第一次世界大戰(zhàn)、第二次世界大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭?；さ呐d起在德國，而富有天然氣和石油資源的美國則成為了石化的奠基者。1919年美國聯合碳化物公司研究了乙烷、丙烷裂解制乙烯的方法，隨后林德空氣產品公司實現了從裂解氣中分離乙烯，并用乙烯加工成化學產品。1923年，聯合碳化物公司在西弗吉尼亞州的查爾斯頓建立了第一個以裂解乙烯為原料的石油化工廠。1936年催化裂化技術的開發(fā)，為石油化工提供了更多低分子烯烴原料。美國的乙烯消費量由1930年的14kt增加到1940年的120kt。50年代起，世界經濟由戰(zhàn)后恢復轉入發(fā)展時期。隨著石化產品需求和技術的不斷發(fā)展，在1963年，美國已有18個石化企業(yè)，乙烯總能力達3.5Mt/a，滿足了3Mt/a的需求。
西歐各國與日本，由于石油和天然氣資源貧乏，裂解原料采用了價格低廉并易于運輸的中東石腦油，以此為基礎，建立了大型乙烯生產裝置，大踏步地走上發(fā)展石油化工的道路。至此，石油化工的生產規(guī)模大幅度擴大。作為石油化工代表產品的乙烯，1980年全世界產量達到35.8Mt，創(chuàng)歷史最高水平。
80年代，由于乙烯行業(yè)利潤微薄，乙烯生產能力沒有新的增加，但由于石油價格的下行，需求和生產再次復蘇，1988年美國乙烯產量增加到了16.8Mt，裝置開工率高于90%。
90年代，乙烯產能在地域結構發(fā)生重大變化。1981年，世界上有132個乙烯廠，其中87個（占比66%）在美國、西歐和日本，到1988年總數增加到155個，而在這些地區(qū)的公司只有74個，僅占47%。主要增長在亞太、非洲和中東地區(qū)。
非洲和中東地區(qū)成為乙烯主要產能地帶并不是需求驅動，而是由于他們擁有豐富的油氣資源，原料成本優(yōu)勢突出。中東地區(qū)更是成為了大量乙烯衍生物（如乙二醇和聚乙烯）出口地，該地區(qū)的廉價原料也為亞洲的供應增加提供了條件。到1995年，隨著伊朗、卡塔爾和沙特阿拉伯一批新廠的建成投產，中東地區(qū)的乙烯生產能力以每年450萬噸的數量增加。在過去的10年中，該地區(qū)的生產能力復合年增長率達到了19%，比全球乙烯需求量的增長速率快了3倍。
亞洲的乙烯需求在80-90年代大幅增長，1997年達20Mt，相較1980年的6Mt增長超過3倍，年均增長率達7.8%。
由此，世界乙烯總產能由1981年的48Mt/a 增加到1998年的92Mt/a。北美、西歐和亞太所占比例分別為 35.1%、23.0%和26.9%，形成了三足鼎立的格局。
21世紀：三次產能擴張及轉移
21世紀以來，全球乙烯產能主要經過三次擴張及產能地轉移：隨著發(fā)展中國家經濟高速發(fā)展帶來日益增長的化工產品需求，全球乙烯產能穩(wěn)步增長，在2009-2011年乙烯經歷了一段新的高峰投產期。新增產能主要是來自于中國和中東，三年總計新增乙烯產能超 2200 萬噸。2011年后，美國的頁巖氣革命帶來了乙烷產乙烯的投量高峰，中國則經歷了煤（甲醇）制乙烯產能的提升和近三年大煉化帶來的乙烯產能擴張。
從整體產能來看，截至2021年，全球乙烯產能達到2.1億噸/年，同比增長6.2%。2021年，世界乙烯裝置總數約340座，乙烯裝置的平均規(guī)模約為62萬噸/年。
從產能分布地區(qū)和國家來看，2021年，在中國乙烯產能推動下，亞太地區(qū)乙烯總產能已升至8330萬噸/年，在世界乙烯總產能的占比從2015年的36%升至40%。近年來，亞太地區(qū)乙烯產能始終保持快速增長態(tài)勢，超過了歐美乙烯產能總和，其世界領先地位不斷提升。
