丙烷用作乙烯原料研究

郭 瑩，周 叢，杜志國，王國清

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

乙烯是石油化工的“龍頭”裝置，乙烯裝置的生產成本在很大程度上決定了整個石油化工產業鏈的競爭力和抵御市場風險的能力，而乙烯原料費用占到了乙烯總生產成本的60%～80%［1］。目前，我國乙烯原料以石腦油為主，另有柴油、輕烴和加氫尾油作為補充［2］。21世紀以來，我國乙烯工業的迅速發展導致裂解原料相對短缺，同時原油價格的大幅波動和技術的快速進步，特別是輕烴資源豐富的中東地區石化產能的快速擴張、北美頁巖氣和中國煤化工產業的高速發展，給以石腦油為原料的傳統石化產業帶來了巨大沖擊和挑戰，由此推動了乙烯原料向多元化方向發展［3］。中東、北美等地區天然氣的開發利用和北美頁巖氣的大規模發展，使得該地區低成本的乙烷被大量用作乙烯裂解原料，丙烷資源被出口銷售，我國借此進口了大量丙烷。丙烷在用作石油化工生產原料時，最重要的用途是丙烷脫氫制丙烯［4-10］。然而由于國際原油價格下跌，丙烷脫氫項目投資步伐放緩，許多建設項目終止［11］，需要為丙烷原料尋找合適的利用途徑。丙烷作為一種輕烴資源，也可以考慮用作裂解原料生產乙烯、丙烯等低碳烯烴［12-15］。

本工作通過研究丙烷原料的裂解性能與裂解經濟性，探討了丙烷用作裂解原料的可行性。

1 實驗部分

1.1 原料性質

選用純丙烷原料研究了丙烷的裂解性能。為了與其他典型原料的裂解性能進行對比，另外選取了中國石油化工股份有限公司上海分公司（簡稱上海石化）的液化石油氣、輕石腦油、石腦油和高壓加氫尾油四種典型原料，其中，液化石油氣的組成見表1，輕石腦油、石腦油和加氫尾油的性質見表2。

表1 液化石油氣的組成Table 1 Composition of liquefied petroleum gas(LPG)

1.2 實驗裝置

選用中國石化北京化工研究院設計開發的NM-II型蒸汽裂解模擬實驗裝置。該裝置由進料、裂解反應和冷卻分離3部分構成。反應器采用雙面電加熱，爐管垂直懸掛在爐子中央，在對流段、輻射段的不同區間內設置多個壓力、溫度測量點及溫度控制點。裂解原料的進料量為500～3 000 g/h。整套實驗裝置采用DCS計算機系統進行控制。裂解模擬實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 裂解模擬實驗裝置示意圖Fig.1 Cracking simulator flowchart.

1.3 工藝條件

丙烷裂解實驗選用常規氣體爐爐型，丙烷裂解的工藝條件見表3。

表3 丙烷裂解工藝條件Table3 Process conditions of propane cracking

2 丙烷的裂解性能

原料裂解后，產物中的乙烷、丙烷被分離后重新返回裂解爐進行循環裂解，所得裂解產物的收率為綜合收率。表4對比了丙烷與其他常用原料的裂解產物綜合收率，其中，三烯收率為乙烯、丙烯和丁二烯的收率，高附加值產物收率為氫氣、乙烯、丙烯、丁二烯和苯的收率。

對比表4中的數據可以發現，與石腦油、加氫尾油、輕石腦油以及液化石油氣原料相比，丙烷原料的裂解產物中乙烯、氫氣的收率明顯較高，但丙烯和丁二烯的收率略低，碳四以上重組分產物收率偏低，同時非目的產物甲烷的收率稍高。但總體看來，丙烷用作裂解原料時，三烯收率和高附加值產物收率均高于石腦油、加氫尾油、輕石腦油和液化石油氣原料。

表4 不同原料裂解產物的綜合收率Table 4 The main pyrolysis product yield of different raw materials

3 丙烷裂解的經濟性

為進一步探討丙烷裂解的經濟性，測算了丙烷與其他原料的裂解經濟效益。測算過程中，不考慮固定費用，以“邊際效益”為標準進行測算，邊際效益=產品收入-原料費用-輔材燃動費用。

3.1 測算條件

3.1.1 價格選取

價格是影響經濟效益的重要因素，選取上海石化在不同時期、不同原油價格體系下所對應的乙烯原料與裂解產品的不含稅價格（見表5）進行經濟測算，其中，原油價格為DTD布倫特價，丙烷價格選用各企業按照中國石化統一定價機制公式得到的外采丙烷（不含稅）價格。由于上海石化無甲烷價格，故選用中國石化平均價格。

3.1.2 輔材燃動費用

表6為不同原油價格下上海石化乙烯裝置的輔材燃動費用數據。

表5 價格體系數據Table 5 Price data

表6 乙烯裝置的輔材燃動費用Table 6 Auxiliary materials and burning charges of the ethylene device

3.2 測算結果

六套價格體系下丙烷與其他四種原料的裂解產品收入、原料費用、輔材燃動費用和邊際效益測算結果見表7，其中，裂解產品收入、原料費用和邊際效益均基于原料。由表7可見，在所有的測算價格體系下，丙烷裂解的“邊際效益”均為正值。

表7 各種原料裂解經濟性對比Table7 The economic contrast of various cracking feedstock

3.2.1 不同原料的裂解經濟性對比

原料種類是影響裂解裝置經濟效益的重要因素。由表7可見，在各種原油價格體系下，丙烷原料的裂解邊際效益普遍高于常規石腦油原料；在部分原油價格體系下，甚至高于加氫尾油、輕石腦油和液化石油氣原料。以上海石化為例，在不同價格體系下丙烷的裂解邊際效益高出石腦油6%～27%。

