苯乙烯生產(chǎn)工藝及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

蔣翠萍 李成益

(金浦投資控股集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210009)

苯乙烯又名乙烯基苯，英文名為styvene monomer，是用苯取代乙烯的一個(gè)氫原子形成的有機(jī)化合物。乙烯基的電子與苯環(huán)共軛，不溶于水，溶于乙醇和乙醚中，是一種重要的有機(jī)化工原料。苯乙烯主要用于生產(chǎn)聚苯乙烯樹(shù)脂(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹(shù)脂(ABS)、苯乙烯-丙烯腈樹(shù)脂(SAN)、丁苯橡膠(SBR)、不飽和聚酯樹(shù)脂(UPR)和離子交換樹(shù)脂(IER)等，此外還用于制藥和染料等行業(yè)，或制取農(nóng)藥乳化劑及選礦劑等，在眾多應(yīng)用中消費(fèi)量最大的是PS。我國(guó)是全球最大的苯乙烯生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，涉及該產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)多達(dá)千余家，市場(chǎng)規(guī)模1 000多億元。2019年9月26日，苯乙烯期貨在大連商品交易所掛牌上市交易，這對(duì)我國(guó)的苯乙烯生產(chǎn)和消費(fèi)產(chǎn)生了一定的影響?，F(xiàn)對(duì)苯乙烯供需情況、生產(chǎn)工藝及各工藝的產(chǎn)能進(jìn)行分析比較，為企業(yè)今后制定方案提供借鑒和參考。

1 苯乙烯供需分析

1.1 供應(yīng)分析

表1為近5年我國(guó)苯乙烯的產(chǎn)能、產(chǎn)量、進(jìn)出口數(shù)量及表觀消費(fèi)情況。由表1可見(jiàn)：近幾年我國(guó)苯乙烯產(chǎn)能有所增加，消費(fèi)增量也較為平緩，2019年國(guó)內(nèi)苯乙烯進(jìn)口依存度為30%，國(guó)內(nèi)苯乙烯存在一定的缺口。

近幾年我國(guó)企業(yè)投資苯乙烯的熱情較高，目前在建的項(xiàng)目超過(guò)10個(gè)，這些項(xiàng)目均采用純乙烯為原料，預(yù)計(jì)2021年一季度可實(shí)現(xiàn)的新增產(chǎn)能為5 590 kt/a(見(jiàn)表2)，屆時(shí)，國(guó)內(nèi)苯乙烯產(chǎn)能將出現(xiàn)過(guò)剩。

表1 近5年我國(guó)苯乙烯產(chǎn)能及消費(fèi)情況

表2 近期計(jì)劃投產(chǎn)的苯乙烯項(xiàng)目

1.2 下游需求分析

從下游需求端來(lái)看，發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)、PS及ABS三大行業(yè)仍將是苯乙烯消費(fèi)主力，但需求占比結(jié)構(gòu)將會(huì)逐漸調(diào)整，PS供應(yīng)仍存在一定的缺口。2019年P(guān)S的進(jìn)出口量分別為807.7 kt和7.8 kt，EPS的進(jìn)出口量分別為64.2 kt和262.0 kt，ABS進(jìn)出口數(shù)量分別為1 614 kt和45.7 kt，未來(lái)仍有較大的增長(zhǎng)空間(見(jiàn)表3)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近期ABS新增產(chǎn)能約1 000 kt/a，PS新增產(chǎn)能約500 kt/a，下游產(chǎn)能約增長(zhǎng)1 500 kt/a，2020年產(chǎn)能增量相對(duì)較少，預(yù)計(jì)需求提升將弱于苯乙烯產(chǎn)能增長(zhǎng)速度，總體上苯乙烯將處于供過(guò)于求的狀況。

表3 2019年苯乙烯下游產(chǎn)品生產(chǎn)與消費(fèi)情況 kt

2 國(guó)內(nèi)苯乙烯的主要工藝路線(xiàn)

從生產(chǎn)工藝來(lái)看，目前全球苯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)主要有3種工藝，分別為乙苯/丙乙烯共氧化法(PO/SM)、乙苯脫氫法和乙烯裂解汽油C8抽提法。中間原料乙苯的生產(chǎn)工藝又可以分為兩類(lèi)：純乙烯與苯、富乙烯氣(如催化干氣等)與苯反應(yīng)生產(chǎn)乙苯(見(jiàn)圖1所示)。

圖1 苯乙烯生產(chǎn)主要工藝路線(xiàn)

