世界炼油工业曾经历了从传统燃料型炼油厂到常规炼化一体化（Integrated Refinery-Petrochemical）阶段。近年来，一些公司开始通过对传统炼化工艺集成创新或直接颠覆传统炼油工艺流程，将炼化一体化提升到原油制化学品（Crude Oil to Chemicals，简称COTC）的新水平。基于目前技术现状及未来技术发展趋势，COTC技术可分为原油最大化制化学品和原油直接制化学品两类。从原油转化为基本石化原料的收率看，各工艺路线大致为：传统燃料型炼油厂5%～10%，常规炼化一体化工厂10%～20%，原油制化学品工厂超过40%甚至可能达到80%。
COTC的驱动力
国内外炼油企业正在大力实施先进的COTC项目，其主要驱动力在于：
一是油品（汽油、柴油、航空煤油和燃料油的总称）需求增速放缓，石化产品成为拉动原油需求增长的主要动力。传统成品油市场已趋于成熟，增长机会主要源于新兴经济体不断壮大的中产阶级流动性需求，主要威胁来自燃油经济性提高、替代燃料和新能源汽车的快速发展，预计油品消耗增长到2030年后将停滞不前。而石化产品需求增速将远高于油品需求增速。中产阶级人口增加推动了全球从家用电器、建材到汽车等领域对烯烃、芳烃和碳四等石化原料需求的快速增长。
二是经济效益显著，具有原油资源的公司与大型聚酯生产商投资意愿强烈。对于沙特阿美这类具有原油资源的公司来说，当国际油价较低且油品需求增速放缓时，相比传统炼化途径而言，COTC是将原油资产货币化的更好途径，可使大型石油公司转向化工公司。对于恒力石化、荣盛石化等聚酯生产商来说，后向一体化到炼油，可突破公司现有石化原料（对二甲苯PX、乙二醇MEG）的供应瓶颈，提高原材料的供应安全性。同时，实施COTC项目的平均生产成本比传统炼厂低20%~40%，通过获取整个价值链中的一体化利润来减轻聚酯链的利润波动。
三是油品过剩严重，炼油企业油品销售压力大。尽管我国政府逐步放宽对炼油行业的限制，允许民营企业参与原油进口、成品油出口，但是与“三桶油”等国有公司的主导地位相比，这些民营企业成品油销售渠道有限，因此必须尽量减少成品油的产出。
商业化项目进展
1．原油直接制化学品（烯烃），以埃克森美孚为代表
埃克森美孚开创了COTC项目的先河。该公司位于新加坡裕廊岛的100万吨/年乙烯装置是全球首个COTC项目。2014年1月，埃克森美孚在新加坡化工厂投产了原油直接蒸汽裂解制烯烃装置，可以从原油直接生产100万吨/年乙烯。该项目与其炼油厂整合在一起，不仅共享公用工程，而且可从炼油厂获得重质燃料原料用于烯烃的生产。
埃克森美孚原油直接蒸汽裂解制烯烃技术（流程示意图见图1）的最大特点就是省略了常减压蒸馏等炼油装置，使得工艺流程大为简化。其创新点在于，完全绕过常规炼油过程，将原油直接供给蒸汽裂解炉，并在裂解炉对流段和辐射段之间加入一个闪蒸罐。其工艺原则流程是，将原油在对流段预热后进入闪蒸罐，气液组分分离后，气相进入辐射段，并以通常的方式裂解；在闪蒸罐底部收集的重质液相则被送至邻近的埃克森美孚炼油厂作为炼油装置原料，或者直接出售。
埃克森美孚新加坡工厂的原油加工能力接近3000万吨/年，基本石化原料生产能力超过800万吨/年，收率约为24%。
2．原油最大化制化学品，以恒力石化、浙江石化为代表
原油最大化制化学品是基于典型的炼化技术，对传统炼油工艺技术进行优化，以最大化生产化工原料供联合石化厂使用。该路线通过增加额外的工艺装置，比如加氢裂化，将原油炼制过程中的蜡油、渣油等重质产物转化为轻质产物，同时提高氢碳比。利用现有成熟技术，通过重新配置，使得基本石化原料收率大幅提高到40%~50%。
我国民营企业已经正在利用国内外先进炼化工艺技术建设这类炼油厂，包括恒力石化大连长兴岛项目、浙江石化舟山项目、东方盛虹连云港项目等。
（1）恒力石化项目：该项目原油加工能力为2000万吨/年，主要加工来自沙特阿拉伯的中、重质原油或类似品质的原油，炼厂旨在生产石脑油，芳烃联合装置旨在最大化生产PX。项目一期主体工程主要包括2000万吨/年常减压蒸馏、煤油加氢精制200万吨/年、柴油加氢裂化600万吨/年、蜡油加氢裂化760万吨/年、渣油加氢裂化640万吨/年、溶剂脱沥青135万吨/年等；产品包括450万吨/年PX、100万吨/年纯苯和150万吨/年乙烯，年产超过900万吨基本石化原料，收率约为46%。2018年底，常减压装置投料开车，2019年5月炼油项目全面投产，2020年1月乙烯项目投料试车。恒力石化原油最大化制化学品流程示意图见图2。
