国内首套!贝欧亿万吨级POE建成,国内苦POE久矣,壁垒都有哪些?

塑料联播 2023-11-06
3342 字丨阅读本文需 8 分钟

10月30日,海南贝欧亿科技有限公司(贝欧亿公司)3万吨/年特种聚烯烃及配套项目实现中交,项目全面由建设阶段转入生产准备、试运行阶段。标志着中国首套万吨级工业化聚烯烃弹性体(POE)生产装置建成,成为POE国产化突破的重要里程碑!

POE作为新一代热塑性弹性体,是高端聚烯烃新材料中的明星产品,技术壁垒高,生产难度大,目前全部依赖进口,成为制约中国新材料产业发展的重要瓶颈。贝欧亿公司3万吨/年特种聚烯烃及配套项目的顺利中交,为国内首套POE工业化生产装置顺利开车投产夯实基础,实现了行业发展的历史性突破,有利于贝欧亿公司加快赢得市场先机,引领行业发展,提升我国新材料产业链的国际竞争力。

贝欧亿聚焦α-烯烃、催化剂、聚合工艺三大“卡脖子”难题,深耕技术研究,在核心原料自供、催化技术突破、工艺优化升级方面不断突破,历时多年,顺利完成POE和α-烯烃产品小试及中试,牵头制定了国内第一个POE产品团体标准,千吨级中试装置稳定运行多年,中试产品在光伏胶膜、改性材料、电线电缆、鞋材发泡等领域取得多家客户的应用认证,建成国内首套POE工业化生产装置,实现中交,将全面投产,率先突破POE大规模工业化技术。

1、天下苦POE久矣

技术推动的产业升级从未停歇,在光伏领域,效率更高的N型电池逼宫传统P型电池让出市场份额的同时,双面组件渗透率不断提升,带动市场对POE材料的需求也日趋旺盛。

“由于N型电池在效率、寿命上大幅提升的同时,N型电池对于表面应力、酸碱度等外在环境更加敏感,因而对胶膜也提出了要求更高。”一位光伏行业资深人士告诉,“相较P型电池常用的EVA胶膜,POE胶膜兼具高水汽阻隔和高抗PID性能,且具备优异的抗老化性能,更适用于N型电池或双玻组件的封装。”

纵有千般好,但从多家胶膜企业了解到,目前POE胶膜的生产比例其实并不高。

福斯特(603806.SH)相关负责人表示,由于原材料POE粒子价格长期居高,导致目前POE胶膜的成本很难下来,目前POE的实际用量其实并不大。

另一位胶膜企业的相关人士也表达了类似观点,POE粒子价格过去基本稳定在2.8-3万元/吨,而EVA粒子价格则在不断走低,价差一度接近1.5万元/吨。

“为了不受限于POE粒子,通过POE和EVA组合的共挤型聚烯烃复合膜(EPE)是各家胶膜企业想出的折中办法,目前N型组件企业对该封装方案也有一定的接受度,但这也是没有办法的办法,如果真要以效果来看肯定还是POE胶膜更为理想。”该人士进一步表示。

2、POE 树脂工业化存在三大技术壁垒

POE(聚烯烃弹性体)是陶氏化学于1993年率先开发的新型热塑性弹性体材料。POE的结构特点决定了其优异的综合性能。首先,分子结构中同时存在聚乙烯主链结晶区和因引入α-烯烃而形成的无定型区,使其兼具良好的热塑性和高弹性。其次,分子链中不存在极性基团和不饱和键,赋予了POE优良的耐候性和水汽阻隔性。最后,茂金属催化剂的加持也使得POE的相对分子量分布窄,从而具有良好的拉伸强度和抗冲击性能。

目前全球POE树脂的生产技术和工业化装置集中在陶氏化学、LG化学、三井化学、SSNC(SABIC和SK的合资公司)、埃克森美孚、北欧化工6家海外化工巨头。各家企业的生产装置均基于专有的聚合技术和茂金属催化剂搭建,现有产能合计160.5万吨。考虑到实际生产过程中可灵活切换为POP(聚烯烃塑性体)、OBC(烯烃嵌段共聚物)或其他弹性体材料,POE真实产能低于公开资料数据。根据ChemAnalyst的统计,2022年全球POE需求量约150万吨,预计实际产量与该数据基本一致。

陶氏化学是全球生产规模最大、技术最先进的POE生厂商,其装置主要位于美国、泰国、沙特三地,合计产能达76万吨,占全球市场份额的50%左右。LG化学、SSNC和三井化学紧随其后,产能规模均超过20万吨。由于光伏领域可预见的需求增长,上述三家企业均已宣布扩产计划,预计两年内海外POE产能可提升至192.5万吨。结合表3的光伏级POE树脂需求估算量来看,胶膜厂商需要拿到一半左右的订单份额才能满足N型组件的封装需求。不过在汽车轻量化趋势下,传统下游汽车塑料改性需求仍有增长空间,其他领域同样需求起量(据中国化信咨询统计,2021年我国POE净进口量约为59万吨,近3年CAGR达28%),因此未来几年全球POE树脂供给将持续紧张,订单争夺也将左右光伏胶膜的升级进程,树脂国产化破局非常关键。

面对新兴市场巨大的需求机遇,国内石化企业也在加速布局POE树脂。但由于生产难度大、产品利润率高,目前海外龙头暂无对外进行技术授权转让,因此国内企业只能自行研发,并需陆续攻克茂金属催化剂的制备、α-烯烃的合成、溶液聚合工艺三大技术难题。