美國、中國和沙特阿拉伯的乙烯產能仍穩(wěn)居世界前三位，我國和美國的乙烯產能基本持平，差距縮小至59萬噸/年。韓國乙烯產能大幅增加，正向乙烯生產大國挺進。伊朗乙烯產能躍居世界第五位。
中東地區(qū)：原料成本優(yōu)勢驅動
中東乙烯有2/3是以乙烷和丙烷做原料，其乙烷價格長期低于美國乙烷價格，例如在2011年為0.75～1.25美元/百萬英熱單位，遠低于當時美國約10美元/百萬英熱單位的乙烷價格。原料成本優(yōu)勢推動當地產能持續(xù)擴張，2018年海合會地區(qū)乙烯衍生物產能為3300萬噸/年，占全球乙烯衍生物總產能的21%，2000年以來的年均增速達到9.8%。但由于其油氣田伴生乙烷增量放緩，近年來產能增速放緩，且新建裝置中采用石腦油、輕烴等混合原料的比例顯著提高。
東北亞：以中國為代表的新興市場需求及政策驅動
進入21世紀，中國乙烯產能有兩輪集中投放期：2005-2006 年和2009-2010 年，主要是由于在國內需求增長下，三桶油煉廠進行擴產。1999年到2008年十年間，我國乙烯產能從435萬噸躍升到998.5萬噸/年，到2009年年底全國乙烯產能首次突破千萬噸大關，達到1177.8萬噸/年，穩(wěn)居世界第二位。
2011年后，由于油價高企，我國煤（甲醇）制乙烯產能逐步擴展，煤制乙烯產能占比有一定提升。該工藝主要是通過煤炭替代石油生產甲醇，進而轉化為乙烯、丙烯等。2010年，第1套煤制乙烯裝置——內蒙古神華包頭煤化工有限公司60萬t/a 煤制乙烯項目投入商業(yè)化運營，標志著我國已實現煤基甲醇制烯烴技術的工業(yè)化應用;2011年，我國首套20萬t/a 甲醇制乙烯項目(中原石油化工有限責任公司) 投產; 2014—2016 年是我國煤制烯烴項目的投產高峰期。截至2021年底，我國煤制烯烴生產能力達到1115萬噸/年。
隨著國際油價大幅下跌，國內煤/甲醇制烯烴項目經濟性明顯下降，規(guī)劃項目投資節(jié)奏顯著放緩。而基礎煉化產業(yè)尤其是煉化一體化項目盈利豐厚，行業(yè)投資熱情高漲。2018年，中海油惠州二期和中海殼牌二期建成投產，拉開了國內大煉化新一輪擴能的序幕。隨后，恒力石化、浙江石化、中科煉化、中化泉州等多個煉化一體化項目建成投產。此外，新浦化學、萬華化學、寶來/利安德巴塞爾等多個輕烴/石腦油裂解項目順利建成投產。
受到外資、民企加快建設乙烯項目以及迫切需要縮小國內供求缺口驅動，2019年-2020年，我國乙烯產能進一步釋放。2015～2020年，中國乙烯年產能已經從2200.5萬噸增長至3518萬噸，年均復合增長率近10%。2020年，中國占東北亞地區(qū)乙烯總產能的60%， 2015年至2020年幾乎所有新增產能都來自中國。2021年中國乙烯生產能力4368萬噸/年。
北美：頁巖氣革命催生美國乙烯產能新釋放
北美地區(qū)一直是全球乙烯的主要生產地區(qū)，由于競爭力的原因，北美的乙烯開工率在 2008 年曾經降到 80%以下，其中在2008-2010 年間產能減少 240 萬噸。2011年后隨著美國頁巖氣革命帶來廉價乙烷原料供應爆發(fā)式增長，推動北美乙烯產能重新進入擴張周期。
在2010年前，美國乙烷價格處于高位，大約在600美元/噸的水平，而后隨著頁巖氣革命，大量的頁巖氣被開采出來。由于美國天然氣多以濕氣為主，天然氣被分離進入管網后，剩下總質量占比約30%的天然氣凝析液NGL被輸送至美國休斯敦地區(qū)再進行分餾，其中乙烷、丙烷占比分別接近40%和30%。
