朱 青，張 松，蔣 也

（中國(guó)石化集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029）

世界丙烯生產(chǎn)以乙烯裂解裝置聯(lián)產(chǎn)和煉廠副產(chǎn)回收路線為主，目前專門生產(chǎn)丙烯的技術(shù)比例正逐步提高。生產(chǎn)乙烯最常用的是蒸汽裂解技術(shù)，主要以石腦油、加氫裂化尾油、乙烷、丙烷、液化石油氣（LPG）等作為原料。由于我國(guó)丙烷資源有限，采用純丙烷作為裂解原料的企業(yè)較少，純丙烷作為乙烯原料僅占中國(guó)石化乙烯裝置進(jìn)料的0.5%，在國(guó)內(nèi)外也尚無(wú)全部采用純丙烷進(jìn)料的乙烯裂解工業(yè)化裝置。近年來(lái)，丙烷脫氫（PDH）、甲醇制丙烯（MTP）等專門生產(chǎn)丙烯的技術(shù)取得了較大發(fā)展，特別是在中東、亞洲等具有資源優(yōu)勢(shì)的地區(qū)。隨著全球丙烷資源量增加，PDH技術(shù)由于具有進(jìn)料單一、產(chǎn)品單一（主要是丙烯）等特點(diǎn)，其產(chǎn)能更是增長(zhǎng)迅速。

1 丙烷資源與丙烷價(jià)格

1.1 丙烷資源

丙烷是處理天然氣或油田伴生氣、原油煉制得到的副產(chǎn)物，目前世界丙烷產(chǎn)量約1.6億噸[1]。隨著天然氣加工丙烷產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)，來(lái)自天然氣加工的丙烷占70%，剩余30%來(lái)自煉油廠加工。

美國(guó)和中東是世界上主要的丙烷生產(chǎn)國(guó)。從全球丙烷供給的角度看，新增丙烷主要來(lái)自美國(guó)頁(yè)巖氣革命產(chǎn)生的丙烷增量。據(jù)EIA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2016年以來(lái)，美國(guó)丙烷產(chǎn)量增長(zhǎng)較快，2018年、2019年丙烷產(chǎn)量年均增長(zhǎng)達(dá)到13%，2021年美國(guó)丙烷產(chǎn)量為63 671萬(wàn)桶，比2020年增加3.4%。2018年中東地區(qū)丙烷產(chǎn)量約為3 700萬(wàn)噸，若OPEC原油產(chǎn)量穩(wěn)定，中東地區(qū)丙烷供給量將維持原有水平。

全球丙烷產(chǎn)量、消費(fèi)量基本持平（見(jiàn)圖1）。在丙烷消費(fèi)中，居民和商業(yè)用燃料消費(fèi)占比47.2%，化學(xué)品消費(fèi)量占比33.6%，工業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消費(fèi)占比15.8%。丙烷作為化工原料，越來(lái)越多地用于PDH制丙烯。自2011年以來(lái)，全球PDH裝置產(chǎn)能持續(xù)快速增長(zhǎng)，截至2021年底，全球PDH裝置產(chǎn)能約1 806萬(wàn)噸/年，根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，未來(lái)全球PDH產(chǎn)能將繼續(xù)大幅增長(zhǎng)。

圖1 2000-2016年全球丙烷產(chǎn)量和消費(fèi)量

我國(guó)丙烷供小于求，需要進(jìn)口來(lái)彌補(bǔ)需求缺口，我國(guó)丙烷主要用于民用燃料和化工原料。近年來(lái)，我國(guó)丙烷需求增長(zhǎng)得益于PDH的產(chǎn)能擴(kuò)張，預(yù)計(jì)2025年國(guó)內(nèi)產(chǎn)能將接近2 000萬(wàn)噸/年，以此估算，需要進(jìn)口丙烷約2 404萬(wàn)噸。

