劉建佳

上海華誼能源化工有限公司（上海 200241）

化工管理

中美乙烷裂解項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究
——以美國(guó)乙烷為原料

劉建佳

上海華誼能源化工有限公司（上海 200241）

以在中國(guó)華南沿海和美國(guó)墨西哥灣分別建設(shè)一套100萬(wàn)t/a的乙烷裂解工廠為設(shè)想，目標(biāo)市場(chǎng)為中國(guó)華南區(qū)域，采用美國(guó)乙烷為原料，對(duì)工藝技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)介，通過投資金額、乙烷價(jià)格、人工費(fèi)和維修費(fèi)等因素，比較了中美項(xiàng)目的成本，結(jié)合過去近10年的市場(chǎng)情況，考察了項(xiàng)目的盈利情況。

乙烷 乙烯 中美 經(jīng)濟(jì)性

乙烯被譽(yù)為“工業(yè)之母”，在化工行業(yè)中占有極其重要的地位，很多化工產(chǎn)品（如聚乙烯、醋酸乙烯等）都是從乙烯開始進(jìn)行生產(chǎn)的。因此，乙烯的價(jià)格也受到化工生產(chǎn)商的廣泛關(guān)注[1]。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)乙烯的原料主要有三種：石油、煤炭和乙烷。石油路線采用的方法為石腦油裂解法，乙烯的收率受石腦油組分含量的影響較大；煤炭路線為煤炭氣化合成甲醇，然后經(jīng)甲醇制烯烴（MTO）生產(chǎn)乙烯和丙烯，該方法乙烯產(chǎn)率受乙烯/丙烯比例的影響，可調(diào)控空間不大；乙烷路線采用的方法為乙烷熱裂解法，該方法乙烯收率高，但乙烷來源較少。

在2010年—2013年之間，美國(guó)乙烷的產(chǎn)量幾乎與其國(guó)內(nèi)消費(fèi)量持平，甚至還需要少量進(jìn)口，但是從2013年底開始，隨著美國(guó)頁(yè)巖氣開采規(guī)模擴(kuò)大，生產(chǎn)液化天然氣（LNG）時(shí)伴生的大量乙烷無(wú)法處理，只能回注至輸氣管道內(nèi)，導(dǎo)致過剩，促使美國(guó)自2014年開始開展乙烷原料出口業(yè)務(wù)（圖1），且出口量逐漸增加[2]。

圖1 2010年—2017年美國(guó)乙烷產(chǎn)量、消費(fèi)量及出口量（千桶/天）

圖2 2010年—2015年中國(guó)乙烯產(chǎn)量和當(dāng)量缺口（萬(wàn)t/a）

我國(guó)的乙烯產(chǎn)量在2010年—2012年之間增加量較小，自2013年起隨著MTO技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化增多，乙烯產(chǎn)量有了一定的提高，2015的年乙烯產(chǎn)量達(dá)到1 700多萬(wàn)噸（圖2），但我國(guó)是制造和消耗大國(guó)，乙烯消耗量巨大，缺口一直存在。國(guó)內(nèi)乙烯生產(chǎn)工藝主要為石腦油裂解，該路線也掌握著國(guó)內(nèi)乙烯定價(jià)，國(guó)際原油價(jià)格走低，乙烯價(jià)格也隨之走低，極大地壓縮了MTO路線乙烯的利潤(rùn)空間。隨著美國(guó)乙烷出口量的增加，我國(guó)開始關(guān)注乙烷裂解技術(shù)的成本競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)以在中國(guó)華南沿海地區(qū)和美國(guó)墨西哥灣分別建設(shè)一套100萬(wàn)t/a（產(chǎn)品量）的乙烷裂解工廠為設(shè)想，目標(biāo)市場(chǎng)為中國(guó)華南區(qū)域，采用美國(guó)乙烷為原料，對(duì)工藝流程進(jìn)行簡(jiǎn)介，并就中美項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。

