一、摘要
乙烯（Ethylene, C2H4）為全球產量最大的基礎石化原料，也是聚乙烯（PE）、乙二醇（EG）、氯乙烯（VCM）及苯乙烯（SM）等重要化學品的核心上游原料。現階段全球超過90%的乙烯產能仍依賴石腦油或乙烷蒸汽裂解製程。然而，此技術雖已發展成熟且具備規模經濟優勢，卻同時伴隨極高的能源消耗與碳排放問題，成為石化產業邁向淨零轉型的重大挑戰。
蒸汽裂解屬強吸熱反應，為促使石腦油或乙烷等烴類原料於高溫條件下進行自由基裂解反應，裂解爐管內部溫度通常需維持在800～900℃。因此，裂解爐外部必須依賴化石燃料燃燒提供大量熱能，不僅能耗極大，也使其成為乙烯製程中碳排放最集中的單元設備。
每生產1噸乙烯約會產生1.0～1.5噸二氧化碳排放，實際排放量則依原料種類、能源結構及製程效率而有所差異。隨著全球氣候變遷議題持續升溫，各國政府陸續推動更嚴格的碳管理政策與減碳法規，包括歐盟碳邊境調整機制（Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM）逐步實施、台灣碳費制度上路，以及國際品牌客戶對供應鏈範疇三（Scope 3）碳排放揭露與減量要求日益提高，使傳統乙烯生產模式正面臨低碳轉型壓力。
因此，開發兼具高效率與低碳排特性的乙烯製備技術，已成為全球石化產業與學術界積極投入的研發重點。其中，乙烷氧化脫氫技術（Oxidative Dehydrogenation of Ethane, ODHE）可大幅降低反應溫度與能源消耗，並具備減少碳排放的潛力，被視為目前最具商業化前景的低碳乙烯生產技術路線之一。
二、乙烷氧化脫氫技術（ODHE）
（一）技術原理與化學反應
與傳統蒸汽裂解技術需將乙烷加熱至高溫進行自由基裂解反應不同，ODHE係利用氧氣作為氫受體（Hydrogen Acceptor），透過催化劑表面選擇性移除乙烷分子中的氫原子，將原本高度吸熱且受熱力學平衡限制的脫氫反應，轉化為熱力學上更有利的氧化脫氫反應，其主要反應式如下：
相較於傳統蒸汽裂解需在800～900℃條件下操作，多數ODHE製程可於300～400℃進行反應，不僅可大幅降低能源消耗與燃料需求，也有助於減少因燃燒化石燃料所產生的二氧化碳排放。
此外，在特定催化劑組成及反應條件下，部分乙烷亦可經由選擇性氧化反應生成冰醋酸（Acetic Acid）等高附加價值化學品。此反應具有高度放熱特性，可提升整體碳原子使用效率（Carbon Utilization Efficiency），並透過乙烯與冰醋酸雙產品模式創造額外經濟價值。
（二）ODHE技術的優劣勢比較
1. 核心優勢：
(1) 顯著降低能耗與碳排放：ODHE為放熱反應，可大幅降低操作溫度並減少化石燃料的燃燒，若搭配低碳電力或再生能源系統，ODHE技術可望較傳統蒸汽裂解製程降低約30～50%的直接碳排放。
(2) 降低結焦風險並提升連續運轉能力：傳統蒸汽裂解製程因長期處於高溫環境，易造成碳沉積於爐管內壁，不僅降低熱傳效率、增加系統壓降，也會影響乙烯生產率，因此需定期停機進行除焦（Decoking），進一步增加維護成本並影響生產效率。相較之下，ODHE反應系統中的氧氣或晶格氧（Lattice Oxygen）可即時氧化反應過程中形成的微量積碳，有效抑制結焦生成，此特性有助於延長設備連續運轉週期，提高產線稼動率，並降低維護與停機成本。
2. 面臨挑戰：