2021年我國(guó)進(jìn)口丙烷1 913萬(wàn)噸，主要來(lái)自中東和北美。2015–2017年，我國(guó)從美國(guó)年均進(jìn)口總量約300萬(wàn)噸，占全部進(jìn)口量的1/6。自2018年從美國(guó)進(jìn)口丙烷關(guān)稅提高后，我國(guó)進(jìn)口來(lái)自美國(guó)的丙烷總量不斷減少，2019年從美國(guó)進(jìn)口丙烷僅0.2萬(wàn)噸。隨著2020年關(guān)稅政策的調(diào)整，從美國(guó)進(jìn)口丙烷量開(kāi)始增加，2020年進(jìn)口421萬(wàn)噸，占進(jìn)口總量的27.9%；2021年進(jìn)口774萬(wàn)噸，占進(jìn)口總量的40.0%。2017–2021年我國(guó)進(jìn)口液化丙烷數(shù)量及來(lái)源如圖2所示。

圖2 2017-2021年我國(guó)進(jìn)口液化丙烷數(shù)量與來(lái)源

1.2 丙烷價(jià)格

全球丙烷價(jià)格主要參考沙特CP價(jià)格和美國(guó)MB價(jià)格，CP價(jià)格即沙特阿美合同價(jià)，由沙特阿美石油公司于每月底對(duì)外公布，目前CP價(jià)格已作為很多國(guó)家與地區(qū)LPG貿(mào)易出口的參考定價(jià)；美國(guó)MB價(jià)格是指德克薩斯州的Mont Belvieu價(jià)格加上美國(guó)內(nèi)陸運(yùn)輸費(fèi)用，即美國(guó)丙烷的出口離岸價(jià)。影響丙烷價(jià)格的因素較多，主要包括原油價(jià)格、天然氣價(jià)格、市場(chǎng)供需、民用和商用丙烷及石化工業(yè)的需求、季節(jié)變化等因素。

自2020年10月以來(lái)，全球丙烷需求多而供應(yīng)少，導(dǎo)致丙烷價(jià)格上漲。2021年，沙特丙烷CP均價(jià)為674美元/噸，與2019年、2020年相比分別上漲了55%、70%；美國(guó)丙烷MB現(xiàn)貨FOB均價(jià)為1.04美元/加侖，與2019年、2020年相比分別上漲了92%、125%。近年沙特、北美丙烷價(jià)格如圖3所示。

圖3 2017-2021年沙特、北美丙烷價(jià)格

我國(guó)是丙烷的凈進(jìn)口國(guó)，目前約70%的丙烷用于民用和工業(yè)燃料，剩余30%作為化工原料，主要用于PDH裝置。丙烷價(jià)格通常是季節(jié)性的，在冬季達(dá)到峰值，在夏季見(jiàn)底。自2015年起我國(guó)丙烷進(jìn)口量逐年增加，年均增加約12.7%。2021年我國(guó)丙烷進(jìn)口量約1 913萬(wàn)噸，受全球丙烷價(jià)格上漲影響，2021年進(jìn)口到岸價(jià)為4 277元人民幣/噸，與2019年、2020年相比分別上漲了26%、40%。

圖4 2001-2021年我國(guó)丙烷海關(guān)進(jìn)口量及價(jià)格

2 丙烷蒸汽裂解與PDH的工藝技術(shù)對(duì)比

2.1 丙烷蒸汽裂解工藝

目前，國(guó)內(nèi)外蒸汽裂解工藝按照分離技術(shù)的不同可分為順序分離流程、前脫乙烷前加氫流程和前脫丙烷前加氫流程（見(jiàn)表1）。國(guó)外比較著名的裂解爐專有技術(shù)商有5家，包括：KTI的GK型裂解爐，Lummus公司的SRT型裂解爐，Stone &Webster公司的UCS裂解爐，KBR的SC-1型爐以及Linde公司的裂解爐。國(guó)內(nèi)寰球工程公司開(kāi)發(fā)的HQC裂解技術(shù)在大慶石化60萬(wàn)噸/年乙烯裝置上得以應(yīng)用；中國(guó)石化工程建設(shè)公司開(kāi)發(fā)的CBL裂解技術(shù)也已在國(guó)內(nèi)鎮(zhèn)海煉化等企業(yè)得以應(yīng)用。

