張京輝

(上海賽科石油化工有限責任公司，上海 201507)

隨著丙烯需求的大幅增長，世界范圍內丙烷脫氫工藝的生產能力大幅增長，已實現大規(guī)模商業(yè)化的典型丙烷脫氫工藝主要分為兩類：固定床反應器丙烷脫氫工藝和移動床反應器丙烷脫氫工藝。針對這兩種主要的生產工藝，在進行項目立項的前期工作中，如何選擇符合工廠需要、工藝先進可靠、安全環(huán)保和相對經濟性高的生產工藝成為難點[1]。文章通過定性和定量分析相結合的方法，對這兩種工藝的主要特點及應用前景進行分析比較，最終實現在項目前期分析中對工藝技術進行篩選的目的。

1 工藝簡介

1.1 固定床反應器丙烷脫氫工藝

固定床反應器丙烷脫氫工藝采用氧化鉻-氧化鋁催化劑，為5個并聯臥式固定床反應器，順序控制周期性操作。每臺反應器都能滿足一周期26.5 min的重復循環(huán)操作，經過脫氫-蒸汽吹掃-空氣加熱-抽氣-還原過程，實現工藝物料的連續(xù)流動。丙烷在負壓條件下發(fā)生脫氫反應，烴類/熱空氣循環(huán)操作。

固定床反應器丙烷脫氫工藝的反應溫度較低(590～600 ℃)，反應壓力為0.04～0.05 MPa，丙烷單程轉化率較高。循環(huán)丙烷無需加氫且循環(huán)量較小，蒸汽可自產自足無需外供，但裝置占地較大。

1.2 移動床反應器丙烷脫氫工藝

移動床反應器丙烷脫氫工藝采用氧化鋁基鉑催化劑，為4臺串聯絕熱式移動床反應器。由于丙烷脫氫為強吸熱反應，因此每臺反應器之間都設有中間加熱爐加熱下一個反應器的進料，以維持下一臺反應器反應所需溫度。該工藝使用連續(xù)再生催化劑再生器，持續(xù)不斷再生催化劑，以保持較高的轉化率和選擇性。

移動床反應器丙烷脫氫工藝反應溫度相對較高(600～650 ℃)，反應壓力為正壓操作，丙烷單程轉化率較低。循環(huán)丙烷需通過加氫反應并循環(huán)量較大，需要外供高壓蒸汽，裝置占地相對較少。

2 技術經濟指標分析

2.1 投資分析

兩種丙烷脫氫工藝總投資和專利技術服務費(包括專利費、工藝開發(fā)費、技術服務費和專利實施費等)見表1。

根據對采用兩種工藝技術的幾家典型企業(yè)調研的結果，并結合設計單位的意見，對兩種丙烷脫氫工藝的投資及占地情況進行估算。由于移動床反應器丙烷脫氫工藝需要大量的高壓蒸汽驅動反應器產物壓縮機，因此在公用工程投資部分要新建鍋爐。根據估算的結果，可以得知，兩種技術的總投資沒有巨大差異，專利技術服務費相差也不多。

表1 兩種丙烷脫氫工藝總投資、專利技術服務費

固定床反應器丙烷脫氫工藝要求反應器并聯布置5臺尺寸巨大的脫氫反應器，因此占地面積偏大。移動床反應器丙烷脫氫工藝的反應再生單元可以集中布置，因此裝置占地面積較小。但若考慮移動床反應器丙烷脫氫工藝在公用工程端需新建1臺鍋爐，則總的占地面積與固定床反應器丙烷脫氫工藝相差無幾。

綜合以上方面比較，固定床反應器丙烷脫氫工藝和移動床反應器丙烷脫氫工藝之間在項目投資方面并無太大差異。

2.2 運行分析

表2為兩種丙烷脫氫工藝運行周期情況。

表2 兩種丙烷脫氫工藝運行周期

由于移動床反應器丙烷脫氫工藝采用催化劑連續(xù)再生工藝，流程長，工藝反應溫度較高，反應進料需配氫，循環(huán)丙烷需要進行選擇性加氫飽和二烯烴和炔烴，對進料要求較苛刻，反應器內過濾器篩網易結焦堵，因此影響長周期運行負荷。為保長周期運行，控制反應器內過濾網壓差上升快(壓差上限20 kPa，最大承載強度40 kPa)，維持90%負荷運行，導致其運行周期較短，生產負荷有可能達不到設計要求。