北美天然氣凝析液的價格并沒有像過去那樣隨著原油價格的上漲而增加，逐步與石油脫鉤，乙烷價格自此一直保持在200美元/噸的水平以下，具有持續(xù)的競爭優(yōu)勢。而美國如Enterprise，ETP，Targa，Oneok等中游公司不斷加大投資開發(fā)NGL管道，使得大量的乙烷、丙烷等輕烴能夠從EagleFord，Bakken， Barnett和Marcellus等富含天然氣凝析液的氣田通過星羅密布的NGL管道得以匯聚到美國休斯敦的化工中心。
2015年到2020年，美國墨西哥灣沿岸新增約1300萬噸乙烯產能，乙烯總產能達到4000萬噸，全球產能占比超過20%，成為全球最大的乙烯生產地。2020年，美國的乙烯生產原料有82%來自乙烷，而12%來自LPG（丙烷和丁烷），以乙烷為主的輕質化乙烯原料利用，使得美國成為僅次于中東的第二大成本競爭地區(qū)。
?“十四五”全球乙烯產能展望
GlobalData發(fā)布的《2025年前全球乙烯產業(yè)前景展望》報告預測，2025年前全球乙烯產能將出現大幅增長，有望從2020年的2.0132億噸/年提高至2025年的2.9942億噸/年，增幅達到49%。
2025年前中國將引領亞洲地區(qū)乙烯產能增長，中國將新增3125萬噸/年的乙烯產能。GlobalData將印度確定為乙烯新增產能第二大的國家，2025年前將新增乙烯產能1185萬噸/年。主要新增產能將來自霍爾迪亞石化公司的Cuddalore乙烯裝置和Nayara能源公司瓦迪納乙烯裝置。這兩套裝置的產能均為180萬噸/年。伊朗將是新增乙烯產能第三大國家，2025年前將新增產能999萬噸/年。主要新增產能將來自Sepehr Makran Chabahar乙烯裝置，到2024年產能將達到135萬噸/年。
美國新建乙烯擴張趨緩，產能逐步轉移
美國的能源和原料成本具有優(yōu)勢。美國乙烯生產主要來自乙烷，2021年，乙烷為裂解原料的裝置（包含摻混乙烷裝置中以純乙烷為原料的裝置）占美國乙烯產量的80%。據CEFIC計算，得益于乙烷占主導，北美裂解乙烯裝置現金成本僅高于中東。
美國本土乙烯產能擴張漸緩。自2014年底以來，由于原油價格大幅下跌，加之新冠疫情導致的需求破壞，北美石化擴能投資步伐近兩年有所放緩，更有甚者取消或推遲了已公布的項目：
- 泰國PTT全球化工公司(PTTGC)已再次推遲位于美國俄亥俄州貝爾蒙特的乙烯項目。由于韓國大林公司已于2020年退出該項目，項目的未來尚不確定。
- 2020年10月，美國雪佛龍菲利普斯化工公司推遲了其與卡塔爾石油公司在美國墨西哥灣沿岸的合資裂解項目的最終投資決定。該項目乙烯和高密度聚乙烯產能達200萬噸/年，項目的前端工程設計已經完成。
- 臺塑集團旗下的臺塑石化公司（FPCC）計劃2023年在路易斯安那州投產兩套120萬噸的乙烷裂解項目。在 2019年10月，由于污染的原因，公司被罰款5000萬美元，此外還被勒令整改，需實現零塑排放。該公司后續(xù)再次表示，將推遲項目建設。
根據英國專業(yè)數據分析商安迅思公司供需數據庫分析，2017～2020年為美國本土乙烯的第一波擴能潮。2020年美國乙烯新增產能將達約220萬噸/年的峰值并結束第一波擴能潮。第一波擴能潮令美國增加了1090萬噸/年產能。預計2021～2024年的第二波擴能潮只相當于第一波的影子，新增產能將降至480萬噸/年左右。從目前統(tǒng)計情況來看，美國未來幾年乙烯投產項目多以擴建產能為主。