（2）浙江石化项目：该项目分两期实施，完全建成后原油加工能力为4000万吨/年，主要产品为800万吨/年PX、200万吨/年纯苯、280万吨/年乙烯、60万吨/年丙烷脱氢。项目一期主体工程主要包括2000万吨/年常减压蒸馏、300万吨/年轻烃回收、300万吨/年延迟焦化、500万吨/年渣油加氢脱硫、380万吨/年蜡油加氢裂化、800万吨/年柴油加氢裂化、420万吨/年重油催化裂化和200万吨/年催化汽油加氢等，年产约900万吨石化产品，基本石化原料收率约为45％。一期项目于2019年5月，常减压装置投入运行，2019年底全面投产。二期已于2020年3月开工建设，预计2022年建成投产。
COTC新技术开发如火如荼
COTC技术路线都绕过了传统的炼厂常减压蒸馏步骤。沙特阿美公司正致力于研发多种COTC的技术路线，包括热原油制化学品（TC2CTM）技术和催化原油制化学品（CC2CTM）技术，不同技术将使用不同种类原油。沙特阿美位于达兰的研发中心还在研究其他未曾公开的高风险、高回报的COTC技术。
此外，印度信实工业公司（Reliance Industries）正在研发MCC工艺，而中石化石科院主要围绕催化裂解开发工艺路线。
（1）沙特阿美TC2CTM技术路线
沙特阿美TC2CTM专利技术使用一体化的加氢处理、蒸汽裂解和焦化工艺直接加工原油，生产烯烃和芳烃石化产品以及石油焦，详见图３。据报道，该技术可以将基本石化原料收率提高到70%~80%。2018 年1 月，沙特阿美与麦克德莫特（McDermott）、雪佛龙鲁姆斯全球公司（CLG）签署了一项联合开发协议，结合McDermott的乙烯技术、CLG的加氢处理技术与沙特阿美专有的TC2CTM技术，为联合开发提供平台。2018年6月，沙特阿美技术公司与美国Siluria Technologies公司签署了一项技术许可协议，以实现Siluria甲烷氧化偶联制乙烯技术与沙特阿美TC2CTM有机结合，进一步提高乙烯收率。另据报道，2019年McDermott收购了Siluria持有的甲烷氧化偶联制乙烯技术。
（2）沙特阿美TC2CTM路线
2019年1月，沙特阿美技术公司已与德希尼布福默诗（TechnipFMC）和法国阿克森斯（Axens）结成技术联盟，以加速CC2CTM技术的开发和商业化。该协议计划2021年完成CC2CTM技术的商业化准备。CC2CTM技术是在经过验证的高苛刻度流化催化裂化（HS-FCCTM）技术基础上的创新。HS-FCCTM由沙特阿美与法赫德国王石油矿产大学和日本JXTG能源集团合作开发。沙特阿美、Axens和TechnipFMC公司都是HS-FCCTM技术联盟的成员，Axens和TechnipFMC公司还是HS-FCCTM技术的专属授权商。沙特阿美ＣC2CTM技术流程示意图见图４。
（3）印度信实工业MCC技术
印度信实工业公司使用多区催化裂化（MCC）工艺直接裂解原油，无需使用常减压装置，还可以与凝析油、页岩油和致密油等的裂解组合使用。该公司已经评估了全世界约120种原油，并认为它们适合使用MCC工艺。这些原油中污染物的含量（例如钒）在该工艺所允许的范围内。
（4）中石化石科院技术
中石化石科院李明丰副院长在化信公开课曾介绍，石科院的原油裂解制烯烃技术是围绕催化裂解进行，主要有两条路线：
路线一是原油切割为轻、重馏分后，分别进行催化裂解生产低碳烯烃，采用一套催化裂解装置的双提升管反应器来实施，两个提升管分别进轻、重馏分油，分别给予最适宜的操作参数最大化生产低碳烯烃。该路线已完成小试试验，今年4月下旬进行中试试验，计划2021年在扬州进行工业试验。工艺难点是原油中的石脑油、柴油馏分与重油馏分相比尽管氢含量高，但因为分子小更难裂解，需要专用的催化剂和更苛刻的操作参数。以江苏油田原油为例，小试结果显示，乙烯+丙烯产率达到33%。如果考虑回炼C4烯烃和轻汽油，双烯产率会高于这个数据。这个数据和埃克森美孚在新加坡的原油直接蒸汽裂解的数据（乙烯+丙烯产率为35%）相当。对原油的适应性是要求石蜡基原油，如果是中间基或环烷基，则切割后的重馏分要先加氢，或者说要有匹配的加氢装置。
