關(guān)于煉化一體化企業(yè)的煉廠氣優(yōu)化利用模型和示例分析的討論

孫川，尤侯平

（中國(guó)石油化工集團(tuán)發(fā)展計(jì)劃部，北京 100728）

1 引言

煉廠干氣主要是指煉油裝置在加工原油的過程中，生產(chǎn)的以碳三以下烴類為主體的不凝氣體，主要成分是甲烷，摻雜一定量的乙烷、乙烯等，還有少量的氫氣和氮?dú)獾冉M分。通常情況下，煉廠干氣的產(chǎn)量占原油加工量的3%～5%，各類煉油裝置生產(chǎn)的干氣組成差別很大，例如，催化裝置和焦化裝置的干氣中含有乙烯等不飽和烴類，重整裝置的干氣含有氫氣，加氫裝置的干氣以飽和烴類為主。在企業(yè)內(nèi)部干氣通常是作為裝置的燃料和制氫原料使用，但隨著對(duì)石油資源的高效和高價(jià)值利用越來越受到重視，將煉廠干氣作為煉化資源利用，成為降低企業(yè)生產(chǎn)成本的重要手段。

煉廠干氣的一些組分，在一定的條件下，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，可以加工成比燃料更有價(jià)值的資源。例如，氫氣資源對(duì)于煉廠非常珍貴，富氫干氣（例如重整干氣，氫氣體積含量大于30%）中氫氣的回收利用，各煉廠都非常重視，目前煉化企業(yè)氫氣回收的主流回收技術(shù)是變壓吸附[1]，和其他工藝相比（低溫冷凝、膜分離等），變壓吸附兼顧平衡了投資、運(yùn)行費(fèi)用、氫氣回收率等。干氣中乙烷、乙烯的回收利用，在煉化一體化企業(yè)中通常的方法是提濃后進(jìn)入裂解裝置生產(chǎn)乙烯。在乙烷、乙烯的提濃工藝中，采用變壓吸附工藝的國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成投產(chǎn)10套裝置[2]，油吸收工藝也建成多套裝置，這兩種工藝是當(dāng)前的主流技術(shù)。其他煉廠干氣中乙烯的利用路徑還有稀乙烯制乙苯等。

本文要討論的是煉化一體化企業(yè)干氣中的乙烷資源被提濃后，進(jìn)入裂解裝置作為裂解原料的加工利用方案的經(jīng)濟(jì)效益判斷方法。

2 從全廠流程的角度討論干氣的優(yōu)化利用

干氣用途的改變，往往涉及全廠流程的調(diào)整。從全廠的整體考慮，要分析清楚成本和收益，重點(diǎn)要關(guān)注以下幾個(gè)方面。

2.1 提濃干氣的成本

干氣經(jīng)過提濃裝置處理后，其中的提濃氣（富含乙烷）部分由燃料變?yōu)榱呀庋b置的進(jìn)料。由于干氣在通常情況下都是用于企業(yè)內(nèi)部燃料，較少外售，很難找到市場(chǎng)公允價(jià)值。因此，要從全廠由于燃料調(diào)整增加的成本，來考慮提濃干氣的成本：一是全廠的燃料平衡需要重新計(jì)算，確立補(bǔ)充燃料的量、來源、價(jià)格；二是干氣提濃裝置的運(yùn)行成本和合理收益；三是涉及的煉化裝置運(yùn)行狀態(tài)改變引起的全廠成本上升等其他因素。

2.2 裂解裝置的特性

提濃干氣作為原料進(jìn)入裂解裝置加工，裂解裝置的投入產(chǎn)出會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變。這里會(huì)有兩種情況，第一種情況是本文討論的重點(diǎn)，即裂解裝置始終是滿負(fù)荷運(yùn)行，在增加了提濃干氣的進(jìn)料后，會(huì)減少重質(zhì)原料（通常是石腦油）的進(jìn)料，因此在原料的投入端會(huì)減少重質(zhì)原料，在產(chǎn)出端的產(chǎn)品也會(huì)減少（具體原因后續(xù)分析）。這種原料投入和產(chǎn)品量同時(shí)改變的具體情況，需要根據(jù)裂解裝置的特性，具體分析才能確認(rèn)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。第二種情況是提濃干氣進(jìn)入非滿負(fù)荷運(yùn)行的裂解裝置，這就相當(dāng)于單純?cè)黾舆M(jìn)料提高裂解裝置的運(yùn)行負(fù)荷。這種情況較簡(jiǎn)單，讀者可以在看完本文后，應(yīng)用簡(jiǎn)化的方法就可以得出結(jié)論。