產能轉移在近年成為美國大多數能化巨頭的選擇，中國成為接棒者之一。全球化學工業(yè)正在將投資轉向本地化供應，即便是大宗通用化學品，也在努力實現分子旅行最小化。美國乙烯的擴能也在遵循這一變化。
自給率缺口驅動中國產能進一步擴張
盡管近幾年我國乙烯產能迅速放量，但乙烯當量消費進口依存度依然較高，仍在50%以上。由于乙烯需要在零下100℃存儲及運輸，直接進口難度較大，因此乙烯的生產商多以下游衍生品的形式進行產品的銷售。國內乙烯的實際市場容量一般采用“當量消費量”，當量消費量=產量+凈進口量 （進口量-出口量） +下游產品凈進口折算量。根據國家統(tǒng)計局，2021年，我國乙烯產量約為2826萬噸，而當量消費量達到5832萬噸，當量缺口達到3006萬噸左右，自給率約為48.5%。
中石油經研院預測，2022年中國新增乙烯產能仍將達到565萬噸/年，總產能增至4933萬噸/年，將趕上或超過美國。新增產能中氣基乙烯延續(xù)快速發(fā)展勢頭，占比達到61%，已高于油基乙烯的投產規(guī)模。
2022年后，國內乙烯產能擴張延續(xù)擴張態(tài)勢，但產能增長較2020年和2021年有所放緩。2023—2025年國內仍有大量乙烯項目投產，投產概率極大的乙烯產能共計1545萬噸/年。其中，油基乙烯將占絕大多數；氣基乙烯新增產能面臨較大不確定性，主要受限于海外乙烷供應穩(wěn)定性；煤/甲醇基乙烯新增產能規(guī)模將較為有限方面，主要由于各省在“雙碳”目標下陸續(xù)出臺煤化工等行業(yè)產能控制政策。
主要工藝技術公司發(fā)展
我們選取乙烯發(fā)展史上具有代表性的三家乙烯鏈工藝技術持有公司，復盤其發(fā)展歷程。我們認為（1）專注有競爭優(yōu)勢的主業(yè)發(fā)展是化工企業(yè)做大做強的通路，也是困境反轉的解決方法；（2）通過技術層面滲透全球聚烯烴產業(yè)發(fā)展，是競爭日益激烈的乙烯行業(yè)的突破路徑之一。技術壁壘無法成為長期的戰(zhàn)略優(yōu)勢，而技術替代卻能成為未來長時間的穩(wěn)定利潤來源。
?乙烯原料多元化已成必然趨勢
近年來，全球乙烯原料的多元化和輕質化發(fā)展趨勢明顯。美國頁巖氣的成功開發(fā)，不僅為本國乙烯提供了廉價的原料，還影響到世界乙烯原料的變化，使得乙烯原料的選擇更具多樣性。我國乙烯較大的當量缺口，以及原油高進口依存度凸顯了烯烴原料多元化的重要性。原料的可獲性、價格水平、生產工藝等因素，使煤/甲醇制乙烯、乙烷裂解制烯烴項目各具優(yōu)勢。
高油價下煤制烯烴具成本優(yōu)勢
不同乙烯路線成本結構如下圖所示，可以看出，煤制烯烴成本構成中，原材料占比僅20%左右；而石腦油蒸汽裂解原料占80%左右，乙烷裂解原料占比也達到60%以上。因此，煤制烯烴項目成本對原料價格變化并不敏感，承受市場風險的能力較強，但由于產品價格下跌無法通過原料價格對沖，對利潤影響顯著。
煤制烯烴由于現金成本較低，在40美元／桶以下的低油價情況下仍能維持經營所需現金流，有較強的抗風險能力；但從完全成本角度，只有油價60美元／桶以上，其相對石腦油蒸汽裂解路線才具有優(yōu)勢；但考慮到其投資強度遠高于其它路線，從投資回報能力角度考慮，當油價80美元／桶以上，其相對蒸汽裂解路線才有明顯優(yōu)勢。
美國乙烷供應增加，乙烷裂解仍有優(yōu)勢