1)茂金属催化剂

茂金属(Metallocene)是一类有机金属配合物的统称,一般由ⅣB族过渡金属元素(如Ti、Zr、Hf)和环戊二烯基(或其衍生物)通过相互作用形成。以茂金属为主催化剂、烷基铝氧烷(如MAO)或有机硼化物为助催化剂的催化体系,称为茂金属催化剂。相较于传统的齐格勒-纳塔催化剂,茂金属催化剂具有催化活性高、单一活性中心、可精准调控聚合物结构和相对分子量分布等优势,主要应用于制备高端聚烯烃。目前POE的工业化生产主要使用桥联二茂催化剂和限定几何构型催化剂(CGC),这两类催化剂中心金属周围空间更为开放,有利于长链共聚单体插入,更适合于POE的反应体系。

催化剂是聚合反应的核心,茂金属催化剂在20世纪90年代实现产业化后国外多家大型企业陆续完成开发及应用工作,并对研发成果申请专利保护。除了前述6家企业外,国际上的茂金属催化剂生产商还包括利安德巴塞尔、道达尔、美国Univation(陶氏化学和埃克森美孚合资公司)、ChevronPhillips等企业,不过上述企业的配套工艺以气相法或淤浆法为主,虽然允许技术转让但只能生产茂金属聚烯烃(mPE/mPP),并不适用于POE。

我国茂金属催化剂研究起步时间晚,如何绕开诸多专利限制并从浩如烟海的茂金属配合物中筛选出合适的新型催化剂体系是研发的难点。中石油、中石化、高等院校及科研院所等国家单位已研发多年,并成功实现了基于自主茂金属催化剂的mPE/mPP的工业化应用,但用于制备POE的催化剂仍尚未取得工业化突破。目前CGC催化剂仍是重点突破方向,而随着下游市场空间的逐步打开、陶氏化学初代CGC技术专利的到期,多家国内上市龙头已加快入局步伐。近年来,万华化学、卫星化学、盛虹斯尔邦等企业陆续积累相关专利,但工业化放大仍在技术摸索期。

2)α-烯烃

α-烯烃是碳碳双键位于分子链端部的线性长链单烯烃。其中,碳链相对较短的1-丁烯(C4)、1-己烯(C6)和1-辛烯(C8)通常作为共聚单体用于改善聚烯烃的材料性能。目前全球主流的POE产品基本属于乙烯-辛烯共聚弹性体,因此1-辛烯是实现POE国产化的关键原料。

乙烯齐聚法是全球高碳α-烯烃(C6及以上)的主流生产工艺,主要分为非选择性齐聚和选择性齐聚两大类。其中选择性齐聚(如乙烯三聚制备1-己烯和乙烯四聚制备1-辛烯)目标产物收率更高,是更为先进的技术方向。目前中石化、中石油已基本掌握乙烯三聚法,1-己烯总产能约10万吨。乙烯四聚法则尚未实现工业化,因此我国仍不具备1-辛烯的生产能力。不过在POE等高端聚烯烃需求的催化下,1-辛烯的技术攻关已取得初步成果。目前已有中石油大庆石化、卫星化学连云港石化两家企业建成工业试验装置。

展望来看,未来2~3年国内α-烯烃装置规划较多,基本用于配套生产POE,技术大多来源于自研、科研院所或高校联合开发,暂时均缺乏成熟的规模化生产经验。能否找到兼具高活性和选择性的催化剂、解决副产物堵塞管路等问题,仍需进一步观望。

3)溶液聚合

目前工业化的POE生产装置基本采用溶液聚合工艺。其核心工艺开发与茂金属催化剂高度捆绑,因此技术专利同样掌握在陶氏、LG化学、三井化学等企业手中。海外仅有加拿大NOVA公司的Sclairtech中压溶液聚合工艺可进行对外授权转让,但现有装置以出产聚乙烯为主,暂无POE生产先例。国内方面,由浙江大学及中石化北京化工研究院联合开发的“1000吨/年POE生产技术工艺设计包”已于2015年通过中国化工学会组织的科技成果鉴定。虽然目前尚未有工业化应用工艺包的验收报道,不过预计其仍将成为国内众多企业的主要技术来源。而随着茂金属催化剂研发的逐步深入,基于溶液聚合的成套POE技术工艺包有望同步取得进一步的突破。

当前全国各地石化企业纷纷上马POE项目,规划总产能达到360万吨。目前万华化学的产业化进度相对领先,公司已于2021年3月成功实现中试装置开车,并成为国内首家可产出光伏应用POE树脂的企业。据调研,万华化学的两款光伏级POE产品已向主要胶膜厂商送样并开始验证,预计首套20万吨工业化装置有望于2024年下半年投产。除此之外,盛虹斯尔邦、中石化茂名石化也已于2022年完成中试,正在进行工业化项目建设。其他项目则大多处于前期规划阶段,建设周期大约2~3年。

2023及2024年都将是国内POE树脂产能的真空期,供给紧缺程度持续加剧。2024年底至2025年则是各个项目验证的关键阶段,届时真正掌握核心技术的厂商将持续更新项目进展。考虑到三大关键壁垒的攻关难度,预计最终能如期实现工业化装置投产的企业不超过5家,其他大多数企业落地进度可能不及预期或最终因无法成功突破技术难题而退出竞争。

综上所述,未来两年大概率是POE树脂国产化元年,但具体的产能落地规模存在巨大不确定性。从技术难度来看,茂金属催化剂的工业化制备难度最高,因此相对看好茂金属催化剂开发处于领先地位的企业。

文章来源: 流程工业,科创板日报

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