固定床反應器丙烷脫氫工藝實際運行負荷可達106%(反應器負荷111.9%)，裝置運行穩(wěn)定，可以實現長周期、高負荷運行；反應進料溫度低，副反應少；催化劑再生徹底，反應單程轉化率和選擇性高；催化劑可承受碳四以上重組分、烯烴和炔烴以及氮、硫等雜質[2-3]。

移動床反應器丙烷脫氫工藝的催化劑壽命約為3.5年，裝置運行周期為3年，而固定床反應器丙烷脫氫工藝的催化劑壽命約為4年，從大修周期與現有工廠匹配的角度，固定床反應器丙烷脫氫工藝有較明顯優(yōu)勢。

因此，從長周期運行以及實際運行過程的適應性方面考慮，固定床反應器丙烷脫氫工藝明顯優(yōu)于移動床反應器丙烷脫氫工藝。

2.3 工藝技術性能分析

兩種丙烷脫氫工藝技術性能分析見表3。

表3 兩種丙烷脫氫工藝技術性能

*首次裝填每次回收損耗5%。

由表3數據可知：移動床反應器丙烷脫氫工藝催化劑活性高，反應器體積小，催化劑裝填量少，但使用了貴金屬催化劑，且分子篩/吸附劑/干燥劑(以下簡稱三劑)等的裝填使用量并不少。

根據費用估算結果，不包含貴金屬首次裝填費用，移動床反應器丙烷脫氫工藝的工藝技術的三劑使用費用也較高。

另外，移動床反應器丙烷脫氫工藝催化劑對進料要求苛刻，需要進行脫水、除金屬離子凈化處理；反應單程轉化率低，使得后續(xù)分離設備尺寸增大；反應進料溫度高，反應進料需配氫，循環(huán)丙烷需要進行選擇性加氫飽和二烯烴和炔烴；催化劑再生需注氯，有再生尾氣處理。

固定床反應器丙烷脫氫工藝不使用貴金屬催化劑，催化劑再生徹底，反應單程轉化率和選擇性高；雖然反應器體積大，但反應器結構簡單；催化劑器內再生，無催化劑損失，且催化劑可承受碳四以上重組分、烯烴和炔烴以及氮、硫等雜質；反應進料溫度低，副反應少。

綜合評估后，從反應、再生、轉化率、副反應、原料適應性以及費用角度看，固定床反應器丙烷脫氫工藝有一定優(yōu)勢。

由于三劑和工藝技術方面指標的優(yōu)先級較其他所有指標為最低，意味著在本次丙烷脫氫工藝技術經濟評估中對最終的評估結果無實質影響。

2.4 單耗分析

兩種丙烷脫氫工藝主要單耗的比較見表4。

表4 兩種丙烷脫氫工藝主要單耗的比較

由表4可知：雖然固定床反應器丙烷脫氫工藝的單程轉化率較高，丙烷循環(huán)量少，高價值產品收率高，但從原料單耗角度分析，移動床反應器丙烷脫氫工藝較固定床反應器丙烷脫氫工藝具有一定優(yōu)勢?？紤]到丙烷脫氫裝置的技術經濟性受原料影響敏感性較大，故此項指標對某種丙烷脫氫工藝有較大影響。

2.5 能耗分析

兩種丙烷脫氫工藝能耗的具體數據見表5。

表5 兩種丙烷脫氫工藝能耗

由表5比較可知:移動床反應器丙烷脫氫工藝的能耗較固定床反應器丙烷脫氫工藝大。其中，蒸汽消耗占比較大，主要因為移動床反應器丙烷脫氫工藝單程轉化率低，同樣生產規(guī)模丙烷循環(huán)量接近固定床反應器丙烷脫氫工藝丙烷循環(huán)量的1.5～2倍。移動床反應器丙烷脫氫工藝反應壓力正壓操作，為保證生產運行，需要大能力的反應器出口反應氣壓縮機。

