丙烷用作乙烯原料研究

郭 瑩，周 叢，杜志國(guó)，王國(guó)清

（中國(guó)石化 北京化工研究院，北京 100013）

乙烯是石油化工的“龍頭”裝置，乙烯裝置的生產(chǎn)成本在很大程度上決定了整個(gè)石油化工產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力和抵御市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的能力，而乙烯原料費(fèi)用占到了乙烯總生產(chǎn)成本的60%～80%［1］。目前，我國(guó)乙烯原料以石腦油為主，另有柴油、輕烴和加氫尾油作為補(bǔ)充［2］。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)乙烯工業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致裂解原料相對(duì)短缺，同時(shí)原油價(jià)格的大幅波動(dòng)和技術(shù)的快速進(jìn)步，特別是輕烴資源豐富的中東地區(qū)石化產(chǎn)能的快速擴(kuò)張、北美頁(yè)巖氣和中國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，給以石腦油為原料的傳統(tǒng)石化產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大沖擊和挑戰(zhàn)，由此推動(dòng)了乙烯原料向多元化方向發(fā)展［3］。中東、北美等地區(qū)天然氣的開發(fā)利用和北美頁(yè)巖氣的大規(guī)模發(fā)展，使得該地區(qū)低成本的乙烷被大量用作乙烯裂解原料，丙烷資源被出口銷售，我國(guó)借此進(jìn)口了大量丙烷。丙烷在用作石油化工生產(chǎn)原料時(shí)，最重要的用途是丙烷脫氫制丙烯［4-10］。然而由于國(guó)際原油價(jià)格下跌，丙烷脫氫項(xiàng)目投資步伐放緩，許多建設(shè)項(xiàng)目終止［11］，需要為丙烷原料尋找合適的利用途徑。丙烷作為一種輕烴資源，也可以考慮用作裂解原料生產(chǎn)乙烯、丙烯等低碳烯烴［12-15］。

本工作通過(guò)研究丙烷原料的裂解性能與裂解經(jīng)濟(jì)性，探討了丙烷用作裂解原料的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料性質(zhì)

選用純丙烷原料研究了丙烷的裂解性能。為了與其他典型原料的裂解性能進(jìn)行對(duì)比，另外選取了中國(guó)石油化工股份有限公司上海分公司（簡(jiǎn)稱上海石化）的液化石油氣、輕石腦油、石腦油和高壓加氫尾油四種典型原料，其中，液化石油氣的組成見表1，輕石腦油、石腦油和加氫尾油的性質(zhì)見表2。

表1 液化石油氣的組成Table 1 Composition of liquefied petroleum gas(LPG)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

選用中國(guó)石化北京化工研究院設(shè)計(jì)開發(fā)的NM-II型蒸汽裂解模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由進(jìn)料、裂解反應(yīng)和冷卻分離3部分構(gòu)成。反應(yīng)器采用雙面電加熱，爐管垂直懸掛在爐子中央，在對(duì)流段、輻射段的不同區(qū)間內(nèi)設(shè)置多個(gè)壓力、溫度測(cè)量點(diǎn)及溫度控制點(diǎn)。裂解原料的進(jìn)料量為500～3 000 g/h。整套實(shí)驗(yàn)裝置采用DCS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。裂解模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 裂解模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Cracking simulator flowchart.

1.3 工藝條件

丙烷裂解實(shí)驗(yàn)選用常規(guī)氣體爐爐型，丙烷裂解的工藝條件見表3。

表3 丙烷裂解工藝條件Table3 Process conditions of propane cracking

2 丙烷的裂解性能

原料裂解后，產(chǎn)物中的乙烷、丙烷被分離后重新返回裂解爐進(jìn)行循環(huán)裂解，所得裂解產(chǎn)物的收率為綜合收率。表4對(duì)比了丙烷與其他常用原料的裂解產(chǎn)物綜合收率，其中，三烯收率為乙烯、丙烯和丁二烯的收率，高附加值產(chǎn)物收率為氫氣、乙烯、丙烯、丁二烯和苯的收率。

對(duì)比表4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，與石腦油、加氫尾油、輕石腦油以及液化石油氣原料相比，丙烷原料的裂解產(chǎn)物中乙烯、氫氣的收率明顯較高，但丙烯和丁二烯的收率略低，碳四以上重組分產(chǎn)物收率偏低，同時(shí)非目的產(chǎn)物甲烷的收率稍高。但總體看來(lái)，丙烷用作裂解原料時(shí)，三烯收率和高附加值產(chǎn)物收率均高于石腦油、加氫尾油、輕石腦油和液化石油氣原料。

表4 不同原料裂解產(chǎn)物的綜合收率Table 4 The main pyrolysis product yield of different raw materials

