丙烷脱氢工艺及其市场分析

张彩凤，付 辉，周大鹏，董海波

江苏斯尔邦石化有限公司 江苏连云港 222000

丙烯是仅次于乙烯的重要石油化工基本原料，除合成聚丙烯(PP)外，丙烯还可用于生产丙烯腈、丁辛醇、异丙醇、苯酚和丙酮、丙烯酸及其脂类等众多下游产品，正逐步取代传统的材料。国内外市场需求旺盛，随着丙烷脱氢技术趋于成熟及世界非常规天然资源开发获得突破，丙烷脱氢(PDH)制丙烯项目有较强竞争力，引发巨头纷纷投资，成为行业发展的热点[1]。

1 丙烷脱氢工艺简述

丙烷脱氢制丙烯技术问世迄今已有20多年历史，经过不断完善，工业应用日趋成熟。开发丙烷催化脱氢工艺成功的有：UOP公司的Oleflex工艺、Lummus公司的Catofin工艺、Snamprogetti公司的流化床(FBD)工艺、Uhde 的蒸汽活化重整(STAR)工艺、林德公司的PDH工艺。采用较多的是美国UOP公司的Oleflex工艺和Lummus的Catofin工艺。两种丙烷脱氢制丙烯工艺大体相同，所不同的只是脱氢和催化剂再生部分[2]。

1.1 Oleflex 工艺

UOP公司的Oleflex工艺是20世纪80年代开发的，1990年首先在泰国实现了工业化，1997年4月韩国投产250 kt/a丙烯的联合装置采用第2代Oleflex技术。目前，全世界Oleflex丙烷脱氢制丙烯总生产能力达2 500 kt/a。在国内烟台万华建成最大的750 kt/a PDH装置。

Oleflex工艺利用富含丙烷的液化气(LPG)作原料，在压力为3.04 MPa，温度为525 ℃，铂催化剂作用下脱氢，经分离和精馏得到聚合级丙烯产品。进料前需要预处理。Oleflex采用移动床技术，由反应区、催化剂连续再生区、产品分离区和分馏区组成。

将预处理的C3液化气原料进入脱丙烷塔中，C3液化气中一些丁烷或较重组分从脱丙烷塔底部排出，脱丙烷塔塔顶馏出物送入Oleflex装置，生产出富含丙烯的液体产品和富含氢气的气体产品。纯净氢气可直接输出，浓缩成化学级产品，也可作为联合装置内的燃料。来自Oleflex装置的液体产品送入选择氢化(SHP)装置，除去二烯烃、乙炔。SHP产品送入脱乙烷塔，除去在Oleflex装置生成的或新鲜C3液化气含有的轻质尾气，以及溶解在Oleflex液体产品中或进入SHP装置的少量氢气。脱乙烷塔底部纯净的产品直接送到丙烷-丙烯(P-P)分离塔，在此把丙烯产品和未转化丙烷分开。在P-P分离塔底部的未转化丙烷经过C3液化气原料脱丙烷塔循环到Oleflex装置。P-P分离塔出来的丙烯产品纯度通常达99.5%～99.8%。丙烯产率约为85%，氢气产率约为3.6%。

Oleflex工艺设计的主要特点是采用移动床反应器，反应均匀稳定，催化剂活性长久保持不变，催化剂再生时反应器不需要关闭或循环操作，同时，连续补充催化剂。氢气为稀释剂，用以抑制结焦、抑制热裂解和作载热体维持脱氢反应温度。含有烃类的反应器部分和含有氧气的再生部分是一体化，但还安全地保持着分离。使用铂催化剂，具有高活性、高选择性和低磨损率，由于可靠和精确的CCR再生控制，Oleflex催化剂具有很长的服务寿命并提供优良的产量稳定性。Oleflex技术使用无铬(Cr)无致癌催化剂。

