丙烷脫氫工藝比較及其下游產(chǎn)業(yè)鏈分析

婁 賀

（上海華誼集團(tuán)公司，上海 200040）

中國實(shí)行碳達(dá)峰碳中和，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、煉化轉(zhuǎn)型的步伐將加快，由“能源化”向“材料化”轉(zhuǎn)變。采用常規(guī)化學(xué)原料生產(chǎn)新產(chǎn)品、新原材料，是中國能源發(fā)展的必然趨勢(shì)［1］。

丙烯除了生產(chǎn)丙烯腈、丁辛醇、異丙醇、苯酚、丙酮、丙烯酸等下游產(chǎn)品外，并在逐步取代傳統(tǒng)原材料。隨著丙烷脫氫化技術(shù)的不斷完善和國際上非傳統(tǒng)天然能源的突破，丙烷脫氫制丙烯具有巨大的競爭優(yōu)勢(shì)，吸引了眾多企業(yè)的投資。

1 丙烷脫氫工藝簡述

1.1 Oleflex工藝

UOP公司的Oleflex技術(shù)于20世紀(jì)80年代初開始工業(yè)化生產(chǎn)。該工藝中，原料丙烷經(jīng)加熱爐加熱至600～700℃后在反應(yīng)器內(nèi)被鉑系催化劑催化脫氫，之后經(jīng)冷箱深冷分離、分餾單元精制后得到高純度丙烯。丙烷單程轉(zhuǎn)化率為35%～40%，丙烯選擇性為84%～89%。該工藝分為反應(yīng)單元、分餾單元和催化劑再生單元。反應(yīng)過程中催化劑持續(xù)流動(dòng)，并經(jīng)再生單元燒焦后返回反應(yīng)器，循環(huán)往復(fù)［2］。該工藝采用的丙烷原材料的純度達(dá)96%以上，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)需維持一定比例的氫含量，以抑制催化劑結(jié)焦、丙烷裂解，并維持脫氫反應(yīng)溫度。

Oleflex工藝反應(yīng)均勻穩(wěn)定，反應(yīng)器內(nèi)各部分具有相同的催化劑活性，并采用等溫操作，可連續(xù)再生和補(bǔ)充催化劑［3］。同時(shí)，該工藝具有高活性、高選擇性、低磨損、無鉻等有害物的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 Catofin工藝

Catofin工藝是ABB Lummus公司開發(fā)的C3～C5烷烴脫氫生產(chǎn)單烯烴技術(shù)。利用逆流固定床法，以低碳烷烴為原料，利用鉻系催化脫氫制取丙烯。該工藝包括反應(yīng)、壓縮、回收、精制4個(gè)部分［4］。原料丙烷先在催化劑作用下生成丙烯，反應(yīng)器流出物由多級(jí)壓縮機(jī)壓縮。經(jīng)回收工段處理后，丙烷、丙烯和其它重組分被送入精制工段進(jìn)行分離。該工藝丙烷轉(zhuǎn)化率大于90%，選擇性不小于87%。

Catofin工藝采用了非貴金屬催化劑，在真空條件下反應(yīng)，無氫循環(huán)，無蒸汽稀釋，單程轉(zhuǎn)化率最高（40%～45%），降低了能源消耗和運(yùn)行費(fèi)用；采用多臺(tái)平行固定床反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行，具有開車快、運(yùn)行可靠、在線率高的特點(diǎn)［5］；但該工藝催化劑中的Cr具有毒性，對(duì)環(huán)境影響較大。

1.3 STAR工藝

STAR技術(shù)由飛利浦石油公司開發(fā)，2000年Uhde對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。該工藝采用列管式等溫固定床反應(yīng)器，利用Pt-Sn-Al體系作為催化劑。為減少積碳生成，通入蒸汽作為稀釋劑［6］。Pt專用催化劑選擇性高，單程轉(zhuǎn)化率高達(dá)30%～40%，丙烷選擇性80%～93%，丙烯產(chǎn)率達(dá)到80%。結(jié)果表明：STAR法催化劑用量少，反應(yīng)器體積小。

該工藝已于2006年在埃及實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。自2010年投產(chǎn)以來，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。除此外，Uhde還和另外3家大型化工企業(yè)簽訂了合同。其中中東地區(qū)45×104t PDH裝置2套，美國5.44×104t PDH裝置1套。

