丙烷脫氫工藝及其市場分析

張彩鳳，付 輝，周大鵬，董海波

江蘇斯爾邦石化有限公司 江蘇連云港 222000

丙烯是僅次于乙烯的重要石油化工基本原料，除合成聚丙烯(PP)外，丙烯還可用于生產丙烯腈、丁辛醇、異丙醇、苯酚和丙酮、丙烯酸及其脂類等眾多下游產品，正逐步取代傳統的材料。國內外市場需求旺盛，隨著丙烷脫氫技術趨于成熟及世界非常規天然資源開發獲得突破，丙烷脫氫(PDH)制丙烯項目有較強競爭力，引發巨頭紛紛投資，成為行業發展的熱點[1]。

1 丙烷脫氫工藝簡述

丙烷脫氫制丙烯技術問世迄今已有20多年歷史，經過不斷完善，工業應用日趨成熟。開發丙烷催化脫氫工藝成功的有：UOP公司的Oleflex工藝、Lummus公司的Catofin工藝、Snamprogetti公司的流化床(FBD)工藝、Uhde 的蒸汽活化重整(STAR)工藝、林德公司的PDH工藝。采用較多的是美國UOP公司的Oleflex工藝和Lummus的Catofin工藝。兩種丙烷脫氫制丙烯工藝大體相同，所不同的只是脫氫和催化劑再生部分[2]。

1.1 Oleflex 工藝

UOP公司的Oleflex工藝是20世紀80年代開發的，1990年首先在泰國實現了工業化，1997年4月韓國投產250 kt/a丙烯的聯合裝置采用第2代Oleflex技術。目前，全世界Oleflex丙烷脫氫制丙烯總生產能力達2 500 kt/a。在國內煙臺萬華建成最大的750 kt/a PDH裝置。

Oleflex工藝利用富含丙烷的液化氣(LPG)作原料，在壓力為3.04 MPa，溫度為525 ℃，鉑催化劑作用下脫氫，經分離和精餾得到聚合級丙烯產品。進料前需要預處理。Oleflex采用移動床技術，由反應區、催化劑連續再生區、產品分離區和分餾區組成。

將預處理的C3液化氣原料進入脫丙烷塔中，C3液化氣中一些丁烷或較重組分從脫丙烷塔底部排出，脫丙烷塔塔頂餾出物送入Oleflex裝置，生產出富含丙烯的液體產品和富含氫氣的氣體產品。純凈氫氣可直接輸出，濃縮成化學級產品，也可作為聯合裝置內的燃料。來自Oleflex裝置的液體產品送入選擇氫化(SHP)裝置，除去二烯烴、乙炔。SHP產品送入脫乙烷塔，除去在Oleflex裝置生成的或新鮮C3液化氣含有的輕質尾氣，以及溶解在Oleflex液體產品中或進入SHP裝置的少量氫氣。脫乙烷塔底部純凈的產品直接送到丙烷-丙烯(P-P)分離塔，在此把丙烯產品和未轉化丙烷分開。在P-P分離塔底部的未轉化丙烷經過C3液化氣原料脫丙烷塔循環到Oleflex裝置。P-P分離塔出來的丙烯產品純度通常達99.5%～99.8%。丙烯產率約為85%，氫氣產率約為3.6%。

Oleflex工藝設計的主要特點是采用移動床反應器，反應均勻穩定，催化劑活性長久保持不變，催化劑再生時反應器不需要關閉或循環操作，同時，連續補充催化劑。氫氣為稀釋劑，用以抑制結焦、抑制熱裂解和作載熱體維持脫氫反應溫度。含有烴類的反應器部分和含有氧氣的再生部分是一體化，但還安全地保持著分離。使用鉑催化劑，具有高活性、高選擇性和低磨損率，由于可靠和精確的CCR再生控制，Oleflex催化劑具有很長的服務壽命并提供優良的產量穩定性。Oleflex技術使用無鉻(Cr)無致癌催化劑。

