煉廠飽和干氣提純后作乙烯原料技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

唐未慶

(中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司，300271)

石腦油和輕烴是生產(chǎn)乙烯的主要原料，來源于原油加工和天然氣開采等過程。北美、中東地區(qū)頁(yè)巖氣、天然氣資源豐富，開采生產(chǎn)過程中副產(chǎn)大量乙烷等低成本輕烴，供石化行業(yè)作乙烯原料，大大降低了乙烯下游產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。由于國(guó)內(nèi)化工產(chǎn)品市場(chǎng)整體疲軟，加上國(guó)際低成本產(chǎn)品的大量進(jìn)口，乙烯鏈產(chǎn)品價(jià)格長(zhǎng)期低位徘徊。由于缺少低成本輕烴資源，國(guó)內(nèi)乙烯企業(yè)大量用價(jià)格較高的石腦油作乙烯原料，提高了生產(chǎn)成本。與北美、中東地區(qū)相比，國(guó)內(nèi)不僅乙烯原料資源有缺口，而且乙烯原料結(jié)構(gòu)也不優(yōu)化，這些因素造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益一直較低。近年來，國(guó)內(nèi)大型煉化一體化企業(yè)通過優(yōu)化利用煉化生產(chǎn)過程中的各種輕烴資源，逐漸降低石腦油作裂解原料比例，提高了煉化一體企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益。文章研究某大型煉化一體化企業(yè)延遲焦化、加氫裂化裝置副產(chǎn)的干氣，經(jīng)吸附提純后生產(chǎn)的富乙烷產(chǎn)品氣(也稱富乙烷氣)作乙烯原料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，為煉化一體化企業(yè)改善裂解原料結(jié)構(gòu)、提高整體經(jīng)濟(jì)效益提供決策參考。

1 PIMS生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化模型簡(jiǎn)介

過程工藝模型系統(tǒng)(Process Industry Modeling System，簡(jiǎn)稱PIMS)是由美國(guó)ASPEN TECH公司開發(fā)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化模型，它可以對(duì)石油化工等流程型企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)全過程進(jìn)行優(yōu)化。PIMS生產(chǎn)優(yōu)化模型把各種原料資源和價(jià)格，各種產(chǎn)品銷量和售價(jià)，每套裝置加工能力、燃料動(dòng)力及輔助材料消耗，裝置投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)等多種參數(shù)集合在一起，形成企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化PIMS模型。

PIMS生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)是企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化，也就是企業(yè)的總收入扣除總成本(包括生產(chǎn)耗用的原料、輔料和燃料動(dòng)力等價(jià)值)后余額的最大化。

給定優(yōu)化分析條件，運(yùn)行PIMS模型可以給出這種條件下的最優(yōu)原料選購(gòu)方案、最優(yōu)裝置生產(chǎn)負(fù)荷、最優(yōu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。PIMS模型也可用于物料的循環(huán)計(jì)算，比如用原料模擬評(píng)價(jià)的一次通過裂解收率等數(shù)據(jù)，循環(huán)計(jì)算裂解原料的最終裂解收率。運(yùn)行PIMS模型還可以給出各種裂解原料的邊際貢獻(xiàn)，因此可以對(duì)各種原料的裂解經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行量化比較，為企業(yè)優(yōu)化增效提供決策依據(jù)[1]。

2 富乙烷氣的組成

焦化和加氫裂化混合干氣(也稱粗干氣)是煉油板塊中延遲焦化、加氫裂化裝置生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)氣體，不含烯烴，是飽和干氣，以前脫硫后與天然氣等作為企業(yè)鍋爐燃料氣使用。隨著近年來粗干氣提純技術(shù)逐漸成熟以及石腦油價(jià)格的長(zhǎng)期高企，各大型煉化一體化企業(yè)陸續(xù)建設(shè)干氣提純裝置，干氣提純后的富乙烷氣作為乙烯原料，以發(fā)揮煉化一體化整體優(yōu)勢(shì)、充分挖掘干氣的使用價(jià)值。某企業(yè)煉油板塊現(xiàn)有900 kt/a和2 300 kt/a兩套焦化裝置，1 200 kt/a和800 kt/a兩套加氫裝置，擬建設(shè)干氣提純項(xiàng)目的干氣處理能力300 kt/a(進(jìn)料)，提純后富乙烷氣達(dá)到149.7 kt/a，可供企業(yè)兩套乙烯裝置作裂解原料。按設(shè)計(jì)資料，干氣提純的富乙烷氣收率49.68%，剩余氣體(也稱吸附廢氣或釋放氣)占原料干氣比例48.66%。