丙烷裂解時，三烯收率和高附加值產物收率均高于其他四種原料，因此丙烷的裂解產品收入較高（見表7）。但是，由于丙烷的原料價格相對于其他原料明顯偏高，即丙烷的原料費用較高（見表7），而邊際效益=產品收入-原料費用-輔材燃動費用，因此較高的原料費用導致丙烷的裂解邊際效益大幅下降，但仍高于石腦油。

3.2.2 價格對原料裂解經濟性的影響

價格是影響裂解經濟效益的又一重要因素，而價格尤其是裂解原料的價格與原油的價格直接相關，圖2比較了不同原油價格下各種原料的裂解邊際效益、原料費用和產品收入。圖3為裂解產品價格隨原油價格的變化。

圖2 不同原油價格下各原料的裂解經濟性對比Fig.2 Economic comparison of cracking feedstock under different crude oil prices.

由圖2a可見，當原油價格升高時，各種原料的裂解邊際效益都呈下降趨勢，且丙烷原料的下降幅度較大。這是由于，在中國石化的定價機制中，丙烷、液化石油氣、輕石腦油和加氫尾油的價格均與石腦油的價格成正比，而石腦油是根據原油進行定價的，因此當原油價格較高時，裂解原料價格亦較高（見圖2b）。然而，對比圖2c與圖2b可發現，裂解產品價格的升高幅度要低于原料價格的上漲幅度，由此造成了裂解邊際效益隨著原油價格的升高而下降。同時，當丙烷用作裂解原料時，在裂解產物中甲烷、氫氣、乙烯的收率要高于其他原料，而這些低相對分子質量產品的價格隨原油價格的上漲幅度相對丙烯等產品的上漲幅度小，尤其是甲烷產品的價格隨原油價格的變化極?。ㄒ妶D3），這就導致了原油價格升高時，丙烷裂解的產品收入的上升幅度較其他原料小，因此當原油價格上升時丙烷的裂解邊際效益下降更大。例如，在原油價格為每桶98.94 $時，丙烷的原料價格為5389元/t，相較原油價格為每桶43.73 $時的丙烷原料價格升高了2 855元/t，但此時的主產物乙烯的價格上升1 697元/t，顯著低于原料丙烷價格的上升幅度，因此邊際效益下降。同時丙烷裂解時，氫氣、甲烷、乙烯三種產物的收率高于其他原料，而氫氣和乙烯的價格僅上升1 894元/t和1 697元/t，甲烷產品的價格甚至下降了262元/t；但丙烯、碳四、苯和裂解汽油的價格分別上升了3348，2 989，3 018，2 600元/t，由此造成了丙烷原料的裂解邊際效益隨原油價格的上升下降幅度較大。

圖3 裂解產品價格隨原油價格的變化Fig.3 Cracking product prices vary with the price of crude oil.

4 裂解裝置能力研究

要選用丙烷原料進行裂解，必須具有足夠的氣體爐能力。中國石化目前運行的乙烯蒸汽裂解裝置共14套，裂解爐158臺，總的公稱設計能力12.66 Mt/a。其中，氣體爐24臺，包括采用自主國產化CBL技術改造和新建的裂解爐15臺、Lummus SRT型爐4臺、惠生HS-Ⅰ型爐2臺、S&W USC型爐2臺和中國石化與Lummus合作開發的SL型爐1臺，氣體爐總設計能力為1.877 Mt/a，即氣體爐每年可生產乙烯1.877 Mt。

各種乙烯原料裂解所產的乙烷和丙烷需要被分離后返回裂解裝置進行裂解，占用氣體爐能力。2016年中國石化各乙烯企業全年進料量為31.197 6 Mt（不包括武漢石化），按照2016年中國石化總體乙烯原料結構數據（見表8），以分離系統損失為5%計算，得到各企業所產循環乙烷和循環丙烷的量約為1.540 9 Mt/a，其中循環乙烷1.1723 Mt/a，循環丙烷0.368 6 Mt/a。這些循環乙烷和丙烷被送入氣體爐用作裂解原料，共可生產乙烯0.7777 Mt/a。

中國石化總氣體爐能力為1.877 Mt/a，減去裂解循環乙烷丙烷用掉的生產能力0.7777 Mt/a，氣體爐剩余能力約為1.0993 Mt/a，如將剩余的氣體爐用于裂解丙烷原料，則可以裂解丙烷2.996 9 Mt/a。除了氣體爐之外，在實際生產中，一些設有氣體進料系統的輕油爐也可以用來裂解丙烷原料。如上海石化的BA-111爐為GK-V型裂解爐，設計能力為60 kt/a，設計原料為石腦油和丙烷。

表8 中國石化乙烯原料結構數據Table 8 Composition of ethylene raw materials of Sinopec

5 結論

1）丙烷用作裂解原料時，相比石腦油、加氫尾油、輕石腦油和液化石油氣原料，裂解產物中乙烯、氫氣、甲烷的收率較高，而丙烯和丁二烯等相對分子質量較高的裂解產物的收率略低。

2）丙烷用作裂解原料時，三烯收率和高附加值產物收率均高于其他四種典型原料。其中，三烯收率高于石腦油原料約8.3百分點，高附加值產物收率高于石腦油原料約7.0百分點。

3）在目前中國石化的定價機制下，丙烷裂解的邊際效益均為正值。

4）丙烷裂解的邊際效益普遍高于常規石腦油，在個別低原油價格時甚至高于加氫尾油、輕石腦油和液化石油氣。

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