丙烷蒸汽裂解與丙烷脫氫的技術(shù)經(jīng)濟性分析

朱 青，張 松，蔣 也

（中國石化集團經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 100029）

世界丙烯生產(chǎn)以乙烯裂解裝置聯(lián)產(chǎn)和煉廠副產(chǎn)回收路線為主，目前專門生產(chǎn)丙烯的技術(shù)比例正逐步提高。生產(chǎn)乙烯最常用的是蒸汽裂解技術(shù)，主要以石腦油、加氫裂化尾油、乙烷、丙烷、液化石油氣（LPG）等作為原料。由于我國丙烷資源有限，采用純丙烷作為裂解原料的企業(yè)較少，純丙烷作為乙烯原料僅占中國石化乙烯裝置進料的0.5%，在國內(nèi)外也尚無全部采用純丙烷進料的乙烯裂解工業(yè)化裝置。近年來，丙烷脫氫（PDH）、甲醇制丙烯（MTP）等專門生產(chǎn)丙烯的技術(shù)取得了較大發(fā)展，特別是在中東、亞洲等具有資源優(yōu)勢的地區(qū)。隨著全球丙烷資源量增加，PDH技術(shù)由于具有進料單一、產(chǎn)品單一（主要是丙烯）等特點，其產(chǎn)能更是增長迅速。

1 丙烷資源與丙烷價格

1.1 丙烷資源

丙烷是處理天然氣或油田伴生氣、原油煉制得到的副產(chǎn)物，目前世界丙烷產(chǎn)量約1.6億噸[1]。隨著天然氣加工丙烷產(chǎn)量的快速增長，來自天然氣加工的丙烷占70%，剩余30%來自煉油廠加工。

美國和中東是世界上主要的丙烷生產(chǎn)國。從全球丙烷供給的角度看，新增丙烷主要來自美國頁巖氣革命產(chǎn)生的丙烷增量。據(jù)EIA數(shù)據(jù)統(tǒng)計，自2016年以來，美國丙烷產(chǎn)量增長較快，2018年、2019年丙烷產(chǎn)量年均增長達到13%，2021年美國丙烷產(chǎn)量為63 671萬桶，比2020年增加3.4%。2018年中東地區(qū)丙烷產(chǎn)量約為3 700萬噸，若OPEC原油產(chǎn)量穩(wěn)定，中東地區(qū)丙烷供給量將維持原有水平。

全球丙烷產(chǎn)量、消費量基本持平（見圖1）。在丙烷消費中，居民和商業(yè)用燃料消費占比47.2%，化學品消費量占比33.6%，工業(yè)和發(fā)動機燃料消費占比15.8%。丙烷作為化工原料，越來越多地用于PDH制丙烯。自2011年以來，全球PDH裝置產(chǎn)能持續(xù)快速增長，截至2021年底，全球PDH裝置產(chǎn)能約1 806萬噸/年，根據(jù)相關(guān)預測，未來全球PDH產(chǎn)能將繼續(xù)大幅增長。

圖1 2000-2016年全球丙烷產(chǎn)量和消費量

我國丙烷供小于求，需要進口來彌補需求缺口，我國丙烷主要用于民用燃料和化工原料。近年來，我國丙烷需求增長得益于PDH的產(chǎn)能擴張，預計2025年國內(nèi)產(chǎn)能將接近2 000萬噸/年，以此估算，需要進口丙烷約2 404萬噸。

2021年我國進口丙烷1 913萬噸，主要來自中東和北美。2015–2017年，我國從美國年均進口總量約300萬噸，占全部進口量的1/6。自2018年從美國進口丙烷關(guān)稅提高后，我國進口來自美國的丙烷總量不斷減少，2019年從美國進口丙烷僅0.2萬噸。隨著2020年關(guān)稅政策的調(diào)整，從美國進口丙烷量開始增加，2020年進口421萬噸，占進口總量的27.9%；2021年進口774萬噸，占進口總量的40.0%。2017–2021年我國進口液化丙烷數(shù)量及來源如圖2所示。