1 基本原理和工藝流程

1.1 基本原理

蒸汽裂解是生產(chǎn)乙烯使用最廣泛的方法。主反應(yīng)較為簡(jiǎn)單［如式（1）所示］，乙烷在750～850℃、150～350 kPa條件下發(fā)生脫氫反應(yīng)生成乙烯，并副產(chǎn)氫氣。在反應(yīng)過程中，其他主要產(chǎn)物包括甲烷、乙炔、丙烯、丙烷、丁二烯和其他烴類。反應(yīng)物在裂解爐中的停留時(shí)間約為0.1～0.5 s。蒸汽注入反應(yīng)器中可以降低烴類分壓，從而降低高溫下的結(jié)焦速率[3]。

1.2 工藝流程

常見的工藝流程分為三個(gè)主要部分：熱解、壓縮、冷卻及分離，如圖3所示，該裂解流程也可以使用丙烷和石腦油等作為原料。

圖3 乙烷裂解典型工藝流程

在熱解部分，預(yù)熱的乙烷和蒸汽（水烴質(zhì)量比為0.3）進(jìn)入到裂解爐中，在800℃的高溫下反應(yīng)得到乙烯和其他副產(chǎn)物，詳細(xì)組分如表1所示。裂解氣隨后被急冷到600℃以避免其發(fā)生分解反應(yīng)，500℃、10 MPa的副產(chǎn)高壓蒸汽被送至透平壓縮機(jī)。隨后將冷卻后的裂解氣進(jìn)行多級(jí)壓縮，以便將乙烯從其他產(chǎn)物中分離出來。在壓縮部分，酸性氣體和部分殘留水分被除去，以避免在冷卻時(shí)形成固態(tài)的雜質(zhì)或冰，從而堵塞設(shè)備和管道。在分離部分，使用制冷劑進(jìn)一步冷卻壓縮部分尾氣并將氫氣從中分離出來，得到的高純度氫用于乙炔的加氫反應(yīng)，液體產(chǎn)品物料通過一系列精餾塔脫除其中的甲烷、乙烷和丙烷[4]。

表1 裂解氣組分

1.3 工藝消耗

中美乙烷裂解工廠的乙烯產(chǎn)能為100萬(wàn)t/a，工作時(shí)長(zhǎng)為8000 h/a。乙烷裂解制乙烯的過程需要消耗大量能量，本文中乙烷裂解爐所需的熱量均由外購(gòu)天然氣提供，系統(tǒng)副產(chǎn)的6.5 MPa高壓蒸汽除驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)外全部外送，裂解所需的低壓蒸汽由系統(tǒng)自身提供，其他副產(chǎn)產(chǎn)品除氫氣外全部送入裂解爐充作燃料，氫氣主要用于乙炔等不飽和烴的加氫反應(yīng)[5]，電力主要用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)和泵。

2 乙烷裂解在中美的經(jīng)濟(jì)性

2.1 中美項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

美國(guó)裝置擬選址為墨西哥灣附近區(qū)域，中國(guó)裝置擬選址為中國(guó)華南沿海區(qū)域，目標(biāo)市場(chǎng)均為中國(guó)華南區(qū)域，匯率定為6.8，項(xiàng)目資金為自有，美國(guó)綜合稅率為35%。美國(guó)100萬(wàn)t裝置的投資金額為10億美元，由于我國(guó)仍屬于發(fā)展中國(guó)家，原料、制造費(fèi)用和人工成本均較低，所以中國(guó)裝置投資金額暫定為6億美元，設(shè)備折舊期為15年。

項(xiàng)目的原料、公用工程、副產(chǎn)物和財(cái)務(wù)指數(shù)等[6]內(nèi)容見表2。

在美國(guó)乙烷的售價(jià)為3.79美元/吉焦的情況下，中國(guó)項(xiàng)目的利潤(rùn)和稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（IRR）均低于美國(guó)項(xiàng)目。雖然在投資金額、人工費(fèi)和維修費(fèi)上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但是燃料在乙烷裂解消耗中占據(jù)較大比例，而中國(guó)天然氣較高的價(jià)格顯著地影響了中國(guó)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

表2 中美乙烷裂解裝置經(jīng)濟(jì)性分析

2.2 乙烷價(jià)格的影響

除了燃料價(jià)格等因素的影響外，備受關(guān)注的是乙烷價(jià)格對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響。在假定其他因素不變的情況下，對(duì)乙烷的價(jià)格變動(dòng)進(jìn)行考察（見表3）。

