輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)配套PDH工藝的經(jīng)濟(jì)效益分析

吳冰峰，孔令江，王子健，張榕芯，馬愛增，于中偉，王杰廣，陸 斌

(中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083)

丙烯作為重要的化工基礎(chǔ)原料已被廣泛應(yīng)用于聚丙烯、環(huán)氧丙烷和丙烯氰等化工產(chǎn)品的制備過程中。近年來,受丙烯下游產(chǎn)品需求持續(xù)增長(zhǎng)的影響,我國丙烯表觀消費(fèi)量逐年提高,據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),截至2021年,丙烯表觀消費(fèi)量已達(dá)45.38 Mt/a,年均復(fù)合增長(zhǎng)率為9.59%。為滿足丙烯市場(chǎng)需求,丙烯產(chǎn)能高速擴(kuò)張,2021年我國丙烯總產(chǎn)能高達(dá)50.55 Mt,同比增長(zhǎng)11.68%,實(shí)際產(chǎn)量為42.97 Mt,同比增長(zhǎng)19.03%。目前,丙烯生產(chǎn)工藝主要包括煤制丙烯工藝、油制丙烯工藝以及輕烴制丙烯工藝。其中,輕烴制丙烯工藝主要包括輕烴蒸汽裂解工藝和丙烷脫氫(PDH)工藝。輕烴蒸汽裂解工藝因受反應(yīng)機(jī)理的限制,其丙烯收率遠(yuǎn)低于丙烷脫氫工藝,并且蒸汽裂解工藝的能耗較大,也嚴(yán)重影響了其經(jīng)濟(jì)效益。在2022年新增丙烯產(chǎn)能中,產(chǎn)能增量主要來自于PDH工藝,PDH規(guī)劃產(chǎn)能共計(jì)為8.87 Mt,占比54.74%,已超過傳統(tǒng)煤制烯烴和油制烯烴路線,這表明PDH工藝在丙烯生產(chǎn)原料構(gòu)成、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和環(huán)保政策方面更具競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

現(xiàn)有的工業(yè)化PDH技術(shù)以丙烷為原料,通過催化脫氫反應(yīng)將丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯,該過程以單一原料生產(chǎn)單一產(chǎn)品,因而丙烯收率高。在過去較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)PDH工藝展現(xiàn)出了可觀的盈利能力,然而從2021年下半年開始,PDH行業(yè)出現(xiàn)了利潤(rùn)驟減,甚至是全線虧損的情況,如何擺脫其經(jīng)濟(jì)性低迷的困局成為業(yè)界當(dāng)前急需解決的重要問題?；谏鲜霰尘?本課題首先對(duì)PDH行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)性分析,概述輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn),分析其經(jīng)濟(jì)效益,為PDH行業(yè)的安全和高效益發(fā)展提出合理化的思路和建議。

1 PDH行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

PDH工藝的經(jīng)濟(jì)性主要是由丙烷和丙烯的價(jià)差決定,因此有必要從丙烷和丙烯的價(jià)格變化情況入手對(duì)PDH行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

從原料端來看,我國丙烷資源地域分布較為分散且純度偏低,而PDH工藝對(duì)丙烷原料的純度要求較高,因此丙烷原料供給缺口長(zhǎng)期依賴從美國和中東進(jìn)口補(bǔ)充[2]。與丙烷不同的是,影響丙烯價(jià)格的因素主要是供需關(guān)系,而非油價(jià)的波動(dòng),這主要是因?yàn)殡S著丙烯產(chǎn)能結(jié)構(gòu)的調(diào)整,油制丙烯所占比例越來越小,從而使得丙烯市場(chǎng)價(jià)格逐漸從油價(jià)影響體系中剝離?；氐奖┑墓┬桕P(guān)系方面,國內(nèi)丙烯下游產(chǎn)品以聚丙烯為主,然而隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段,汽車家電等傳統(tǒng)聚丙烯消費(fèi)領(lǐng)域的發(fā)展速率放緩,并且各地政府相繼頒布限塑、禁塑政策,一定程度上影響了聚丙烯的消費(fèi)量,進(jìn)而對(duì)丙烯的消費(fèi)起到了抑制作用。另外,隨著丙烯產(chǎn)能的進(jìn)一步釋放,預(yù)計(jì)在“十四·五”期間,我國丙烯產(chǎn)能將超過國內(nèi)當(dāng)量消費(fèi)量,出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的局面,屆時(shí)丙烯的價(jià)格可能還會(huì)進(jìn)一步走低[3]。就目前情況來看,導(dǎo)致PDH從2021年下半年進(jìn)入低谷期的主要原因是進(jìn)口丙烷原料的價(jià)格上漲,丙烯與丙烷之間的價(jià)差已由最高時(shí)的4 000元/t跌至1 600元/t左右。丙烯與進(jìn)口丙烷之間價(jià)差縮減直接導(dǎo)致PDH行業(yè)的虧損,同時(shí)也反映出PDH企業(yè)脆弱的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