圖1 企業(yè)利用煉廠氣前后的狀態(tài)對(duì)比

上圖中，由于生產(chǎn)和消耗提濃氣引起的企業(yè)狀態(tài)的改變，相應(yīng)的成本（收益）應(yīng)該考慮周全。圖中上部和下部表示的是企業(yè)利用提濃氣前后的狀態(tài)。只有在凈產(chǎn)出高于提濃氣成本的情況下，企業(yè)干氣資源的利用才有效益。

3 具體示例分析

為能更好地說明計(jì)算過程，本文以一個(gè)典型的煉化一體化企業(yè)飽和干氣的優(yōu)化利用方案的計(jì)算模型作為示例。示例的煉化一體化企業(yè)規(guī)劃了鍋爐煤代氣的燃料改造，改造完成后將富裕氣體燃料（飽和干氣），因此研究飽和干氣的高價(jià)值利用方案。

3.1 企業(yè)相關(guān)情況

3.1.1 燃料平衡

示例企業(yè)當(dāng)前情況是原油加工能力2000萬噸/年，乙烯裝置產(chǎn)能100萬噸/年，乙烯裝置滿負(fù)荷運(yùn)行，主要原料是以石腦油為主的混合進(jìn)料。目前全廠燃料氣平衡是：裝置飽和干氣（燃料氣）總產(chǎn)量63萬噸、裝置消耗48萬噸，燃?xì)鈩?dòng)力鍋爐消耗12萬噸，通過管輸外售給周邊企業(yè)3萬噸。

企業(yè)規(guī)劃新建兩臺(tái)燃煤鍋爐，停運(yùn)燃?xì)鈩?dòng)力鍋爐，以煤替代干氣，預(yù)計(jì)可節(jié)約全廠干氣12萬噸/年?；谖磥砣珡S的干氣將過剩的判斷，該企業(yè)研究提升干氣利用價(jià)值的方案，提出將作為燃料氣的干氣，經(jīng)過提濃處理后作為裂解原料生產(chǎn)乙烯。提濃干氣裝置采用淺冷油吸收工藝，規(guī)模是干氣處理能力50萬噸/年，主要產(chǎn)品是提濃干氣20萬噸/年，乙烯裂解裝置作為原料，頂替裂解裝置的石腦油進(jìn)料。

3.1.2 淺冷油裝置相關(guān)情況

淺冷油干氣回收技術(shù)利用相似相容原理，以煉廠碳四為吸收劑，在4.0MPa、15℃左右的壓力和溫度的條件下，將干氣中的碳二及以上組分吸收下來，而不相容的組分，主要是甲烷氣，重新排放回全廠燃料氣系統(tǒng)。裝置主要包括干氣壓縮、淺冷油吸收和解吸、制冷和排放四個(gè)單元。

干氣回收裝置的投資為4.4億元。50萬噸/年的原料干氣典型組成是：氫氣8%、甲烷60%、乙烷28%、丙烷2%、碳四以上組分1%、其余是氮?dú)獾榷栊詺怏w。20萬噸/年的提濃氣產(chǎn)品的組成是：甲烷及氫氣小于2%、乙烷和丙烷96%、碳四及其他2%。21萬噸/年燃料氣的組成是：甲烷85%、氮?dú)?%、乙烷3%、其余是氮?dú)獾取Ｑb置自身消耗約2萬噸/年干氣，以及電等公用工程。