該技術移動床技術復雜，投資和動力消耗較高。為了增強Oleflex工藝的競爭能力，UOP公司進行了多次改進，主要集中在催化劑方面，已有DeH-8、DeH-10、DeH-12 3代新催化劑工業化，DeH-12催化劑在選擇性和壽命有較大的提高，鉑含量比DeH-10少25%，比DeH-8少40%。使用新催化劑操作空速提高20%，減小反應器尺寸，待再生催化劑上的焦含量低，可使再生器體積縮小50%，可減少投資，降低成本。

1.2 Catofin 工藝

Lummus公司的Catofin工藝是ABB Lummus公司開發的C3～C5烷烴脫氫生產單烯烴技術。目前，全世界有10家采用Catofin工藝生產烯烴，生產量超過3 200 kt/a。Catofin工藝分為4個工段：丙烷脫氫制丙烯、反應器排放料的壓縮、產品的回收和精制。Catofin工藝利用逆流流動技術改變了反應物料流向，空氣向下、烴類直接向上，能以較少的原料獲得較多的產品，從而減少了投資及操作費用。采用鉻/鋁催化劑，其組分包括質量分數大于18%的氧化鉻，這種催化劑的脫氫性能穩定，烷烴轉化率高，循環量少，每100 t丙烷原料可制得76～86 t丙烯。固定床反應器內以烴類/熱空氣循環方式操作，采用多個反應器連續操作。烴類進入催化劑床層前，用熱風預熱，在650 ℃、0.05 MPa左右條件下進行反應。該技術丙烷的轉化率≥90%，丙烯選擇性超過87%。進料不需要預處理[3]。但該工藝效率較低，能耗較大。

1.3 FBD 工藝

Snamprogetti公司的FBD工藝是在俄羅斯開發的硫化床脫氫制異丁烯基礎上發展起來的，其技術核心是反應器-再生系統，反應和再生是在硫化床中完成的，FBD技術對應俄羅斯一套130 kt/a異丁烯裝置進行技術改造，另有5套異丁烷和丙烷脫氫項目選擇該技術。

1.4 PDH 工藝

德國Linde(林德)、BASF與挪威國家石油公司合作開發的PDH工藝，主要生產丙烯和異丁烯。釆用裝填催化劑的多管式固定床反應器，按烴類/熱空氣循環方式操作，反應段有3臺氣體噴射脫氫反應器，2臺用于脫氫操作，1臺用于催化劑再生。在反應溫度為590 ℃、壓力為33.9～50.8 kPa的條件下，丙烯轉化率大于90%。采用Cr2O3-Al2O3催化劑在590 ℃、壓力大于0.1 MPa條件下操作，對PDH技術進行了2年多的測試后采用BASF提供的Pt/沸石催化劑對工藝進行改進，在Statoil公司位于挪威的煉廠完成了中試驗證試驗，單程轉化率由32%提高至50%，總轉化率則由91%提高至93%。PDH技術具有產量高、裝置體積小、基建要求低等特點。

1.5 STAR 工藝

STAR工藝是由Philips石油公司開發，2000年被Uhde收購并進行了改進。STAR藝采用固定床管式反應器和專有Pt和Ca-Zn-A12O3為載體催化劑，在500～640 ℃，0.1～0.2 MPa，水蒸氣存在條件下進行反應，輕質石蠟脫氫轉變為烯烴。水蒸氣的作用是降低反應物的分壓、促進反應、減少催化劑表面積炭。專有Pt催化劑具有高的選擇性和單程轉化率，丙烷脫氫過程的單程轉化率為30%～40%，丙烷生成丙烯的選擇性為80%～93%，丙烯收率約80%。與其他丙烷脫氫工藝相比，STAR工藝具有催化劑用量少、反應器體積小等優點。

Uhde公司已對該工藝進行了驗證試驗。推出STAR工藝用于輕質烷烴氧化脫氫為烯烴，采用蒸汽活化轉化技術。并在2006年實現工業化，投建了埃及350 kt/a丙烯和聚丙烯聯合裝置。該工廠2010年投入使用，運行穩定，工藝過程易于操作，顯示出極佳的經濟性。