我國乙烷進口依賴度較高，美國是我國乙烷的主要進口國。未來美國乙烷裂解裝置投產項目較少，疊加乙烷開采的穩(wěn)步提升，整體看乙烷供需偏寬松，乙烷價格上漲空間有限。據 EIA 統(tǒng)計，2021年美國乙烷富余量約2000萬噸，并隨著油價與天然氣價格的上漲，開采量的上升將帶動未來幾年乙烷產量保持快速增長。以目前約400美元/噸價格來看，進口乙烷制乙烯進料成本約對應油價60美元/桶時石腦油裂解成本。根據美國MB乙烷遠期曲線，2023年乙烷均價在335美元/噸，2024年上半年回落至 275美元/噸，長期進料成本將對應油價45美元/桶時石腦油裂解成本，遠低于目前油價。
2022年4月，我國工信部等6部門發(fā)布《關于“十四五”推動石化化工行業(yè)高質量發(fā)展的指導意見》（以下簡稱“意見”），通過一系列舉措，推進我國由石化化工大國向強國邁進。《意見》指出，優(yōu)化烯烴、芳烴原料結構，引導烯烴原料輕質化、優(yōu)化芳烴原料結構，提高碳五、碳九等副產資源利用水平。我們認為乙烷、丙烷裂解制烯烴項目在國內仍有發(fā)展空間。
?乙烯生產技術愈加注重低碳化
2021年我國石化化工行業(yè)CO2排放量占中國CO2排放總量8%左右，其中乙烯工業(yè)占行業(yè)的8%左右。我國確立2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標，這就意味著石化化工行業(yè)低碳發(fā)展是必然選擇。實現雙碳目標，乙烯化工行業(yè)應從原料生產、裝置更新、運營管理等多環(huán)節(jié)介入，全流程打造節(jié)能減排低碳的生產路線。
蒸汽裂解裝置節(jié)能減排
蒸汽裂解生產乙烯是我國乙烯的最主要生產路線，約占我國乙烯總產能的 84%。碳排放源主要有裂解爐燃料燃燒CO2排放、熱力和電消耗間接排放及火炬排放等，其中燃料燃燒直接排放、熱力和電消耗間接排放是最主要的兩大CO2排放源。因此提高裂解爐熱效率、采用高效分離技術、智能化賦能以及蒸汽驅動向電力驅動轉變是蒸汽裂解裝置節(jié)能減排的有效路徑之一。
1、裂解爐管強化傳熱技術通過改變裂解爐管內部結構或材料，改變爐管內流體流動狀態(tài)，強化傳熱，減少燃料消耗和碳排放。?美國Lummus等公司開發(fā)的翅片管可將普通爐管熱效率提高20%~30%，已較為成熟。加拿大久保田公司開發(fā)的MERT系列螺旋紋管可提高40%以上傳熱效率，目前已得到廣泛應用。德國Schmidt + Clemens公司開發(fā)的Scope系列爐管，使用HT-E合金，通過均勻環(huán)流模式，提高熱效率，從而減少燃料消耗。
2、裂解爐管涂層技術可延長裂解爐運行周期和爐管使用壽命，大幅降低結焦速率，減少燃料氣消耗。?按功能可分為屏障涂層和催化涂層，屏障涂層主要起到惰性阻隔的作用，抑制結焦；催化涂層在阻隔作用的基礎上，通過蒸汽氣化反應，催化去除焦炭。
3、高效分離技術可提高裂解產物分離效率，大幅降低過程用能，是乙烯裝置節(jié)能減排的重點措施之一。?除采用先進回收系統(tǒng)（ARS）和二元/三元制冷技術等不斷優(yōu)化傳統(tǒng)精餾分離過程外，科學家們也在積極探索新型分離材料。如MAF-49、PCN-250等都被證明具有良好的乙烯/乙烷選擇性；此外，浙江大學研究的新型氫鍵-有機框架材料（HOFs），是一種較好的乙烷類吸附劑。但目前這些材料仍處于實驗室階段，需持續(xù)研究，爭取早日實現工業(yè)化應用。
4、智能控制系統(tǒng)通過數據辨識來建立輸入變量與輸出變量之間的關系模型，預測輸出變量趨勢并實現閉環(huán)控制，可提高裝置運行平穩(wěn)性和產品質量穩(wěn)定性，降低裝置能耗。