3 丙烷裂解的經(jīng)濟(jì)性

為進(jìn)一步探討丙烷裂解的經(jīng)濟(jì)性，測(cè)算了丙烷與其他原料的裂解經(jīng)濟(jì)效益。測(cè)算過(guò)程中，不考慮固定費(fèi)用，以“邊際效益”為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)算，邊際效益=產(chǎn)品收入-原料費(fèi)用-輔材燃動(dòng)費(fèi)用。

3.1 測(cè)算條件

3.1.1 價(jià)格選取

價(jià)格是影響經(jīng)濟(jì)效益的重要因素，選取上海石化在不同時(shí)期、不同原油價(jià)格體系下所對(duì)應(yīng)的乙烯原料與裂解產(chǎn)品的不含稅價(jià)格（見表5）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)測(cè)算，其中，原油價(jià)格為DTD布倫特價(jià)，丙烷價(jià)格選用各企業(yè)按照中國(guó)石化統(tǒng)一定價(jià)機(jī)制公式得到的外采丙烷（不含稅）價(jià)格。由于上海石化無(wú)甲烷價(jià)格，故選用中國(guó)石化平均價(jià)格。

3.1.2 輔材燃動(dòng)費(fèi)用

表6為不同原油價(jià)格下上海石化乙烯裝置的輔材燃動(dòng)費(fèi)用數(shù)據(jù)。

表5 價(jià)格體系數(shù)據(jù)Table 5 Price data

表6 乙烯裝置的輔材燃動(dòng)費(fèi)用Table 6 Auxiliary materials and burning charges of the ethylene device

3.2 測(cè)算結(jié)果

六套價(jià)格體系下丙烷與其他四種原料的裂解產(chǎn)品收入、原料費(fèi)用、輔材燃動(dòng)費(fèi)用和邊際效益測(cè)算結(jié)果見表7，其中，裂解產(chǎn)品收入、原料費(fèi)用和邊際效益均基于原料。由表7可見，在所有的測(cè)算價(jià)格體系下，丙烷裂解的“邊際效益”均為正值。

表7 各種原料裂解經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table7 The economic contrast of various cracking feedstock

3.2.1 不同原料的裂解經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

原料種類是影響裂解裝置經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。由表7可見，在各種原油價(jià)格體系下，丙烷原料的裂解邊際效益普遍高于常規(guī)石腦油原料；在部分原油價(jià)格體系下，甚至高于加氫尾油、輕石腦油和液化石油氣原料。以上海石化為例，在不同價(jià)格體系下丙烷的裂解邊際效益高出石腦油6%～27%。

丙烷裂解時(shí)，三烯收率和高附加值產(chǎn)物收率均高于其他四種原料，因此丙烷的裂解產(chǎn)品收入較高（見表7）。但是，由于丙烷的原料價(jià)格相對(duì)于其他原料明顯偏高，即丙烷的原料費(fèi)用較高（見表7），而邊際效益=產(chǎn)品收入-原料費(fèi)用-輔材燃動(dòng)費(fèi)用，因此較高的原料費(fèi)用導(dǎo)致丙烷的裂解邊際效益大幅下降，但仍高于石腦油。

3.2.2 價(jià)格對(duì)原料裂解經(jīng)濟(jì)性的影響

價(jià)格是影響裂解經(jīng)濟(jì)效益的又一重要因素，而價(jià)格尤其是裂解原料的價(jià)格與原油的價(jià)格直接相關(guān)，圖2比較了不同原油價(jià)格下各種原料的裂解邊際效益、原料費(fèi)用和產(chǎn)品收入。圖3為裂解產(chǎn)品價(jià)格隨原油價(jià)格的變化。

圖2 不同原油價(jià)格下各原料的裂解經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Fig.2 Economic comparison of cracking feedstock under different crude oil prices.