1.4 FBD工藝

FBD工藝是Snamprogetti公司開發(fā)的流化床脫氫工藝，該工藝關(guān)鍵在于流化床反應(yīng)—再生系統(tǒng)，在2個(gè)不同的流化床內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)和再生［7］。反應(yīng)溫度為580～630℃，反應(yīng)壓力為118～147 kPa，丙烷單程轉(zhuǎn)化率40%，丙烯選擇性80%。反—再生體系分為反應(yīng)階段、催化劑再生階段和分離階段。

該工藝具有流程簡單、操作條件溫和、設(shè)備投資低、運(yùn)行成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，適合于各種規(guī)模的脫氫生產(chǎn)，但在工業(yè)化生產(chǎn)中使用較低。

1.5 PDH工藝

PDH流程是由德國林德、BASF和挪威國家石油公司共同研發(fā)。以丙烷為原料，在裝填催化劑的多管式固定床反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行脫氫反應(yīng)。該工藝由3臺(tái)反應(yīng)器組成，其中2臺(tái)反應(yīng)器用于脫氫反應(yīng)，1臺(tái)反應(yīng)器用于催化劑再生。在590℃，33.9～50.8 kPa條件下，丙烯產(chǎn)率超過90%。目前，BASF公司開發(fā)的Pt/分子篩新型催化劑已在挪威Statoil公司的PDH裝置上完成中試。更換催化劑后，該工藝的單程轉(zhuǎn)換率從32%提升到50%，總體轉(zhuǎn)化率從91%提升到93%［8］。PDH工藝兼具產(chǎn)量高，裝置體積小等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

1.6 ADHO工藝

由于國外對(duì)丙烷脫氫的研究開始較早，如今已對(duì)國內(nèi)市場形成技術(shù)壟斷。國內(nèi)選用技術(shù)方案時(shí)，不得不支付昂貴的專利費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)及催化劑費(fèi)用。對(duì)此，中國石油大學(xué)（華東）和中石油華東設(shè)計(jì)院共同開發(fā)出可實(shí)現(xiàn)連續(xù)反應(yīng)與催化劑再生的高效流化（ADHO）技術(shù)。

ADHO工藝兼具無毒性、催化劑用量小，1次投資小等優(yōu)點(diǎn)，適用于丙烷脫氫、丁烷脫氫和混合脫氫反應(yīng)［9］。同時(shí)該工藝對(duì)設(shè)備的大小沒有限制，也不需在氫氣作用下進(jìn)行反應(yīng)。目前該技術(shù)已完成了小試、中試，中試結(jié)果在萬噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了初步驗(yàn)證，核心技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，在國內(nèi)有一定的應(yīng)用前景。

2 中國丙烷脫氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展

中國PDH項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)，2022年，PDH將會(huì)迎來開工高峰，其中包括鑫泰石化，萬達(dá)天弘，山東海益，江蘇斯?fàn)柊?，江蘇恒瑞等多家企業(yè)［10］。

2022年，丙烯總產(chǎn)能將超過5 000×104t。產(chǎn)能凈增長量將達(dá)544×104t。其中291×104t采用丙烷脫氫工藝生產(chǎn)，占據(jù)新增產(chǎn)能50%以上。

雖然新建項(xiàng)目增加，丙烯產(chǎn)能會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向供過于求的狀態(tài)。而業(yè)界人士相信，在PDH發(fā)展道路上可以通過優(yōu)化工藝，改變運(yùn)輸方式，提高產(chǎn)業(yè)鏈的附加值，提高產(chǎn)品的競爭能力，具體有4點(diǎn)。

（1）集中處理的最佳化。以往PDH生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)成本在1 200～1 500元/t，但由于生產(chǎn)規(guī)模和工藝的改進(jìn)，生產(chǎn)成本呈降低態(tài)勢(shì)。一些新開工的PDH生產(chǎn)工藝可以在1 000元/t以內(nèi)，所以即便原材料的價(jià)格很高，該工藝可以在一定程度上緩解原料價(jià)格高所帶來的壓力；

（2）通過改變交通工具來減少費(fèi)用。公司可以配置丙烷冷藏罐節(jié)省原材料、物流費(fèi)用，或減少運(yùn)輸距離，或者通過最優(yōu)的方式來減少成本；

（3）提高產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值。在國家實(shí)施“雙碳”戰(zhàn)略的同時(shí)，由于其在環(huán)境友好、價(jià)格上的優(yōu)越性，與油煤基產(chǎn)品相比更具優(yōu)越性；

（4）下游裝置的構(gòu)造簡單，不需要太多的裝置來實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)部的資源均衡，而且從目前的情況看，在丙烯的產(chǎn)業(yè)鏈上還有很大的發(fā)展?jié)摿?。因此，大?guī)模、集約化、上下游產(chǎn)業(yè)鏈一體化的PDH項(xiàng)目將會(huì)在激烈的市場環(huán)境中獲得良好發(fā)展。