由于富乙烷氣含92.55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的C2～C4等飽和輕烴、6.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的甲烷，其他雜質(zhì)含量較低，可以進(jìn)裂解爐作為裂解原料。粗干氣和富乙烷氣組成如表1。

表1粗干氣和富乙烷氣的組成%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.070.4538.586.9533.7959.172.33 09.26 20.202.380C4～C57.7013.183.890.05 100.00 100.00

按照設(shè)計(jì)資料，粗干氣提純裝置年運(yùn)行時(shí)間為8 400 h，富乙烷氣生產(chǎn)能力則為149.7 kt/a。將富乙烷氣作乙烯原料以后，企業(yè)燃料氣缺口增大，需要用天然氣進(jìn)行彌補(bǔ)。由于國(guó)家天然氣定價(jià)機(jī)制，以及整體減排需要，企業(yè)可獲得的天然氣資源滿足不了企業(yè)生產(chǎn)需要，尤其是取暖季節(jié)，因此裝置建成后只能根據(jù)外部天然氣資源供應(yīng)狀況安排開車，估計(jì)干氣提純項(xiàng)目建成后開工率為50%～80%。

文章沒有將干氣提純項(xiàng)目本身的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題作為重點(diǎn)，只考慮富乙烷氣成本變化(與石腦油比價(jià))對(duì)其作乙烯原料的經(jīng)濟(jì)效益的影響。根據(jù)成本構(gòu)成要素，干氣提純項(xiàng)目富乙烷氣生產(chǎn)成本主要影響因素是原料干氣即粗干氣價(jià)格、富乙烷氣收率、輔料及燃動(dòng)消耗、開工率等。其中，粗干氣原作為燃料氣使用，熱值可作為確定其價(jià)值的依據(jù)，粗干氣的熱值為天然氣熱值的101.40%。吸附廢氣(也稱釋放氣)仍可作鍋爐燃料使用，也按熱值確定價(jià)值，抵減富乙烷氣生產(chǎn)成本。根據(jù)天然氣價(jià)格及干氣提純項(xiàng)目有關(guān)資料，本文按富乙烷氣成本(以此作為富乙烷氣內(nèi)部結(jié)轉(zhuǎn)價(jià)格)為同期石腦油價(jià)格的0.95倍計(jì)算。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 富乙烷氣作裂解原料的技術(shù)分析

輕烴模擬裂解收率一般是依據(jù)輕烴組成成分裂解的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)理，結(jié)合裝置設(shè)備技術(shù)參數(shù)、裂解工藝條件等，編制模型綜合計(jì)算而得。同一裂解原料如果裂解爐技術(shù)水平不同、操作條件不同也會(huì)造成裂解收率的不同。在裂解爐技術(shù)水平相差不大的情況下，裂解收率的主要影響因素是裂解原料性質(zhì)和裂解條件。對(duì)以乙烷和丙烷等單純物料為主要成分的富乙烷氣而言，裂解收率(指綜合裂解收率，非一次通過裂解收率)主要取決于富乙烷氣構(gòu)成成分，裂解爐爐型及操作條件影響相對(duì)較小。另外，采用不同機(jī)理模型模擬的裂解收率之間往往有一定差距，實(shí)際工作中需要根據(jù)裝置標(biāo)定及物料平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。不同爐型裂解爐的最佳操作條件不同，富乙烷氣裂解條件參照乙烯裝置循環(huán)乙烷和丙烷裂解溫度，適當(dāng)提高裂解溫度可以減少乙烷和丙烷循環(huán)比例，降低能耗[2-3]。

表2是用幾種模擬方法得出的富乙烷氣的平均裂解收率。為便于富乙烷氣裂解收率對(duì)比，將企業(yè)某種石腦油(烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%)以及丙烷氣(丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%左右)裂解收率對(duì)比列示。

