丙烷脫氫工藝比較及其下游產業鏈分析

婁 賀

（上海華誼集團公司，上海 200040）

中國實行碳達峰碳中和，能源結構調整、煉化轉型的步伐將加快，由“能源化”向“材料化”轉變。采用常規化學原料生產新產品、新原材料，是中國能源發展的必然趨勢［1］。

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

1 丙烷脫氫工藝簡述

1.1 Oleflex工藝

UOP公司的Oleflex技術于20世紀80年代初開始工業化生產。該工藝中，原料丙烷經加熱爐加熱至600～700℃后在反應器內被鉑系催化劑催化脫氫，之后經冷箱深冷分離、分餾單元精制后得到高純度丙烯。丙烷單程轉化率為35%～40%，丙烯選擇性為84%～89%。該工藝分為反應單元、分餾單元和催化劑再生單元。反應過程中催化劑持續流動，并經再生單元燒焦后返回反應器，循環往復［2］。該工藝采用的丙烷原材料的純度達96%以上，同時系統內需維持一定比例的氫含量，以抑制催化劑結焦、丙烷裂解，并維持脫氫反應溫度。

Oleflex工藝反應均勻穩定，反應器內各部分具有相同的催化劑活性，并采用等溫操作，可連續再生和補充催化劑［3］。同時，該工藝具有高活性、高選擇性、低磨損、無鉻等有害物的優點。

1.2 Catofin工藝

Catofin工藝是ABB Lummus公司開發的C3～C5烷烴脫氫生產單烯烴技術。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、壓縮、回收、精制4個部分［4］。原料丙烷先在催化劑作用下生成丙烯，反應器流出物由多級壓縮機壓縮。經回收工段處理后，丙烷、丙烯和其它重組分被送入精制工段進行分離。該工藝丙烷轉化率大于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，無氫循環，無蒸汽稀釋，單程轉化率最高（40%～45%），降低了能源消耗和運行費用；采用多臺平行固定床反應器連續運行，具有開車快、運行可靠、在線率高的特點［5］；但該工藝催化劑中的Cr具有毒性，對環境影響較大。

1.3 STAR工藝

STAR技術由飛利浦石油公司開發，2000年Uhde對其進行了改進。該工藝采用列管式等溫固定床反應器，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，單程轉化率高達30%～40%，丙烷選擇性80%～93%，丙烯產率達到80%。結果表明：STAR法催化劑用量少，反應器體積小。

該工藝已于2006年在埃及實現工業化。自2010年投產以來，生產運行平穩、經濟效益顯著。除此外，Uhde還和另外3家大型化工企業簽訂了合同。其中中東地區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公司開發的流化床脫氫工藝，該工藝關鍵在于流化床反應—再生系統，在2個不同的流化床內進行反應和再生［7］。反應溫度為580～630℃，反應壓力為118～147 kPa，丙烷單程轉化率40%，丙烯選擇性80%。反—再生體系分為反應階段、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、設備投資低、運行成本低等突出優點，適合于各種規模的脫氫生產，但在工業化生產中使用較低。

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。以丙烷為原料，在裝填催化劑的多管式固定床反應器內進行脫氫反應。該工藝由3臺反應器組成，其中2臺反應器用于脫氫反應，1臺反應器用于催化劑再生。在590℃，33.9～50.8 kPa條件下，丙烯產率超過90%。目前，BASF公司開發的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，該工藝的單程轉換率從32%提升到50%，總體轉化率從91%提升到93%［8］。PDH工藝兼具產量高，裝置體積小等多項優點。

1.6 ADHO工藝

由于國外對丙烷脫氫的研究開始較早，如今已對國內市場形成技術壟斷。國內選用技術方案時，不得不支付昂貴的專利費、設計費及催化劑費用。對此，中國石油大學（華東）和中石油華東設計院共同開發出可實現連續反應與催化劑再生的高效流化（ADHO）技術。