表1 主要的乙烯工藝流程

丙烷裂解與常規(guī)石腦油裂解下游分離工藝略有差異，一般認(rèn)為輕質(zhì)原料裂解下游分離工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，投資相對(duì)較低。根據(jù)2015年《Ethylene Process》報(bào)告[2]，50%乙烷/50%丙烷裂解固定投資是全石腦油裂解投資的79%。

由于裂解原料是丙烷，其裂解產(chǎn)物分布與石腦油等原料裂解分布不同（見(jiàn)表2）。

表2 常見(jiàn)原料裂解產(chǎn)物分布 噸/噸

2.2 PDH工藝

丙烷選擇性脫氫是一種用唯一原料（丙烷）來(lái)生產(chǎn)唯一產(chǎn)品（丙烯）的技術(shù)，采用催化脫氫方法，在高溫和相對(duì)低壓下丙烯總收率高達(dá)85%。目前已工業(yè)化的PDH制丙烯工藝主要有UOP公司的Olefiex工藝、ABB Lummus公司的Catofin工藝，國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)石油大學(xué)開(kāi)發(fā)的PDH技術(shù)。

Oleflex工藝為UOP公司專利技術(shù)，在壓力大于0.1 MPa、溫度580～650℃、鉑催化劑作用下進(jìn)行丙烷的脫氫、分離和精餾，得到聚合級(jí)丙烯產(chǎn)品。反應(yīng)中不用氫氣或水蒸氣作稀釋劑，故可降低能耗和操作費(fèi)用。丙烷單程轉(zhuǎn)化率35%～40%，丙烯選擇性為84%，丙烯產(chǎn)率約為85.0%，氫氣產(chǎn)率約為3.6%。

Catofin工藝是美國(guó)ABB Lummus公司開(kāi)發(fā)的C3～C5烷烴脫氫生產(chǎn)單烯烴技術(shù)，該工藝通過(guò)鉻—鋁催化劑固定床按烴類—熱空氣循環(huán)方式操作將丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯。該工藝丙烷單程轉(zhuǎn)化率約為45%，總轉(zhuǎn)化率大于85%，工藝操作溫度593～649℃，壓力33.86～50.79 kPa。

國(guó)內(nèi)新型丙烷/丁烷脫氫（ADHO）技術(shù)是中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的技術(shù)。采用無(wú)毒無(wú)害的非貴金屬催化劑，減少了對(duì)環(huán)境和操作人員的危害，降低成本。丙烷單程轉(zhuǎn)化率為41.28%，丙烯收率和選擇性分別為33.03%和80.01%。

PDH工藝產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要產(chǎn)品為丙烯，副產(chǎn)品主要為氫氣、乙烷、丁烷和重組分等（見(jiàn)表3）。

表3 PDH工藝產(chǎn)品收率

3 丙烷蒸汽裂解與丙烷脫氫的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

3.1 測(cè)算基礎(chǔ)條件

參考中國(guó)石化相關(guān)項(xiàng)目可研資料，80萬(wàn)噸/年采用全丙烷進(jìn)料的乙烯（副產(chǎn)丙烯32萬(wàn)噸/年）蒸汽裂解裝置建設(shè)投資約66億元，60萬(wàn)噸/年P(guān)DH裝置建設(shè)投資約43億元。測(cè)算價(jià)格分別參考原油價(jià)格為40，60，80美元/桶時(shí)的中國(guó)石化效益測(cè)算價(jià)格[4]以及2018–2020年華東市場(chǎng)價(jià)格。

