乙烯焦油综合利用现状及未来发展趋势

2024-01-22吴晓辉林京尹勇勇陈月亮严考荣王佳兵

当代化工研究 2024年2期

＊吴晓辉林京尹勇勇陈月亮严考荣王佳兵

（中建安装集团有限公司江苏 210046）

乙烯焦油综合利用具有巨大的潜在价值，乙烯焦油综合利用可以促进能源的转型和碳减排，这对可持续发展至关重要。通过能源转型、循环经济、产业升级和技术创新等手段，乙烯焦油综合利用可以实现能源资源的循环利用、碳减排、经济价值的提升和产业结构的优化，为可持续发展做出重要贡献。通过提高乙烯焦油的综合利用率，可以减少对化石燃料的依赖，降低碳排放和温室气体的释放，推动石油化工产业向低碳、清洁的方向发展。

1.乙烯焦油的综合利用概述

（1）乙烯焦油的概述。乙烯焦油是石油炼制和乙烯生产过程中的副产品，它是一种复杂的混合物，主要由具有不同碳数的烃类组成，主要是裂解而成的，因此其产率仅为乙烯产率的十分之一左右。乙烯焦油中含有各种碳数的烃类，包括烷烃、环烷烃、烯烃和芳香烃等，乙烯焦油还包含杂质，如硫化合物、氮化合物、氧化合物和金属离子等杂质。乙烯焦油通常呈黑色或棕黑色液体，具有浓烈的油烟味和黏稠度，其具有可溶性、燃烧性、反应性、有毒性等特点[1]。

乙烯焦油在IBP～205℃馏分段的主要成分是茚及其同系物，205～225℃馏分为萘，225～245℃馏分主要是甲基萘，245～300℃馏分段主要是二甲基萘，300～360℃馏分含有大量的葸、苊、菲等，360℃以上的物质主要是碳氢比很高的胶质、沥青质。由此可见，乙烯焦油各馏分段均是精细化工、医药、染料、有机合成的重要原料，从中可提炼出许多宝贵的化工产品，有着重要的开发价值[2]。

截止到2022年，在我国每年乙烯的产能已经达到了4675万吨，而且在这乙烯行业中，其仍旧是供不应求，因此在未来，乙烯的产能会逐年提升，而且其副产物乙烯焦油的产量也会逐渐增加。到2022年，乙烯焦油的产能已经达到了367.78万吨/年，而且我国也在逐步引进相关的设备，计划在未来逐步扩大乙烯焦油的生产。

（2）目前乙烯焦油综合利用的产品。乙烯焦油是炼油过程中产生的一种副产品，具有较高的经济价值，目前乙烯焦油综合利用的产品有茚段树脂料、石油树脂、包覆沥青等。

以包覆沥青为例，包覆沥青是一种利用乙烯焦油的加工方式之一。包覆沥青往往通过乙烯焦油热聚合的方式得到，它是锂电池负极生产过程中的重要包覆剂和粘结剂，是改善负极材料性能的重要原料之一。石墨负极材料通过包覆沥青改性，在表面形成一层保护壳，不仅能够避免锂离子与溶剂的共同嵌入混合、抑制电解液分解，而且还可以有效提升负极材料的首充可逆容量、循环稳定性以及电池倍率性能，有助于负极材料的定型，使得锂电池的克容量更大、使用寿命更长、充电速度更快。

（3）供应需求现状分析和预测。2020—2022年中国乙烯焦油产量与产能变化趋势图如图1所示。2020年之前，没有进行新建装置，因此生产乙烯焦油的量变化比较稳定。2020—2022年之间，在国内，通过乙烯焦油产量与产能变化对比来看，2020年受新增产能投产但尚未稳定产出影响，年内行业产能利用率出现一定下滑，行业产能利用率下滑至70%附近水平，从而使得产量数据环比也同步回落；2021年伴随着前期新增产能逐渐稳定运行，行业整体的产能利用率有所修复，年内产量大幅提升。2021年产能利用率高位运行，带动周期内乙烯焦油产量环比大幅提升，此时行业产能利用在80%附近；2022年，受新增产能投产带动产能总量继续提升，然后行业景气度及内外经济环境影响，行业产能利用率负荷表现温吞，年内产量增速也呈现下滑走势。