原料裂解性能的技術(shù)指標(biāo)主要包括乙烯收率、雙烯收率(即乙烯、丙烯收率之和)、三烯收率(即乙烯、丙烯、丁二烯收率之和)，3個(gè)收率指標(biāo)分別從不同角度表示原料的裂解性能，其中雙烯收率、三烯收率更能反映乙烯原料全流程加工的經(jīng)濟(jì)性，近年來越來越受到重視[2-3]。提純干氣、石腦油及粗丙烷的裂解性能指標(biāo)對(duì)比見表3。

表2富乙烷氣及對(duì)比原料的裂解收率%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

5.120.981.5018.6616.4623.5160.0032.4542.407.0015.9121.15C44.7410.254.473.5219.195.890.164.010.300.800.750.78 100.00 100.00 100.00

注：裂解產(chǎn)物混合C4中包括含丁二烯、丁烯-1、其他C4等組分，裂解汽油組分中包括裂解C5、C6～C8烷烴、C6～C8芳烴、C9和C10等產(chǎn)品組分，明細(xì)數(shù)據(jù)不詳列，但計(jì)算過程中已經(jīng)考慮。

表3富乙烷氣裂解技術(shù)指標(biāo)%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

60.0032.4542.4067.0048.3663.5969.3052.5866.98

從表3可以看到：富乙烷氣作乙烯原料，其乙烯、雙烯、三烯收率分別高于石腦油27.55，18.64，16.72個(gè)百分點(diǎn)，分別高于丙烷17.60，3.41，2.32個(gè)百分點(diǎn)。也就是說，焦化和加氫裂化干氣提純精制后生產(chǎn)的富乙烷氣作乙烯原料，其裂解技術(shù)指標(biāo)大大高于石腦油、丙烷。

以某企業(yè)1#乙烯裝置(小乙烯裝置)為例，如果每月使用富乙烷氣3 kt作裂解原料，占現(xiàn)裂解原料總耗量的5.50%(相應(yīng)減少石腦油用量)，按照富乙烷氣模擬裂解收率計(jì)算，乙烯裝置的乙烯、雙烯、三烯收率能夠分別提高1.50，1.00，0.86個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 富乙烷氣作乙烯原料的經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 經(jīng)濟(jì)分析方法和分析基準(zhǔn)

石化行業(yè)流程長(zhǎng)，原料結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方案的經(jīng)濟(jì)分析非常復(fù)雜。除需要考慮裝置、原料品種和產(chǎn)品品種價(jià)格外，還需要考慮生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)要素占用、分析基準(zhǔn)等行業(yè)特殊因素。石化行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)分析大多采用PIMS模型等線性規(guī)劃類方法。需要企業(yè)針對(duì)具體的分析對(duì)象，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)實(shí)際情況，編制相應(yīng)的PIMS模型，運(yùn)行PIMS模型進(jìn)行針對(duì)性計(jì)算而得。

對(duì)新裂解原料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，不同企業(yè)的分析結(jié)果不盡相同，主要是分析基準(zhǔn)選擇、分析范圍、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)瓶頸影響等造成的。比如，原料充裕的企業(yè)與原料有缺口的企業(yè)，對(duì)新增原料品種的需求程度是不一樣的，需求的原料特性也不相同。對(duì)于國(guó)內(nèi)乙烯企業(yè)而言，乙烯原料缺口是主要矛盾。本文介紹的企業(yè)每年需要外采大量石腦油來補(bǔ)足乙烯裂解原料缺口，這也是該企業(yè)投資干氣提純項(xiàng)目、生產(chǎn)富乙烷氣作裂解原料的原因之一。對(duì)于這種情況，可以1 t原料作為分析基準(zhǔn)，計(jì)算1 t裂解原料經(jīng)過裂解及直接分離環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的銷售產(chǎn)值及邊際貢獻(xiàn)，作為判斷其是否能做裂解原料的依據(jù)[4]。

對(duì)于原料供應(yīng)過剩，且加工或出廠環(huán)節(jié)存在明顯設(shè)備能力瓶頸的乙烯企業(yè)而言，關(guān)注重點(diǎn)是在消除設(shè)備瓶頸之前、選用技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更好的新裂解原料。實(shí)際分析時(shí)，將該設(shè)備能力作為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)要素計(jì)入PIMS模型，運(yùn)行PIMS模型將會(huì)確認(rèn)該設(shè)備能力是企業(yè)進(jìn)一步增加效益的瓶頸。這樣計(jì)算出的結(jié)果一般應(yīng)該作為企業(yè)采取措施、消除設(shè)備能力瓶頸的決策依據(jù)，不作為新原料裂解原料本身技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好壞的依據(jù)。

