突破PDH生產(chǎn)的瓶頸

Kyle Mankin曾才 Chul-Jin Kim

1科萊恩催化劑業(yè)務(wù)單元 2 SK Advanced公司

在激烈的市場競爭中，新建丙烷脫氫（PDH）工廠的企業(yè)期望獲得快速的投資回報(bào)。為了加快建造、調(diào)試和大幅提高生產(chǎn)效率，PDH企業(yè)需要先進(jìn)的技術(shù)，能夠以最低的丙烷原料消耗實(shí)現(xiàn)最高的丙烯產(chǎn)量，并實(shí)現(xiàn)長期可靠的高在線率。此外，PDH企業(yè)也在建造規(guī)模更大的工廠，以求從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲益，因此更需要有能力支持大型PDH工廠項(xiàng)目的技術(shù)合作伙伴。

1 丙烯供需矛盾

丙烯需求正持續(xù)穩(wěn)步增長，預(yù)計(jì)到2028年，全球丙烯需求將從2018年的約1.1億t增長至1.5億t（見圖1，來源：IHS全球分析，2019年春季數(shù)據(jù)）。這種需求的持續(xù)增加主要得益于丙烯及其衍生物，特別是聚丙烯的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

圖1 全球丙烯年度供需對比

煉油廠和乙烯裂解裝置的丙烯產(chǎn)量增速跟不上需求。在過去十年中，頁巖氣的出現(xiàn)從根本上改變了烯烴市場格局。乙烯裂解裝置運(yùn)營商傾向于使用輕質(zhì)進(jìn)料，導(dǎo)致丙烯產(chǎn)量相對較低而乙烯產(chǎn)量相對較高。因此，單靠傳統(tǒng)的蒸汽裂解工藝已經(jīng)無法滿足日益增長的丙烯需求。這導(dǎo)致人們對專有丙烯生產(chǎn)技術(shù)的興趣與日俱增。在可供選擇的方案中，PDH技術(shù)由于其更低的總體成本和更高的丙烷原料利用率而成為發(fā)展最快的技術(shù)之一（見圖2，來源：IHS世界分析，2019年春季更新和科萊恩內(nèi)部項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫）。

圖2 按生產(chǎn)工藝分類的丙烯產(chǎn)能

2 首要解決方案

CATOFIN是最早也是最先進(jìn)的烯烴生產(chǎn)技術(shù)之一，通過催化脫氫反應(yīng)生產(chǎn)丙烯（來自丙烷）、異丁烯（來自異丁烷）和正丁烯/丁二烯（來自正丁烷）等烯烴，并具有優(yōu)異的轉(zhuǎn)化率和選擇性?？迫R恩與工藝合作伙伴魯姆斯技術(shù)（Lummus Technology）緊密合作，并擁有此獨(dú)特催化工藝技術(shù)的專利所有權(quán)。隨著60多年來的持續(xù)改進(jìn)，如今CATOFIN已在全球超過25家烷烴脫氫工廠成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，近兩年來，全球又有18個(gè)PDH新項(xiàng)目選用了CATOFIN技術(shù)，專利授權(quán)用戶總數(shù)達(dá)到43家?？迫R恩與魯姆斯最近宣布，其CATOFIN催化技術(shù)在恒力集團(tuán)在大連新建的混合進(jìn)料烷烴脫氫工廠成功開車。這家新工廠采用了PDH和異丁烷脫氫（BDH）相結(jié)合的工藝技術(shù)，烯烴年產(chǎn)能高達(dá)約100萬t，現(xiàn)已成為全球規(guī)模最大的使用CATOFIN催化技術(shù)的工廠。

3 為何選擇CATOFIN？

所有CATOFIN PDH裝置共同的兩大優(yōu)勢是能夠在高在線率（通常高于97%）條件下可靠運(yùn)行，并且實(shí)際產(chǎn)量顯著高于設(shè)計(jì)產(chǎn)能（在某些情況下高達(dá)150%，平均超過110%）。由于CATOFIN反應(yīng)在負(fù)壓中進(jìn)行，較低的操作溫度可將熱裂解和副產(chǎn)物降到最低水平，因此生產(chǎn)企業(yè)的原料消耗也大大減少。與其他PDH技術(shù)相比，這也是一種更加清潔的工藝，任何副產(chǎn)焦炭在反應(yīng)器都會(huì)被在線清除，工廠無需停車進(jìn)行除焦和清理。在使用中，該強(qiáng)勁的催化劑具有開車時(shí)間短、操作簡單、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

4 持續(xù)推進(jìn)