另外,我國丙烷原料進(jìn)口隨時(shí)可能面臨“卡脖子”難題,屆時(shí)丙烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)的安全將受到嚴(yán)重威脅。因此尋找穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)的丙烷原料來源是PDH行業(yè)擺脫困境,提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力的主要辦法。

2 輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)進(jìn)展及該技術(shù)與PDH工藝配套后的經(jīng)濟(jì)效益分析

2.1 輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)進(jìn)展

根據(jù)國家“十四·五”發(fā)展規(guī)劃,到2025年我國原油加工量將達(dá)到930 Mt/a。隨著煉化規(guī)模的擴(kuò)大,催化裂化、催化重整和加氫等煉油核心裝置將副產(chǎn)大量的低價(jià)值C4～C7輕烴,預(yù)計(jì)到2025年,國內(nèi)輕烴資源將超過30 Mt/a,處于嚴(yán)重過剩狀態(tài)[4]。在輕烴資源利用方面,以丁烷和丁烯為原料的硫酸烷基化技術(shù)雖較為成熟,但面臨酸渣污染環(huán)境、汽油產(chǎn)品需求量減少且價(jià)值不高的問題[5];異丁烷脫氫技術(shù)的應(yīng)用受到了MTBE(甲基叔丁基醚)需求減少的嚴(yán)重限制[6];C5～C6烷烴異構(gòu)化雖可制高辛烷值汽油調(diào)合組分,但隨著國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽油性質(zhì)的進(jìn)一步限制,該組分由于具有較高的蒸氣壓而使其進(jìn)入汽油池的調(diào)合比例也將受限[7-8]。因此,如何高效利用這部分輕烴資源仍是急需解決的問題。

基于這樣的背景情況,中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司(簡(jiǎn)稱石科院)創(chuàng)新地開發(fā)了輕烴轉(zhuǎn)化生成丙烷技術(shù)。該技術(shù)能在催化劑的作用下將輕烴高效轉(zhuǎn)化為丙烷,并副產(chǎn)高價(jià)值的混合芳烴;同時(shí),該技術(shù)具有原料適用性廣、穩(wěn)定性高、產(chǎn)品價(jià)值高、工藝流程簡(jiǎn)單和建設(shè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[9-13]。表1為不同原料轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷的反應(yīng)結(jié)果。由表1可知,丙烷單程收率可達(dá)50%左右,且液體產(chǎn)品研究法辛烷值(RON)可達(dá)95。在實(shí)際生產(chǎn)中,將C4和C5組分循環(huán)回?zé)捄?可獲得更高的丙烷和混合芳烴總收率,其中丙烷產(chǎn)品純度大于97%,可直接作為PDH原料或乙烯裂解原料使用,而副產(chǎn)的混合芳烴可送入抽提裝置回收BTX(苯、甲苯、二甲苯)或用作高辛烷值汽油調(diào)合組分。目前,石科院已經(jīng)分別開發(fā)了基于固定床和移動(dòng)床的輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)[14-15],其中移動(dòng)床輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)更為先進(jìn),可實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)可靠連續(xù)運(yùn)行,自動(dòng)化程度高,取消了固定床反應(yīng)器的停工吹掃步驟。