图1 2020—2022年中国乙烯焦油产量变化趋势图

目前有几种主要的乙烯焦油综合利用技术，以下是其中一些常见的技术：

第一，炭黑生产。乙烯焦油是炭黑的主要原料之一。通过在炭黑炉中将乙烯焦油喷入高温的燃烧区，随后经过裂解、聚合等过程，生成炭黑颗粒，炭黑在橡胶、塑料、油墨等行业有广泛的应用。炭黑生产技术通常具有相对高的效率，可将乙烯焦油充分利用并转化为有用的产品，炭黑的需求稳定，并且具有高附加值[3]。

第二，煤焦油分离。将乙烯焦油中的烃类成分进行分离的技术，通过蒸馏、溶剂抽提或萃取等方法，将乙烯焦油分为不同的馏分。这些馏分可用于制备某些化工产品，如溶剂、涂料、沥青等。煤焦油分离技术可以根据乙烯焦油的不同成分进行分离和提纯，以生产不同的产品。这项技术的效率取决于分离工艺和产品的市场需求。

第三，制备化学品。乙烯焦油中的烃类成分可以用于制备各种化学品，如苯、二甲苯、苯酚、酚醛树脂等。通过适当的处理和加工方法，乙烯焦油中的化学品可用于塑料、橡胶、医药、农药等领域的生产。制备化学品技术通常需要进一步的处理步骤和加工过程，因此其效率可能相对较低。不同的化学制备过程可能具有不同的效率水平。

第四，燃料利用。乙烯焦油可以作为能源进行利用。通过改变其物理性质和提纯，将其作为燃料应用于锅炉、发电厂等燃烧设备中，以产生热能和电能。

第五，某些特殊行业应用。乙烯焦油还可以用于某些特殊行业的应用，如防腐材料、接合剂、焦油沥青、木材防腐剂等。这些领域需要乙烯焦油的特定物性和化学性质。

2022年与2027年中国乙烯焦油产能分布对比如图2所示。预测未来生产乙烯焦油的地区主要集中在华北、华东、华南及东北这几个地区，预计总产量能够达到500万吨左右。

图2 2022年与2027年中国乙烯焦油产能分布对比

从2018年到2022年，国内乙烯焦油消费逐渐提升，而且随着绿色环保理念的不断推行，燃料方向的消费受到了严重的影响，逐年降低。目前深加工与炭黑领域的制品消费逐步扩大，这将成为乙烯焦油综合利用的重要方向。

2.乙烯焦油综合利用的未来发展趋势

（1）新技术的应用。在乙烯焦油综合利用领域，新技术的应用对于提高效率、降低成本和促进可持续发展具有重要意义。高效分离技术、催化转化技术、碳材料制备技术、低温等离子体技术等新型技术将会逐步发展起来[4]。

第一，高效分离技术是指乙烯焦油中含有多种组分，如芳香烃、酚类、多环芳烃等。高效分离技术包括蒸馏、萃取、吸附、膜分离等方法，可以有效地分离和提纯乙烯焦油中的不同组分，这些技术可以帮助提高产品质量，减少废弃物的生成，实现乙烯焦油综合利用的经济效益和环境效益的双重提升。第二，催化转化技术。催化转化技术通过催化剂的作用，将乙烯焦油中的组分进行化学反应转化，得到具有高附加值的产品。例如，催化裂解技术可以将乙烯焦油中的长链分子裂解为较短链分子，生成高质量的沥青基碳纤维、芳烃等产品。催化脱氧技术可以去除乙烯焦油中的杂原子，提高产品的纯度和质量。第三，碳材料制备技术。新的碳材料制备技术可以将乙烯焦油中的有机物转化为高附加值的碳材料产品，如球状活性炭、纳米碳管、石墨烯等。这些碳材料产品具有广泛的应用领域和市场需求。第四，低温等离子体技术。低温等离子体技术可以通过低温等离子体的作用，将乙烯焦油中的有机物进行裂解和转化。