受制于工廠供電條件，大于20 MW電機即使采用專門的起動裝置，也會引起系統(tǒng)電網電壓波動，影響工廠甚至化工區(qū)內供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因此移動床反應器丙烷脫氫工藝必須使用超壓蒸汽透平驅動反應器出口反應氣壓縮機，并抽出低壓蒸汽。由于低壓蒸汽沒有其他熱力用戶，因此必須采用全凝工況，即便在分離單元脫丙烷塔采用熱泵實現高效熱能利用，以降低高壓蒸汽用量，但能耗相比于固定床反應器丙烷脫氫工藝所采用的電機最大化工況仍舊更高。

對處于華東地區(qū)的企業(yè)，天然氣供應處于國家長輸管線末端，燃料價格相對較高。而國家電網上網電價主要以煤電為主，單位熱值下蒸汽價格整體高于電價，因此移動床反應器丙烷脫氫工藝采用透平驅動總體上是不經濟的。

2.6 工藝環(huán)保

2.6.1 廢氣排放

總體來說，固定床反應器丙烷脫氫工藝由于采取蒸汽吹掃、空氣燒焦的反應器催化劑再生工藝，余熱鍋爐用于回收反應器的再生空氣中的熱量產生過熱高壓蒸汽。再生空氣離開反應器后進入余熱鍋爐，在余熱鍋爐中首先對余熱鍋爐汽包和反應器蒸汽發(fā)生器所產生的高壓蒸汽進行過熱，然后預熱汽包和反應器蒸汽發(fā)生器所需的給水，最后在排入大氣之前對流向除氧器的冷凝器凝液進行預熱。為了符合裝置對蒸汽品質的要求，還需要對余熱鍋爐設置輔加補充燃燒單元。另外，為使煙氣經煙囪能夠達標排放，余熱鍋爐包含催化還原系統(tǒng)(SCR/SNCR)，以減少氮氧化物的排放，脫硝率按90%計。自余熱鍋爐的廢氣排放量大，非甲烷烴排放總量較高，可通過增加催化還原床層降低約85%。

移動床反應器丙烷脫氫工藝來自反應催化劑再生單元的排放氣總量雖然并不高，但其硫化物較高，因催化劑再生需注氯，再生尾氣含氯氣需增加一個小的堿洗塔，或送至廠區(qū)內的堿洗塔進行處理。因反應溫度較高，自加熱爐排放廢氣的氮氧化物濃度較高，氮氧化物排放總量較高。在加熱爐的廢氣中，因為是全燃燒的設計(有約3%的過剩氧氣)，應該沒有非甲烷總烴(NMHC)。顆粒物的質量濃度一般不會超過10 mg/m3，如果使用潔凈的天然氣做燃氣，顆粒物的質量濃度為6 mg/m3。移動床反應器丙烷脫氫工藝需要增設鍋爐提供透平驅動蒸汽，自鍋爐排放的廢氣量也較高。

2.6.2 廢水排放

固定床反應器丙烷脫氫工藝廢水汽提塔塔底因化學需氧量(COD)及油含量高，需控制達標排放，送至界區(qū)處理設施處理。

移動床反應器丙烷脫氫工藝注入量多，產品氣干燥器再生氣需堿洗脫硫，從堿液脫氣罐排放的含硫廢堿液總量不高，但其中含鹽、COD極高，導致COD排放總量也很高，須經中和、焚燒或生物處理工藝進行處理。

2.6.3 廢固處理

固定床反應器丙烷脫氫工藝廢固排放總量較大，其中含鉻催化劑是各方關注的焦點問題，主要是因為非催化劑若含六價鉻，其作為吸入性極毒物可能致癌，需采取安全保護措施處理。根據專利商的報告，催化劑中的鉻元素主要以非危險性的三價鉻形式存在，不是危險貨物，無運輸和存儲限制。在全球范圍內有超過20家用戶處理廢催化劑，未曾因為催化劑性質的原因導致事故發(fā)生。可經催化劑加工商回收金屬或制成耐火磚或按照當地法規(guī)填埋。