由于各種乙烯原料成本不同，裂解產(chǎn)品分布不同，燃動(dòng)輔料消耗不同，所以各種乙烯原料經(jīng)濟(jì)效益即邊際貢獻(xiàn)也不同。下面從富乙烷氣作乙烯原料直接生產(chǎn)的產(chǎn)品銷售價(jià)值和邊際貢獻(xiàn)兩方面分別進(jìn)行分析。

3.2.2 市場(chǎng)價(jià)格等相關(guān)條件

裂解產(chǎn)品只考慮乙烯裝置、裂解汽油加氫、丁二烯抽提、芳烴抽提等通過裂解、物理手段分離得到的產(chǎn)品。2012年和2013年石腦油、丙烷原料以及相關(guān)產(chǎn)品平均價(jià)格見表4。

表4原料及裂解直接產(chǎn)品價(jià)格元/t

20132012 6 6586 936 6 5406 515 16 31016 990 2 8002 800 9 5309 150 9 6249 637 10 00018 000 -17 1468 200 C45 9406 118 C56 9707 675 9 212 8 393 8 3738 724 C88 8118 948 6 6586 936 C9/C105 4225 795 3 0193 318

3.2.3 富乙烷氣作乙烯原料的經(jīng)濟(jì)效益

富乙烷氣作乙烯原料的經(jīng)濟(jì)效益分析基礎(chǔ)是干氣提純、乙烯、芳烴抽提等系列裝置都屬于同一個(gè)企業(yè)，不考慮因裝置配屬不同引起的產(chǎn)品互供定價(jià)、所得稅等因素影響。裂解產(chǎn)品銷售價(jià)值扣除原料輔料成本、自用燃料及氫氣耗用成本和其他燃動(dòng)消耗成本后即為裂解原料的邊際貢獻(xiàn)。加工成本中自用燃料指裂解爐耗用的自產(chǎn)甲烷燃料成本，不同原料裂解溫度不同，耗用燃料成本也不同。自用氫氣指裂解汽油加氫裝置加工粗裂解汽油耗用成本，由于其裂解產(chǎn)物中C6～C8芳烴含量不同，加氫精制過程消耗氫氣價(jià)值不同[2-3]。

3種原料中石腦油、丙烷等原料價(jià)格取當(dāng)期市場(chǎng)平均價(jià)格，但富乙烷氣沒有市場(chǎng)公允價(jià)格。根據(jù)干氣提純項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料，富乙烷氣生產(chǎn)成本約為石腦油近年價(jià)格的0.95倍，按富乙烷氣價(jià)格為同期石腦油價(jià)格的0.95倍計(jì)算其作乙烯原料的邊際貢獻(xiàn)。運(yùn)行PIMS模型，得到富乙烷氣、石腦油和粗丙烷等3種原料的裂解產(chǎn)物銷售價(jià)值和邊際貢獻(xiàn)，具體對(duì)比見表5～6。

表5特定條件下富乙烷氣等裂解產(chǎn)品銷售價(jià)值元/t

20137 4056 9147 03720127 2466 8606 933

表6特定條件下富乙烷氣等原料邊際貢獻(xiàn)元/t

20131 41037376620121 02472680

從表5和表6可以看到：富乙烷氣作裂解原料的裂解產(chǎn)物銷售價(jià)值和邊際貢獻(xiàn)都要大大高于石腦油和丙烷。以2013年價(jià)格數(shù)據(jù)為例，富乙烷氣裂解產(chǎn)物銷售價(jià)值高出石腦油491元/t，高出丙烷368元/t 。在富乙烷氣價(jià)格為同期石腦油0.95倍時(shí)，其邊際貢獻(xiàn)高出石腦油1 037元/t，高出丙烷644元/t。企業(yè)現(xiàn)有兩套乙烯裝置，對(duì)其中1套乙烯裝置進(jìn)行核算，按2013年價(jià)格以及富乙烷氣價(jià)為同期石腦油0.95倍計(jì)算，如每月使用3 kt富乙烷氣，能夠增加整體經(jīng)濟(jì)效益310萬元左右。

