新世紀的化學工程:臺灣石油化學工業 / 李世陽

星期六 , 17, 九月 2016 Leave a comment

新世紀的化學工程:臺灣石油化學工業

李世陽

經濟部石化產業高值化推動辦公室(執行長)
shyhyanglee@itri.org.tw

n  石油化學工業簡介

什麼是石油化學工業?簡單地說,就是把石油或天然氣變成材料(如塑膠、橡膠、人造纖維、化學品樹脂等),再將這些材料加工成為日常用品的工業。日常生活中,汽、柴油、塑橡膠、輪胎、人造纖維、寶特瓶、塑膠袋、保麗龍到現今流行穿戴科技智慧衣著纖維、人工洗腎導管、PV太陽能發電元件、風力發電中風車葉片、汽車工業、航空工業、船艦遊艇、建築材料工業,林林總總。這些名詞在我們日常生活之中,從觸手可及可見的生活必需品到遙不可及無法觸摸科技產業產品,塑膠、化學材料與我們生活,密不可分。石化產品可說是無所不在,石化工業衍生應用(見圖一),提供我們一切生活方便所需食、衣、住、行、育、樂、生、老、病、死十大需求。這個產業仍不斷在研發進步,未來將更多應用在政府新倡導五大產業發展的關鍵材料所需。

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圖一:石化工業衍生應用

(圖片來源:經濟部石化高值化推動辦公室)

石化產業範疇應用如圖二所示,由石油或天然氣製造出來的石化基本原料如乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等,經過特定製造程序,可先製得中間原料,此中間原料經過聚合(polymerization)、酯化(esterification)、烷化(alkylation)等製造過程可得各種塑膠材質(plastics)如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯(俗稱寶麗龍的原料)、PET(寶特瓶材質)與各種橡膠材料(rubber)、合成纖維(Synthetic Fibers)(尼龍、腈綸)材料及化學品如清潔劑、黏著劑、溶劑、肥料等。各種原料再經過塑膠、橡膠、纖維等特定的加工程序,提供現代生活科技產業不可或缺的材料。石化產業為國家工業發展的火車頭工業,是一切的產業材料來源的基礎。

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圖二:石化產業範疇應用

(圖片來源:2014IEK整理)

n  臺灣化學工業的發展概況

一、臺灣的石化工業起源與場域

回溯我國塑膠化學材料產業的發展源頭,主要是沿襲日治時代遺留下來的高雄煉油廠及臺灣肥料株式會社,民國50年代開始建立,從一輕、二輕輕裂廠開始,接著十大建設發展國家級基礎石化工業,建立「仁大石化工業區」與「林園石化工廠」、臺灣經濟步入起飛階段。經過60多年發展,主要的產業聚落分散於大高雄地區、雲林離島工業區(台塑麥寮六輕廠)、桃園、新竹、苗栗、頭份、彰化等各縣市。石化產業扮演臺灣經濟成長重要的推手。我國石化工業區分布概況如圖三所示。雖然北、中、南部各有石化聚落分布,但總體而言雲林麥寮六輕台塑體系與在高雄林園、仁武、大社泛中油體系石化中心,此二區域是臺灣兩個最大石化重鎮,供應臺灣化學材料工業中、下游產業所需原材料,佔整體臺灣石化產業產值三分之二。

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圖三:我國石化工業區分布概況

(圖片來源:經濟部石化高值化推動辦公室)

二、我國乙烯的產能居世界地位

乙烯產能可以概稱是石化產業發展能力的指標,是石化工業導入民生工業與產業應用的起始。臺灣乙烯產能以台塑麥寮六輕生產300萬噸與中油系統新三輕廠與四輕、五輕廠生產150萬噸,兩者合計450萬噸,產能佔世界第10位。表一為2014年全球主要乙烯生產國家產能,表二為我國103年以前乙烯生產裝置。近期發生乙烯產能生產重大事件有:民國100年政府停建國光石化計畫,104年政府承諾中油五輕廠(高雄左營地區)運作25年後將遷廠,乙烯減產50萬噸。當今環保聲浪興起,民間普遍對石化錯誤不良印象,導致國內石化投資環境險峻,業者很難在臺灣繼續投資擴廠。最近十年來石化產業重大投資都在海外,如台塑集團在美國德州廠與興建中路易斯安那州頁岩氣乙烯輕裂廠。長春集團在新加坡裕廊島與大陸盤錦工業園區投資。中、下游產業在大陸與東南亞地區擴廠生產更是普遍。國內石化業者克服臺灣地區乙烯設廠拓展產能不足問題,以海外發展補足石化產業原料需求不足問題。

表一:2014年全球主要乙烯生產國家產能

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(資料來源:2014 年石化高值化推動辦公室)

表二:我國乙烯生產裝置

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(資料來源:2014年石化高值化推動辦公室整理)

