丙烷脱氢技术或将改变全球丙烯业

□ 文/孙海洋

近年来全球丙烯需求增长迅速，石脑油裂解和炼油厂催化裂化等传统工艺生产的丙烯难以跟上需求快速增长的步伐。为了确保丙烯供应，必须实行替代生产工艺。在少数几个以丙烯生产为重点的生产工艺中，丙烷脱氢（PDH）已被证明是最有效的生产工艺。因此，PDH项目全球受到热捧。目前，全球投入运营的PDH装置已经有26套，第27套装置计划2018年在阿布扎比开始投产，未来将会有更多的PDH装置投入生产。业内专家预测，未来全球丙烯供应将由原先的石脑油裂解装置和炼油厂催化裂化装置主导的格局转向石脑油裂解装置、炼油厂催化裂化装置和PDH装置三足鼎立的局面。

需求增长扩能加速

过去5年，全球丙烯需求以年均5%的速度快速增长，其中一些发展中国家的增速是全球平均增速的2—3倍。全球新增产能主要集中在中国，以MTO、CTO和PDH装置为主。截至2017年，中国新兴工艺丙烯产能占比已经达到37%。目前中国已有8套丙烷脱氢装置（包括两套混合烷烃脱氢装置），丙烯年总产能达到300万吨（考虑到开车时间的有效产能）。另有3套PDH在建同时还有多套装置在规划中。CTO/CTP装置有7套，MTO/MTP装置有13套，丙烯年总产能达480万吨。还有多套规划装置计划在2020年之前投产。仅在2016年，就有6套MTO/MTP和3套CTO以及3套PDH装置计划投产。IHS公司预计，到2020年，中国新兴工艺丙烯产能占比将达55%。新兴工艺快速发展，将中国丙烯自给率从2009年的45%提升至2016年的逾60%，2020年中国自给率将达90%。

除中国外，北美也有不少丙烯新增产能。北美页岩气快速发展，明显增加了乙烷和LPG的供应量。自2007年开始，北美乙烷裂解相对石脑油裂解的成本优势开始显现，投资者开始加大对乙烷裂解装置的投资，2016年北美乙烷裂解制乙烯占比达到该地区乙烯供应量的73%。然而，乙烷裂解的丙烯收率远远低于石脑油裂解的丙烯收率。在乙烷裂解中，丙烯和乙烯的产量比值不及4%，而石脑油裂解装置的丙烯和乙烯产量比值能够达到50%。北美裂解原料轻质化趋势使该地区蒸汽裂解装置丙烯产能较2007年减少了7%。

为满足该区域对丙烯的需求，北美市场利用原料丙烷成本优势，开始兴建丙烷脱氢装置以弥补裂解原料轻质化发展带来的供需缺口。IHS预计到2020年，北美丙烷脱氢制丙烯装置年产能将达450万吨，包括Flint Hills Resources年产66万吨装置，陶氏化学年产75万吨装置，奥升德年产117万吨装置和FPC年产60万吨装置等。此外，日本、韩国和中国台湾地区也在兴建烯烃转化和丙烷脱氢等装置。特别是韩国，2016年丙烷脱氢和烯烃转化装置年产能已经达到110万吨，2017年规模将进一步增加到近200万吨。

未来5年，随着全球多套PDH、CTO、MTO装置建成投产，丙烯来源将更加丰富。S预计2020年，蒸汽裂解和炼厂催化裂化所占比例将下滑到70%，新兴生产工艺的产能占比则上升到30%。丙烯供应多元化趋势将更加明显。

传统工艺难以满足需求

聚丙烯（PP）需求快速增长一直是丙烯生产工艺迅速扩大的主要推动力。

PP是一种多用途塑料，已从根本上改变了塑料用途。在全球范围内，有2/3的丙烯用来生产PP。因为PP需求不断增长，丙烯生产商不得不寻找替代工艺来确保足够的供应。

在中国，许多应用领域对PP的偏好已刺激PP产能扩张，导致丙烯需求增加。当前中国PP产能占全球总产能的约1/3，过去5年，中国PP产能增长了14%。受PP需求快速增长的刺激，中国已加大了新建丙烯产能的投资力度。当前中国拥有全球28%的丙烯产能和14%的乙烯产能。

2016年，全球约48%的丙烯来自乙烯裂解装置的副产品。近年来，这一比例已下降，因为一些裂解装置开始用更轻质的原料替代石脑油，导致丙烯收率下降。这一趋势在美国尤为突出，因为天然气凝析液（NGL）和液化石油气（LPG）的价格很低。多数新建乙烯裂解装置都是以乙烷为主要原料设计的，这些装置的丙烯产能通常不到乙烯产量的2%。