3.2 規(guī)劃新建干氣提濃裝置的經(jīng)濟(jì)效益分析

3.2.1 乙烯裂解裝置在原料變化前后的投入產(chǎn)出分析

按照前述的情況，該煉化一體化企業(yè)的乙烯裂解裝置是滿負(fù)荷加工狀態(tài)，因此，如果裝置要加工新增的20萬噸/年提濃氣，就必須減少重質(zhì)原料（石腦油）的進(jìn)料量。對(duì)于特定的裂解裝置，可以搭建SPYRO裝置模型，模擬計(jì)算提濃干氣和石腦油的加工特性[3]。在本例中，經(jīng)過SPYRO裝置模型計(jì)算：1噸提濃氣經(jīng)過裂解后產(chǎn)生的C2及以下輕組分的體積約是1400標(biāo)立，1噸石腦油產(chǎn)生C2及以下輕組分的體積約是650～700標(biāo)立。裂解裝置加工提濃氣后，裂解氣中的輕組分大幅增加，裝置中的氣體壓縮機(jī)成為瓶頸。因此，從壓縮機(jī)的最大負(fù)荷考慮，裂解裝置每增加1噸富乙烷氣進(jìn)料量，要減少約2噸石腦油的處理量。裂解裝置整體情況是冷區(qū)處理量不變，熱區(qū)負(fù)荷下降。SPYRO軟件模擬計(jì)算的裂解裝置加工提濃氣前后的投料量對(duì)比情況如表1所示。

表1 加工富乙烷氣后的投料量變化

從表1看出，裂解裝置加工20萬噸/年提濃氣后，需要減少40萬噸/年的石腦油加工量，這個(gè)是原料端的變化。

在裂解裝置的產(chǎn)品端，經(jīng)過模擬計(jì)算：加工1噸富乙烷氣替代2噸石腦油后，裂解裝置的乙烯產(chǎn)量基本保持不變（因?yàn)檠b置冷區(qū)的處理量沒有變化），但丙烯減少0.26噸、碳四減少0.17噸、裂解汽油減少0.36噸、燃料油減少0.09噸。全年的減少量是丙烯5.2萬噸、碳四3.4萬噸、裂解汽油7.2萬噸、燃料油1.8萬噸。

裂解裝置加工提濃氣的效益要從投入和產(chǎn)出的相對(duì)變化去分析。假設(shè)提濃氣的價(jià)值是A，節(jié)約的石腦油價(jià)值是B，減少的產(chǎn)品量的價(jià)值是C，可以直觀地判斷出：只有不等式“（B－A）>C”成立，裂解裝置加工提濃干氣才有效益，反之就是虧損。因此，提濃氣的最高成本“A”不能超過“B－C”。

石腦油價(jià)格B可以采用市場(chǎng)公開交易價(jià)格，或者與原油的相關(guān)性[4]進(jìn)行推導(dǎo)。減少的產(chǎn)品價(jià)值C采用簡(jiǎn)化算法：從長(zhǎng)期市場(chǎng)趨勢(shì)看，丙烯、碳四、裂解汽油、燃料油和乙烯之間有一個(gè)價(jià)格的比值系數(shù)，分別是丙烯1、碳四0.6、裂解汽油0.4、燃料油0.3，這樣就可以通過乙烯市場(chǎng)價(jià)格，很快計(jì)算出裂解裝置加工提濃干氣的產(chǎn)品損失。過去幾年根據(jù)石腦油價(jià)格、乙烯價(jià)格計(jì)算出來的數(shù)據(jù)如表2所示。

上表中的“石腦油*2”是不等式中的B、“產(chǎn)品減少”是C、根據(jù)“B－C”就能計(jì)算出“提濃氣最高單價(jià)”。從2010-2017年的數(shù)據(jù)可以看出，“提濃氣最高單價(jià)”總體是在下降，原因是同期的原油價(jià)格下跌較大，石腦油單價(jià)同步下降，但乙烯價(jià)格基本是在平衡波動(dòng)，裝置加工提濃氣后，節(jié)約的原料成本的收益逐年降低。煉化一體化企業(yè)要進(jìn)行干氣資源的綜合利用，提濃氣的生產(chǎn)成本必須要比上表中的“提濃氣最高單價(jià)”低，才能確保效益。