此外，伍德公司還簽約了另外3家規模更大的丙烷脫氫裝置合同。中東地區2套450 kt PDH裝置以及美國1套54.40 kt的PDH裝置。

1.6 新型丙烷/丁烷脫氫(ADHO)技術

新型丙烷/丁烷脫氫(ADHO)技術，是重質油國家重點實驗室的又一項催化劑和反應器配套研發的重要成果。

采用無毒無害的非貴金屬催化劑，減少了對環境和操作人員的毒害及投資費用。丙烷單程轉化率為41.28%，丙烯收率和選擇性為33.03%和80.01%。ADHO技術采用循環流化床反應裝置，可實現連續反應再生。

ADHO技術的主要優勢：催化劑無毒，無腐蝕性，機械強度高，劑耗低；催化劑裝量少，一次性投入要低得多；原料無需凈化，含烯烴、正丁烷等都不影響裝置的正常運行，適用于丙烷與異丁烷單獨脫氫，也適用于混合脫氫；可長期穩定運行；裝置規模不受限，投資少；不需要在臨氫條件下反應。

在山東恒源石油化工完成工業化試驗證明，填補了國內該技術領域的空白。

Oleflex及Catofin工藝已有多套工業應用，技術比較成熟，STAR工藝剛進行工業化應用。早期丙烷脫氫多用Oleflex工藝，且是整套轉讓，初期投資費用較高。

Oleflex工藝烯烴收率穩定，催化劑再生方法理想，催化劑使用壽命長，裝填量少；但由于Catofin工藝采用Cr203/Al2O3催化劑，且鉻系催化劑穩定性差，具有毒性，不環保，開發低Cr含量的催化劑才有一定的前景[4]。

2. 丙烷脫氫技術項目經濟性分析

2.1 國內丙烯消費趨勢

國內丙烯大部分用于生產聚丙烯，約占丙烯總消費量的70%，還有部分用于生產丙烯腈、環氧丙烷等其他化工產品。今后聚丙烯將依然是丙烯最大衍生物，其消耗的丙烯占丙烯總需求量的比例將進一步提高。為滿足腈綸及ABS樹脂生產需求，我國將繼續擴大丙烯腈生產能力，其對丙烯的消費量仍將在丙烯消費結構中保持較高的比例。丙烯其他用途還包括烷基化油、催化疊合和二聚，用作高辛烷值汽油調合料等。隨著中國經濟的發展，丙烯消費量快速增長。

2006—2012年丙烯國內表觀消費量由9 460 kt增加至18 080 kt，年復合增速達11.4%。中國受限于煉化產能，丙烯供不應求，2017年凈進口達3 180 kt，再加上以聚丙烯、丙烯腈等下游產品的形式進口，實際缺口達7 000 kt以上[5]。

2.2 丙烷脫氫制丙烯投資分析

中國有較豐富的液化石油氣，基本上由60%的丙烷和20%的丁烷組成，若能有效地將丙烷直接轉化成丙烯，將可緩解丙烯來源不足的問題。與其他生產技術相比，獲得同等規模的丙烯產量，丙烷脫氫技術的基建投資相對較低，目前的經濟規模是350 kt /a。丙烷原料價格對生產成本影響較大，只有當丙烯與丙烷的長期平均最小價差大于200美元/a時，工廠才能有較好的利潤。丙烷脫氫裝置引進工藝裝置投資非常大，按350 kt /a能力的Oleflex工藝裝置算，投資在20億左右，僅催化劑一次裝量投資就超過1.5億，專利許可費也將超過l億。丙烷脫氫取決于經濟地取得低價丙烷，丙烷本身占丙烷脫氫生產丙烯總費用的2/3[6]。

2.3 丙烷脫氫利潤分析

自2013年以來，除個別時段外，丙烷脫氫持續維持盈利狀態，毛利水平在1 000～1 600元/t之間震蕩。究其原因，主要在于丙烯與丙烷之間的價差始終較為合理。以目前丙烷價格為準，國內丙烷脫氫制丙烯成本約在4 500元/t。不過，近日國務院文件針對丙烷產品加征25%關稅，將直接導致中國丙烷脫氫工廠進口丙烷成本大幅上升，從而導致整體成本增加。一旦加征關稅開始實施，中國丙烷脫氫工廠生產丙烯的成本將增加700～1 000元/t。雖然從毛利情況來看，丙烷脫氫工廠仍將維持盈利狀態，但毛利水平將明顯下降。并且，丙烷脫氫工廠多數有配套下游，成本增加的利空影響也將由丙烯進一步向下游產品傳導，從而導致整個丙烯產業鏈盈利水平下降，給全產業鏈造成較大的利空影響。