(1) 安全性風險與製程控制複雜度較高：由於反應系統涉及烴類與氧氣混合，高溫條件下存在潛在燃燒與爆炸風險。尤其乙烷、乙烯與氧氣混合氣體具有特定爆炸極限範圍，工業操作上必須嚴格控制氧烴比（O/C Ratio），通常採取貧氧（Oxygen-Lean）操作模式以避免進入可燃區間。為兼顧安全性與反應效率，部分技術路線採用分段進氧（Staged Oxygen Feeding）或化學迴路氧化脫氫（Chemical Looping ODH, CL-ODH）策略，藉由金屬氧化物提供反應所需氧源。雖可有效降低爆炸風險，但也提高反應器設計與製程控制的複雜度。
(2) 下游分離與純化能耗仍具挑戰：ODHE反應尾氣除乙烯外，還包含大量水蒸氣、未反應乙烷、殘餘氧氣，以及CO、CO₂等副產物。因此，下游需配置脫碳、脫水系統、氣體壓縮及低溫分離（Cryogenic Separation）等多重純化單元，才能生產符合規格的聚合級乙烯。這些分離系統不僅增加設備投資成本，也可能成為整體製程能耗的重要來源。
(3) 乙烯收率與選擇性的權衡難題：乙烯轉化率（Conversion）與選擇性（Selectivity）之間的權衡（Trade-off）被視為ODHE商業化的重要技術瓶頸之一。當提高乙烷轉化率時，生成的乙烯容易進一步被氧化為CO及CO₂，導致選擇性下降；反之，若追求高乙烯選擇性，則可能犧牲原料轉化效率。因此，如何在高轉化率條件下維持優異的乙烯選擇性，並達到具經濟效益的乙烯收率（Ethylene Yield），仍高度依賴新型催化劑的開發及反應器工程設計的持續突破。
(4) 生命週期碳足跡倒掛風險：儘管ODHE在反應階段可顯著降低能源消耗與直接碳排放，但從生命週期評估（Life Cycle Assessment, LCA）角度觀察，整體減碳效益仍受到氧氣製備方式及下游分離系統能耗影響。若後段氣體壓縮、製冷及低溫分離設備使用電力來自高碳排放電網，則可能抵銷反應段的減碳效益。因此，ODHE需搭配低碳電力、再生能源或綠電供應體系，方能真正展現其減碳價值。
表1 乙烷氧化脫氫（ODHE）與乙烷蒸汽裂解製程技術比較
資料來源：工研院產科國際所 ITIS研究團隊整理(2026/08)
三、ODHE全球商業化進展與技術突破方向
（一）商業化進展：Linde與Clariant聯合開發EDHOX™技術
在眾多ODHE技術開發路線中，Linde與Clariant 共同開發的 EDHOX™ （Ethane Dehydrogenation and Oxidation）技術，被視為目前最具商業化潛力的代表方案之一。該技術採用Clariant專利開發的OxyMax™ E催化劑（Mo-V-Te-Nb多金屬氧化物），並結合Linde設計的熔鹽冷卻多管式反應器（Multi-tubular Salt-cooled Reactor）進行乙烷氧化脫氫反應(圖1)。
資料來源: Linde官網
圖1 Linde EDHOX™ ODHE製程反應器
相較於早期ODHE催化劑面臨乙烯選擇性的技術瓶頸，OxyMax™ E催化劑透過多金屬氧化物活性位點的協同效應，可促進乙烷選擇性氧化脫氫，同時抑制乙烯進一步氧化為CO與CO2。另一方面，熔鹽冷卻多管式反應器可有效移除反應過程產生的大量熱能，避免局部熱點（Hot Spot）形成，進而提升催化劑穩定性與產品選擇性。據Linde與Clariant公布資料，EDHOX™技術可使乙烯與冰醋酸等目標產品的總選擇性超過93%，展現優異的原料利用效率與製程經濟性(圖2)。