在欧洲和亚太地区的裂解装置中使用NGL原料的比例也在增加，主要是由于NGL原料的国际贸易量正在增加。现在，逾50%欧洲裂解装置可使用比石脑油更轻的原料，并且在港口新增了大量基础设施来处理进口的原料船货。

全球约1/3的丙烯供应来自炼厂。近年来，油价持续下跌已刺激汽油需求强劲增长，炼厂的加工量居高不下。供应增加填补了裂解装置原料轻质化带来的丙烯收率下降的缺口。据预测，油价难以站稳80美元/桶，并使得汽油需求和炼厂开工率强劲增长。但即使世界经济逐渐恢复，汽油需求增长也将低于丙烯增长幅度。

丙烷脱氢是在非均相催化剂存在下进行的吸热反应。产品包括丙烯、氢气和少量的甲烷、乙烷、乙烯等轻烃。其中丙烯是最有价值的产品，氢气也可以用作当地炼油厂作为从燃料中去除硫的工具。一个新的世界级PDH装置的费用可能高达15亿美元。世界级规模的装置能力为75万吨/年，通常是蒸汽裂解装置或炼油厂的丙烯产能的数倍。

在全球范围内运行的PDH装置中，约有60%使用霍尼韦尔UOP的Oleflex技术。其余的PDH装置使用西比埃·姆斯的Catofin技术，一套设施使用蒂森克虏伯公司的STAR技术。东北亚地区是采用这些新技术最快的国家，单产丙烯产量占地区产能的30%。以煤和甲醇为基础的丙烯生产能力近年来快速增长。然而，由于短期的产能过剩压制利润率和新的环境法规增加了投资成本，预计这一增长将放缓。

PDH装置异军突起

为缓解日益增长的丙烯供应缺口，业内正加快投资专产丙烯的生产技术，如PDH和以煤炭和甲醇为原料的工艺。这些专产丙烯的技术对解决因为丙烯衍生物以更快速度增长，以及裂解装置原料轻质化，导致丙烯收率下降而出现的供应缺口至关重要。此外，由于美国和中国的产能大幅扩张，2019年和2020年全球乙烯供应可能过剩，这将削减乙烯裂解装置的开工率水平。

PDH工艺的主要产品是丙烯和氢气，同时生产少量甲烷、乙烷、乙烯和其他轻烃。其中丙烯是最有价值的产品，但氢气也可用于当地炼厂的燃料脱硫。当前一套新建的世界级规模的PDH装置成本高达15亿美元，在全球范围内运行的PDH装置中，约有60%采用了霍尼韦尔的Oleflx技术，其余PDH装置采用鲁姆斯公司的Catofin技术，还有一套装置采用ThyssenKrupp工业解决方案公司的STAR技术。

1200万吨/年

当前全球PDH装置的丙烯产能已超过1200万吨/年，其中中国的产能占全球的逾一半。中国首套PDH装置2013年在天津投产，当前投产的PDH装置已有12套，而且多数还配套下游的衍生物生产装置。

东北亚地区是采用这些新技术最快的地区，当前专产丙烯产量已占该地区丙烯产能的30%。近年来，以煤和甲醇为原料的丙烯产能增长迅速。然而，因为短期产能过剩压制利润和新的环保法规增加投资成本，增长预计将放缓。

当前全球PDH装置的丙烯产能已超过1200万吨/年，其中中国的产能占全球的逾一半。中国首套PDH装置2013年在天津投产，当前投产的PDH装置已有12套，而且多数还配套下游的衍生物生产装置。由于中国的丙烷原料不符合要求的规格，当前所有PDH装置所需的丙烷原料都依赖从美国或中东进口。

美国将继续扩大PDH装置的丙烯产能，其已受益于廉价的丙烷原料。美国第三套PDH装置已于2017年11月投产，第一套装置是2010年投产，第二套是2015年底投产。美国的丙烯供应紧张局面已有所缓解，前几年因为一些石脑油裂解装置转向使用更轻质的乙烷原料，导致美国丙烯供应非常紧张，丙烯价格大幅飙升。

未来几年，加拿大也将有新建的PDH装置投产。油气中游公司Inter Pipeline董事会已批准在加拿大艾伯塔省投资35亿美元新建一座PDH和PP一体化工厂。Inter Pipeline表示，该生产设施设计将2.2万桶/日的丙烷转化为52.5万吨/年的PP，丙烷将来自公司旗下的子公司和其他当地供应商，预计该工厂将在2021年底建成。

在西欧，两套小型PDH装置已运营了几年。受裂解装置原料轻质化导致丙烯产量大幅下降，以及一些炼厂陆续关闭的影响，预计未来西欧地区会建更多PDH装置。英力士公司和北欧化工正研究新建一套世界级规模PDH装置的可行性，双方预计2018年宣布最终计划。