由圖2a可見，當(dāng)原油價(jià)格升高時(shí)，各種原料的裂解邊際效益都呈下降趨勢(shì)，且丙烷原料的下降幅度較大。這是由于，在中國(guó)石化的定價(jià)機(jī)制中，丙烷、液化石油氣、輕石腦油和加氫尾油的價(jià)格均與石腦油的價(jià)格成正比，而石腦油是根據(jù)原油進(jìn)行定價(jià)的，因此當(dāng)原油價(jià)格較高時(shí)，裂解原料價(jià)格亦較高（見圖2b）。然而，對(duì)比圖2c與圖2b可發(fā)現(xiàn)，裂解產(chǎn)品價(jià)格的升高幅度要低于原料價(jià)格的上漲幅度，由此造成了裂解邊際效益隨著原油價(jià)格的升高而下降。同時(shí)，當(dāng)丙烷用作裂解原料時(shí)，在裂解產(chǎn)物中甲烷、氫氣、乙烯的收率要高于其他原料，而這些低相對(duì)分子質(zhì)量產(chǎn)品的價(jià)格隨原油價(jià)格的上漲幅度相對(duì)丙烯等產(chǎn)品的上漲幅度小，尤其是甲烷產(chǎn)品的價(jià)格隨原油價(jià)格的變化極?。ㄒ妶D3），這就導(dǎo)致了原油價(jià)格升高時(shí)，丙烷裂解的產(chǎn)品收入的上升幅度較其他原料小，因此當(dāng)原油價(jià)格上升時(shí)丙烷的裂解邊際效益下降更大。例如，在原油價(jià)格為每桶98.94 $時(shí)，丙烷的原料價(jià)格為5389元/t，相較原油價(jià)格為每桶43.73 $時(shí)的丙烷原料價(jià)格升高了2 855元/t，但此時(shí)的主產(chǎn)物乙烯的價(jià)格上升1 697元/t，顯著低于原料丙烷價(jià)格的上升幅度，因此邊際效益下降。同時(shí)丙烷裂解時(shí)，氫氣、甲烷、乙烯三種產(chǎn)物的收率高于其他原料，而氫氣和乙烯的價(jià)格僅上升1 894元/t和1 697元/t，甲烷產(chǎn)品的價(jià)格甚至下降了262元/t；但丙烯、碳四、苯和裂解汽油的價(jià)格分別上升了3348，2 989，3 018，2 600元/t，由此造成了丙烷原料的裂解邊際效益隨原油價(jià)格的上升下降幅度較大。

圖3 裂解產(chǎn)品價(jià)格隨原油價(jià)格的變化Fig.3 Cracking product prices vary with the price of crude oil.

4 裂解裝置能力研究

要選用丙烷原料進(jìn)行裂解，必須具有足夠的氣體爐能力。中國(guó)石化目前運(yùn)行的乙烯蒸汽裂解裝置共14套，裂解爐158臺(tái)，總的公稱設(shè)計(jì)能力12.66 Mt/a。其中，氣體爐24臺(tái)，包括采用自主國(guó)產(chǎn)化CBL技術(shù)改造和新建的裂解爐15臺(tái)、Lummus SRT型爐4臺(tái)、惠生HS-Ⅰ型爐2臺(tái)、S&W USC型爐2臺(tái)和中國(guó)石化與Lummus合作開發(fā)的SL型爐1臺(tái)，氣體爐總設(shè)計(jì)能力為1.877 Mt/a，即氣體爐每年可生產(chǎn)乙烯1.877 Mt。

各種乙烯原料裂解所產(chǎn)的乙烷和丙烷需要被分離后返回裂解裝置進(jìn)行裂解，占用氣體爐能力。2016年中國(guó)石化各乙烯企業(yè)全年進(jìn)料量為31.197 6 Mt（不包括武漢石化），按照2016年中國(guó)石化總體乙烯原料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（見表8），以分離系統(tǒng)損失為5%計(jì)算，得到各企業(yè)所產(chǎn)循環(huán)乙烷和循環(huán)丙烷的量約為1.540 9 Mt/a，其中循環(huán)乙烷1.1723 Mt/a，循環(huán)丙烷0.368 6 Mt/a。這些循環(huán)乙烷和丙烷被送入氣體爐用作裂解原料，共可生產(chǎn)乙烯0.7777 Mt/a。

中國(guó)石化總氣體爐能力為1.877 Mt/a，減去裂解循環(huán)乙烷丙烷用掉的生產(chǎn)能力0.7777 Mt/a，氣體爐剩余能力約為1.0993 Mt/a，如將剩余的氣體爐用于裂解丙烷原料，則可以裂解丙烷2.996 9 Mt/a。除了氣體爐之外，在實(shí)際生產(chǎn)中，一些設(shè)有氣體進(jìn)料系統(tǒng)的輕油爐也可以用來(lái)裂解丙烷原料。如上海石化的BA-111爐為GK-V型裂解爐，設(shè)計(jì)能力為60 kt/a，設(shè)計(jì)原料為石腦油和丙烷。

表8 中國(guó)石化乙烯原料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 8 Composition of ethylene raw materials of Sinopec

5 結(jié)論

1）丙烷用作裂解原料時(shí)，相比石腦油、加氫尾油、輕石腦油和液化石油氣原料，裂解產(chǎn)物中乙烯、氫氣、甲烷的收率較高，而丙烯和丁二烯等相對(duì)分子質(zhì)量較高的裂解產(chǎn)物的收率略低。

2）丙烷用作裂解原料時(shí)，三烯收率和高附加值產(chǎn)物收率均高于其他四種典型原料。其中，三烯收率高于石腦油原料約8.3百分點(diǎn)，高附加值產(chǎn)物收率高于石腦油原料約7.0百分點(diǎn)。

3）在目前中國(guó)石化的定價(jià)機(jī)制下，丙烷裂解的邊際效益均為正值。

4）丙烷裂解的邊際效益普遍高于常規(guī)石腦油，在個(gè)別低原油價(jià)格時(shí)甚至高于加氫尾油、輕石腦油和液化石油氣。

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