三、我國化學工業產業規模發展

臺灣沒有資源,臺灣經濟過去一直仰賴進口原物料加工成產品再外銷,賺取經濟利益,石化工業也是如此。我國化學工業依照經濟部統計處廣義定義範圍包:皮革、毛皮及其製品製造業(13)、紙漿、紙及紙製品製造業(15)、印刷及資料儲存媒體複製業(16)、石油及煤製品製造業(17)、化學材料製造業(18)、化學製品製造業(19)、藥品及醫用化學製品製造業(20)、橡膠製品製造業(21)、塑膠製品製造業(22)。總體103年營業產值4.3兆,從業人員:41.6萬人,工廠數:~1.6萬家。各類別營業額、工廠數、就業人口與人均產值如表三全國化學工業產業概況。

表三:全國化學工業產業概況

1

(資料來原:103年經濟部統計處)

上、中、下游,將煉油、化學製品、塑橡膠原料、製品業含括在內,占製造業總產值25~30%,足見其產業影響重大。圖五為統計化學工業歷年佔總體製造業產值比例。若以狹義石化上、中游化學材料製造業定義(18),石化工業包含:基本化學材料製造業、石油化工原料製造業、肥料製造業、合成樹脂及塑膠製造業、合成橡膠製造業、人造纖維製造業。化學材料製造業年產值~2.14兆,略大於我國政府年歲出預算1.9兆。

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圖四:化學工業歷年佔總體製造業產值比例

(圖片來源:經濟部工業局)

四、化學材料製造業市場,以外銷出口為導向之工業

我國石化上中下游產業完整,除石油需進口外,從原油煉製到輕油裂解乙烯,各種化學品單體、塑橡膠原料製品到支援民生工業需求,整體產業發展完整,表四為化學材料製造業概況(18)。上游石化原料以自給供應為主,中、下游衍生化學品、塑膠原料產品除自給外,也肩負外銷促進經濟發展的主要任務。我國大宗石化塑膠產品主要以出口為主(見圖四),表五為2014年我國大宗石化產品出口比例與出口中國大陸情況,石化產品主要生產泛用塑膠等石化原料,且以中國大陸為主要出口市場,但中國大陸近年積極擴建產能提升自給率,加上我國石化品主要以中國大陸市場為出口地(約占出口量之63%),並以五大泛用塑膠通用級產品與人纖原料為主,市場過度集中成為我國石化業隱憂。

表四:化學材料製造業概況(18)

2

(資料來原:102年經濟部統計處)

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圖五:2014年我國大宗石化產品各地區出口比例

(圖片來源:經濟部石化高值化推動辦公室)

 

表五:2014年我國大宗石化產品出口比例與出口中國大陸情況

產品

生產量

出口量

出口
比例(%)

 出口中國
(
含香港)

出口中國
佔總出口比例

PE

1101

697

63.3

424

60.8

PP

1042

660

63.3

533

80.8

PVC

1515

1,007

66.5

276

27.4

PS

775

724

93.4

293

40.5

ABS

1202

1046

87.0

820

78.4

PTA

2596

208

8.0

74

35.6

EG

2299

1482

64.5

1408

95.0

SBR

98

65

66.3

10

15.4

BR

64

88

137.5

27

30.7

總計

10,692

6,494

60.7

4,339

66.8

(資料來源:103年經濟部統計處)

n  我國石化產業的問題點

一、長期以來缺少重視研發到現今高值化轉型

臺灣過去塑膠化學產業原料多以技術引進,技術輸入後,較重視Know-How及製程技術改良,少有上、中游原料端自主技術研發。產業由末端下游製品量的需求,帶動上、中游原料廠的投資興建。民國100年政府宣布停建國光石化後,塑膠化學材料產業進入另外一個產業發展的階段,從過去的重視擴張產能積極發展海外市場版圖,轉向產業高值化發展。政府推石化塑膠產業高值化策略發展,擬定「量在外、質在內」的發展策略。除成立「經濟部石化產業高值化推動辦公室」,協助國內石化塑膠化學材料產業配合政府政策,朝向高附加價值之方向發展。化學材料業界近年來投入開發有最先進的光學透明材料環狀嵌段聚烯烴共聚物CBC (cyclic block copolymers),開發引進陶氏化學專利技術自行研發量產,做高級光學手機鏡頭與顯示器光學膜。自行研發超大尺寸電視面板(> 60吋電視)用改質聚苯乙烯透明材料、各種可再生回收的特殊熱塑性彈性體橡膠,可以用在電子、汽車工業、軟性醫療包材。關鍵PI(聚亞醯胺)軟板材料的原料單體開發,PI軟板應用在手機、iPad產業極為普遍,未來先進的ICT產業、國防工業所不可或缺的材料。

