丙烷用作乙烯原料研究

2018-04-02杜志国王国清

石油化工 2018年1期

郭莹，周丛，杜志国，王国清

（中国石化北京化工研究院，北京 100013）

乙烯是石油化工的“龙头”装置，乙烯装置的生产成本在很大程度上决定了整个石油化工产业链的竞争力和抵御市场风险的能力，而乙烯原料费用占到了乙烯总生产成本的60%～80%［1］。目前，我国乙烯原料以石脑油为主，另有柴油、轻烃和加氢尾油作为补充［2］。21世纪以来，我国乙烯工业的迅速发展导致裂解原料相对短缺，同时原油价格的大幅波动和技术的快速进步，特别是轻烃资源丰富的中东地区石化产能的快速扩张、北美页岩气和中国煤化工产业的高速发展，给以石脑油为原料的传统石化产业带来了巨大冲击和挑战，由此推动了乙烯原料向多元化方向发展［3］。中东、北美等地区天然气的开发利用和北美页岩气的大规模发展，使得该地区低成本的乙烷被大量用作乙烯裂解原料，丙烷资源被出口销售，我国借此进口了大量丙烷。丙烷在用作石油化工生产原料时，最重要的用途是丙烷脱氢制丙烯［4-10］。然而由于国际原油价格下跌，丙烷脱氢项目投资步伐放缓，许多建设项目终止［11］，需要为丙烷原料寻找合适的利用途径。丙烷作为一种轻烃资源，也可以考虑用作裂解原料生产乙烯、丙烯等低碳烯烃［12-15］。

本工作通过研究丙烷原料的裂解性能与裂解经济性，探讨了丙烷用作裂解原料的可行性。

1 实验部分

1.1 原料性质

选用纯丙烷原料研究了丙烷的裂解性能。为了与其他典型原料的裂解性能进行对比，另外选取了中国石油化工股份有限公司上海分公司（简称上海石化）的液化石油气、轻石脑油、石脑油和高压加氢尾油四种典型原料，其中，液化石油气的组成见表1，轻石脑油、石脑油和加氢尾油的性质见表2。

表1 液化石油气的组成Table 1 Composition of liquefied petroleum gas(LPG)

1.2 实验装置

选用中国石化北京化工研究院设计开发的NM-II型蒸汽裂解模拟实验装置。该装置由进料、裂解反应和冷却分离3部分构成。反应器采用双面电加热，炉管垂直悬挂在炉子中央，在对流段、辐射段的不同区间内设置多个压力、温度测量点及温度控制点。裂解原料的进料量为500～3 000 g/h。整套实验装置采用DCS计算机系统进行控制。裂解模拟实验装置示意图如图1所示。

图1 裂解模拟实验装置示意图Fig.1 Cracking simulator flowchart.

1.3 工艺条件

丙烷裂解实验选用常规气体炉炉型，丙烷裂解的工艺条件见表3。

表3 丙烷裂解工艺条件Table3 Process conditions of propane cracking

2 丙烷的裂解性能

原料裂解后，产物中的乙烷、丙烷被分离后重新返回裂解炉进行循环裂解，所得裂解产物的收率为综合收率。表4对比了丙烷与其他常用原料的裂解产物综合收率，其中，三烯收率为乙烯、丙烯和丁二烯的收率，高附加值产物收率为氢气、乙烯、丙烯、丁二烯和苯的收率。

对比表4中的数据可以发现，与石脑油、加氢尾油、轻石脑油以及液化石油气原料相比，丙烷原料的裂解产物中乙烯、氢气的收率明显较高，但丙烯和丁二烯的收率略低，碳四以上重组分产物收率偏低，同时非目的产物甲烷的收率稍高。但总体看来，丙烷用作裂解原料时，三烯收率和高附加值产物收率均高于石脑油、加氢尾油、轻石脑油和液化石油气原料。

表4 不同原料裂解产物的综合收率Table 4 The main pyrolysis product yield of different raw materials

3 丙烷裂解的经济性

为进一步探讨丙烷裂解的经济性，测算了丙烷与其他原料的裂解经济效益。测算过程中，不考虑固定费用，以“边际效益”为标准进行测算，边际效益=产品收入-原料费用-辅材燃动费用。

3.1 测算条件

3.1.1 价格选取

价格是影响经济效益的重要因素，选取上海石化在不同时期、不同原油价格体系下所对应的乙烯原料与裂解产品的不含税价格（见表5）进行经济测算，其中，原油价格为DTD布伦特价，丙烷价格选用各企业按照中国石化统一定价机制公式得到的外采丙烷（不含税）价格。由于上海石化无甲烷价格，故选用中国石化平均价格。

3.1.2 辅材燃动费用

表6为不同原油价格下上海石化乙烯装置的辅材燃动费用数据。

表5 价格体系数据Table 5 Price data

表6 乙烯装置的辅材燃动费用Table 6 Auxiliary materials and burning charges of the ethylene device

3.2 测算结果

六套价格体系下丙烷与其他四种原料的裂解产品收入、原料费用、辅材燃动费用和边际效益测算结果见表7，其中，裂解产品收入、原料费用和边际效益均基于原料。由表7可见，在所有的测算价格体系下，丙烷裂解的“边际效益”均为正值。