圖2 2017-2021年我國進口液化丙烷數(shù)量與來源

1.2 丙烷價格

全球丙烷價格主要參考沙特CP價格和美國MB價格，CP價格即沙特阿美合同價，由沙特阿美石油公司于每月底對外公布，目前CP價格已作為很多國家與地區(qū)LPG貿(mào)易出口的參考定價；美國MB價格是指德克薩斯州的Mont Belvieu價格加上美國內(nèi)陸運輸費用，即美國丙烷的出口離岸價。影響丙烷價格的因素較多，主要包括原油價格、天然氣價格、市場供需、民用和商用丙烷及石化工業(yè)的需求、季節(jié)變化等因素。

自2020年10月以來，全球丙烷需求多而供應少，導致丙烷價格上漲。2021年，沙特丙烷CP均價為674美元/噸，與2019年、2020年相比分別上漲了55%、70%；美國丙烷MB現(xiàn)貨FOB均價為1.04美元/加侖，與2019年、2020年相比分別上漲了92%、125%。近年沙特、北美丙烷價格如圖3所示。

圖3 2017-2021年沙特、北美丙烷價格

我國是丙烷的凈進口國，目前約70%的丙烷用于民用和工業(yè)燃料，剩余30%作為化工原料，主要用于PDH裝置。丙烷價格通常是季節(jié)性的，在冬季達到峰值，在夏季見底。自2015年起我國丙烷進口量逐年增加，年均增加約12.7%。2021年我國丙烷進口量約1 913萬噸，受全球丙烷價格上漲影響，2021年進口到岸價為4 277元人民幣/噸，與2019年、2020年相比分別上漲了26%、40%。

圖4 2001-2021年我國丙烷海關(guān)進口量及價格

2 丙烷蒸汽裂解與PDH的工藝技術(shù)對比

2.1 丙烷蒸汽裂解工藝

目前，國內(nèi)外蒸汽裂解工藝按照分離技術(shù)的不同可分為順序分離流程、前脫乙烷前加氫流程和前脫丙烷前加氫流程（見表1）。國外比較著名的裂解爐專有技術(shù)商有5家，包括：KTI的GK型裂解爐，Lummus公司的SRT型裂解爐，Stone &Webster公司的UCS裂解爐，KBR的SC-1型爐以及Linde公司的裂解爐。國內(nèi)寰球工程公司開發(fā)的HQC裂解技術(shù)在大慶石化60萬噸/年乙烯裝置上得以應用；中國石化工程建設(shè)公司開發(fā)的CBL裂解技術(shù)也已在國內(nèi)鎮(zhèn)海煉化等企業(yè)得以應用。

表1 主要的乙烯工藝流程

丙烷裂解與常規(guī)石腦油裂解下游分離工藝略有差異，一般認為輕質(zhì)原料裂解下游分離工藝相對簡單，投資相對較低。根據(jù)2015年《Ethylene Process》報告[2]，50%乙烷/50%丙烷裂解固定投資是全石腦油裂解投資的79%。

由于裂解原料是丙烷，其裂解產(chǎn)物分布與石腦油等原料裂解分布不同（見表2）。

表2 常見原料裂解產(chǎn)物分布 噸/噸

2.2 PDH工藝

丙烷選擇性脫氫是一種用唯一原料（丙烷）來生產(chǎn)唯一產(chǎn)品（丙烯）的技術(shù)，采用催化脫氫方法，在高溫和相對低壓下丙烯總收率高達85%。目前已工業(yè)化的PDH制丙烯工藝主要有UOP公司的Olefiex工藝、ABB Lummus公司的Catofin工藝，國內(nèi)主要有中國石油大學開發(fā)的PDH技術(shù)。

Oleflex工藝為UOP公司專利技術(shù)，在壓力大于0.1 MPa、溫度580～650℃、鉑催化劑作用下進行丙烷的脫氫、分離和精餾，得到聚合級丙烯產(chǎn)品。反應中不用氫氣或水蒸氣作稀釋劑，故可降低能耗和操作費用。丙烷單程轉(zhuǎn)化率35%～40%，丙烯選擇性為84%，丙烯產(chǎn)率約為85.0%，氫氣產(chǎn)率約為3.6%。

Catofin工藝是美國ABB Lummus公司開發(fā)的C3～C5烷烴脫氫生產(chǎn)單烯烴技術(shù)，該工藝通過鉻—鋁催化劑固定床按烴類—熱空氣循環(huán)方式操作將丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯。該工藝丙烷單程轉(zhuǎn)化率約為45%，總轉(zhuǎn)化率大于85%，工藝操作溫度593～649℃，壓力33.86～50.79 kPa。