3 丙烷脫氫下游產(chǎn)業(yè)鏈分析

3.1 經(jīng)濟(jì)分析

PDH工藝因其原材料和產(chǎn)物的單一化，在相同產(chǎn)能下，使用不同專利技術(shù)，其裝置建設(shè)投入也接近。近幾年丙烯需求增加，大部分新建成的PDH裝置產(chǎn)能超過45×104t/a，總投資額超過了20億元。而研究表明，超過45×104t/a的PDH裝置比小型PDH裝置抵御財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的能力更高［11］。

由于原材料成本在整個(gè)項(xiàng)目中所占的比重大約在75%～80%，因此，在丙烷脫氫過程中，企業(yè)的產(chǎn)能和裝置的投資變動(dòng)對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益的影響很少。該裝置的經(jīng)濟(jì)效益取決于丙烯—丙烷間的價(jià)差，如果丙烯—丙烷的最低年價(jià)差在1 400元以上，則該裝置將獲得更高的利潤，價(jià)格差異越大，則利潤就會(huì)更高。PDH裝置對(duì)丙烷的純度有很高要求，必須達(dá)到96%以上。中國的丙烷源于煉油廠廢氣和天然氣中的伴生天然氣，但由于煉油廠廢氣中的含硫量過高，很難滿足丙烷脫氫需要，同時(shí)伴生資源不足，所以大部分的丙烷依賴進(jìn)口。

3.2 市場前景分析

3.2.1 丙烷行業(yè)前景不明PDH裝置需要高純度（96%）的丙烷，且不超過100 uL/L的雜質(zhì)。中國濕性油型天然氣的資源量很小，丙烷多源于煉油廠的副產(chǎn)品，但由于副產(chǎn)丙烷的含硫率很高，其產(chǎn)品的品質(zhì)不能達(dá)到PDH的原材料需求，從而造成對(duì)進(jìn)口原料的嚴(yán)重依賴。從世界范圍內(nèi)PDH原材料的供求情況來判斷，中東及美國的丙烷供給相對(duì)充裕，且價(jià)格相對(duì)平穩(wěn)，成為世界上最大的進(jìn)口基地。隨著中國PDH項(xiàng)目投產(chǎn)，丙烷需求將會(huì)增長。

3.2.2 關(guān)注需求變動(dòng)中國的丙烯產(chǎn)量逐年增加，然而到“十四五”末，除高端產(chǎn)品無法取代之外，丙烯的需求也將趨于均衡，甚至出現(xiàn)供給過剩。所以若有意投資新的PDH項(xiàng)目，需要密切關(guān)注市場行情變化，并對(duì)下游裝置的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、消費(fèi)需求等進(jìn)行綜合分析。中國氫能源工業(yè)迅速發(fā)展，PDH已經(jīng)是促進(jìn)“藍(lán)氫”生產(chǎn)、促進(jìn)煉化工業(yè)轉(zhuǎn)型、減少CO2排放的主要方式。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)PDH發(fā)展，丙烯的供需矛盾逐漸增加，而國內(nèi)大部分的新產(chǎn)能均有相應(yīng)的下游裝置，以自用的方式生產(chǎn)丙烯。隨著進(jìn)口丙烷價(jià)格的上漲，如何獲得長期穩(wěn)定、價(jià)格相對(duì)低廉的丙烷是制約行業(yè)發(fā)展的重要因素。應(yīng)盡可能配套足夠的倉儲(chǔ)設(shè)施及便利的港口和物流，以便在丙烷價(jià)低時(shí)進(jìn)行原材料進(jìn)口和存儲(chǔ)，以獲得更大利潤。

丙烯生產(chǎn)廠家應(yīng)與上游、下游公司簽訂長期合同，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)多元化，確保原材料供給和產(chǎn)品銷量。下游產(chǎn)業(yè)鏈較單一的丙烯生產(chǎn)廠應(yīng)加大新產(chǎn)品研發(fā)或延伸產(chǎn)業(yè)鏈，增強(qiáng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。目前丙烷價(jià)格及來源不穩(wěn)定，但丙烷脫氫裝置依然有很大的利潤空間。新廠的技術(shù)選型應(yīng)從Oleflex和Catofin2種工藝入手，特別是Oleflex工藝可實(shí)現(xiàn)連續(xù)再生控制，確保催化劑具有長久活性和穩(wěn)定性，同時(shí)反應(yīng)過程安全可靠無毒無害，更具競爭力。