我國(guó)的苯乙烯工業(yè)起始于20世紀(jì)60年代，在80年代主要以引進(jìn)國(guó)外苯乙烯裝置來(lái)發(fā)展自身，90年代華東理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了乙苯負(fù)壓脫氫反應(yīng)器采用軸徑向反應(yīng)器技術(shù)和氣-氣快速混合兩大關(guān)鍵技術(shù)。近年國(guó)內(nèi)苯乙烯技術(shù)取得了較大的突破，開(kāi)發(fā)成功了新型大型化反應(yīng)器以及高溫管線(xiàn)的工程處理，形成了獨(dú)特的技術(shù)特色，主要技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。2019年在運(yùn)行的苯乙烯裝置分布在47家企業(yè)57套裝置(部分企業(yè)的裂解汽油抽提苯乙烯裝置單獨(dú)設(shè)立公司)，總產(chǎn)能9 852 kt/a，各工藝的產(chǎn)能情況見(jiàn)表4。

表4 不同苯乙烯生產(chǎn)工藝產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)

由表4可見(jiàn)：乙烯制乙苯目前為主流工藝路線(xiàn)，單套裝置產(chǎn)能大，最大能力達(dá)到720 kt/a；干氣制乙苯的規(guī)模則受制于干氣來(lái)源的限制，目前絕大多數(shù)以催化裂化裝置的干氣為原料，也有個(gè)別裝置采用甲醇制烯烴技術(shù)(MTO)或輕烴裂解的富乙烯氣作為原料，干氣制乙苯單套最大規(guī)模為280 kt/a。在苯乙烯的生產(chǎn)工藝中，乙苯脫氫技術(shù)是最為成熟的工藝路線(xiàn)，產(chǎn)量占比達(dá)到83.3%；PO/SM技術(shù)之前一直掌握在國(guó)外化工巨頭手中，由于其技術(shù)來(lái)源有限，因此產(chǎn)能僅占13.4%，近幾年隨著國(guó)內(nèi)工藝的技術(shù)進(jìn)步，預(yù)計(jì)產(chǎn)能將有所提升。采用C8抽提法從乙烯裂解汽油中提取苯乙烯是近10年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，該技術(shù)受制于兩個(gè)因素：一是裂解汽油的數(shù)量有限，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年國(guó)內(nèi)乙烯總產(chǎn)量為20 949.7 kt，粗裂解汽油以57.3%計(jì)，粗裂解汽油中的苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.723%，即使將所有的裂解汽油中的苯乙烯全部回收，其總量也僅為567 kt，況且上述乙烯產(chǎn)量還包括了輕烴裂解裝置和MTO的乙烯產(chǎn)量，實(shí)際的裂解汽油數(shù)量要低于上述預(yù)計(jì)數(shù)，以一套1 000 kt/a乙烯裝置計(jì)算，可回收的苯乙烯為27 kt；二是為回收粗裂解汽油中的苯乙烯，需要在加氫前將粗汽油中的C7和C9組分分離出去，僅留C8組分進(jìn)行抽提分離。C8抽提苯乙烯屬于非常規(guī)路線(xiàn)的產(chǎn)品，原料未進(jìn)行精制，產(chǎn)品品質(zhì)稍差，在色度和總?cè)┑荣|(zhì)量指標(biāo)方面還有待穩(wěn)定和提高，因此大連商品交易所在交割品的質(zhì)量方面，以苯乙烯現(xiàn)行國(guó)標(biāo)優(yōu)等品要求為基礎(chǔ)，添加了硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的指標(biāo)，從而限制了C8抽提苯乙烯的交割。在生產(chǎn)運(yùn)行操作方面，與常規(guī)的先加氫后分離流程相比，汽油中所含的雙烯烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，容易自聚從而堵塞設(shè)備，使裝置的穩(wěn)定運(yùn)行受到影響。裂解汽油C8抽提苯乙烯的產(chǎn)能僅占總產(chǎn)能的3.3%。

3 各種工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

由于苯乙烯未來(lái)將處于供過(guò)于求的狀態(tài)，同一產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)主要集中在價(jià)格上，也就是成本優(yōu)勢(shì)。不同工藝、不同技術(shù)來(lái)源和不同規(guī)模對(duì)成本產(chǎn)生影響。有文獻(xiàn)研究過(guò)稀乙烯法與純乙烯法合成乙苯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)[1]，影響產(chǎn)品成本的主要因素有：原輔材料消耗、能源動(dòng)力消耗、副產(chǎn)品及廢棄物處理、投資等。對(duì)于其他工藝生產(chǎn)苯乙烯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