二、東南亞、大陸、中東興起競爭

近年來,我國塑膠化學產業面臨多重威脅,外在方面包括中東、中國大陸、東南亞等新興國家快速增建輕裂廠,造成全球塑膠化學材料業產能過剩壓力;中東產油國沙烏地阿拉伯投入輕裂廠生產乙烯,併購石化中下游原料廠。中國大陸十一五、十二五政策發展下,不斷擴充石化產能,逐漸填補內需缺口,臺灣石化產品已漸漸喪失其在中國大陸市場原有之版圖。新加坡、馬來西亞、泰國等東協國家,也逐漸發展石化工業,挾帶低成本與貿易優惠等優勢,加入戰局。美國以頁岩氣為進料之成本優勢,對傳統以輕油進料裂解生產之廠商帶來很大的競爭壓力。

三、環保壓力沉重,擴廠困難

內部方面,產業總體缺乏國土規劃、國際環保風氣興起、環保聲浪高漲引發民眾抗爭、民眾對產業不友善,缺水、缺電問題,而下游產業方面面對人工薪資高,終端製品加工產業外移,逐漸衝擊我國塑膠化學材料產業總體發展。過去量大生產,忽略環境成本的方式需要改變,要考慮更多環境、生態成本,著重污染防治處理與綠色生產製程,才能擺脫被新興國家追趕的窘境,進而開發一個經濟、生態發展並重的新經濟體。

n  石化產業發展的趨勢

一、頁岩氣衝擊影響產業結構,多元進料是產業趨勢

傳統石化產業以輕油裂解製程生產乙烯、丙烯、丁烯與芳香烴。各種輕裂後比例依製程進料不同,得到不同成分比例產品(見表六)。近年來石化產業進料逐漸趨向於多元化,例如以頁岩氣為主的乙烷脫氫,變成乙烯。成本元低於過往用輕油裂解乙烯,據估計每噸乙烯生產可小於400美元,遠低於目前輕油成本。未來石化輕裂廠製程,須朝向多元進料方式生產。適時轉換有利進料方式,才能擺脫新興頁岩氣競爭。

表六:不同進料石化單體成分產出

進料方式

C2乙烯

C3丙烯

C4丁二烯

C5以上芳香烴

甲醇氫氣等

漏失

輕油

29~34

13~16

4~5

19~30

14~16

1~2

乙烷

80~84

1~2

2~4

2~4

6~10

1~2

(資料來源:CE Delft 2013

二、新興科技支援新材料運用須不斷發展

石化上游原料,是一切工業的基礎。上游製程朝更多元運用天然資源方式與新製程生產乙烯、丙烯原料,以得到更低成本。高值化應用下游製品隨著新興產業興起,發展新工業用途。未來石化不再侷限在過去的食衣住行日常用品。例如因3C消費電子產業興起,筆電、手機、i-Pad產品發展,帶動聚亞醯胺(polyimide)材料需求。聚亞醯胺薄膜廣泛應用在新興消費電子軟性印刷電路板產業。聚碸(Polysulfone),以往用於耐溫、尺寸安定性佳之工程元件,也用於高品質奶瓶容器。最近一~二十年在洗腎透析導管用量遽增,成為聚碸塑膠成長應用最快的領域。另外PET雙軸延伸薄膜厚膜,隨著大尺寸電視、PV太陽能產業興起,用途跳脫了既有的礦泉水容器、人造纖維、食品包裝用途。PLA發展發泡薄板應用,未來取代傳統保麗龍發泡食品容器,獨特的自身生物可分解性與經過發泡加工後產品兼具輕量化與隔熱特性在可預期將來為市場明日之星。

三、清潔製程與循環經濟需要對等重視

低毒性製程是新興化學製程開發的另一方向。例如光氣(phosgene)的使用,以往是高效率反應最具效益的反應方式,用來生產聚碳酸酯塑膠、二甲基碳酸酯等化學品。但此種製程因光氣毒性高近年來已轉化利用低毒性製程,避免生成光氣的非光法化製程。另一例為氫氰酸(HCN)的生成使用,新開發的尼龍66單體,己二胺製程,與MMA單體製程都有非用氫氰酸劇毒的低毒性製程。

循環經濟再利用,石化製程帶來便利汽、柴油、航空用油能源的使用,也帶來生活的方便。但煉油廠與石化廠區也伴隨有大量CO2氣體產生與廢水、廢熱排放。如何做到園區內最終零排放目標,減少環境衝擊。未來石化園區須考量環境成本。整體考量園區內能資源整合、減少CO2減排、從物理性吸附、化學方法捕捉CO2,進而發展CO2化學衍生物如二甲基碳酸酯、與氫氣結合生成甲醇或直接利用CO2光合作用回歸大自然農作物吸收發展溫室植物工廠,都是未來循環經濟石化工廠場域規劃可考量項目。

n  結語

塑膠化學材料與人民生活息息相關到了密不可分的程度。塑膠化學材料帶來人們生活方便需求,也不斷在創造更多前瞻應用。未來端賴更多高值化研發帶動臺灣地區石化業轉型生存。高值化新材料研發除強化我國既有強項產業之產業鏈完整性產品,搭配新政府五大產業領域發展新應用領域,塑膠化學領域,發展新材料循環經,開創臺灣經濟新成長未來。

 

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