炼化企业可优先发展哪些新材料

  [中国石油新闻中心2021-08-11]
  “材料产业是国民经济的基础。无论从国家战略发展的角度，从打破高端材料进口限制，实现关键技术自主可控的角度，还是从实现化工高质量发展的需要看，发展新材料都势在必行。近年来，世界各国纷纷出台政策，通过科技创新，推动智能制造和产业升级，作为支撑产业升级的基础，全球新材料的研发和应用全面提速。我国炼化企业，可优先发展哪些新材料？”
  根据我国新材料产业发展规划以及国家《禁塑令》要求，依托炼化行业产业链，打造创新链，提升价值链，全面梳理七大战略新兴产业发展所涵盖的“高端聚烯烃、高性能纤维、高性能橡胶、工程塑料、炭材料、功能性膜材料、高端化学品、生物降解材料”等八大类化工材料，笔者建议选择高端聚烯烃、特种工程塑料、生物降解材料、炭材料作为优先发展业务。
  立足炼化企业固有资源，围绕电子信息、新能源、健康环保、高端装备制造等新型战略产业，按“有资源、有市场、有人才、有技术、有竞争力”原则，创新体制机制，快速攻克一批关键核心技术，努力形成高端聚烯烃、特种工程塑料、生物降解材料、炭材料4条产业链，从新型单体合成、功能化结构设计出发，构建极性共聚、缩聚、碳结构控制3个平台，为炼化业务由燃料型向化工产品和有机材料转型提供技术支撑。
  三类化工新材料产业链关联
  高端聚烯烃、工程塑料PC、生物可降解材料三大类化工新材料，均是以煤、石油、天然气等一次能源为源头，经过裂解等反应获得C2、C3、C4及以上三大类中间产物，再自身聚合，或者相互反应之后再聚合最终制得的。
  高端聚烯烃：乙烯、丙烯在茂金属催化剂作用下聚合可以生成mPE、mPP，乙烯分别与1-丁烯、1-己烯、1-辛烯共聚形成各种乙烯α-烯烃共聚物，碳数越高难度越大，乙烯与醋酸乙烯共聚生成EVA，乙烯与C3产业链的丙烯酸共聚形成EAA。
  工程塑料PC：来自C3产业链的丙烯氧化生成丙酮，来自C4及以上的苯经氧化等过程后生成苯酚，丙酮和苯酚反应生成双酚A，双酚A在光气或者其他催化条件下缩聚形成PC。
  生物可降解材料：丁二烯经氧化生成丁二酸，通过乙炔法或者丁二烯法可以制得1，4-丁二醇（BDO），两者聚合即为聚丁二酸丁二醇酯（PBS）；苯经加氢、氧化等路线后可以制得己二酸（AA）和对苯二甲酸（PTA），两者再与BDO聚合即制得聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）。
  高端聚烯烃壁垒高需求大
  高端聚烯烃是指具有高技术含量、高应用性能、高市场价值的聚烯烃产品。其主要包括两大类型：其一，大宗品的高端牌号，如茂金属牌号的聚乙烯、聚丙烯产品（mPE、mPP），高碳α-烯烃共聚的聚乙烯牌号等。其二，特种聚烯烃树脂，如乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）、聚丁烯-1（PB-1）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、乙烯-乙烯醇共聚树脂（EVOH）等。高端聚烯烃应用领域十分广泛，其最主要的应用领域包括高端管材、汽车零配件、医疗设备、假体性植入物等。
  高端聚烯烃产能集中在海外。1991年，埃克森美孚公司首次采用茂金属催化剂生产出mLLDPE，标志着茂金属聚烯烃进入工业化阶段。从全球市场看，高端聚烯烃生产主要集中在西欧、东南亚和北美地区，中东以大宗通用料为主，其中日本是东南亚高端聚烯烃主要生产国。以mPE为例，全球mPE产能约为1500万吨，其中产能50万吨/年及以上的企业共5家，主要集中在美国，CR5约为40%。
  我国聚烯烃行业结构性矛盾显著。近年来我国聚烯烃行业规模逐渐扩大，聚乙烯、聚丙烯产能及产量大幅增长，但是结构性矛盾也逐步显现，中国聚烯烃产品以中低端通用料为主，市场竞争激烈，而高端聚烯烃产品严重依赖进口。此外，聚乙烯共聚单体的差异也显示出不同地区聚乙烯产品的档次以及技术水平高低，而这个分水岭就是C6（己烯），碳数越多产品越高端，所需技术水平越高。同样，北美、西欧、日本的高端聚乙烯共聚物占比更高，而我国占比还较低。我国聚烯烃行业结构性矛盾显著。
  2019年，我国高端聚烯烃产量约为580万吨，消费量1280万吨，自给率仅有45%。分拆来看，己烯共聚聚乙烯自给率约50%，辛烯共聚聚乙烯自给率不足10%，mPE自给率不到30%，mPP、POE弹性体、环烯烃共聚物等多个品种基本没有实现工业化生产，完全依赖进口。因此高端化、差异化将成为我国聚烯烃产业的升级方向，而拥有高端聚烯烃生产能力的企业更具竞争优势。
  PC产能扩张供需两旺
  PC是指分子链中含有碳酸酯基（—COO—）的高分子化合物，是一种性能优异的耐用型热塑性工程塑料。从用量看，PC是我国五大通用工程塑料中用量最大、增长最快的品种，几乎已经占到全部工程塑料总用量的半壁江山。