3.2.4 富乙烷氣作裂解原料經(jīng)濟(jì)效益的影響因素

(1)富乙烷氣成本對(duì)裂解邊際貢獻(xiàn)的影響

富乙烷氣的生產(chǎn)成本與天然氣價(jià)格、提純裝置開工率、裝置運(yùn)行效果等多種因素有關(guān)。生產(chǎn)成本變化，其裂解邊際貢獻(xiàn)會(huì)相應(yīng)變化，生產(chǎn)成本越高，結(jié)轉(zhuǎn)到乙烯裝置作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)也就越低。按2013年價(jià)格數(shù)據(jù)，用PIMS模型考察富乙烷氣作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)，具體計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7富乙烷氣邊際貢獻(xiàn)與其成本的關(guān)系元/t

0.900.951.001.051 6951 4101 1268412850-284-569

從表7可以看到：富乙烷氣作乙烯原料的邊際貢獻(xiàn)與其成本(結(jié)轉(zhuǎn)價(jià)格)關(guān)系密切，價(jià)格與當(dāng)期石腦油價(jià)格比值每升高0.05個(gè)點(diǎn)，其作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)降低約285元/t，但在與石腦油價(jià)格比值提高到1.05時(shí)邊際貢獻(xiàn)仍有841元/t。

(2)乙烯價(jià)格對(duì)富乙烷氣裂解邊際貢獻(xiàn)的影響

富乙烷氣作乙烯原料，其乙烯產(chǎn)品收率60%，是主要裂解產(chǎn)物，因此富乙烷氣作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)與乙烯產(chǎn)品價(jià)格有直接關(guān)系。按2013年價(jià)格(包括乙烯價(jià)格)，在富乙烷氣與石腦油價(jià)格比0.95前提下，將乙烯價(jià)格分別調(diào)整為0.90，0.95，1.00，1.05倍，計(jì)算富乙烷氣作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)，具體計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8富乙烷氣邊際貢獻(xiàn)與乙烯價(jià)格的關(guān)系元/t

0.900.951.001.059211 1661 4101 655-489-2440+245

從表8可以看到：富乙烷氣作乙烯原料的邊際貢獻(xiàn)與乙烯價(jià)格關(guān)系密切，價(jià)格比值每降低0.05，其作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)約降低244元/t；乙烯價(jià)格降低到基礎(chǔ)價(jià)格的0.90倍時(shí)，仍有921元/t的邊際貢獻(xiàn)，說明建設(shè)干氣提純項(xiàng)目，將富乙烷氣作裂解原料項(xiàng)目具有較好的整體經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)焦化和加氫裂化干氣提純后的富乙烷氣作乙烯原料，其乙烯、雙烯、三烯收率等裂解技術(shù)指標(biāo)大大高于石腦油和丙烷作乙烯裂解原料。按使用富乙烷氣量為裂解原料總投料量5.50%，即每月使用3 kt替代石腦油，則乙烯裝置的乙烯、雙烯、三烯收率分別能提高1.50，1.00，0.86個(gè)百分點(diǎn)。

(2)以單位裂解原料作為比較基準(zhǔn)，富乙烷氣的裂解產(chǎn)物銷售價(jià)值和邊際貢獻(xiàn)要大大高于石腦油等裂解原料。按2013年市場(chǎng)價(jià)格，富乙烷氣價(jià)為同期石腦油的0.95倍計(jì)算，每月使用3 kt富乙烷氣，企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益可增加311萬元左右。

(3)富乙烷氣作乙烯原料的經(jīng)濟(jì)效益與其成本(按富乙烷氣/石腦油比價(jià))、乙烯產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格關(guān)聯(lián)密切。對(duì)這兩個(gè)因素的敏感性分析表明，建設(shè)干氣提純項(xiàng)目生產(chǎn)富乙烷氣作乙烯原料具有較好的抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力。

[1] 唐未慶. 液化氣作裂解料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估[J].石油煉制與化工，2005,36(2)：63-67.

[2] 王松漢主編. 乙烯裝置技術(shù)與運(yùn)行[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009：36-56.

[3] 瞿國(guó)華編著. 乙烯工業(yè)原料優(yōu)化[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003：20-45.

[4] 唐未慶.生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化實(shí)用經(jīng)濟(jì)分析方法綜述[J].石油化工技術(shù)經(jīng)濟(jì),2006,22(4)：51-54.