液化石油氣用作裂解原料的研究

張 燕

（中國(guó)石油化工股份有限公司 化工事業(yè)部，北京 100728）

研 究 與 開(kāi) 發(fā)

液化石油氣用作裂解原料的研究

張 燕

（中國(guó)石油化工股份有限公司 化工事業(yè)部，北京 100728）

研究了液化石油氣在不同溫度下的裂解性能，對(duì)比了以液化石油氣和石腦油為裂解原料時(shí)乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益。研究結(jié)果表明，液化石油氣是一種優(yōu)質(zhì)的裂解原料，氫氣、丙烯和丁二烯等高附加值產(chǎn)物的收率相比石腦油為原料時(shí)顯著提高。當(dāng)這些高附加值產(chǎn)品的價(jià)格較高時(shí)，以液化石油氣為原料時(shí)，乙烯裝置可獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。在乙烯和丙烯總產(chǎn)量不變的情況下，10 Mt的液化石油氣大約可替代10 Mt的石腦油。乙烯企業(yè)應(yīng)以整體效益最大化為目標(biāo)，根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格變化，開(kāi)展常態(tài)化效益測(cè)算，適時(shí)采用液化石油氣替代石腦油，優(yōu)化蒸汽裂解原料、提高裝置經(jīng)濟(jì)效益。

乙烯；液化石油汽；蒸汽裂解；裂解原料；石腦油

乙烯是石油化工的“龍頭”，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。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［1］。乙烯原料的費(fèi)用占總生產(chǎn)成本的60%～80%［2］。2011—2014年上半年，原油價(jià)格持續(xù)高企，世界經(jīng)濟(jì)及我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩，傳統(tǒng)的石油化工業(yè)務(wù)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)遭遇前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。面對(duì)北美頁(yè)巖氣乙烷原料路線(xiàn)和國(guó)內(nèi)煤炭原料路線(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)，乙烯裝置需進(jìn)一步挖掘和合理利用煉油、化工副產(chǎn)的各種干氣、液化氣和輕烴資源，做好現(xiàn)有裝置的優(yōu)化升級(jí)。

液化石油氣（LPG）是由煉廠(chǎng)氣或天然氣經(jīng)加壓、降溫、液化得到的揮發(fā)性氣體。它的主要成分為丙烷、丙烯、丁烷和丁烯，同時(shí)含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物雜質(zhì)［3］。LPG可作為民用和工業(yè)燃料，也可用作化工原料。我國(guó)LPG的主要市場(chǎng)仍是燃料消耗，化工利用率僅為13%，遠(yuǎn)低于美國(guó)、西歐、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的水平［3-4］。目前，在化工上LPG除用作裂解原料外，還包括液化氣芳構(gòu)化、催化裂解制丙烯、烷基化制汽油、生產(chǎn)聚丁烯作潤(rùn)滑油添加劑等［5-15］。這些利用途徑需將LPG分離精制，利用路線(xiàn)較長(zhǎng)。

本工作通過(guò)研究LPG的裂解性能，對(duì)比了以L(fǎng)PG和傳統(tǒng)石腦油為原料的裂解裝置的經(jīng)濟(jì)效益，探討了LPG用作乙烯原料的可行性，并對(duì)LPG替代石腦油用作裂解原料的方案進(jìn)行了探討。

1 原料性質(zhì)

選取4種煉廠(chǎng)混合LPG為原料研究其裂解性能，選用的LPG主要為焦化液化氣，含有部分重整及常減壓液化氣，同時(shí)選用某企業(yè)的石腦油原料加以對(duì)比。4種LPG原料的組成見(jiàn)表1，石腦油原料的物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 LPG的組成Table 1 Composition of liquef ed petroleum gas（LPG）

表2 石腦油的物性參數(shù)Table 2 Properties of naphtha（NAP）

2 裂解性能

選取裂解工藝條件為：停留時(shí)間0.4 s、水油質(zhì)量比0.4、爐管出口壓力0.2 MPa，考察不同爐管出口溫度（COT）下LPG和石腦油的裂解產(chǎn)物分布，其中，乙烯、丙烯和丁二烯的收率隨COT的變化見(jiàn)圖1。

圖1 烯烴收率隨COT的變化Fig.1 Effects of coil outlet temperature（COT） on the olef n yields.