固定床反應器丙烷脫氫工藝新的停車流程可有效降低六價鉻含量，不再需要填埋前的固化步驟。廢催化劑通過了不同實驗室的析出物測試驗證，因此，不應將該固定床反應器丙烷脫氫工藝反應過程中的六價鉻問題，作為項目環(huán)評可行性的充要條件。但在項目實施過程中，應將環(huán)評工作做細做實，加強與政府環(huán)保監(jiān)管部門的溝通咨詢工作，及時了解政策導向，確保項目實施的順利進行。

移動床反應器丙烷脫氫工藝催化劑及其他裝填三劑壽命短，因此折算到每年的廢固總量相對更高。

綜上所述，由于移動床反應器丙烷脫氫工藝廢氣、廢水排放總量相對于固定床反應器丙烷脫氫工藝更少，且其廢固相對于固定床反應器丙烷脫氫工藝廢固處理難度較小，因此從環(huán)保角度來看，移動床反應器丙烷脫氫工藝略優(yōu)于固定床反應器丙烷脫氫工藝。

3 兩種丙烷脫氫工藝專利分析

3.1 專利業(yè)績的比較

項目工藝專利選擇中，專利實際運營業(yè)績是一個重要的考量方面。選擇成熟、可靠、運營業(yè)績好的專利技術對項目上馬后，實際運營時的穩(wěn)定運行、減少故障、迅速擴張產能、實現投資效益會帶來很大的助益。而專利轉讓情況，可以從宏觀上反映某一專利發(fā)展的成熟度，指標指導意義簡潔、明了，是項目開發(fā)過程中經常要檢索的數據。

自2012年以來，固定床反應器丙烷脫氫工藝的專利授權經歷了大幅增長,目前專利授權產能達到了當時的將近2倍之多,至2027年該專利產能預計會達到當前的200%；移動床反應器丙烷脫氫工藝的專利授權也經歷了大幅增長，目前專利授權產能超過了當時的2倍，至2022年該專利產能預計會增長到當前的近200%。

表6為已建兩種丙烷脫氫工藝專利裝置的統(tǒng)計情況。

表6 兩種丙烷脫氫工藝專利裝置已建項目統(tǒng)計

總的來說，雖然兩種丙烷脫氫工藝專利授權都處于高速增長的發(fā)展過程，但從移動床反應器丙烷脫氫工藝專利轉讓歷史來看，仍然略占優(yōu)勢。固定床反應器丙烷脫氫工藝近年不斷優(yōu)化工藝流程，加大了專利轉讓推廣力度，展望不久的將來，全球范圍內仍然會以此兩種工藝為主，孰強孰弱還很難定論。

3.2 專利設備的比較

因工廠供電條件限制，大于20 MW電機即使采用專門的起動裝置，也會引起系統(tǒng)電網電壓很大波動，甚至影響整個化工區(qū)供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。大電機若采用直接起動方式，電機自身功率偏大會因起動壓降大造成電網波動，影響電網安全運行，需采用HS透平驅動。

固定床反應器丙烷脫氫工藝可以實現丙烷脫氫裝置內蒸汽的自給自足，不存在需要賣方提供的專利設備；幾乎所有的技術設備均可從中國內地采購，或由在中國設有代表處或設施的國際供應商提供。

移動床反應器丙烷脫氫工藝因轉化率低，丙烷循環(huán)量大，產品氣壓縮機和熱泵功率較大，采用透平驅動，該工藝中催化劑再生控制系統(tǒng)/反應器產物干燥器再生控制系統(tǒng)(CRCS/DRCS)屬專利設備。該工藝需引入約160 t的高壓蒸汽和23 t的中壓蒸汽，為此需新建動力中心提供蒸汽，相應將顯著增加投資、占地及廢氣排放等。