5、 裂解爐電氣化將成為降低乙烯裂解裝置碳排放的重要路徑。全球多家公司以及國內的大型石油石化公司等都在進行電加熱裂解爐研究。包括長壽命和大功率電熱爐設計、新型高效電熱體材料技術、先進控制系統(tǒng)等，均需實現技術突破。此外，芬蘭Coolbrook公司與劍橋大學合作研制了旋轉動態(tài)反應器（RDR）技術，其反應器中心是一個轉速為20,000r/min的轉子，預計將于2025年實現工業(yè)化。2020年6月，陶氏與殼牌宣布了一項聯合開發(fā)協(xié)議，旨在加速開發(fā)乙烯蒸汽裂解裝置的電氣化新技術。據悉，若將EDH與電裂解技術整合，CO2排放可降低40%～50%。陶氏計劃通過實施該類技術，到2050年實現碳中和目標。
多途徑直接制乙烯
?烯烴產品步入高附加值區(qū)間
乙烯下游產品多且競爭加劇
聚乙烯是乙烯消費主要下游方向。2020年，HDPE、LLDPE、LDPE和環(huán)氧乙烷分別占全球乙烯消費結構的29.4%、20.2%、13.5%和15.3%。從國內看，聚乙烯2020年的占比達61%；其次是乙二醇和環(huán)氧乙烷，在乙烯下游應用中占比分別為11%和10%；苯乙烯在乙烯應用中占比為9%，聚氯乙烯占比5%。
隨著我國乙烯產能擴張，下游產品也進入供應增速的階段，低端產品同質化嚴重，競爭加劇。
新材料成為產業(yè)重要發(fā)展方向
從全球格局看，中國化工品研發(fā)投入在不斷加大，中國將進入化工品高附加值區(qū)。根據CEFIC數據，在化工品研發(fā)投入方面（R&D expenditure），2020年中國為140億歐元，在全球占比為29.4%；而2010年的投入僅為43億歐元，在全球占比為14.7%。
從國內行業(yè)發(fā)展看，近年來，在國家政策引領及企業(yè)技術進步等推動下，我國化工新材料行業(yè)發(fā)展已具備一定基礎。根據石化聯合會數據，2020年，我國化工新材料產業(yè)規(guī)模約6500億元，消費規(guī)模約9600億元，消費量約3770萬噸，自給率約71%。
隨著國內產業(yè)結構優(yōu)化升級，半導體、電子電器、新能源、信息通信、航空航天等相對新興領域發(fā)展勢頭良好，有望帶動上游化工新材料需求持續(xù)增長。預計 “十四五”末我國化工新材料消費量將達到5700萬噸，自給率上升到75%，占化工行業(yè)整體比重超過10%。
乙烯下游值得關注的新材料
1)茂金屬聚乙烯-需求潛力大
茂金屬聚乙烯（mPE）由乙烯和α-烯烴（如 1-丁烯、1-己烯、1-辛烯）共聚得到。通過單活性茂金屬催化劑，可精密控制結晶結構、分子量分布、單體含量等，具有強度高、透明性好等性能優(yōu)勢，主要用于高端薄膜生產，以及管材、油箱等其他領域。
茂金屬催化劑為核心壁壘，我國mPE進口依存度超過90%（進口主要來自?？松梨?、陶氏、三井化學等）。國產催化劑活性低、用量大、綜合使用成本高，目前除中國石化旗下4家企業(yè)外，其余企業(yè)均選用進口茂金屬催化劑，但進口催化劑價格高且供應受限，對mPE生產存在一定影響。
目前，全球茂金屬聚乙烯產能約700萬噸/年，?？松梨谠诿绹托录悠赂饔?30萬噸和190萬噸產能，陶氏化學在美國和泰國分別有 60萬噸和65萬噸產能，兩家公司為目前全球最大的mPE生產企業(yè)。
自2019年開始，國內不斷涌入茂金屬聚烯烴新兵，但主要是兩桶油陣營。2021年，寶豐能源成為進入茂金屬聚烯烴領域的唯一民營企業(yè)。后續(xù)來看，?？松梨冢ɑ葜荩⒅泻Ｓ蜌づ疲ㄈ冢?、中沙古雷、裕廊石化、廣東石化、盛虹石化等國內重點聚乙烯企業(yè)都在布局和籌劃建設茂金屬聚乙烯。隨著產能放量，預計需求量和國產化同步加速。
2)EVA-光伏料供應仍緊