在製程操作條件方面，EDHOX™反應溫度可控制於400℃以下，遠低於傳統乙烷蒸汽裂解所需的高溫條件，因此可顯著降低能源消耗與燃料燃燒需求，進而減少製程碳排放。該技術除具備低能耗優勢外，亦可降低高溫耐材與特殊合金設備的使用需求，並有效抑制結焦問題，展現優於傳統裂解製程的低碳競爭力。
資料來源: Linde官網
圖2 Linde EDHOX™ ODHE製程
目前EDHOX™技術已於Linde德國研發中心完成商業規模示範廠驗證，成功驗證OxyMax™ E催化劑超過6,000小時的穩定運轉性能，以及反應器放大設計與長周期連續操作能力。示範結果顯示，該技術已具備邁向商業化部署的技術成熟度，成為目前全球ODHE領域最具代表性且最接近商業化應用的技術案例之一。
然而，儘管EDHOX™已完成商業規模示範驗證並展現良好的技術成熟度，未來商業化競爭力仍取決於氧氣供應成本、下游氣體分離能耗及整體生命週期碳足跡（LCA）表現。
（二）ODHE技術突破方向
近年ODHE技術已逐步從催化劑開發階段邁向製程整合與商業化驗證階段。產業界的研發重點已不再侷限於提升乙烯選擇性，而是聚焦於解決影響商業化可行性的關鍵工程挑戰，包括下游分離能耗、催化劑壽命及系統連續運轉穩定性等議題。
1. 低能耗氣體分離技術：下游分離系統長期被視為ODHE製程商業化的重要瓶頸之一。近年正積極開發中溫、高壓條件下的預分離技術（Intermediate-temperature Condensation Process），利用反應器出口原有壓力，優先移除水分及含氧副產物，藉此降低後續低溫系統負荷，有望降低整體能源消耗。
2. 催化劑在線原位再生技術（Online Regeneration）：催化劑穩定性是影響ODHE商業化的重要因素。雖氧化脫氫反應本身具備抑制積碳生成的優勢，但在長期操作條件下，催化劑仍可能因局部積碳、活性位點重組或過度氧化而逐漸失活（Deactivation），進而影響乙烯收率與反應效率。近年包括NOVA Chemicals等企業的專利布局顯示，產業界正積極發展在線原位再生催化技術。透過即時調整進料組成、氧分壓及反應溫度，使催化劑在不中斷生產的情況下同步恢復活性，以降低傳統停機再生所造成的產能損失，並提升裝置連續運轉週期與整體生產效率。
以下整理目前全球ODHE技術開發布局與投資進展現況：
表2 全球ODHE技術開發布局與投資進展現況
資料來源：工研院產科國際所 ITIS研究團隊整理(2026/08)
四、低碳乙烯技術未來發展趨勢
隨著全球碳成本逐步反映於企業營運與產品成本之中，未來乙烯產業的競爭焦點將不再侷限於產率提升(Yield Improvement)與製程效率優化，而是進一步延伸至產品碳足跡、能源使用效率及整體生命週期經濟效益等綜合競爭力的評估。除ODHE外，電氣化裂解（Electrified Cracking）及二氧化碳電還原（CO₂RR）等新興技術亦持續發展，顯示未來乙烯產業將朝向「低碳化、電氣化與碳循環化」方向演進。
目前我國乙烯生產仍以石腦油裂解為主，且既有石化園區已投入龐大資本建設與相關基礎設施，短期內全面導入低碳乙烯製程的難度較高。然而，在碳費制度、CBAM及國際供應鏈減碳要求持續推進下，低碳轉型已成為產業發展的必然趨勢。未來除持續推動製程節能、能源效率提升及碳管理外，亦應密切關注ODHE等低碳乙烯技術的示範驗證成果與國際合作機會，評估其於新建產能、海外投資及低碳轉型布局中的應用潛力，以提升我國石化產業在全球低碳供應鏈重組趨勢下的競爭力與韌性。