该技术移动床技术复杂，投资和动力消耗较高。为了增强Oleflex工艺的竞争能力，UOP公司进行了多次改进，主要集中在催化剂方面，已有DeH-8、DeH-10、DeH-12 3代新催化剂工业化，DeH-12催化剂在选择性和寿命有较大的提高，铂含量比DeH-10少25%，比DeH-8少40%。使用新催化剂操作空速提高20%，减小反应器尺寸，待再生催化剂上的焦含量低，可使再生器体积缩小50%，可减少投资，降低成本。

1.2 Catofin 工艺

Lummus公司的Catofin工艺是ABB Lummus公司开发的C3～C5烷烃脱氢生产单烯烃技术。目前，全世界有10家采用Catofin工艺生产烯烃，生产量超过3 200 kt/a。Catofin工艺分为4个工段：丙烷脱氢制丙烯、反应器排放料的压缩、产品的回收和精制。Catofin工艺利用逆流流动技术改变了反应物料流向，空气向下、烃类直接向上，能以较少的原料获得较多的产品，从而减少了投资及操作费用。采用铬/铝催化剂，其组分包括质量分数大于18%的氧化铬，这种催化剂的脱氢性能稳定，烷烃转化率高，循环量少，每100 t丙烷原料可制得76～86 t丙烯。固定床反应器内以烃类/热空气循环方式操作，采用多个反应器连续操作。烃类进入催化剂床层前，用热风预热，在650 ℃、0.05 MPa左右条件下进行反应。该技术丙烷的转化率≥90%，丙烯选择性超过87%。进料不需要预处理[3]。但该工艺效率较低，能耗较大。

1.3 FBD 工艺

Snamprogetti公司的FBD工艺是在俄罗斯开发的硫化床脱氢制异丁烯基础上发展起来的，其技术核心是反应器-再生系统，反应和再生是在硫化床中完成的，FBD技术对应俄罗斯一套130 kt/a异丁烯装置进行技术改造，另有5套异丁烷和丙烷脱氢项目选择该技术。

1.4 PDH 工艺

德国Linde(林德)、BASF与挪威国家石油公司合作开发的PDH工艺，主要生产丙烯和异丁烯。釆用装填催化剂的多管式固定床反应器，按烃类/热空气循环方式操作，反应段有3台气体喷射脱氢反应器，2台用于脱氢操作，1台用于催化剂再生。在反应温度为590 ℃、压力为33.9～50.8 kPa的条件下，丙烯转化率大于90%。采用Cr2O3-Al2O3催化剂在590 ℃、压力大于0.1 MPa条件下操作，对PDH技术进行了2年多的测试后采用BASF提供的Pt/沸石催化剂对工艺进行改进，在Statoil公司位于挪威的炼厂完成了中试验证试验，单程转化率由32%提高至50%，总转化率则由91%提高至93%。PDH技术具有产量高、装置体积小、基建要求低等特点。

1.5 STAR 工艺

STAR工艺是由Philips石油公司开发，2000年被Uhde收购并进行了改进。STAR艺采用固定床管式反应器和专有Pt和Ca-Zn-A12O3为载体催化剂，在500～640 ℃，0.1～0.2 MPa，水蒸气存在条件下进行反应，轻质石蜡脱氢转变为烯烃。水蒸气的作用是降低反应物的分压、促进反应、减少催化剂表面积炭。专有Pt催化剂具有高的选择性和单程转化率，丙烷脱氢过程的单程转化率为30%～40%，丙烷生成丙烯的选择性为80%～93%，丙烯收率约80%。与其他丙烷脱氢工艺相比，STAR工艺具有催化剂用量少、反应器体积小等优点。

Uhde公司已对该工艺进行了验证试验。推出STAR工艺用于轻质烷烃氧化脱氢为烯烃，采用蒸汽活化转化技术。并在2006年实现工业化，投建了埃及350 kt/a丙烯和聚丙烯联合装置。该工厂2010年投入使用，运行稳定，工艺过程易于操作，显示出极佳的经济性。

