變革性的石腦油制乙烷丙烷工藝 -提升乙烯裂解效率減少副產(chǎn)品并降低碳排放

4第1節(jié)–全球石化行業(yè)現(xiàn)狀6第2節(jié)–乙烷供應(yīng)和價格起伏不定10第4節(jié)–推動卓越運營13第5節(jié)–NEP技術(shù)的優(yōu)勢17第6節(jié)–案例分享：新型輕質(zhì)原油制聚烯烴聯(lián)產(chǎn)裝置19第7節(jié)–案例分享：利用新型蒸汽裂解爐減少丙烯產(chǎn)量21結(jié)語變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||2憑借獨創(chuàng)的石腦油制乙烷/丙烷工藝(NEP)，霍尼韋爾UOP加快乙烯生產(chǎn)技術(shù)革新來幫助全霍尼韋爾UOP高級業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)霍尼韋爾UOP業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||31它們主要應(yīng)用于水處理、服裝加工、汽車輕量化以及家居建材等領(lǐng)域，與我們的衣食住行息息相關(guān)。其他應(yīng)用還包括醫(yī)療自2000年以來，全球塑料需求近乎翻倍。盡管在后疫情時期利潤創(chuàng)新高，但石化行業(yè)依然面臨諸多挑戰(zhàn)，包括通貨膨脹、另一個挑戰(zhàn)是乙烯需求持續(xù)增長——這是許多樹脂和塑料生產(chǎn)的基礎(chǔ)化工原料。2023年，全球乙烯總產(chǎn)量超過1.85億噸，高居石化市場榜首。預(yù)計2023—2030年期間，乙烯市場將以4%的復(fù)合年增長率(CAGR)穩(wěn)步增長。在全球環(huán)境問題日益蒸汽裂解是全球乙烯生產(chǎn)的主流工藝技術(shù)。蒸汽裂解爐通常在850°C以上的超高溫度并伴隨超過1.0wt%的蒸汽的苛刻條變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||4乙烯生產(chǎn)成本在全球范圍內(nèi)不盡相同。乙烯裂解爐從原料上主要分為以乙烷原料為主的氣體裂解爐和以液體原料為主的液體裂解爐。相比液體裂解爐，氣體裂解爐具有超高成本效益、每噸原料和單位投入所獲得的收率高、每噸乙烯的碳排放量下圖所示為2023年乙烯的現(xiàn)金成本—產(chǎn)能曲線。圖中的每根垂直柱對應(yīng)全球的一套乙烯生產(chǎn)裝置，其高度代表各資產(chǎn)的現(xiàn)金生產(chǎn)成本，而寬度則代表產(chǎn)能（噸）。每根柱按全球地理區(qū)域顏色編碼。成本越高、競爭力越低的生產(chǎn)商在圖中越靠右，通常集中在亞太地區(qū)和歐洲。這些生產(chǎn)商主要依賴進口液體原料（如石腦油），每噸原料的成本較高且效果不及乙乙烯的現(xiàn)金成本乙烯的現(xiàn)金成本($/噸)第第1分段第第2分段第第3分段第第4分段乙烯的歷史價格@$100/桶(NEA)=$1120/噸資料來源：WoodMac圖表左側(cè)所示為成本更低、競爭力更強的生產(chǎn)商，一般位于北美和中東地區(qū)。這些生產(chǎn)商使用以乙烷為主要原料的氣體裂解裝置，乙烯收率更高且原料價格更低廉。氣體裂解爐每噸乙烯的資本支出低很多，利潤總體上遠高于液體裂解爐（集中對于本地?zé)o乙烷供應(yīng)的其他地區(qū)，生產(chǎn)商過去只有兩種選擇：1)依賴進口的液體原料不得不接受較高的生產(chǎn)成本和較低的變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||52值得注意的是，乙烷無法直接鉆井開采，而是油氣開采的副產(chǎn)物。在2010年之前，北美乙烷和石腦油的成本幾乎持平。美國頁巖氣的蓬勃發(fā)展使得天然氣凝析液(NGL)和凝析油產(chǎn)量激增。