新技术对乙烯焦油综合利用的效果和潜在影响是显著的，新技术能够有效地分离和转化乙烯焦油中的不同组分，从而提高乙烯焦油的资源利用效率。通过高效分离技术和催化转化技术，可以从乙烯焦油中提取出更多的有用化合物和高质量产品，减少废弃物的生成，最大限度地利用乙烯焦油资源。

（2）可持续发展的考虑。乙烯焦油在高端碳材料制备方面具有潜力，可以用于制备多种高端碳材料产品，如球状活性炭、可纺沥青、针状焦、沥青基碳纤维、中间相炭微球、超级活性炭等[5]。乙烯焦油可以通过炭化、活化等过程制备成球状活性炭，具有较大比表面积和孔隙结构，广泛应用于催化剂载体、电容器材料、吸附剂和气相净化等领域；乙烯焦油中的某些成分可通过聚合和纺丝等工艺制备可纺沥青纤维，可广泛应用于石墨电极、石墨薄膜、碳化硅纤维增强材料等；通过对乙烯焦油进行加工和特殊处理，可以得到具有长针状结构的针状焦，用于制备石墨电极、锂离子电池、超级电容器等；乙烯焦油中的成分可以在特定制备条件下聚合形成沥青基碳纤维，具有高强度、高模量和耐高温等特点，适用于航天航空、船舶、建筑等领域；通过热处理乙烯焦油聚合物微球，可以得到中间相炭微球，可用于催化剂载体、储氢材料等；通过炭化、活化等工艺对乙烯焦油进行处理，可以制备具有高比表面积和高孔隙度的超级活性炭，广泛应用于吸附、催化、电化学等领域。

（3）政策和法规的推动。政策和法规在乙烯焦油综合利用中发挥着重要的影响和推动作用，旨在促进可持续能源发展、资源利用和环境保护。

第一，能源政策。通过能源政策引导和支持乙烯焦油综合利用技术的发展。这些政策可能包括设置可再生能源目标、推动绿色能源发展、鼓励乙烯焦油资源的高效利用等。

第二，污染物排放和环保要求。制定强制性的环境保护法规和标准，限制乙烯焦油综合利用过程中的污染物排放，并要求企业采取适当的污染物控制措施。这些法规和标准有助于减少大气、水体和土壤污染，并保护生态环境和公众健康。

第三，技术研发和创新支持。投资和支持乙烯焦油综合利用技术的研发和创新项目，通过提供资金、研究设施和人才支持等方式，推动先进的乙烯焦油综合利用技术的发展。

第四，经济激励措施。采取经济激励措施，如减税、补贴、奖励和贷款等，以降低乙烯焦油综合利用项目的投资成本，增加投资吸引力，并促进乙烯焦油综合利用技术的商业化应用。

第五，标准和认证要求。制定相关的标准和认证要求，推动乙烯焦油综合利用过程中产品质量的提高、工艺规范的确立以及行业的规范化发展。这有助于确保乙烯焦油综合利用产品的安全性、可靠性和可持续性。

政策支持对乙烯焦油综合利用的发展和创新具有重要性，可以鼓励企业和研究机构在乙烯焦油综合利用领域进行技术创新和研发。通过提供资金、设施和人才支持，可以促进先进的乙烯焦油综合利用技术的开发，推动相关产业的创新，从而推进行业的发展。政策支持可以引导乙烯焦油综合利用产业的转型和升级，通过制定能源政策、环境保护法规和标准等手段，引导企业将焦油处理从传统的简单焚烧或填埋转向高效清洁的综合利用，促进低碳经济和循环经济的发展。