3.2.2 提濃氣生產(chǎn)成本的計(jì)算

以企業(yè)當(dāng)前的燃料平衡作為基準(zhǔn)，計(jì)算由于新建干氣提濃裝置造成的相關(guān)成本的增加，作為提濃氣的成本，具體包括：一是提濃裝置的合理收益，以及運(yùn)行的能耗；二是補(bǔ)充燃料的費(fèi)用（通常是天然氣）等。

提濃裝置投資4.4億元，考慮約12%的稅后內(nèi)部收益率，年凈利潤(rùn)約4千萬元左右；裝置維修費(fèi)用按照投資的3%取，約1200萬；裝置燃動(dòng)能耗和人工費(fèi)用，估算約1.9億元。以上是干氣提濃裝置合計(jì)約2.4億元的費(fèi)用，需要計(jì)入提濃氣的成本。

表2 2010-2017年相關(guān)數(shù)據(jù)及效益估算表（元）

在企業(yè)燃煤鍋爐和干氣提濃裝置建成后，全廠燃料的平衡是：自產(chǎn)干氣（燃料）約63萬噸、煉化裝置消耗48萬噸、干氣提濃裝置消耗2萬噸、提濃氣產(chǎn)品20萬噸，全廠干氣（燃料）平衡缺口約7萬噸，需要由外部購(gòu)買天然氣補(bǔ)充。此外，企業(yè)目前有3萬噸的干氣外售給周邊企業(yè)，干氣提濃裝置投產(chǎn)后，外售干氣取消，相應(yīng)的銷售額也應(yīng)計(jì)算到提濃氣的成本中，外售干氣價(jià)格（企業(yè)間的協(xié)議價(jià)）2500元/噸，銷售額7500萬元/年。這些也需要計(jì)入提濃氣的成本。提濃氣成本的計(jì)算如表3所示。

表3 提濃氣成本計(jì)算表（萬元）

補(bǔ)充燃料按照天然氣考慮，補(bǔ)充燃料的價(jià)值就是燃料缺口7萬噸×天然氣單價(jià)。在上表的各項(xiàng)成本中，投資收益、維修費(fèi)用是固定的，燃動(dòng)人工、彌補(bǔ)外售干氣這2項(xiàng)相對(duì)固定，和外部市場(chǎng)波動(dòng)關(guān)系不大。因此，影響提濃氣成本高低的變化因素就是天然氣的價(jià)格。

3.2.3 對(duì)2010-2017年的分析

結(jié)合表2和表3，以及天然氣價(jià)格，就能夠?qū)^去幾年示例企業(yè)的裂解裝置加工提濃氣的效益進(jìn)行分析，具體情況如表4所示。

上表中“（1）－（2）”列中的數(shù)值就是示例企業(yè)的裂解裝置加工1噸干氣替代石腦油能獲得的收益。由上表可以看出，在2010-2014年間，企業(yè)加工提濃干氣替代石腦油都有效益，獲利在3～5元/噸之間，每年能獲得的收益在7～10億元。原因是這幾年原油價(jià)格高，石腦油單價(jià)高，在當(dāng)時(shí)的天然氣價(jià)格情況下，企業(yè)外購(gòu)天然氣作為補(bǔ)充燃料，使用干氣替代石腦油大幅降低了裂解裝置的原料成本，超過了裝置產(chǎn)出減少的損失。此后，在2014年底原油價(jià)格短時(shí)間內(nèi)從超過100美元/桶急劇下降到低于40美元/桶，2015年石腦油均價(jià)只有約3000元/噸，相比前幾年的6000～5000元/噸，裂解裝置的原料成本下降很多，而同期的天然氣價(jià)格基本維持了波動(dòng)，因此在2015年以后外購(gòu)天然氣補(bǔ)充燃料，使用干氣替代石腦油的效益就為負(fù)：分別是2015年虧損359元/噸，全年虧損約7千萬；2016年虧損1231元/噸，全年虧損2.5億元；2017年石腦油價(jià)格上漲，天然氣略有降低，基本持平。