從圖1可看出，LPG裂解所得乙烯、丙烯和丁二烯的收率隨COT的變化規(guī)律與石腦油基本一致。在800～860 ℃的實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨COT的升高，乙烯收率不斷增大，丙烯收率持續(xù)減小，而丁二烯收率則是先增大后減小。

裂解溫度為860 ℃時(shí)的產(chǎn)物收率見(jiàn)表3。

表3 裂解產(chǎn)物收率Table 3 Yields of the cracking products

續(xù)表3

由表3可見(jiàn)，與石腦油原料相比，LPG原料進(jìn)行裂解時(shí)，裂解燃料油收率較低，輕組分氣相產(chǎn)物的總收率較高。在氣相產(chǎn)物中，雖然LPG的乙烯收率低于石腦油，但氫氣、丙烯和丁二烯等幾種高附加值產(chǎn)物的收率均明顯高于石腦油。

3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

3.1 收益模型

在固定費(fèi)用（含人工、折舊等費(fèi)用）相對(duì)固定的前提下，乙烯生產(chǎn)過(guò)程的價(jià)值變化主要體現(xiàn)在產(chǎn)物收入和燃動(dòng)費(fèi)用的改變上。以單位原料為基準(zhǔn)，收益（E）由式（1）計(jì)算：

式中，Ep為產(chǎn)品收益，元/t；CR為原料成本，元/t；CC為燃動(dòng)費(fèi)用，元/t。其中，

式中，Yi為裂解產(chǎn)物i的收率，%；Pi為相應(yīng)原料下產(chǎn)物i的價(jià)格，元/t；CF為燃料費(fèi)用，元/t；CS為分離單元?jiǎng)恿M(fèi)用，元/t；IS為蒸汽收入，元/t。其中，

式中，F(xiàn)F為單位原料的燃料量，t/t；PF為燃料價(jià)格，元/t；CB為單位原料的分離能耗（以標(biāo)油計(jì)），kg/t；PB為標(biāo)油價(jià)格，元/kg；FS為單位原料的蒸汽量，t/t；PS為蒸汽價(jià)格，元/t。

以L(fǎng)ummus 5-1型裂解爐為計(jì)算基礎(chǔ)，燃料氣消耗的計(jì)算采用表4所示燃料氣的組成及低熱值，燃料氣量與COT的關(guān)系見(jiàn)圖2。裂解產(chǎn)物在不同溫度下的分離能耗見(jiàn)表5。

表4 燃料氣的組成及低熱值Table 4 Composition and low heat value of fuel gas

圖2 燃料氣量與COT的關(guān)系Fig.2 Relationship between fuel gas amount and COT.

表5 分離單元能耗與COT的關(guān)系Table 5 Relationship of the energy consumption of separation unit and COT

裂解爐產(chǎn)生的蒸汽量（溫度520 ℃、壓力11.9 MPa）與COT的關(guān)系見(jiàn)表6。表7為某乙烯企業(yè)不同時(shí)間的兩套原料及產(chǎn)品的價(jià)格。通過(guò)裂解實(shí)驗(yàn)確定不同操作條件下的產(chǎn)物分布和過(guò)程能耗，進(jìn)而計(jì)算收益情況。

表6 裂解爐產(chǎn)生的蒸汽量與COT的關(guān)系Table 6 Relationship of SS and COT

表7 價(jià)格體系Table 7 Price systems

3.2 收益結(jié)果

兩種價(jià)格體系下，裂解溫度為860 ℃時(shí)不同原料的總收益對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 不同原料的總收益對(duì)比Table 8 Comparison of the total revenues using different feedstocks