另一条路线是将原油进行烃组分分离，芳烃加氢后和非芳烃一起进行催化裂解。这条路线还在实验探索中，难点是如何进行原油的烃组分分离。
石化行业格局将生巨变
COTC代表炼油业的最终发展方向，除了上面提到的已经投产和正在建设的COTC大项目外，沙特阿美在沙特阿拉伯延布（Yanbu）、印度信实在印度贾姆纳格尔（Jamnagar）也正在开展COTC项目前期工作。
沙特阿美计划投资200亿美元在沙特阿拉伯延布建设COTC项目，加工阿拉伯轻质原油的能力为2000万吨/年，产品包括乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、苯和混合二甲苯等，年产约900万吨的基本石化原料和III类润滑油基础油，收率约为45%。沙特阿美于2014年4月开始可行性研究，计划2025年建成投产。目前设计工作正在进行中，2018年4月、5月沙特阿美向KBR和Wood公司授予了提供项目管理和前端工程设计（FEED）合同，其中包括选择技术提供商。延布COTC项目的工艺配置尚未最终确定，目前看，不会利用尚未商业化的任何新技术，而是以最大化制石化产品方式来配置现有的炼油和石化技术。可能采用的关键炼油升级工艺是蜡油加氢裂化和减压渣油加氢裂化，以最大限度地减少或消除低价值产品。这些处理单元将专注于生产柴油（900万吨/年），同时最大程度地利用石脑油作为石化原料。将采用两个混合进料蒸汽裂解炉，原料可能主要是液化石油气和石脑油，产品主要为300万吨/年乙烯和150万吨/年丙烯。III类基础油以蜡油加氢裂化塔底料为原料。
印度信实计划投资约100亿美元在印度贾姆纳格尔基地建设COTC项目。该项目包括多进料蒸汽裂解装置和MCC装置；还计划将该基地现有的流化催化裂化(FCC)装置转换成高苛刻度FCC（HS-FCCTM）或PetroFCCTM装置，实现乙烯和丙烯产率最大化。MCC/HS-FCC联合装置的主要产品包括：850万吨/年乙烯和丙烯，350万吨/年BTX（苯、甲苯、混合二甲苯），400万吨/年PX。据报道，2019年8月，沙特阿美与印度信实达成一项不具约束力的意向书，拟以150亿美元收购信实工业旗下COTC部门20%的股份。但随着油价暴跌，该交易有可能无法继续进行。
由于COTC项目的化工原料产量巨大，石化产品的供应将快速增长，导致石化市场竞争更趋激烈，将严重冲击世界石化行业。以PX行业为例。目前全球PX产能约为6000万吨/年，年消费量约4500万吨，生产企业有150多家，但实际上只需要10家如恒力石化这样规模的工厂就能够完成等量的供应。近年来，我国PX进口量逐年递增，2018年进口1590万吨，创历史新高。受2019年上半年恒力石化450万吨/年PX投产等的影响，2019年我国PX进口量同比减少100万吨；受2020年初浙江石化一期400万吨/年PX的正式商业运营等的影响，预计2020年我国PX进口量将加速减少。一旦恒力石化、浙江石化和盛虹炼化三大炼化项目的配套PX项目全部投产，将打破全球市场供应格局，我国PX供应缺口将大幅度减少，并面临产能过剩的局面。
新建COTC项目也给传统燃料型老炼油厂带来了较大压力，未来一些落后炼油厂将被挤出市场。许多传统炼油厂纷纷通过规划化工项目或对原有化工项目扩能改造，以最大限度地提高化工原料或化工产品的产量，减少燃油产量。比如洛阳石化、泉州石化等炼厂布局乙烯及配套项目，武汉石化、大庆石化等炼厂对原有化工装置进行扩能改造。
通过不断的改进，下一代COTC技术的影响力将更大。比如，沙特阿美TC2CTM技术一旦成功商业化，鉴于其基本石化原料收率高达70%~80%，以年加工量2000万吨原油为例，则每年至少生产1400万吨化工品。可以预期，COTC技术将引领石化行业进入前所未有的时代，全球石化行业竞争格局将发生重大转变。