3.2 效益測(cè)算結(jié)果對(duì)比

3.2.1 采用中國(guó)石化效益測(cè)算價(jià)格測(cè)算結(jié)果

丙烷含稅價(jià)格參考飽和液化氣價(jià)格。在原油價(jià)格為40，60，80美元/桶時(shí)，丙烷含稅價(jià)格分別為2 847，4 132，5 185元人民幣/噸。烯烴價(jià)格參考聚烯烴價(jià)格扣減加工費(fèi)用考慮，丙烯含稅價(jià)格分別為5 047，6 737，8 061元人民幣/噸；乙烯含稅價(jià)格分別為6 467，7 588，8 303元人民幣/噸。

采用原油價(jià)格為40，60，80美元/桶時(shí)的預(yù)測(cè)價(jià)格，丙烷蒸汽裂解裝置稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率分別為17.02%，9.61%，1.11%；PDH裝置稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率分別為8.38%，11.02%，12.6%。

測(cè)算結(jié)果表明，丙烷蒸汽裂解裝置的效益隨油價(jià)升高而降低，主要是因?yàn)楸榱呀庵葡N產(chǎn)品中乙烯占比相對(duì)較大，丙烯較小，測(cè)算價(jià)格體系中乙烯與丙烷價(jià)差隨油價(jià)變動(dòng)幅度相對(duì)較小，丙烯與丙烷價(jià)差隨油價(jià)變動(dòng)幅度相對(duì)較大，因此測(cè)算結(jié)果顯示其效益隨油價(jià)升高而降低。PDH裝置效益隨油價(jià)變動(dòng)而升高，PDH制丙烯主要產(chǎn)品為丙烯，隨油價(jià)走高，測(cè)算價(jià)格體系中丙烷和丙烯價(jià)差變大，項(xiàng)目投資收益率隨之提高。

3.2.2 采用2018-2021年市場(chǎng)價(jià)格測(cè)算結(jié)果

根據(jù)2018–2021年烯烴和進(jìn)口丙烷價(jià)格可知，2018年烯烴與進(jìn)口丙烷價(jià)差相對(duì)較大，2020年價(jià)差相對(duì)較??；2019–2021年，丙烯價(jià)格大多高于乙烯價(jià)格（見(jiàn)圖5）。

圖5 2018-2021年我國(guó)丙烷、烯烴價(jià)格

采用2018–2021年價(jià)格測(cè)算，其中丙烷價(jià)格采用進(jìn)口液化丙烷價(jià)格，丙烷蒸汽裂解裝置稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率分別為23.71%、11.79%、1.99%、6.21%，稅后財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為65.30億，7.50億，–28.90億，–14.89億元；PDH裝置稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率分別為20.14%、16.53%、14.37%、11.33%，稅后財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值分別為29.9億，18.5億，12.0億，3.6億元。

根據(jù)測(cè)算結(jié)果可知，2018年烯烴與丙烷價(jià)差較大，丙烷蒸汽裂解裝置、PDH裝置效益均好于2019–2021年各年效益，同時(shí)2018年乙烯價(jià)格高于丙烯價(jià)格，在2018年價(jià)格情況下，丙烷蒸汽裂解裝置的效益優(yōu)于PDH裝置。從2019年開(kāi)始，丙烯價(jià)格逐漸走高，在大多數(shù)情況下高于乙烯價(jià)格，因此在2019–2021年價(jià)格水平下，PDH裝置的效益優(yōu)于丙烷蒸汽裂解裝置。在乙烯價(jià)格高于丙烯價(jià)格時(shí)，丙烷蒸汽裂解裝置的效益更優(yōu)，反之，則PDH裝置的效益更優(yōu)。

3.3 PDH裝置與丙烷蒸汽裂解的成本對(duì)比

PDH裝置主要工藝路線有UOP Oleflex工藝、Lummus Catofin工藝、Dow FCHh工藝等，其中DOW FCHh工藝是DOW公司最新推出的技術(shù)，尚未有商業(yè)化應(yīng)用?？紤]到目前UOP工藝技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，本研究中PDH裝置采用UOP工藝技術(shù)與丙烷蒸汽裂解工藝進(jìn)行成本對(duì)比分析。

