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轉型蛻變中的石化:石化研發的瓶頸–試量產研發

   日期:2018-05-23     來源:《科學發展》2017年3月,531期,40 ~ 49頁    作者:郭肇中,劉榮昌    瀏覽:28    評論:0    
核心提示:我國石化業者未來勢必面臨多重的經營壓力,為求永續發展與生存,朝向高值化、國際化發展是必然趨勢。高值化的發展除了著重研發外,也應加強培養技術服務、應用推廣及產品開發的人才。

 我國石化產業自1960年代開始發展,至今乙烯產能已達400 萬公噸,規模位居全球第九大,生產的乙烯供應電子、汽車、人纖、紡織、塑膠製品等產業所需。

 

石化產業的重要性


石化產業即所謂的石油化工產業,是以原油為原料提煉成輕油,並經一連串裂解製程獲得基本上游原料(如乙烯、丙烯、丁二烯等)後,再利用合成、聚合與加工技術製成各種塑膠與橡膠產品。我國每年進口約3.5億桶原油,8成以上做為燃料使用,屬於消耗品。但對石化產業來說,原油卻是原料,因為經過一系列的製程後會變成更有價值的石化產品,供給下游產業使用。

我國石化產業自1960年代開始發展,至今乙烯產能已達400 萬公噸,年產值超過新台幣2兆元,規模位居全球第九大。生產的乙烯供應電子、汽車、人纖、紡織、塑膠製品等產業所需,整體上中下游產值超過4兆元。此外,石化產業直接就業人口約4萬人,相關產業(如石油及煤製品製造業、化學材料製造業、化學製品製造業、藥品及醫用化學製品製造業、橡膠與塑膠製品製造業等)的人口也超過40萬。可見石化產業對我國經濟的重要。

目前我們生活中的食、衣、住、行、醫藥等都廣泛依賴石化產品,現代人已不能一日無此君。過去四十多年來,政府興建石化上游工廠,並鼓勵民間發展中、下游的基礎原料,形成一條緊密的產業鏈,更帶動了塑膠、橡膠、化纖、化學產業的蓬勃發展。

石化產業的挑戰與轉機

石化產業具有技術密集、資本密集、高耗能等特性,雖然產品附加價值高,但是從輕油裂解到石化原料的合成、氫化、聚合等過程可能產出大量的廢棄物,造成空氣及水汙染,使得這產業一直為台灣社會所排斥。然而,石化業每年的外銷值占台灣整體的比率高達15~20%,為國家帶來重大的利益。因此,其對環境、社會的衝擊必須設法解決或取得平衡點,唯有產業與環保並重,才是石化產業永續發展之道。

近年來全球石化市場與生產受氣候變遷和環保問題影響產生了重大變化,也使我國石化產業面臨重大挑戰。因為外有新興國家崛起的競爭,內則遭遇環保抗爭、新產能無法擴增、國光石化停建與中油五輕關廠的衝擊,造成國內乙烯原料供應困難,更是雪上加霜。

此外,美國頁岩氣商業化開採成功,帶來的廉價乙烯勢必排擠到以石油腦為原料的裂解廠。不幸的是我國業者就是以後者模式生產,不可避免地會面臨國外低價乙烯產品的強力競爭。為求永續發展,我國石化業者應思考朝技術升級與高值化產品研發的方向邁進,且要把環保與節能減碳工作視為急需解決的重大課題。

整體而言,高值化產品研發的方向不僅要從產業鏈尋求上下游整合,產品也應積極朝四大方向發展,包括生產五大創新研發產業(綠能科技、亞洲矽谷、生技醫療、智慧機械與國防產業)的關鍵原料、開發未充分利用的原料(如C5、C9及衍生材料)、生產新材料(如生質材料、高性能工程橡塑膠),或以國內自製材料取代進口(如資訊、電子、面板相關材料)等,才能真正達到「質的提升在台灣」。

試量產研發的必要性

把實驗室燒杯中的新材料及新化學品建成一座石化廠,中間必有許多問題需要解決,過程也必冗長。尤其當產品屬性是較先進、高值、全球擁有這種技術者少且不外售,而下游使用度也不如大宗產品時,需要廠商投以百~千噸等級的試量產研發計畫,但耗時數年又不一定成功。然而唯有如此才能蒐集到正式量產的資訊,同時能進行下游客戶的驗證及產業鏈的布局建構,這種兩難抉擇勢必讓業者難以成眠。

技術升級與石化高值化產品的開發歷程,除需完成實驗室基礎研發及專利布局外,尚需進行試量產研發計畫,以建置完備量產資料及完成下游產業的應用評估驗證。試量產研發的工作主要包括試量產工程設計研究、試量產工廠興建評估、試量產工廠生產線優化、產品應用市場開發與評估等。

然而,試量產研發投入所需時程一般都較長,資金有時達上億元,尤其是過程具高度風險性,且短期內無法獲利,以致石化業者都裹足不前,自行投入研發高值化產品量產的意願低落,這一困境實有賴政府協助。

投入試量產研發的現況

政府為了建構石化產業高值化發展環境與協助廠商排除投資障礙,擬訂了五步驟推動策略,並委託工業技術研究院與塑膠工業技術發展中心輔導廠商,也規劃了21項國內石化產業斷鏈材料的試量產計畫,補助廠商投入先導性試量產設備建置及產品驗證,以破除石化產業高值化的障礙,加速業者從實驗室到設廠量產的商品化時程,以利於石化高值化轉型並可以供應五大創新研發產業所需的新材料。