3.1 主要原料消耗比較

在原料相同的條件下，乙苯脫氫法制苯乙烯的成本與原料成本密切相關(guān)。目前苯乙烯合成以乙烯法最多，催化干氣次之。乙苯合成，國(guó)內(nèi)普遍采用的是液相反烴化技術(shù)，目的是將乙苯產(chǎn)品中二甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至1 mg/g以下，滿(mǎn)足各種苯乙烯裝置的要求。

不同原料和不同規(guī)模的乙苯裝置的單耗見(jiàn)表5。催化干氣制乙苯的乙烯單耗與原料中的乙烯含量及其他組分含量有關(guān)，苯乙烯單元回收的苯返回乙苯裝置做原料，苯單耗為補(bǔ)充的新鮮工業(yè)純苯。

表5 乙苯裝置原料消耗

3.2 能耗對(duì)比

不同規(guī)模、不同工藝的乙苯和苯乙烯的能耗見(jiàn)表6。表6中：A—乙烯法，650 kt/a乙苯，國(guó)內(nèi)技術(shù)；B—乙烯法，319.5 kt/a乙苯，國(guó)內(nèi)技術(shù)(2016年);C—干氣法，63.6 kt/a乙苯，國(guó)內(nèi)技術(shù)；D—100 kt/a乙苯脫氫，國(guó)外技術(shù)；E—60 kt/a乙苯脫氫，國(guó)內(nèi)技術(shù)；F—300 kt/a乙苯脫氫，國(guó)內(nèi)技術(shù)(2016年)；G—干氣制苯乙烯，60 kt/a，國(guó)內(nèi)技術(shù)(2012年)；H—300 kt/a乙苯/苯乙烯(2016年);I—500 kt/a乙苯/苯乙烯；J—乙烯裂解汽油C8抽提，35 kt/a，國(guó)內(nèi)技術(shù)。

表6 乙苯和苯乙烯的能耗對(duì)比

由表6可見(jiàn)：乙烯法乙苯的能耗低于催化干氣制乙苯的能耗；同樣的，乙烯法乙苯裝置的能耗隨裝置規(guī)模擴(kuò)大而降低。催化干氣制乙苯的規(guī)模受制于催化干氣的數(shù)量及乙烯含量，目前國(guó)內(nèi)催化裂化裝置單套最大規(guī)模為4 800 kt/a，乙苯裝置的最大規(guī)模約為120 kt/a，國(guó)內(nèi)目前的干氣制苯乙烯的規(guī)模一般為60～80 kt/a。這樣可擴(kuò)大原料來(lái)源，大幅度提高干氣制乙苯的裝置規(guī)模，已有企業(yè)開(kāi)始嘗試將混合烴裂解所產(chǎn)干氣及MTO的干氣作為乙苯原料。從能量利用方面看，傳統(tǒng)的乙烯生產(chǎn)過(guò)程中，需經(jīng)過(guò)深冷分離得到乙烯產(chǎn)品；而在乙苯合成時(shí)又需要將原料再次加熱，因此以輕烴和甲醇(乙醇)為原料生產(chǎn)烯烴產(chǎn)品的裝置可以與乙苯/苯乙烯裝置進(jìn)行工藝耦合，降低裝置能耗。

在乙苯脫氫制苯乙烯的3個(gè)方案(D、E、F)中，100 kt/a級(jí)乙苯脫氫的同類(lèi)裝置國(guó)產(chǎn)化技術(shù)已經(jīng)與引進(jìn)技術(shù)報(bào)價(jià)相當(dāng)，300 kt/a級(jí)乙苯脫氫國(guó)產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)超過(guò)國(guó)外水平。裝置能耗降低有利于苯乙烯生產(chǎn)成本的降低。

由表6中的H和I還可見(jiàn):國(guó)內(nèi)苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)在不斷進(jìn)步，單套裝置規(guī)模大幅度提高后，能耗隨之下降，生產(chǎn)成本也大幅度下降；乙烯裂解汽油C8抽提的能耗為23 704 MJ/t苯乙烯，產(chǎn)品能耗高于其他工藝。

3.3 成本對(duì)比

化工產(chǎn)品的生產(chǎn)成本包括：主要原料、輔助材料(催化劑及化學(xué)品)、燃料動(dòng)力、人工工資、制造費(fèi)(折舊、攤銷(xiāo)及其他制造費(fèi))、管理費(fèi)、財(cái)務(wù)費(fèi)用、營(yíng)業(yè)費(fèi)。