以華東地區(qū)建設(shè)的丙烷蒸汽裂解裝置、PDH裝置為例進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表4），丙烷蒸汽裂解裝置規(guī)模乙烯80萬(wàn)噸/年（副產(chǎn)丙烯32萬(wàn)噸/年），PDH裝置規(guī)模為60萬(wàn)噸/年。從單位烯烴產(chǎn)品投資（僅考慮裝置工程費(fèi)用）看，丙烷蒸汽裂解單位烯烴產(chǎn)品投資為3 214元/噸烯烴產(chǎn)品，PDH單位丙烯投資為3 769元/噸丙烯產(chǎn)品，PDH裝置單位投資略高。

表4 烯烴對(duì)比基準(zhǔn)條件

PDH裝置與丙烷蒸汽裂解裝置丙烷單耗分別為1.230噸/噸烯烴、1.714噸/噸烯烴，丙烷蒸汽裂解裝置原料成本高于PDH裝置；丙烷蒸汽裂解產(chǎn)品規(guī)模大，單位產(chǎn)品投資稍低，單位產(chǎn)品折舊低。根據(jù)成本測(cè)算結(jié)果（見(jiàn)表5），在60美元/桶測(cè)算價(jià)格下，PDH裝置丙烯生產(chǎn)成本為4 728元人民幣/噸、丙烷蒸汽裂解裝置烯烴生產(chǎn)成本為5 188元人民幣/噸，PDH裝置單位烯烴產(chǎn)品成本低于丙烷蒸汽裂解裝置。

表5 PDH與丙烷蒸汽裂解制烯烴成本對(duì)比 元人民幣/噸

從成本構(gòu)成看，丙烷蒸汽裂解單位烯烴產(chǎn)品丙烷單耗高，原輔材料成本較高；丙烷蒸汽裂解副產(chǎn)大量甲烷、裂解汽油等副產(chǎn)品，其副產(chǎn)品回收值遠(yuǎn)大于PDH裝置，副產(chǎn)品回收值較高；丙烷蒸汽裂解裝置單位烯烴公用工程消耗高于PDH裝置。另外，丙烷裂解裝置燃料消耗較大，單位烯烴產(chǎn)品燃動(dòng)消耗是PDH裝置的一倍多。綜合測(cè)算結(jié)果表明，丙烷蒸汽裂解單位烯烴產(chǎn)品生產(chǎn)成本高于PDH裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

PDH裝置原料結(jié)構(gòu)單一，裝置經(jīng)濟(jì)性取決于丙烯與丙烷價(jià)差；丙烷蒸汽裂解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，除乙烯、丙烯產(chǎn)品外，還有混合C4、裂解汽油、甲烷等副產(chǎn)品，副產(chǎn)品量占總產(chǎn)品量的26.8%，因此丙烷蒸汽裂解裝置經(jīng)濟(jì)性除丙烷與烯烴價(jià)差外，還與副產(chǎn)品價(jià)格變動(dòng)有關(guān)。近兩年丙烯價(jià)格逐漸走高并高于乙烯價(jià)格，在此價(jià)格水平下，PDH裝置投資回報(bào)優(yōu)于丙烷蒸汽裂解裝置。

從成本構(gòu)成看，丙烷蒸汽裂解裝置原輔材料成本較高，但副產(chǎn)品回收值高，丙烷蒸汽裂解裝置燃料消耗較大，單位烯烴產(chǎn)品燃動(dòng)消耗是丙烷脫氫裝置的一倍多，綜合測(cè)算結(jié)果表明，丙烷蒸汽裂解單位烯烴產(chǎn)品生產(chǎn)成本高于PDH裝置。

目前世界烯烴原料繼續(xù)保持多元化趨勢(shì)，以石腦油為原料的乙烯生產(chǎn)比例正逐年下降，乙烷和丙烷等輕烴原料占比正在上升，在輕烴原材料價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯的情況下，以輕烴為原料的烯烴產(chǎn)品將更具競(jìng)爭(zhēng)力。丙烷作為化工原料，正越來(lái)越多地用于PDH制丙烯。