ADHO工藝兼具無毒性、催化劑用量小，1次投資小等優點，適用于丙烷脫氫、丁烷脫氫和混合脫氫反應［9］。同時該工藝對設備的大小沒有限制，也不需在氫氣作用下進行反應。目前該技術已完成了小試、中試，中試結果在萬噸級工業試驗裝置上進行了初步驗證，核心技術已獲得國家發明專利授權，在國內有一定的應用前景。

2 中國丙烷脫氫產業發展

中國PDH項目不斷涌現，2022年，PDH將會迎來開工高峰，其中包括鑫泰石化，萬達天弘，山東海益，江蘇斯爾邦，江蘇恒瑞等多家企業［10］。

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

雖然新建項目增加，丙烯產能會逐漸轉向供過于求的狀態。而業界人士相信，在PDH發展道路上可以通過優化工藝，改變運輸方式，提高產業鏈的附加值，提高產品的競爭能力，具體有4點。

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

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

（3）提高產業鏈的價值。在國家實施“雙碳”戰略的同時，由于其在環境友好、價格上的優越性，與油煤基產品相比更具優越性；

（4）下游裝置的構造簡單，不需要太多的裝置來實現工廠內部的資源均衡，而且從目前的情況看，在丙烯的產業鏈上還有很大的發展潛力。因此，大規模、集約化、上下游產業鏈一體化的PDH項目將會在激烈的市場環境中獲得良好發展。

3 丙烷脫氫下游產業鏈分析

3.1 經濟分析

PDH工藝因其原材料和產物的單一化，在相同產能下，使用不同專利技術，其裝置建設投入也接近。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裝置抵御財務風險的能力更高［11］。

由于原材料成本在整個項目中所占的比重大約在75%～80%，因此，在丙烷脫氫過程中，企業的產能和裝置的投資變動對其經濟效益的影響很少。該裝置的經濟效益取決于丙烯—丙烷間的價差，如果丙烯—丙烷的最低年價差在1 400元以上，則該裝置將獲得更高的利潤，價格差異越大，則利潤就會更高。PDH裝置對丙烷的純度有很高要求，必須達到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，同時伴生資源不足，所以大部分的丙烷依賴進口。

3.2 市場前景分析

3.2.1 丙烷行業前景不明PDH裝置需要高純度（96%）的丙烷，且不超過100 uL/L的雜質。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品，但由于副產丙烷的含硫率很高，其產品的品質不能達到PDH的原材料需求，從而造成對進口原料的嚴重依賴。從世界范圍內PDH原材料的供求情況來判斷，中東及美國的丙烷供給相對充裕，且價格相對平穩，成為世界上最大的進口基地。隨著中國PDH項目投產，丙烷需求將會增長。

3.2.2 關注需求變動中國的丙烯產量逐年增加，然而到“十四五”末，除高端產品無法取代之外，丙烯的需求也將趨于均衡，甚至出現供給過剩。所以若有意投資新的PDH項目，需要密切關注市場行情變化，并對下游裝置的產品結構、消費需求等進行綜合分析。中國氫能源工業迅速發展，PDH已經是促進“藍氫”生產、促進煉化工業轉型、減少CO2排放的主要方式。

4 結束語

隨著國內PDH發展，丙烯的供需矛盾逐漸增加，而國內大部分的新產能均有相應的下游裝置，以自用的方式生產丙烯。隨著進口丙烷價格的上漲，如何獲得長期穩定、價格相對低廉的丙烷是制約行業發展的重要因素。應盡可能配套足夠的倉儲設施及便利的港口和物流，以便在丙烷價低時進行原材料進口和存儲，以獲得更大利潤。

丙烯生產廠家應與上游、下游公司簽訂長期合同，實現產業多元化，確保原材料供給和產品銷量。下游產業鏈較單一的丙烯生產廠應加大新產品研發或延伸產業鏈，增強抗風險能力。目前丙烷價格及來源不穩定，但丙烷脫氫裝置依然有很大的利潤空間。新廠的技術選型應從Oleflex和Catofin2種工藝入手，特別是Oleflex工藝可實現連續再生控制，確保催化劑具有長久活性和穩定性，同時反應過程安全可靠無毒無害，更具競爭力。