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）受益光伏市場需求爆發(fā)，光伏級EVA（VA含量28-33%）供不應求。盡管后續(xù)國內產能迎來階段投產高峰，但考慮到光伏級穩(wěn)產周期較長（例如斯爾邦從建成到穩(wěn)定產出歷時約4年），光伏料供需或仍維持偏緊狀態(tài)。
海外光伏級EVA樹脂有效產能約55萬噸，主要集中于韓華、杜邦、TPC、LG 化學等海外廠商。我國大煉化企業(yè)已在EVA領域有所突破，如盛虹斯爾邦與榮盛石化均處于目前光伏級EVA產能第一梯隊。
3)POE-適配N型電池發(fā)展趨勢
從海外龍頭產業(yè)布局的變化不難看出，聚酯產業(yè)集中度或將進一步加強，并且聚酯產品高端化、可持續(xù)化趨勢愈聚烯烴彈性體（POE）材料以乙烯、丙烯，以及α-烯烴等為原料，采用高溫溶液聚合工藝路線生產，主要作為抗沖擊改性劑及增韌劑等，廣泛用于汽車、包裝、電線電纜、醫(yī)療器械及家用電器等領域。國內的POE材料應用尚在起步階段，消費結構以汽車行業(yè)為主（零配件如：汽車保險杠、內飾、門板等），占據總消費量的68%。
POE因其良好的力學性能、耐紫外性能、耐老化性能及流變性能等可被作為光伏EVA料改性劑或單獨作為封裝膠膜使用。并具有更優(yōu)秀的低水蒸氣透過率和高體積電阻率。
雙面組件的市場占比將持續(xù)提升。據中國光伏行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國光伏產業(yè)發(fā)展路線圖（2021年版）》，隨著下游應用端對于雙面發(fā)電組件發(fā)電增益的認可，以及受到美國豁免雙面發(fā)電組件201關稅的影響，雙面組件市場占比較2020年上漲7.7個百分點至37.4%。預計到2023年，單雙面組件市場占比基本相當。
未來隨著在生產成本的降低及良率的提升，N型電池（主要包括異質結電池和TOPCon電池）將會是電池技術的主要發(fā)展方向之一。POE產品的阻隔性、強抗PID能力、無醋酸等特性使其在N型電池、異質結電池時具備了其他封裝材料不具備的天生優(yōu)勢，是目前雙面組件及N型電池、異質結電池的主要封裝膠膜。根據 CPIA 數據，當前膠膜市場仍然以 EVA 膠膜為主，目前 EVA（含白色 EVA）的市場占有率超過 70%。但隨著技術成本發(fā)展，預計POE膠膜及EPE共擠型膠膜滲透率將逐漸提升。
α-烯烴是POE產業(yè)鏈最核心壁壘，目前全球POE產能僅約110萬噸，集中于海外廠商，包括陶氏（46萬噸/年）、?？松梨?、SK、三井公司等。我國已加快POE產品自主研發(fā)進程，部分企業(yè)已經攻克了POE的生產技術，并逐步推進工業(yè)化的量產。
4）鋰電池隔膜：繼續(xù)受益新能源車放量
隔膜技術含量較高，成本約占鋰離子電池成本的10%-20%，毛利率可達50%-60%。目前市場化的鋰離子電池隔膜材料主要有PE單層、PE多層、PP單層和PP-PE-PP三層。
受到全球“電動化”影響，2021年我國鋰電隔膜出貨量78億平米，同比增長110%，增長勢頭強勁。
截至2021年，龍頭恩捷股份、星源材質產能分別為50、19億平方米。后續(xù)亦將繼續(xù)加碼，均公布了超20億平方米的產能布局。恒力石化旗下康輝新材料引進日本芝浦機械株式會社和青島中科華聯新材料股份有限公司的濕法鋰電池隔膜生產線共12條，年產能16億平方米。預計最早可于2023年投產。
5）高端BOPET薄膜需求廣闊