  PC的上游是双酚A，其产业链一般为苯/丙烯——苯酚/丙酮——双酚A——PC。PC具有良好的力学性能、光学性能、热性能和阻燃性能等，下游应用领域广泛，主要需求来自电子电器行业，占比约为29%，其次用于板材/片材/薄膜，占比约为19%。未来PC的应用领域将继续向高功能化和专用化方向发展，预计在板材、交通工具塑化轻质的应用进一步提升。
  全球PC产能在向亚洲转移中稳步增长。自2017年起，全球PC的总产能已经超过了500万吨/年，生产装置主要集中在西欧、北美和东北亚地区。近几年来，由于亚洲特别是中国需求的驱动，PC的投资和生产重心向中国、印度、泰国等国家转移。2020年全球产能突破600万吨/年。开工率近年来维持在80%左右。
  全球PC市场需求旺盛，2018年总需求量约为450万吨，根据行业估算，2023年有望达到550万吨。预计2021年全球总需求约为500万吨，假设PC平均价格2万元/吨，市场规模约为1000亿元。
  国内产能约占全球的1/3，且仍在快速扩张中。2020年我国PC的产能185万吨/年，全球占比约为31%。
  目前，中国是全球最大的PC生产国和消费国。近年来国内PC产量及消费量整体呈现稳步上涨的趋势，2020年由于疫情影响，产量下滑至82万吨，表观消费量下滑至220万吨，但是对外依存度一直维持在60%左右。后续随着新增产能的陆续投产，预计国内PC产量将大幅增长，进口量快速下降，对外依存度随之下滑。若下游无新增大型应用市场出现，预计3-5年内国内将达到供需平衡，并最终变为净出口国。
  生物可降解材料成长空间巨大
  白色污染形势严峻，生物可降解可从源头破局。
  我们的生活中处处都有塑料的影子，塑料应用越来越普遍的同时，也成为环境的负担，以塑料袋为代表的白色垃圾正成为全球亟待解决的巨大灾难。据科学家估计，目前海洋中估计有1.5亿吨塑料，而且仍然在以1000万吨/年的速度增长，在未来不到10年的时间，科学家预测海洋中将会有2.5亿吨塑料，这会对海洋生物造成致命的打击。同时，塑料合成过程中为了达到使用要求，需要添加很多助剂。这些助剂绝大部分都是有毒的，会使土壤板结，破坏土壤结构，引起土壤生物性污染,破坏土壤生态环境。传统塑料，如PVC、PE、PP等均为高分子聚合物，其常温常压下物理化学性质稳定，自然条件下降解通常需要几十年甚至上百年的时间。
  目前全球生物降解塑料的产量和消费量并不大。根据EuropeanBioplastics统计，2019年全球塑料产量约3.59亿吨，生物塑料产能211万吨，其中生物降解塑料(包括PBAT、PBS、PLA、PHA、淀粉基降解塑料和其他生物降解塑料)占比为55.5%，为117.4万吨，仅占全球塑料产量的0.33%。生物降解塑料中，淀粉基塑料占比第一，高达38%，使用量最大，其次分别是PBAT和PLA，为25%和24%。
  可降解塑料应用的领域主要集中在包装、食品、医疗、农业领域。从消费区域来看，西欧和北美合计占比达到74%，中国占比约为12%，预计“十四五”末，需求将达到300万吨以上。
  目前生物可降解塑料种类已超20种，根据原材料来源和合成方法分为石油基和生物基，石油基包括PBS（聚丁二酸丁二醇酯）、PBAT（聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯）和PVA（聚乙烯醇）等，生物基包括PLA（聚乳酸）、淀粉基塑料和PHA（聚羟基脂肪酸酯）等。其中石油基的PBS和生物基的PLA是典型的完全降解塑料，塑料的抗冲、拉伸和弹性性能几乎没有短板，并且国内技术成熟度较高，是目前最具前景的可降解塑料品种。
  石油基炭材料供不应求
  炭材料是由C单质组成的超高分子量无机材料，基本结构单元是六元芳环结构组成的面网层状结构，层间取向一致性越高则结晶度/石墨化程度越高，其性能随结晶度/石墨化程度不同而各异。主要包括针状焦/石油焦、中间相沥青及碳纤维、介孔碳、炭黑、石墨烯和碳纳米管共6类产品。
  含碳的任何物质均可以通过热裂解、热缩和工艺经过脱氢、环化、石墨化反应生产炭材料,所不同的是碳源分子量的大小、结构的不同及杂质含量的不同会影响成炭后炭材料的结构、成炭收率及性能。
  石油焦基电容炭具有比表面积高（>1600m2/g）、灰分低（<0.1%）、金属杂质低（<20ppm）、高容量、导电性好等特点，技术壁垒高，在吸附、催化和储能领域都有应用。电容炭的主要下游需求领域是超级电容器，主要应用在功率输出平稳、短时大功率输出和能量存储领域，包括光伏风电、轨道交通、航空航天、军工等领域。

  2019年全球电容炭消费量约5万吨，国内消费量约0.6万吨，国内产量仅800吨，超过90%从日本和韩国进口，供需缺口增加，进口持续增长，导致产品价格持续上升，进口价格30万-80万元/吨（韩国石油焦基电容炭60万-80万元/吨，日本椰壳基电容炭30万/吨），国内低端产品价格15.44万/吨。随着新能源和军工发展对超级电容器的需求量猛增，预计超级电容炭年均需求增速达30%，到2026年市场需求达到3万吨。（任春晓中国石油石油化工研究院）