國內(nèi)新型丙烷/丁烷脫氫（ADHO）技術(shù)是中國石油大學重質(zhì)油國家重點實驗室開發(fā)的技術(shù)。采用無毒無害的非貴金屬催化劑，減少了對環(huán)境和操作人員的危害，降低成本。丙烷單程轉(zhuǎn)化率為41.28%，丙烯收率和選擇性分別為33.03%和80.01%。

PDH工藝產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為簡單，主要產(chǎn)品為丙烯，副產(chǎn)品主要為氫氣、乙烷、丁烷和重組分等（見表3）。

表3 PDH工藝產(chǎn)品收率

3 丙烷蒸汽裂解與丙烷脫氫的經(jīng)濟性對比分析

3.1 測算基礎(chǔ)條件

參考中國石化相關(guān)項目可研資料，80萬噸/年采用全丙烷進料的乙烯（副產(chǎn)丙烯32萬噸/年）蒸汽裂解裝置建設(shè)投資約66億元，60萬噸/年P(guān)DH裝置建設(shè)投資約43億元。測算價格分別參考原油價格為40，60，80美元/桶時的中國石化效益測算價格[4]以及2018–2020年華東市場價格。

3.2 效益測算結(jié)果對比

3.2.1 采用中國石化效益測算價格測算結(jié)果

丙烷含稅價格參考飽和液化氣價格。在原油價格為40，60，80美元/桶時，丙烷含稅價格分別為2 847，4 132，5 185元人民幣/噸。烯烴價格參考聚烯烴價格扣減加工費用考慮，丙烯含稅價格分別為5 047，6 737，8 061元人民幣/噸；乙烯含稅價格分別為6 467，7 588，8 303元人民幣/噸。

采用原油價格為40，60，80美元/桶時的預測價格，丙烷蒸汽裂解裝置稅后財務(wù)內(nèi)部收益率分別為17.02%，9.61%，1.11%；PDH裝置稅后財務(wù)內(nèi)部收益率分別為8.38%，11.02%，12.6%。

測算結(jié)果表明，丙烷蒸汽裂解裝置的效益隨油價升高而降低，主要是因為丙烷裂解制烯烴產(chǎn)品中乙烯占比相對較大，丙烯較小，測算價格體系中乙烯與丙烷價差隨油價變動幅度相對較小，丙烯與丙烷價差隨油價變動幅度相對較大，因此測算結(jié)果顯示其效益隨油價升高而降低。PDH裝置效益隨油價變動而升高，PDH制丙烯主要產(chǎn)品為丙烯，隨油價走高，測算價格體系中丙烷和丙烯價差變大，項目投資收益率隨之提高。

3.2.2 采用2018-2021年市場價格測算結(jié)果

根據(jù)2018–2021年烯烴和進口丙烷價格可知，2018年烯烴與進口丙烷價差相對較大，2020年價差相對較?。?019–2021年，丙烯價格大多高于乙烯價格（見圖5）。

圖5 2018-2021年我國丙烷、烯烴價格

采用2018–2021年價格測算，其中丙烷價格采用進口液化丙烷價格，丙烷蒸汽裂解裝置稅后財務(wù)內(nèi)部收益率分別為23.71%、11.79%、1.99%、6.21%，稅后財務(wù)凈現(xiàn)值為65.30億，7.50億，–28.90億，–14.89億元；PDH裝置稅后財務(wù)內(nèi)部收益率分別為20.14%、16.53%、14.37%、11.33%，稅后財務(wù)凈現(xiàn)值分別為29.9億，18.5億，12.0億，3.6億元。

根據(jù)測算結(jié)果可知，2018年烯烴與丙烷價差較大，丙烷蒸汽裂解裝置、PDH裝置效益均好于2019–2021年各年效益，同時2018年乙烯價格高于丙烯價格，在2018年價格情況下，丙烷蒸汽裂解裝置的效益優(yōu)于PDH裝置。從2019年開始，丙烯價格逐漸走高，在大多數(shù)情況下高于乙烯價格，因此在2019–2021年價格水平下，PDH裝置的效益優(yōu)于丙烷蒸汽裂解裝置。在乙烯價格高于丙烯價格時，丙烷蒸汽裂解裝置的效益更優(yōu)，反之，則PDH裝置的效益更優(yōu)。