4 綜合分析

上文以具體的示例演示了煉化一體化企業(yè)飽和干氣利用項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算過程。在此模型中，有三個(gè)關(guān)鍵的變量：第一個(gè)是原油價(jià)格，它決定了石腦油價(jià)格的高低；第二個(gè)是外部補(bǔ)充燃料即天然氣的價(jià)格；第三個(gè)是裂解裝置損失的產(chǎn)品價(jià)值，在示例中是以乙烯的價(jià)格決定的。

在本節(jié)中，我們研究用更加直觀的圖形，清晰地表達(dá)出三個(gè)變量之間的關(guān)系。

4.1 原油價(jià)格與石腦油價(jià)格之間的關(guān)系

國(guó)際原油價(jià)格和石腦油價(jià)格之間有較穩(wěn)定的長(zhǎng)期關(guān)聯(lián)關(guān)系[5]，兩者之間的關(guān)系如圖2所示。

表4 2010-2017年加工提濃氣的經(jīng)濟(jì)分析（元）

圖2 布倫特原油價(jià)格和石腦油價(jià)格的關(guān)系

這個(gè)圖中的橫坐標(biāo)是布倫特原油價(jià)格，單位是美元/桶；縱坐標(biāo)是石腦油價(jià)格，單位是美元/噸。圖中：圓點(diǎn)是根據(jù)同一時(shí)期原油價(jià)格和石腦油價(jià)格描繪的點(diǎn)，虛線是模擬的趨勢(shì)線。可以看出，根據(jù)公式y(tǒng)=8.1159x+47.209繪制的趨勢(shì)線和圓點(diǎn)的擬合度超過了98%（圖中的R2值）。

4.2 圖形表達(dá)三個(gè)關(guān)鍵變量之間的關(guān)系

仍以示例企業(yè)實(shí)際情況為基礎(chǔ)，根據(jù)前面的分析過程，繪制出三個(gè)變量之間的關(guān)系圖（見圖3）。

圖3 原油價(jià)格、天然氣價(jià)格、乙烯價(jià)格的關(guān)系

上圖是根據(jù)前述的分析思路，繪制的原油價(jià)格、天然氣價(jià)格、乙烯價(jià)格三個(gè)主要因素的相互作用關(guān)系。圖中：兩條豎直的藍(lán)線之間，是2010-2017年天然氣價(jià)格的范圍；三條斜線代表不同乙烯價(jià)格的情況；紅點(diǎn)是各年份企業(yè)的外部天然氣價(jià)格、布倫特原油價(jià)格（根據(jù)外購(gòu)石腦油價(jià)格換算）組成的標(biāo)示點(diǎn)。

斜線將圖分為了兩個(gè)區(qū)域。在圖中斜線的左上部分，即原油價(jià)格高于80美元/桶的區(qū)域，示例企業(yè)將飽和干氣提濃后作為裂解原料，然后外購(gòu)天然氣補(bǔ)充燃料是有效益的；在右下部分，即原油價(jià)格低于60美元/桶的區(qū)域，項(xiàng)目盈利情況相反?？梢钥闯鲈谠?0～80美元/桶之間的情況較復(fù)雜，原油價(jià)格、天然氣價(jià)格、乙烯價(jià)格相互影響，示例企業(yè)的項(xiàng)目處于盈虧的邊緣。

5 結(jié)語

煉化企業(yè)氣體資源的高價(jià)值利用，不僅涉及全廠的燃料平衡，而且對(duì)其他裝置的運(yùn)行狀態(tài)也有影響。在開展項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益分析時(shí)，要全面準(zhǔn)確地梳理清楚“投入”和“產(chǎn)出”，就不能僅僅局限在項(xiàng)目本身，必須從全廠的角度進(jìn)行分析。本文以飽和干氣提濃，做裂解原料的優(yōu)化利用項(xiàng)目為例，說明了經(jīng)濟(jì)效益的分析過程，指出了原油價(jià)格、天然氣價(jià)格、乙烯價(jià)格三者之間的相互關(guān)系。對(duì)于其他的干氣利用方案，讀者可以借鑒本文思路，希望可以對(duì)從事相關(guān)行業(yè)的人員起到一定的參考作用。