此外，伍德公司还签约了另外3家规模更大的丙烷脱氢装置合同。中东地区2套450 kt PDH装置以及美国1套54.40 kt的PDH装置。

1.6 新型丙烷/丁烷脱氢(ADHO)技术

新型丙烷/丁烷脱氢(ADHO)技术，是重质油国家重点实验室的又一项催化剂和反应器配套研发的重要成果。

采用无毒无害的非贵金属催化剂，减少了对环境和操作人员的毒害及投资费用。丙烷单程转化率为41.28%，丙烯收率和选择性为33.03%和80.01%。ADHO技术采用循环流化床反应装置，可实现连续反应再生。

ADHO技术的主要优势：催化剂无毒，无腐蚀性，机械强度高，剂耗低；催化剂装量少，一次性投入要低得多；原料无需净化，含烯烃、正丁烷等都不影响装置的正常运行，适用于丙烷与异丁烷单独脱氢，也适用于混合脱氢；可长期稳定运行；装置规模不受限，投资少；不需要在临氢条件下反应。

在山东恒源石油化工完成工业化试验证明，填补了国内该技术领域的空白。

Oleflex及Catofin工艺已有多套工业应用，技术比较成熟，STAR工艺刚进行工业化应用。早期丙烷脱氢多用Oleflex工艺，且是整套转让，初期投资费用较高。

Oleflex工艺烯烃收率稳定，催化剂再生方法理想，催化剂使用寿命长，装填量少；但由于Catofin工艺采用Cr203/Al2O3催化剂，且铬系催化剂稳定性差，具有毒性，不环保，开发低Cr含量的催化剂才有一定的前景[4]。

2. 丙烷脱氢技术项目经济性分析

2.1 国内丙烯消费趋势

国内丙烯大部分用于生产聚丙烯，约占丙烯总消费量的70%，还有部分用于生产丙烯腈、环氧丙烷等其他化工产品。今后聚丙烯将依然是丙烯最大衍生物，其消耗的丙烯占丙烯总需求量的比例将进一步提高。为满足腈纶及ABS树脂生产需求，我国将继续扩大丙烯腈生产能力，其对丙烯的消费量仍将在丙烯消费结构中保持较高的比例。丙烯其他用途还包括烷基化油、催化叠合和二聚，用作高辛烷值汽油调合料等。随着中国经济的发展，丙烯消费量快速增长。

2006—2012年丙烯国内表观消费量由9 460 kt增加至18 080 kt，年复合增速达11.4%。中国受限于炼化产能，丙烯供不应求，2017年净进口达3 180 kt，再加上以聚丙烯、丙烯腈等下游产品的形式进口，实际缺口达7 000 kt以上[5]。

2.2 丙烷脱氢制丙烯投资分析

中国有较丰富的液化石油气，基本上由60%的丙烷和20%的丁烷组成，若能有效地将丙烷直接转化成丙烯，将可缓解丙烯来源不足的问题。与其他生产技术相比，获得同等规模的丙烯产量，丙烷脱氢技术的基建投资相对较低，目前的经济规模是350 kt /a。丙烷原料价格对生产成本影响较大，只有当丙烯与丙烷的长期平均最小价差大于200美元/a时，工厂才能有较好的利润。丙烷脱氢装置引进工艺装置投资非常大，按350 kt /a能力的Oleflex工艺装置算，投资在20亿左右，仅催化剂一次装量投资就超过1.5亿，专利许可费也将超过l亿。丙烷脱氢取决于经济地取得低价丙烷，丙烷本身占丙烷脱氢生产丙烯总费用的2/3[6]。

2.3 丙烷脱氢利润分析

自2013年以来，除个别时段外，丙烷脱氢持续维持盈利状态，毛利水平在1 000～1 600元/t之间震荡。究其原因，主要在于丙烯与丙烷之间的价差始终较为合理。以目前丙烷价格为准，国内丙烷脱氢制丙烯成本约在4 500元/t。不过，近日国务院文件针对丙烷产品加征25%关税，将直接导致中国丙烷脱氢工厂进口丙烷成本大幅上升，从而导致整体成本增加。一旦加征关税开始实施，中国丙烷脱氢工厂生产丙烯的成本将增加700～1 000元/t。虽然从毛利情况来看，丙烷脱氢工厂仍将维持盈利状态，但毛利水平将明显下降。并且，丙烷脱氢工厂多数有配套下游，成本增加的利空影响也将由丙烯进一步向下游产品传导，从而导致整个丙烯产业链盈利水平下降，给全产业链造成较大的利空影响。