表1 不同原料轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷的反應(yīng)結(jié)果

此外,輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)具有非常高的生產(chǎn)操作靈活性,通過適當(dāng)調(diào)整工藝條件和催化劑組成可實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)芳烴或多產(chǎn)高辛烷值汽油的產(chǎn)品方案。當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)品為高辛烷值汽油時(shí)(催化劑為金屬改性分子篩型催化劑),加工原料主要為含烯烴的催化裂化干氣、液化氣及輕石腦油,所產(chǎn)汽油的RON可達(dá)92～94;當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)品為芳烴時(shí)(催化劑為專用的金屬改性分子篩型催化劑),芳烴收率可達(dá)50%～60%,同時(shí)副產(chǎn)20%～30%的飽和液化氣(可作為乙烯裂解原料)。這些輕烴轉(zhuǎn)化技術(shù)為煉油企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、高效利用煉油廠輕烴資源和應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求變化提供了技術(shù)支持,輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)很快得到了推廣應(yīng)用和企業(yè)的認(rèn)可,目前已建成并投產(chǎn)了150 kt/a的工業(yè)示范裝置。

2.2 輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)與PDH工藝配套后的經(jīng)濟(jì)效益分析

為了評(píng)估輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)與PDH工藝配套后可節(jié)約的丙烷原料成本,依據(jù)金聯(lián)創(chuàng)公司報(bào)道的2022年3—10月的價(jià)格體系對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。通過輕烴轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)丙烷的成本的計(jì)算式見式(1)。

(1)

式中:CLHTP為輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷的成本,元/t;Pr,CE,PA分別為原料成本、能耗成本和混合芳烴的價(jià)格,元/t;YA和YC3分別為混合芳烴總收率和丙烷收率,%。

另外,考慮到國外供貨商在銷售丙烷原料時(shí),往往搭售約30%的丁烷,因此在計(jì)算進(jìn)口PDH原料成本時(shí)將這部分丁烷費(fèi)用計(jì)算在內(nèi),其計(jì)算式見式(2)。

CPDH=PC3+30%×PC4

(2)

式中:CPDH為進(jìn)口PDH原料成本,元/t;PC3和PC4分別為進(jìn)口丙烷和進(jìn)口丁烷的價(jià)格,元/t。

計(jì)算過程中所需的原料、混合芳烴產(chǎn)品以及輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)的能耗價(jià)格列于表2,使用不同原料時(shí)的丙烷和混合芳烴的總收率列于表3。

表2 原料和混合芳烴產(chǎn)品的價(jià)格及輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷的能耗價(jià)格

表3 使用不同原料時(shí)的丙烷和混合芳烴總收率

表4為不同原料轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷時(shí)的生產(chǎn)成本和PDH原料進(jìn)口成本的對(duì)比情況。由表4可知,輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)的丙烷生產(chǎn)成本明顯低于PDH原料的進(jìn)口成本,其中以裂解C5、醚后C4、混合C4作為原料時(shí),相較于進(jìn)口原料每噸可分別節(jié)約成本907.69,658.33,346.11元。據(jù)此,若將輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)與PDH工藝配套,由輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)所產(chǎn)的高純丙烷代替進(jìn)口原料,可幫助PDH企業(yè)節(jié)約原料成本,創(chuàng)造更大的利潤(rùn)空間,擺脫對(duì)進(jìn)口原料的依賴,提高在面對(duì)進(jìn)口原料價(jià)格上漲時(shí)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

表4 不同原料轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷時(shí)的生產(chǎn)成本與進(jìn)口PDH原料成本的對(duì)比

3 結(jié) 論

(1)導(dǎo)致PDH行業(yè)處于低谷期的主要原因是丙烷原料價(jià)格上漲,尋找穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)的丙烷原料來源是PDH行業(yè)擺脫困境、提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力的主要方法。

(2)輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)具有很高的操作靈活性,可根據(jù)市場(chǎng)需求變化靈活調(diào)變產(chǎn)品方案,實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)丙烯、芳烴或多產(chǎn)高辛烷值汽油。目前石科院已經(jīng)開發(fā)基于移動(dòng)床的輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)。

(3)輕烴轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烷技術(shù)與PDH配套后,可大幅節(jié)約原料成本,提高PDH企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力、抗風(fēng)險(xiǎn)能力和保障PDH產(chǎn)業(yè)鏈的安全。