聚乙烯生產工藝技術及行業發展現狀

李曉蓮

(漳州市九龍江集團有限公司，福建 漳州 363000)

0 引言

聚乙烯(PE)是乙烯經化學聚合反應制得的一種熱塑性樹脂，是五大合成樹脂之一。聚乙烯產品是國內合成樹脂中產能最大、進口量最多的品種。聚乙烯用途十分廣泛，主要用來制造薄膜、容器、管道、電線電纜、日用品等，并可作為高頻絕緣材料[1]。文章介紹了聚乙烯生產原料、產品分類及特性、生產所采用的工藝技術及其特點、生產工藝方法分析比較，分析了聚乙烯的國內產能產量、行業發展現狀等。

1 聚乙烯產品概述

1.1 生產原料

乙烯是聚乙烯的生產原料，乙烯耗量的45%用于生產聚乙烯產品。聚乙烯生產路線主要分為傳統路線和新興路線；傳統路線主要是通過蒸汽裂解和催化裂解技術生產乙烯，再制取聚乙烯產品，新興路線主要是通過輕烴裂解、乙炔加氫制乙烯等技術生產乙烯，再制取聚乙烯產品。

1.2 聚乙烯產品的分類和特性

聚乙烯產品根據聚合方法、分子量大小和鏈結構的不同，可以分為高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和線性低密度聚乙烯(LLDPE)產品[2]。

高密度聚乙烯產品機械強度高、加工性能好、耐滲透性好，廣泛應用于生產生活中；低密度聚乙烯產品的應用范圍也比較廣泛，主要應用于塑料產品、模制產品等；與低密度聚乙烯產品相比，線性低密度聚乙烯具有優異的耐環境應力開裂性能和電絕緣性，較高的耐熱性能、抗沖和耐穿刺性能等[3]。

2 聚乙烯生產工藝技術概況

目前世界上聚乙烯生產工藝按壓力分類，主要有高壓法和低壓法，擁有低密度聚乙烯技術的有7家，高密度聚乙烯技術的企業有12家，線性低密度聚乙烯和全密度技術的企業有10家。聚乙烯生產工藝技術主要包括共聚技術、不造粒技術、冷凝和超冷凝技術、反應器新配置技術、雙峰技術以及原位法技術等6種技術[4]。

高壓法聚乙烯生產工藝可分為高壓管式法工藝和高壓釜式法工藝兩種。高壓管式法工藝技術代表有LyondellBasell公司的Lupotech T工藝、SABIC公司的CTR工藝和埃克森美孚(Exxon Mobil)公司工藝(國內應用企業有燕山石化公司)；高壓釜式法工藝技術代表有Enichem工藝、埃克森美孚(Exxon Mobil)公司工藝和ICI工藝[5]。

低壓法工藝主要有氣相法工藝、淤漿法工藝和溶液法工藝。氣相法工藝技術代表有美國Univation技術公司的Unipol工藝(國內應用企業有茂名、吉化、揚子、天津、中原、廣州、大慶、齊魯石化公司)、英國BP公司的Innovene工藝(國內應用企業有獨山子石化公司)、Basell公司的Spherilene工藝和北歐化工公司的北星(Bastar)工藝(國內應用企業有上海石化公司)；淤漿法分為環管聚合工藝和攪拌釜式聚合工藝，環管聚合工藝技術代表有雪佛龍-菲利浦斯(Chevron Phillips)公司工藝(國內應用企業有上海金菲公司、茂名石化公司)、Borealis公司的Borstar工藝和Innovene S 工藝，攪拌釜式聚合工藝技術代表有日本三井化學/Prime聚合物公司的CX工藝(國內應用企業有大慶、揚子、燕山、蘭州石化公司)和巴塞爾聚烯烴公司Hostalen工藝(國內應用企業有遼化公司)；溶液法工藝技術代表有Dow化學公司的Dowlex工藝和SABIC(原DSM)公司的Compact工藝。

2.1 國外工藝技術概況

2.1.1 InnoveneTM G 工藝

BP公司氣相法InnoveneTM G 工藝，可生產LLDPE和HDPE產品，采用 Ziegler 催化劑、以及鉻系和茂金屬催化劑。InnoveneTM G 的工藝流程與 Unipol 工藝相似，也采用單臺流化床反應器，采用超冷凝態操作技術，由原料精制、催化劑注入系統、聚合、脫氣、排放氣回收、造粒和儲存等組成。反應壓力約2.5 MPa，反應溫度約為 75～110 ℃。乙烯單程轉化率3%，停留時間為3～4 h。該工藝技術存在催化劑不易結塊、產品切換不需倒空反應器或停車、反應器循環回路不易結垢等特點。

2.1.2 SABIC工藝

SABIC氣相法工藝采用冷凝態技術，使用單臺反應器生產 LLDPE/HDPE。SABIC工藝裝置由單體凈化、催化劑制備、聚合反應、樹脂脫氣和擠出造粒單元組成。操作溫度為 80～100 ℃，壓力約為 2.4 MPa。乙烯單程轉化率約 2%～3%，停留時間3～4 h。該裝置將液化的共聚單體噴入粉料氣體流化床。該工藝樹脂的性能通過催化劑、助催化劑、共聚單體和氫氣的加入量來調節；該工藝簡單，投資較低。SABIC的工藝技術基本上自用。