表3 乙烷價(jià)格變動(dòng)對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響

當(dāng)美國(guó)乙烷的價(jià)格下調(diào)至1.90美元/吉焦時(shí)，美國(guó)項(xiàng)目的利潤(rùn)仍高于中國(guó)項(xiàng)目，但二者的差距在縮小，乙烷價(jià)格在項(xiàng)目總成本中的占比也不斷縮小，中國(guó)項(xiàng)目的投資、維修、人力等成本優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，中國(guó)項(xiàng)目的稅后IRR甚至超過了美國(guó)項(xiàng)目。當(dāng)乙烷價(jià)格上漲時(shí)，雖然美國(guó)項(xiàng)目和中國(guó)項(xiàng)目的利潤(rùn)均有所下降，但是二者的差值擴(kuò)大，說明乙烷價(jià)格上漲對(duì)中國(guó)項(xiàng)目利潤(rùn)的影響更大，中國(guó)項(xiàng)目的IRR降幅也更明顯。當(dāng)乙烷價(jià)格躍升至6.64～7.58美元/吉焦時(shí)，中國(guó)項(xiàng)目已進(jìn)入虧損階段，而美國(guó)項(xiàng)目仍具有可觀的利潤(rùn)和收益率。當(dāng)乙烷價(jià)格升至9.48美元/吉焦后，美國(guó)項(xiàng)目可以微利存活，中國(guó)項(xiàng)目則基本滅亡。該假設(shè)并未考慮天然氣的價(jià)格因素。如果天然氣價(jià)格隨乙烷正相關(guān)變動(dòng)，則乙烷價(jià)格越低，中國(guó)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)越明顯；而乙烷價(jià)格越高時(shí)，中國(guó)項(xiàng)目的劣勢(shì)也就越突出。以上假設(shè)也并未考慮乙烯價(jià)格的變動(dòng)，乙烯產(chǎn)品價(jià)格的變動(dòng)也將會(huì)給項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性造成顯著的影響。

2.3 歷史條件下中美項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性

為了更貼近真實(shí)的歷史市場(chǎng)情況，依照本模型，參考2008年—2016年的美國(guó)乙烷價(jià)格和東北亞乙烯售價(jià)，對(duì)中美項(xiàng)目乙烯利潤(rùn)情況進(jìn)行對(duì)比分析（見圖4）。2011年以前，美國(guó)乙烷價(jià)格和東北亞乙烯售價(jià)的基本趨勢(shì)保持一致。2008年全球金融危機(jī)爆發(fā)，雖然乙烯價(jià)格維持在1 400美元/噸以上，但是乙烷的價(jià)格也處于近年最高點(diǎn)，接近700美元/噸，從而導(dǎo)致中美項(xiàng)目均出現(xiàn)虧損。隨著全球金融危機(jī)的蔓延，2009年的乙烯售價(jià)出現(xiàn)跳水，下跌幅度幾乎達(dá)44%，但乙烷價(jià)格下降超過了46%，這時(shí)中國(guó)項(xiàng)目的利潤(rùn)基本維持在盈虧平衡點(diǎn)，而美國(guó)項(xiàng)目則已開始盈利。從2010年到2011年，全球經(jīng)濟(jì)回暖，乙烷價(jià)格持續(xù)增長(zhǎng)，雖然乙烯售價(jià)也有所提高，但是難以沖抵乙烷原料成本的增加，中美項(xiàng)目的盈利情況持續(xù)惡化，中國(guó)項(xiàng)目甚至在2011年出現(xiàn)“巨虧”。

圖4 歷史條件下中美項(xiàng)目的利潤(rùn)對(duì)比

乙烷與乙烯價(jià)格的相關(guān)特性在2012年出現(xiàn)巨大轉(zhuǎn)折。2011年末，希臘的財(cái)政危機(jī)對(duì)歐盟乃至全球經(jīng)濟(jì)造成了不利影響，連帶對(duì)東北亞的乙烯市場(chǎng)也造成了一定的沖擊。2012年的乙烯售價(jià)基本與2011年持平，但是此時(shí)美國(guó)的頁(yè)巖氣革命爆發(fā)，美國(guó)乙烷的價(jià)格出現(xiàn)大幅下降，從而導(dǎo)致中國(guó)項(xiàng)目首次盈利，而同期美國(guó)項(xiàng)目的盈利性更好。