固定床反應器丙烷脫氫工藝關鍵設備臺數多，工藝復雜；移動床反應器丙烷脫氫工藝關鍵壓縮機、泵功率大，制造、運行、管理及維護難度大，且含有專利設備。

按照華東當地的公用工程價格體系，蒸汽驅動的成本大于電驅動，宜采取電機最大化驅動方案，故移動床反應器丙烷脫氫工藝的運行成本較高。

從設備采購制造、運營管理角度評估，固定床反應器丙烷脫氫工藝與移動床反應器丙烷脫氫工藝差異并不明顯。

3.3 專利關鍵運營瓶頸方面的比較

作為生產向企業(yè)配套的公用工程單元，往往因為涉及專業(yè)龐雜，占地面積龐大，設備布置分散，擴能改造難度大，直接效益不明顯等原因，使之成為整個資產運營的短板，形成運營能力的瓶頸。因而，在新建項目工藝選擇階段，必須就所上項目對公用工程單元運行瓶頸所帶來的影響進行評估比較。

根據大型化工企業(yè)的實際生產情況，火炬單元的處理能力成為了生產安全運營的最大瓶頸。兩種丙烷脫氫工藝的火炬氣排放置巨大，分別為250,500 t/h，因此其評估也是一項關鍵指標。

由于移動床反應器丙烷脫氫工藝反應轉化率低，系統(tǒng)循環(huán)量大，因此固定床反應器丙烷脫氫工藝的火炬排放量優(yōu)于移動床反應器丙烷脫氫工藝。

3.4 專利技術經濟性的比較

除了以上各個環(huán)保、投資、技術、設備、運營等方面的比較之外，投資項目工藝綜合比較選擇的重中之重是要在分析可行性的基礎上，選擇經濟性最好的項目，以實現公司效益最大化和資產效率的最大化。

根據計算結果，可以看出由于單耗低、丙烯選擇性高，移動床反應器丙烷脫氫工藝具有一定優(yōu)勢。但是由于移動床反應器丙烷脫氫工藝轉化率低、循環(huán)丙烷量大，其大功率反應氣壓縮機、熱泵需采用高壓蒸汽驅動，而低壓蒸汽因沒有用戶而不得不采取全凝方式運行，導致公用工程損耗量大，且以華東地區(qū)電價與蒸汽價格相比，采用更多電機的固定床反應器丙烷脫氫工藝顯然具有更佳的工藝技術經濟性。

4 兩種丙烷脫氫工藝各項指標的量化評估

各項指標的量化評估結果請見表7。

表7 各項指標的量化評估結果

由表7可知：

(1)固定床反應器丙烷脫氫工藝在長周期運行穩(wěn)定性、能耗、三級消耗、火炬排放總量等方面明顯優(yōu)于移動床反應器丙烷脫氫工藝；移動床反應器丙烷脫氫工藝則在單耗、授權專利數、環(huán)保排放總量等方面優(yōu)于固定床反應器丙烷脫氫工藝。

(2)對于華東地區(qū)，處于天然氣管網末端、水源下游，能源價格較高，項目公用工程成本對生產成本影響很大。

(3)雖然固定床反應器丙烷脫氫工藝廢氣、廢水排放量較大，但經處理后其質量濃度卻低于移動床反應器丙烷脫氫工藝。

(4)從安全運行角度，固定床反應器丙烷脫氫工藝因反應轉化率高而循環(huán)量少，火炬氣排放量相對較少，自然對現有火炬系統(tǒng)影響較小，事故狀態(tài)下火炬排放冗余度大，能夠確保生產安全運行。從可行性角度來看，固定床反應器丙烷脫氫工藝更具可行性。

(5)兩種丙烷脫氫工藝的設備先進性、運行可靠性、制造難度相仿。

(6)從總的效益來看，兩種丙烷脫氫工藝的總投資、單耗、三劑消耗差異并不大，起決定作用的是能耗，固定床反應器丙烷脫氫工藝因此能耗優(yōu)于移動床反應器丙烷脫氫工藝[4-5]。

5 結語

隨著化工行業(yè)的競爭日益激烈，在做工藝選擇比較工作時，必須摒棄過分依賴定性分析的方法，需要引入定性分析定量化的方法。只有進行定量比較才能確保分析比較的結果真實可靠，減少決策失誤的可能，并可對項目決策的過程進行監(jiān)督、追溯，在多方面決策中理清各項指標的重要性。同時所作的最終決策應該從本企業(yè)的實際出發(fā)，將定性的評比納入量化比較，避免主觀判斷，最終得出較為客觀的決策結果。