3 國內丙烷脫氫項目

據報道統計，截止2017年底，國內已有11家公司宣布丙烷脫氫項目(包括8家PDH和3家混烷脫氫裝置)[7]，見表1。

表1 目前開工的國內8家丙烷脫氫生產企業及其產能

4 原料來源及國產化分析

4.1 中國進口丙烷主要來自中東及美國

伴隨國際原油期貨價格長期處于高位，頁巖氣開發利用將使得全球能源與化工市場格局面目全非。而丙烷脫氫項目就是在頁巖氣不斷開發的的背景下，轉而依賴丙烷而非原油的產物；因此國內大部分PDH項目計劃與中東或是美國供應商簽訂長約來確保丙烷穩定的供應和成本。

丙烷脫氫裝置對于丙烷的指標要求頗高。國內丙烷基本為煉油副產，其純度及雜質含量均難以滿足丙烷脫氫的要求。而國外丙烷多為油田伴生氣，品質較高，可以滿足丙烷脫氫的需求，國內丙烷脫氫工廠基本需要依靠進口丙烷來維持正常生產。2017年，國內進口丙烷總量高達13 352.3 kt，來源地主要為中東及美國。其中從美國進口的丙烷高達3 375 kt，占進口總量的26%，由此可以看出美國丙烷對于中國丙烷市場的影響力。

按照生產1 t丙烯需要消耗1.18 t丙烷來算，2017年中國丙烷脫氫裝置共消耗丙烷接近4 300 kt(開工率按79%來算)，占丙烷進口總量的33%，比來源于美國的丙烷總量還要多。

4.2 國產氣價格存優勢

近期國際期貨價格居高不下，與國產氣價差懸殊。在進口氣價格高時，可轉采國產氣作為丙烯生產原料，采購國產高清潔液化氣，然后分離出丙烷用于丙烯生產。由于國產氣價格比進口氣便宜，一些公司考慮過國內資源。萬華實業集團有限公司提出：“添加一臺氣分裝置，很容易實現丙烷的分離，技術和資金上都沒有太大困難。而只要丙烷純度達到95%以上，沒有有害組分，就能用作丙烷脫氫制丙烯的原料。”資料顯示，全國國產丙烷、高清潔氣的集中產地在山東。征收丙烷25%關稅的政策開始實施，這無疑加大了進口丙烷的成本，國產氣會受到更多的關注。

4.3 國產資源分散成軟肋

山東地煉眾多，而規模普遍較小。如何集中分散資源，降低運輸成本，是丙烷脫氫制丙烯項目商考慮采購國產資源前要考慮的大問題。可選擇直接汽運，也可采取先運輸到沿海碼頭，再集中下海的策略。但無論選擇哪種方式，運輸費用都比較高。據統計，山東共有30多家煉廠對外銷售丙烷，但各家的日商品量多數集中在50～100 t，全山東丙烷日商品量累計僅2 000 t。山東共有20多家煉廠對外銷售高清潔液化氣，全山東高清潔液化氣日均商品量6 000 t左右。各家高清潔氣中，丙烷含量又只占10%～30%。而僅海越集團一家，若600 kt /a的丙烷脫氫制丙烯裝置滿負荷開工，丙烷日需求量就達1 900 t。可見，未來國內的丙烷資源用于大規模生產丙烯還有許多問題需要攻克。

5 今后的發展建議

丙烷脫氫PDH技術的誕生，擺脫了原油制丙烯的束縛，為大規模生產丙烯提供了保障。而作為化工基礎原料的丙烯，巨大的市場缺口也促使PDH近幾年的大規模發展。但新建和擴建裝置時要慎重。應首先解決原料來源問題，其次在生產技術、生產規模、生產質量、原材料及公用工程消耗，特別是催化劑性能與成本方便更應重點考量。另外，隨著國內環保政策收緊，環保問題也應作為不可忽視的因素參與決策。