3 国内丙烷脱氢项目

据报道统计，截止2017年底，国内已有11家公司宣布丙烷脱氢项目(包括8家PDH和3家混烷脱氢装置)[7]，见表1。

表1 目前开工的国内8家丙烷脱氢生产企业及其产能

4 原料来源及国产化分析

4.1 中国进口丙烷主要来自中东及美国

伴随国际原油期货价格长期处于高位，页岩气开发利用将使得全球能源与化工市场格局面目全非。而丙烷脱氢项目就是在页岩气不断开发的的背景下，转而依赖丙烷而非原油的产物；因此国内大部分PDH项目计划与中东或是美国供应商签订长约来确保丙烷稳定的供应和成本。

丙烷脱氢装置对于丙烷的指标要求颇高。国内丙烷基本为炼油副产，其纯度及杂质含量均难以满足丙烷脱氢的要求。而国外丙烷多为油田伴生气，品质较高，可以满足丙烷脱氢的需求，国内丙烷脱氢工厂基本需要依靠进口丙烷来维持正常生产。2017年，国内进口丙烷总量高达13 352.3 kt，来源地主要为中东及美国。其中从美国进口的丙烷高达3 375 kt，占进口总量的26%，由此可以看出美国丙烷对于中国丙烷市场的影响力。

按照生产1 t丙烯需要消耗1.18 t丙烷来算，2017年中国丙烷脱氢装置共消耗丙烷接近4 300 kt(开工率按79%来算)，占丙烷进口总量的33%，比来源于美国的丙烷总量还要多。

4.2 国产气价格存优势

近期国际期货价格居高不下，与国产气价差悬殊。在进口气价格高时，可转采国产气作为丙烯生产原料，采购国产高清洁液化气，然后分离出丙烷用于丙烯生产。由于国产气价格比进口气便宜，一些公司考虑过国内资源。万华实业集团有限公司提出：“添加一台气分装置，很容易实现丙烷的分离，技术和资金上都没有太大困难。而只要丙烷纯度达到95%以上，没有有害组分，就能用作丙烷脱氢制丙烯的原料。”资料显示，全国国产丙烷、高清洁气的集中产地在山东。征收丙烷25%关税的政策开始实施，这无疑加大了进口丙烷的成本，国产气会受到更多的关注。

4.3 国产资源分散成软肋

山东地炼众多，而规模普遍较小。如何集中分散资源，降低运输成本，是丙烷脱氢制丙烯项目商考虑采购国产资源前要考虑的大问题。可选择直接汽运，也可采取先运输到沿海码头，再集中下海的策略。但无论选择哪种方式，运输费用都比较高。据统计，山东共有30多家炼厂对外销售丙烷，但各家的日商品量多数集中在50～100 t，全山东丙烷日商品量累计仅2 000 t。山东共有20多家炼厂对外销售高清洁液化气，全山东高清洁液化气日均商品量6 000 t左右。各家高清洁气中，丙烷含量又只占10%～30%。而仅海越集团一家，若600 kt /a的丙烷脱氢制丙烯装置满负荷开工，丙烷日需求量就达1 900 t。可见，未来国内的丙烷资源用于大规模生产丙烯还有许多问题需要攻克。

5 今后的发展建议

丙烷脱氢PDH技术的诞生，摆脱了原油制丙烯的束缚，为大规模生产丙烯提供了保障。而作为化工基础原料的丙烯，巨大的市场缺口也促使PDH近几年的大规模发展。但新建和扩建装置时要慎重。应首先解决原料来源问题，其次在生产技术、生产规模、生产质量、原材料及公用工程消耗，特别是催化剂性能与成本方便更应重点考量。另外，随着国内环保政策收紧，环保问题也应作为不可忽视的因素参与决策。