SABIC公司開發了基于淤漿法CSTR工藝的技術(HAO)。該技術基于淤漿法CSTR 平臺，并對該平臺進行了改進，以使該工藝能夠生產除丁烯(C4)基聚合物外的己烯(C6)基雙峰HDPE共聚合物。C6雙峰HDPE樹脂可用于生產高質量抗裂管材。乙烯為單體，1-丁烯/1-己烯為共單體。在SABIC的HAO技術中，稀釋劑是庚烷異構體的混合物，允許使用1-己烯和1-丁烯作為共聚單體。

2.1.3 Spherilene工藝

LondellBasell 的Spherilene 工藝單峰產品構架的單反應器Spherilene C 工藝和用于所有級別PE 的雙反應器構架的Spherilene S 工藝。Spherilene C 使用鈦系的Z-N催化劑生產窄分子量分布的聚乙烯產品，使用鉻系的催化劑可以生產雙/寬峰的聚乙烯產品。在Spherilene S 工藝中使用鈦系的Z-N催化劑可以生產密度為0.915～0.962 g/cm3的全部產品。Spherilene 工藝存在工藝架構靈活、預聚合技術、反應停留時間短、產品切換無需停車、不需要種子樹脂、產品可直接出售等特點。

2.1.4 Hostalen ACP工藝

Basell 的Hostalen ACP低壓淤漿工藝用于生產具有優異聚合物性能的多峰高密度聚乙烯產品。該工藝技術由三個串聯的聚合反應器組成，反應器型式為連續攪拌釜式(CSTR)，其中己烷作為溶劑。催化劑僅注入到第一個反應器中，而單體和共聚單體在獨立的控制系統下進料到所有反應器中。反應后，將聚合物從漿料中分離并干燥，然后將聚合物粉末輸送到擠出造粒單元。Hostalen ACP 工藝開發的催化劑，能夠在聚合反應器中生產具有優異均一性的高分子量PE，這也是HDPE樹脂生產膜、吹塑和管道材料的必備性能。該技術最大經濟規模為50萬噸/年。

2.2 國內工藝技術概況

聚乙烯催化劑技術的國內研發和生產帶動了 PE 裝置的國產化進程，同時，我國自主設計和建造了一些大型的PE裝置。2021年4月石油化工研究院自主研發的鈦系PLE-01催化劑在撫順石化高密度聚乙烯生產裝置上，首次試產大中空容器聚乙烯專用料，實現了自主催化劑工業試驗和高端產品開發雙豐收。此項技術填補了國內空白。

2.3 生產工藝方法分析比較

高壓法用來生產低密度聚乙烯，因工藝和催化劑技術的研發應用，低壓法生產技術所占份額逐漸增加。淤漿法主要用于生產高密度聚乙烯，而溶液法和氣相法不僅可以生產高密度聚乙烯，還可通過加共聚單體，生產線型低密度聚乙烯。氣相法、淤漿法和溶液法的簡介及優缺點如表1所示。

3 行業發展現狀

2020年國內實際新投產10套聚乙烯裝置，新增供應能力380萬噸/年，截至2020年末，我國聚乙烯生產能力已經達到2298萬噸/年，產量達到1999萬噸， 進口量1853.39萬噸，出口量25.21萬噸，表觀消費量3827萬噸，自給率52%。我國聚乙烯的主要進口國家有：沙特、伊朗、阿聯酋、韓國、新加坡、泰國、印度、卡塔爾、美國、日本、俄羅斯。2020年HDPE進口量為910萬噸，LLDPE 670萬噸，LDPE340萬噸，EVA 100萬噸。2021年國內新投產13套聚乙烯裝置，新增產能430萬噸/年。

2021年，國內聚乙烯專用料新產品企業有19家，包括中科煉化HDPE裝置生產PE100等級雙峰管材料XS10N，該材料具有優異的低溫抗沖擊性能和耐應力開裂性能以及超強的抗慢速開裂能力；產出鉻系催化劑小中空產品HHM5502。中化泉州石化HDPE裝置生產出鉻系小中空吹塑料HHM5502，具有較高的熔融強度、剛度和較強的抗環境應力斷裂能力，具有氣味小、強度高、成型簡便等優點。鎮海煉化聚乙烯裝置成功生產出新型低壓電纜絕緣專用料PE-L J182，可用于低壓電纜的絕緣層，對密度、低溫脆性、拉伸強度等指標有嚴格的要求；生產食品及醫藥領域耐高溫、高開工膜料專用料ZF4523ZC。撫順石化35萬噸/年高密度聚乙烯裝置成功試產出鈦系催化劑大中空容器聚乙烯專用料FHM8255A，主要用于200升環桶等大型容器的生產，具有高潔凈的性能，亦可用于電子級產品包裝領域，產品附加值較高。遼陽石化自主研發出超高分子量聚乙烯FIUH4000，成功銷往國內干法紡絲代表企業；生產超高分子量聚乙烯高端牌號產品PZUH5500向產品附加值高的白色棒材領域拓展。大慶石化生產出高檔寬幅棚膜專用樹脂2820D，助力農業生產，市場上主要應用于高端重包裝膜、農膜、重包裝袋、購物袋、收縮膜等產品的生產加工；還生產氯化聚乙烯樹脂B型料QL565P；薄膜料19G；等等。

4 結語

催化劑是聚合技術的核心，為能夠降低產品生產成本及節能降耗，需不斷研究開發生產聚乙烯新型催化劑，提高裝置的生產能力、穩定性、產品高附加值和降低裝置能耗，從而能夠提高我國聚乙烯產品的競爭力。