為評(píng)價(jià)各工藝的生產(chǎn)成本，對(duì)各裝置的規(guī)模進(jìn)行如下設(shè)定：乙烯法苯乙烯的規(guī)模為300 kt/a和500 kt/a，干氣制苯乙烯為60 kt/a，PO/SM為650 kt/a，乙烯裂解汽油C8抽提則為35 kt/a。

原料及產(chǎn)品價(jià)格參照近3年的平均價(jià)，其他參數(shù)按照中國(guó)石油化工集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院的《參數(shù)與數(shù)據(jù)》(2019版)，公用工程價(jià)格參照南京地區(qū)。各工藝的苯乙烯成本比較見(jiàn)表7。

表7 各種工藝成本比較 元/t

由表7可見(jiàn)：在所列5個(gè)方案中，乙烯裂解汽油抽提的成本為最低，乙烯法的成本高于其他三種工藝。比較表6和表7可見(jiàn)：2007年以前建設(shè)的100 kt/a級(jí)乙烯法苯乙烯裝置的每1 t產(chǎn)品能耗費(fèi)用比300 kt/a規(guī)模的裝置高400多元，在不考慮老裝置的折舊費(fèi)和攤銷(xiāo)費(fèi)等費(fèi)用，成本仍然無(wú)法與其他工藝競(jìng)爭(zhēng)，因此，部分以前建設(shè)的苯乙烯裝置將逐步退出。

PO/SM生產(chǎn)苯乙烯需要的原料種類(lèi)較多(乙烯、丙烯和苯)，產(chǎn)品除了苯乙烯，還有環(huán)氧丙烷，避免了單一產(chǎn)品的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。該裝置一般與乙烯裝置配套，投資強(qiáng)度高，一套裝置(含乙苯合成)的投資為40多億元，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率略低于其他幾種工藝。

催化干氣制苯乙烯需將未利用的氣體返回原裝置的下游，如果以MTO、乙醇或液態(tài)烴裂解生產(chǎn)的乙烯為原料，則該方案需要仔細(xì)測(cè)算。

乙烯裂解汽油C8抽提工藝也需要將未利用的產(chǎn)品返回原裝置的下道工序，增加該工藝，將有利于改善下游裝置操作、降低氫耗，因此增設(shè)該工藝后有附加效益。但因該方案生產(chǎn)的苯乙烯在色度和總?cè)┑确矫嫔胁环€(wěn)定，加上產(chǎn)量受制于乙烯的產(chǎn)能，不是主流生產(chǎn)工藝，因此，大連商品交易

所在交割質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)上，以苯乙烯現(xiàn)行國(guó)標(biāo)優(yōu)等品要求為基礎(chǔ)，添加硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的指標(biāo)，規(guī)定硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)1 mg/kg，用以區(qū)分裂解汽油抽提來(lái)源的苯乙烯。當(dāng)然，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)對(duì)干氣法制苯乙烯也有影響，在乙苯生產(chǎn)單元就要控制干氣硫含量，在苯乙烯精餾分離單元采用無(wú)硫阻聚劑(DNBP)。

4 產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望

(1)隨著先進(jìn)苯乙烯技術(shù)的成熟和應(yīng)用，2007年前建設(shè)的小型裝置將逐漸退出生產(chǎn)領(lǐng)域，大型化的(超過(guò)300 kt/a規(guī)模)先進(jìn)的低能耗、低物耗工藝將在國(guó)產(chǎn)苯乙烯裝置上成為主流。

(2)對(duì)于有聚醚、聚氨酯下游的企業(yè)來(lái)說(shuō)，建設(shè)PO/SM裝置是很好的選擇，有利于由基礎(chǔ)化工(乙烯、丙烯、苯)向精細(xì)化工(環(huán)氧丙烷、苯乙烯)發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)，從而形成一條由低到高的完整產(chǎn)業(yè)鏈。隨著PO/SM國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的進(jìn)步，在催化劑消耗、能耗及投資方面進(jìn)一步降低，共氧化法的投資收益率會(huì)得到提高。

(3)以乙烯為原料，乙苯/苯乙烯、乙苯/PO+SM仍然是苯乙烯的主流生產(chǎn)工藝，裝置大型化是必然趨勢(shì)。

(4)干氣制苯乙烯及乙烯裂解汽油抽提苯乙烯作為苯乙烯產(chǎn)業(yè)的補(bǔ)充，在一些消費(fèi)領(lǐng)域找到合適的市場(chǎng)。

(5)嚴(yán)格控制乙苯合成原料中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)及苯乙烯精制過(guò)程中各類(lèi)助劑的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以保證苯乙烯產(chǎn)品質(zhì)量。