3.3 PDH裝置與丙烷蒸汽裂解的成本對比

PDH裝置主要工藝路線有UOP Oleflex工藝、Lummus Catofin工藝、Dow FCHh工藝等，其中DOW FCHh工藝是DOW公司最新推出的技術(shù)，尚未有商業(yè)化應用?？紤]到目前UOP工藝技術(shù)應用最為廣泛，本研究中PDH裝置采用UOP工藝技術(shù)與丙烷蒸汽裂解工藝進行成本對比分析。

以華東地區(qū)建設(shè)的丙烷蒸汽裂解裝置、PDH裝置為例進行對比（見表4），丙烷蒸汽裂解裝置規(guī)模乙烯80萬噸/年（副產(chǎn)丙烯32萬噸/年），PDH裝置規(guī)模為60萬噸/年。從單位烯烴產(chǎn)品投資（僅考慮裝置工程費用）看，丙烷蒸汽裂解單位烯烴產(chǎn)品投資為3 214元/噸烯烴產(chǎn)品，PDH單位丙烯投資為3 769元/噸丙烯產(chǎn)品，PDH裝置單位投資略高。

表4 烯烴對比基準條件

PDH裝置與丙烷蒸汽裂解裝置丙烷單耗分別為1.230噸/噸烯烴、1.714噸/噸烯烴，丙烷蒸汽裂解裝置原料成本高于PDH裝置；丙烷蒸汽裂解產(chǎn)品規(guī)模大，單位產(chǎn)品投資稍低，單位產(chǎn)品折舊低。根據(jù)成本測算結(jié)果（見表5），在60美元/桶測算價格下，PDH裝置丙烯生產(chǎn)成本為4 728元人民幣/噸、丙烷蒸汽裂解裝置烯烴生產(chǎn)成本為5 188元人民幣/噸，PDH裝置單位烯烴產(chǎn)品成本低于丙烷蒸汽裂解裝置。

表5 PDH與丙烷蒸汽裂解制烯烴成本對比 元人民幣/噸

從成本構(gòu)成看，丙烷蒸汽裂解單位烯烴產(chǎn)品丙烷單耗高，原輔材料成本較高；丙烷蒸汽裂解副產(chǎn)大量甲烷、裂解汽油等副產(chǎn)品，其副產(chǎn)品回收值遠大于PDH裝置，副產(chǎn)品回收值較高；丙烷蒸汽裂解裝置單位烯烴公用工程消耗高于PDH裝置。另外，丙烷裂解裝置燃料消耗較大，單位烯烴產(chǎn)品燃動消耗是PDH裝置的一倍多。綜合測算結(jié)果表明，丙烷蒸汽裂解單位烯烴產(chǎn)品生產(chǎn)成本高于PDH裝置。

4 結(jié)語

PDH裝置原料結(jié)構(gòu)單一，裝置經(jīng)濟性取決于丙烯與丙烷價差；丙烷蒸汽裂解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為復雜，除乙烯、丙烯產(chǎn)品外，還有混合C4、裂解汽油、甲烷等副產(chǎn)品，副產(chǎn)品量占總產(chǎn)品量的26.8%，因此丙烷蒸汽裂解裝置經(jīng)濟性除丙烷與烯烴價差外，還與副產(chǎn)品價格變動有關(guān)。近兩年丙烯價格逐漸走高并高于乙烯價格，在此價格水平下，PDH裝置投資回報優(yōu)于丙烷蒸汽裂解裝置。

從成本構(gòu)成看，丙烷蒸汽裂解裝置原輔材料成本較高，但副產(chǎn)品回收值高，丙烷蒸汽裂解裝置燃料消耗較大，單位烯烴產(chǎn)品燃動消耗是丙烷脫氫裝置的一倍多，綜合測算結(jié)果表明，丙烷蒸汽裂解單位烯烴產(chǎn)品生產(chǎn)成本高于PDH裝置。

目前世界烯烴原料繼續(xù)保持多元化趨勢，以石腦油為原料的乙烯生產(chǎn)比例正逐年下降，乙烷和丙烷等輕烴原料占比正在上升，在輕烴原材料價格優(yōu)勢明顯的情況下，以輕烴為原料的烯烴產(chǎn)品將更具競爭力。丙烷作為化工原料，正越來越多地用于PDH制丙烯。