至今國內已有9家業者申請試量產研發計畫,其中已獲通過者共6家,以下舉出重點案例以說明。

大尺寸平面電視用導光板試量產研發計畫 ─ 這材料具有高透光率、低吸溼及耐化學溶劑特性,可應用於光學膜與光學透鏡等產品,包括抗反射膜、偏光膜、抗炫光膜、亮度增強膜及數位相機用光學鏡片等。

此外,可藉由精密加工與光學設計把這產品製成高性能顯示器用導光板,解決目前PMMA無法應用於大尺寸顯示器(55英寸以上)導光板的瓶頸。這項產品深具國際發展潛力,可與國內的光電產業接軌,若能正式投產,將成為台灣第一家商業化生產的廠商,得以填補我國新世代光學材料產品的空白,進而投入高階光學材料的應用。

手機與觸控面板用保護面板與光學鏡片材料試量產研發計畫 ─ 這材料(環狀嵌段共聚物(cyclic block copolymer, CBS))擁有零光學延遲、高透光率、耐化學溶劑、低吸溼、易加工等特性,可應用於光學膜等應用,包括補償膜、偏光膜、抗炫光膜、四分之一波長板、抗反射膜、亮度增強膜、低雙折射熱塑性鏡片等。這項產品投產後將成為全球第一家商業化生產的廠商,得以填補我國新世代光學材料產品的空白,把握市場競爭的主動權,積極投入參與高階光學材料。

車用油封與皮帶材料試量產研發計畫 ─ 這材料(氫化丁腈橡膠)具有優異化學穩定性、耐磨性、彈性及耐油性,可應用於油封、正時皮帶、化纖、3C、染整滾輪與精密滾輪等。這項產品可提供國內3C及染整產業所需精密滾輪的耐溶劑橡膠,提高滾輪壽命。此外,這計畫可建立高價值原料(氫化丁腈橡膠生膠)國產自主化能力,取代進口,穩定料源,提升橡膠中下游產業(如油封與正時皮帶)的國際競爭力。

鐵路墊片與汽車防塵套材料試量產研發計畫 ─ 這材料(熱塑性聚酯彈性體(TPEE))具有突出的機械強度、優良的回彈性、寬廣的使用溫度等綜合性能,在汽車零組件、液壓軟管、電纜電線、電子電器、工業製品、體育用品、生物材料等領域有廣泛的應用,其中在汽車工業中的應用最廣,占80%以上。目前TPEE應用發展快速,需求量已達15萬噸/年以上。

在全球節能減碳的共識下,汽車輕量化成為各先進國家當務之急,塑膠物件應用於汽車產業比率會逐年升高,未來的需求量可望水漲船高。所開發的TPEE是硬質段與軟鏈段共聚合而成,所需原料是PTA、BDO及PTMEG三種單體。目前市面上TPEE製程多採用的是DMT間歇式或半連續式生產技術;但研發這材料的公司改採PTA連續式生產技術,不但避免了副產物甲醇的生成,而且以連續式生產兼具最大效益產能及品質穩定。

輸送帶用黑煙膠與鞋用黑色母粒材料試量產研發計畫 ─ 以熱裂解技術處理廢橡膠具有節能減碳、資源和能源回收、防止二次公害等優點,是現今廢橡膠處理廠採行最具優勢的技術。利用橡膠熱裂解技術產出的環保碳黑製成的耐磨彈性體具有高分散性、適當硬度、低發熱性及不錯的機械性質,市場潛力無窮,可應用於汽車輪胎、工業製品、電子電器、交通器材、建築建材、包裝材料等領域。

橡膠熱裂解技術深具發展潛力,其產品環保碳黑也可藉由材料配方/混合分散/加工調控進一步應用於高性能耐磨彈性體。此外,國內已有首座規模連續性熱裂解設備,投產後將成為全球首屈一指的商業化橡膠熱裂解,並把回收產品再製成耐磨彈性體的廠商,得以填補我國高性能彈性體材料產品的空白,進而投入高階彈性體材料。

手機用軟性印刷電路板材料試量產研發計畫 ─ 隨著智慧型手機與平板電腦的崛起,軟性基板聚亞醯胺用量大增,帶動上游關鍵原料4,4'−二胺基二苯醚(4,4'−ODA)的成長。全球4,4'−ODA需求量是6,500噸/年,國內500~1,000噸/年。而4,4'−ODA在台灣是斷鏈材料,長期以來仰賴進口,若能掌握4,4'−ODA生產技術,將能提升台灣軟性基板的國際競爭力。已有公司透過觸媒篩選、反應器設計以及反應參數探討,建立高轉化率及高選擇率的縮合反應和還原胺化反應,並設計適當純化製程,以生產高品質4,4'−ODA。

投入試量產研發的展望

投入試量產研發可降低建構自主量產技術所需承擔的風險,若能同時導入工業4.0概念,將能建構我國高值化石化產品的自主智慧量產技術,並推動能、資源整合鏈結,促進多元永續利用,達成進口替代或彌補國內石化產業斷鏈材料缺口的目標,以強化我國既有優勢產業鏈的完整性,並能支援五大創新研發產業。

我國石化業者未來勢必面臨多重的經營壓力,為求永續發展與生存,朝向高值化、國際化發展是必然趨勢。高值化的發展除了著重研發外,也應加強培養技術服務、應用推廣及產品開發的人才,並透過產學合作專業學程縮短新進人員發揮產能的時間,期有助於提升高值化的研發能量,並落實人才升級的目標。
 
 
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