表7 各种原料裂解经济性对比Table7 The economic contrast of various cracking feedstock

3.2.1 不同原料的裂解经济性对比

原料种类是影响裂解装置经济效益的重要因素。由表7可见，在各种原油价格体系下，丙烷原料的裂解边际效益普遍高于常规石脑油原料；在部分原油价格体系下，甚至高于加氢尾油、轻石脑油和液化石油气原料。以上海石化为例，在不同价格体系下丙烷的裂解边际效益高出石脑油6%～27%。

丙烷裂解时，三烯收率和高附加值产物收率均高于其他四种原料，因此丙烷的裂解产品收入较高（见表7）。但是，由于丙烷的原料价格相对于其他原料明显偏高，即丙烷的原料费用较高（见表7），而边际效益=产品收入-原料费用-辅材燃动费用，因此较高的原料费用导致丙烷的裂解边际效益大幅下降，但仍高于石脑油。

3.2.2 价格对原料裂解经济性的影响

价格是影响裂解经济效益的又一重要因素，而价格尤其是裂解原料的价格与原油的价格直接相关，图2比较了不同原油价格下各种原料的裂解边际效益、原料费用和产品收入。图3为裂解产品价格随原油价格的变化。

图2 不同原油价格下各原料的裂解经济性对比Fig.2 Economic comparison of cracking feedstock under different crude oil prices.

由图2a可见，当原油价格升高时，各种原料的裂解边际效益都呈下降趋势，且丙烷原料的下降幅度较大。这是由于，在中国石化的定价机制中，丙烷、液化石油气、轻石脑油和加氢尾油的价格均与石脑油的价格成正比，而石脑油是根据原油进行定价的，因此当原油价格较高时，裂解原料价格亦较高（见图2b）。然而，对比图2c与图2b可发现，裂解产品价格的升高幅度要低于原料价格的上涨幅度，由此造成了裂解边际效益随着原油价格的升高而下降。同时，当丙烷用作裂解原料时，在裂解产物中甲烷、氢气、乙烯的收率要高于其他原料，而这些低相对分子质量产品的价格随原油价格的上涨幅度相对丙烯等产品的上涨幅度小，尤其是甲烷产品的价格随原油价格的变化极小（见图3），这就导致了原油价格升高时，丙烷裂解的产品收入的上升幅度较其他原料小，因此当原油价格上升时丙烷的裂解边际效益下降更大。例如，在原油价格为每桶98.94 $时，丙烷的原料价格为5389元/t，相较原油价格为每桶43.73 $时的丙烷原料价格升高了2 855元/t，但此时的主产物乙烯的价格上升1 697元/t，显著低于原料丙烷价格的上升幅度，因此边际效益下降。同时丙烷裂解时，氢气、甲烷、乙烯三种产物的收率高于其他原料，而氢气和乙烯的价格仅上升1 894元/t和1 697元/t，甲烷产品的价格甚至下降了262元/t；但丙烯、碳四、苯和裂解汽油的价格分别上升了3348，2 989，3 018，2 600元/t，由此造成了丙烷原料的裂解边际效益随原油价格的上升下降幅度较大。

图3 裂解产品价格随原油价格的变化Fig.3 Cracking product prices vary with the price of crude oil.

4 裂解装置能力研究

要选用丙烷原料进行裂解，必须具有足够的气体炉能力。中国石化目前运行的乙烯蒸汽裂解装置共14套，裂解炉158台，总的公称设计能力12.66 Mt/a。其中，气体炉24台，包括采用自主国产化CBL技术改造和新建的裂解炉15台、Lummus SRT型炉4台、惠生HS-Ⅰ型炉2台、S&W USC型炉2台和中国石化与Lummus合作开发的SL型炉1台，气体炉总设计能力为1.877 Mt/a，即气体炉每年可生产乙烯1.877 Mt。

各种乙烯原料裂解所产的乙烷和丙烷需要被分离后返回裂解装置进行裂解，占用气体炉能力。2016年中国石化各乙烯企业全年进料量为31.197 6 Mt（不包括武汉石化），按照2016年中国石化总体乙烯原料结构数据（见表8），以分离系统损失为5%计算，得到各企业所产循环乙烷和循环丙烷的量约为1.540 9 Mt/a，其中循环乙烷1.1723 Mt/a，循环丙烷0.368 6 Mt/a。这些循环乙烷和丙烷被送入气体炉用作裂解原料，共可生产乙烯0.7777 Mt/a。

中国石化总气体炉能力为1.877 Mt/a，减去裂解循环乙烷丙烷用掉的生产能力0.7777 Mt/a，气体炉剩余能力约为1.0993 Mt/a，如将剩余的气体炉用于裂解丙烷原料，则可以裂解丙烷2.996 9 Mt/a。除了气体炉之外，在实际生产中，一些设有气体进料系统的轻油炉也可以用来裂解丙烷原料。如上海石化的BA-111炉为GK-V型裂解炉，设计能力为60 kt/a，设计原料为石脑油和丙烷。