BOPET薄膜上游為PTA、乙二醇等原料，下游應用廣泛主要包括印刷包裝、液晶顯示、新能源、半導體照明等領域。其中包裝印刷領域需求占比較大，為55.45%，其次是其他工業(yè)和電子、電氣領域，需求占比分別為28.47%、15.31%。
高端BOPET膜還可用于光學顯示材料基膜，太陽能背板膜、MLCC離型膜等領域，有望充分受益下游細分領域蓬勃發(fā)展。
光學聚酯基膜是光電子產業(yè)鏈前端最重要的戰(zhàn)略材料之一，其用聚酯芯片作為主要材料。隨著液晶電視、手機、平板電腦等消費需求增長，顯示領域對光學膜需求不斷提升。
MLCC離型膜是MLCC（片式多層陶瓷電容器）的配套產品。MLCC被廣泛應用在智能手機、汽車電子、可穿戴設備、5G通信基站等眾多領域。隨著MLCC在消費電子、汽車、5G、軍工業(yè)等各大應用市場的持續(xù)擴容，相應的離型膜需求也隨之大幅增加。
我國低端BOPET薄膜產能充足，高端BOPET薄膜進口依賴度高。2021年我國BOPET產能利用率僅為67.9%。2021年我國BOPET進口量為6.53萬噸，進口單價為11093.07美元/噸；出口量為44.34萬噸，出口單價為3051.77美元/噸，進口單價超出口單價約3.6倍。
國外企業(yè)技術壟斷。例如，光學基膜是BOPET行業(yè)中技術上技術壁壘最高的領域之一，因為它們必須滿足高透光率、低霧度和高亮度的要求。高端光學基膜產品市場主要來自Toray、3M、三菱和SKC，這些公司約占國內背光模組市場份額的70%。
高性能膜材料具有高附加值以及較強的產品競爭力，國內生產企業(yè)正積極布局高端BOPET薄膜。恒力石化旗下康輝新材已擁有超20萬噸/年BOPET產能，且成功開發(fā)了多種高端MLCC離型基膜專用納米母料，實現量產。
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投資建議
乙烯產業(yè)經過百年發(fā)展進化，其傳統(tǒng)的生產工藝業(yè)已成熟，在當前能源創(chuàng)新與能源安全的雙重背景下，我們認為乙烯行業(yè)今后的發(fā)展方向將是原料多元化、技術低碳化以及產品高端化。著重關注兩條主線：
1）油價波動下，煤制烯烴以及烷制乙烯各有優(yōu)勢。我國煤化工具有天然資源、技術經驗領先，在海外能源高企下具有明顯成本優(yōu)勢；美國乙烷供給放量但下游乙烯裂解裝置無大的新增，乙烷價格有望回歸合理區(qū)間，輕烴化工有低能耗、低碳排、流程短收率高、產氫多的優(yōu)勢，屬于國家政策鼓勵工藝。
2）乙烯產能的投放今后將由技術、新市場需求驅動，新材料是乙烯產能消化的重要突破途徑，注重科技研發(fā)、產品更符合市場發(fā)展趨勢的化工企業(yè)將更具有長遠競爭力；我國大煉化在EVA已經形成突破，未來在POE等方面有望形成新的增長點。
重點推薦：衛(wèi)星化學、榮盛石化、恒力石化、東方盛虹、寶豐能源、萬華化學等。
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風險提示
1）國內的乙烯產能過剩風險。未來全球新增乙烯產能主要集中在中國國內，若下游化工品需求大幅低于預期，乙烯產能或在短時間內難以消化，乙烯價格或有劇烈波動，從而擠壓企業(yè)利潤。
2）新技術及新材料應用進展不及預期的風險。國內多數石化化工龍頭布局新材料，若其項目進展不及預期，或對企業(yè)成長性評估帶來負面影響。
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