由表8可見(jiàn)，在價(jià)格體系Ⅰ下，相同裂解溫度下，4種LPG的裂解收益均高于石腦油。即使是對(duì)于乙烯收率較低的LPG3，其收益也明顯高于石腦油。這是因?yàn)椋环矫鍸PG的價(jià)格低于石腦油；另一方面LPG為原料時(shí)，高價(jià)值的氫氣、丙烯和丁二烯收率較高，產(chǎn)品收益較高。但在價(jià)格體系Ⅱ下，由于丙烯和丁二烯產(chǎn)品以及LPG原料的價(jià)格沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，以L(fǎng)PG為裂解原料的收益基本與以石腦油為裂解原料的收益相當(dāng)，特別是LPG3的收益較差。

4 原料替換方案

在保證乙烯和丙烯（雙烯）的總產(chǎn)量不變，且不考慮對(duì)裝置進(jìn)行適應(yīng)性改造的情況下，將LPG替換部分石腦油作為裂解原料，對(duì)過(guò)程進(jìn)行物料衡算和經(jīng)濟(jì)核算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9和表10。由表9可見(jiàn)，在雙烯產(chǎn)量不變的情況下，10 Mt的LPG可替代8.55～10.29 Mt的石腦油。即LPG和石腦油的雙烯收率接近時(shí)，10 Mt的LPG大約能替代10 Mt的石腦油。由表10可見(jiàn)，將10 Mt的LPG替換同等雙烯收率的石腦油后，在丙烯和丁二烯的價(jià)格較高時(shí)，裝置的收益顯著提高。

表9 物料衡算結(jié)果Table 9 Results of material balance

表10 經(jīng)濟(jì)核算結(jié)果Table 10 Cost accounting results

5 結(jié)論

1）LPG用作裂解原料時(shí)，乙烯收率略有下降，但氫氣、丙烯和丁二烯等高附加值裂解產(chǎn)物的收率較以石腦油為裂解原料時(shí)顯著提高。

2）在LPG價(jià)格較低，丙烯和丁二烯產(chǎn)品價(jià)格較高時(shí)，裂解裝置可獲得可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。

3）在保證乙烯和丙烯總產(chǎn)量不變的情況下，10 Mt的LPG大約可替代10 Mt的石腦油。

4）LPG替代石腦油作為裂解原料是優(yōu)化蒸汽裂解原料、提高裝置經(jīng)濟(jì)效益的可行途徑。

5）乙烯企業(yè)需以整體效益最大化為目標(biāo)，根據(jù)原料的市場(chǎng)價(jià)格變化情況，開(kāi)展常態(tài)化效益測(cè)算，及時(shí)調(diào)整原料結(jié)構(gòu)。

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（編輯 王 萍）

Liquefied Petroleum Gas Used as Cracking Feedstock

Zhang Yan
（Chemical Department，SINOPEC，Beijing 100728，China）

The product distribution in the cracking of liquefied petroleum gas（LPG）at different temperature was studied and its economic eff ciency was compared with that in the cracking of naphtha. The results showed that，with the LPG feedstock，the yields of high value-added cracking products，such as hydrogen，propylene and butadiene，signif cantly increased and the ethylene units got higher economic eff ciency. When the total output of ethylene and propylene is unchanged，10 Mt of LPG can replace about 10 Mt of naphtha. Ethylene enterprises should maximize their economic eff ciency by the optimization of the feedstocks according to the market prices of these products.

ethylene；liquef ed petroleum gas；pyrolysis；cracking feedstock；naphtha

1000 - 8144（2015）07 - 0804 - 06

TQ 221.21

A

2015 - 01 - 08；［修改稿日期］ 2015 - 04 - 15。

張燕（1981—），女，山東省萊西市人，碩士，工程師，電話(huà) 010 - 59969556，電郵 yan.zhang@sinopec.com。