為進(jìn)一步提高丙烯產(chǎn)量，科萊恩和魯姆斯憑借發(fā)熱材料（HGM）和新型催化劑解決方案等技術(shù)創(chuàng)新，繼續(xù)書寫著CATOFIN的成功。顧名思義，HGM在催化劑床層內(nèi)部產(chǎn)生熱量，大大降低了對其他熱量來源（如再生空氣）的需求。盡管聽起來很簡單，但這種極具創(chuàng)新的專利材料已成功得到商業(yè)驗(yàn)證，可有效提高烯烴的選擇性和產(chǎn)量，并大幅降低反應(yīng)器入口空氣溫度（見圖3）?；贖GM的催化劑系統(tǒng)與其他能量優(yōu)化措施相結(jié)合，可減少高達(dá)35%的能耗成本和二氧化碳排放量。使用基于HGM的催化劑系統(tǒng)的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，催化劑的運(yùn)行時(shí)間可以延長到4年或更長時(shí)間。擁有11項(xiàng)專利的基于HGM的催化劑系統(tǒng)現(xiàn)已成為新PDH裝置設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 在相同條件下，使用CATOFIN催化劑時(shí)，在使用和未應(yīng)用HGM時(shí)的丙烷轉(zhuǎn)化率

最近，最新的技術(shù)突破是新型CATOFIN 311的問世，該催化劑已經(jīng)過商業(yè)化驗(yàn)證，具有更高的選擇性和更長的使用壽命，從而進(jìn)一步提高了PDH企業(yè)的整體盈利能力。同時(shí)，其他新一代產(chǎn)品也正在緊密研發(fā)中，催化劑性能將有望得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

展望未來，CATOFIN技術(shù)合作伙伴魯姆斯也正在研發(fā)有前景的新型解決方案，在不影響工廠產(chǎn)能和先進(jìn)能量整合的情況下，將反應(yīng)器數(shù)量降至最低，從而減少固定投資。其他的優(yōu)化還包括通過HGM顯著降低空氣量，提高原料空速，從而降低運(yùn)營成本。

5 SK Advanced公司的成功案例

由于眾所周知的優(yōu)勢，全球最大的PDH工廠SK Advanced也選擇使用了CATOFIN和HGM。2013年，韓國SK天然氣公司（SK Gas Corporation Ltd.）、沙特阿拉伯先進(jìn)石化公司（Advanced Petrochemical Company）和科威特石化工業(yè)公司（Petrochemical Industries Co.）等三大石化公司在韓國蔚山合資新建了一座丙烯工廠SK Advanced。該工廠從開工到機(jī)械完工歷時(shí)僅18個(gè)月，其產(chǎn)量超出設(shè)計(jì)產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了超出預(yù)期的快速投資回報(bào)。

CATOFIN PDH新工廠于2016年建成，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為60萬t/a。2016年3月8日進(jìn)行了首次投料，在運(yùn)行24 h后，成功生產(chǎn)出符合規(guī)格的丙烯。在平穩(wěn)地升溫之后，工廠經(jīng)過兩周的連續(xù)運(yùn)行達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化率也完全達(dá)標(biāo)，與沒有使用HGM的CATOFIN PDH裝置相比，選擇性提高了2.5%～3.5%。對于年產(chǎn)能60萬t的裝置而言，此更高的選擇性相當(dāng)于每年增產(chǎn)丙烯21000 t及相關(guān)額外收益。

該工廠一直以平均設(shè)計(jì)產(chǎn)能的110%水平運(yùn)行，最高負(fù)荷可達(dá)116%。因此，工廠從投產(chǎn)至今的4年累計(jì)產(chǎn)量遠(yuǎn)超240萬t的設(shè)計(jì)產(chǎn)量也就不足為奇了。此外，與未使用HGM的工廠相比，在設(shè)計(jì)中加入HGM后，催化劑的運(yùn)行時(shí)間從3年增加到4年，從而在12年運(yùn)行周期中可以節(jié)約一次完整的停車換劑的費(fèi)用。

6 總結(jié)

輕質(zhì)頁巖氣凝析油中豐富的低成本丙烷和丙烯需求的持續(xù)增長為專有PDH企業(yè)創(chuàng)造了巨大商機(jī)。開創(chuàng)性的技術(shù)和持續(xù)的催化劑創(chuàng)新使CATOFIN技術(shù)始終保持著最先進(jìn)、高效、最可靠的解決方案的地位。SK Advanced的成功是近來CATOFIN開車運(yùn)行的眾多案例之一，這些案例充分展示了該技術(shù)如何將生產(chǎn)企業(yè)的期望轉(zhuǎn)化為超出產(chǎn)能預(yù)期的高利潤日常運(yùn)營?？迫R恩和魯姆斯致力于為現(xiàn)有客戶和新項(xiàng)目不斷創(chuàng)新，引領(lǐng)CATOFIN邁入下一個(gè)發(fā)展新里程。

產(chǎn)品示意圖