隨著歐盟危機(jī)的化解，2013年和2014年的乙烯售價(jià)繼續(xù)提升，但美國(guó)頁(yè)巖氣的高速開采提高了凝析液產(chǎn)量，其中富含的乙烷豐富了其原料供應(yīng)來源，也使乙烷價(jià)格持續(xù)下降，中美兩項(xiàng)目的盈利性良好，且美國(guó)項(xiàng)目?jī)?yōu)于中國(guó)項(xiàng)目。雖然2015年和2016年的乙烷價(jià)格基本保持平穩(wěn)，但是隨著中國(guó)MTO項(xiàng)目的開工，東北亞乙烯售價(jià)出現(xiàn)了一定幅度的下降，美國(guó)乙烷的價(jià)格在這兩年中保持平穩(wěn)，使中美項(xiàng)目的利潤(rùn)出現(xiàn)細(xì)微下滑，但仍保持較高的收益。

通過分析近10年的歷史數(shù)據(jù)可知，中國(guó)項(xiàng)目的盈利性和抗風(fēng)險(xiǎn)性均弱于美國(guó)項(xiàng)目。如前所述，只有當(dāng)乙烷價(jià)格十分低廉時(shí)，中國(guó)項(xiàng)目的投資回報(bào)率才優(yōu)于美國(guó)項(xiàng)目，但這種情況并未出現(xiàn)，也許在美國(guó)的高純乙烷大量出口后，中國(guó)項(xiàng)目的未來將變得更好。

3 結(jié)論

以中國(guó)華南地區(qū)為目標(biāo)市場(chǎng)，分別對(duì)在美國(guó)墨西哥灣和中國(guó)華南地區(qū)建設(shè)100萬(wàn)t/a的乙烷裂解工廠進(jìn)行了分析。在過去的近10年中，美國(guó)項(xiàng)目的成本要低于中國(guó)項(xiàng)目，投資回報(bào)率更佳，抗風(fēng)險(xiǎn)性也更強(qiáng)。頁(yè)巖氣革命的爆發(fā)，使化工原料的來源更加豐富，這給我國(guó)的化工企業(yè)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，單純地依靠乙烷和乙烯的價(jià)格差來獲利具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，只有對(duì)乙烯進(jìn)行深加工、做大做強(qiáng)下游產(chǎn)業(yè)鏈，才能將利潤(rùn)最大化，企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)性也會(huì)更強(qiáng)。

[1]鄒才能,趙群,張國(guó)生,等.能源革命:從化石能源到新能源[J].天然氣工業(yè),2016,36(1):1-10.

[2]GANDOLPHE S C.The impact of the development of shale gas in the United States on Europe's petrochemical industries[Z].France:Ifri,2013.

[3]THIRUVENKATASWAMY P,ELJACK F T,ROY N,et al. Safety and techno-economic analysis of ethylene technologies[J].Journal ofLoss Prevention in the Process Industries, 2016(39):74-84.

[4]ABEDI A A.Economic analysis of a new gas to ethylene technology[D].Austin:Texas A&MUniversity,2007.

[5]ZIMMERMANN H,WALZL R.Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry[J].Ethylene,2012,13:465-526.

[6]陳樂,李立,馬越.新型煤化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析[J].現(xiàn)代化工,2015,35(1):6-10.

Economics Comparison Research on Sino-US Ethane Cracking Projects—with US Ethane as Raw Materials

Liu Jianjia

In this paper,the construction of an ethane cracking plant with product capacity of 1 million tons per year separately built in South China coastal area and Gulf of Mexico was assumed.The raw material was US ethane and the target market was South China area.By comparing factors such as investment,ethane price,labor cost,maintenance cost and so on,the cost comparison of two projects was obtained.In consideration of the market conditions for the last ten years,the earnings situations were investigated.

Ethane;Ethylene;Sino-Us;Economics

TE-9

2017年3月

劉建佳男1987年生工程師博士主要從事化工新業(yè)務(wù)拓展工作