隨著供應(yīng)過剩，北美的乙烷價格迅速走低，使其現(xiàn)貨價格一直低于石腦油。由于需求有限，大部分乙烷一度被棄置或回注到2020年，全球有26個國家和地區(qū)使用乙烷作為乙烯生產(chǎn)原料。1然而，隨著全球需求的增長和油井老化導(dǎo)致的地區(qū)乙烷產(chǎn)量下降，美國積極拓展乙烷海外市場，主要包括歐洲、印度和中國。這些市場都大力投資乙烷進口，大部分計劃從美國海運乙烷投資成本高昂，需要專門設(shè)計的特種運輸船。一套200萬噸年乙烷裂解裝置的進料量需要10艘世界級運輸船、配套碼頭和基礎(chǔ)設(shè)施，成本接近25億美元。隨著許多船隊轉(zhuǎn)向使用甲醇、氨和液化天然氣等低碳強度燃料，許多造船廠大量訂單積壓。幾乎同時交付10艘運輸船來高期性。俄烏沖突導(dǎo)致歐洲天然氣價格飆升，隨之吸引全球主要天然氣生產(chǎn)國紛紛涌入LNG項目。LNG市場的這種搖擺不定很可能會導(dǎo)致局勢逆轉(zhuǎn)。許多LNG交易商認為這種情況迫在眉睫，并通過簽署短期LNG供應(yīng)合同的方式來管控風(fēng)險，進一變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||6在乙烷市場波動加劇的背景下，由于國內(nèi)消費增長、出口增多和生產(chǎn)成本上漲，預(yù)計北美廉價乙烷的過剩供應(yīng)的時代即將隨著供需趨向平衡，我們預(yù)計未來五到十年內(nèi)乙烷成本將會上升，最終和石腦油價格持平，恢復(fù)約20年前情況。如果這些美元/美元/噸美國價格-2023年實際價格（美元）持平（2039年）頁巖氣熱潮（2009年）資料來源：WoodMackenzie美國乙烷美國石腦油中國價格-2023年實際價格（美元）中國乙烷（美國售價+325美元/噸變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||73原油制化工品(C2C)聯(lián)產(chǎn)裝置的增大多數(shù)咨詢公司預(yù)測，未來乙烯生產(chǎn)的增長將主要源自整合煉油廠和混合原料裂解裝置的這一觀點承認了乙烷原產(chǎn)區(qū)與乙烯消費區(qū)之間存在根本性脫節(jié)。中國、印度和東南亞是乙烯的基本增長區(qū)域。為此，中東和整個亞洲的其他國有石油公司(NOC)正大筆投資石化行業(yè)，實現(xiàn)超越C2C技術(shù)因?qū)Χ妆?pX)增長而真正崛起，比如利用可飾。在聚酯需求高漲之際，韓國在2011年至2014年間率先投建了一批對二甲苯聯(lián)產(chǎn)裝置，包攬了全球商業(yè)重石腦油的供近幾年，由于對二甲苯產(chǎn)能明顯過剩，尤其在中國，C2C的發(fā)展有所放緩。盡管如此，乙烯需求增長依然超過對二甲苯產(chǎn)能四倍。鑒于投資所謂單一來源海運乙烷市場相關(guān)的供應(yīng)鏈風(fēng)險、基礎(chǔ)設(shè)施成本、地緣政治風(fēng)險和國家政策，不少高增長地區(qū)正在改變對C2C的看法，將重點從對二甲苯轉(zhuǎn)向輕質(zhì)烯烴。乙烯實質(zhì)上替代了之前的對二甲苯。然而，這實際上也使變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||8作為乙烯生產(chǎn)的主要來源，蒸汽裂解由于高達約850°C的操作溫度而成為化工行業(yè)的排放大戶。高溫、高蒸汽工藝需要大量的資本和能量投入。此外，該過程還會產(chǎn)生甲烷，其碳足跡比燃燒天然氣高出20%。在蒸汽裂解中，丙烯是乙烯生產(chǎn)的高價值副產(chǎn)品，其他副產(chǎn)品還有裂解氣油和裂解重油。然而，利用丙烷脫氫裝置生產(chǎn)丙烯的效率要高很多，且其碳足跡比蒸汽裂解工藝低10倍。蒸汽裂解所產(chǎn)生的裂解汽油芳烴，其碳足跡比重整裝置生產(chǎn)的芳烴高出7倍。此外，隨著許多船隊紛紛轉(zhuǎn)向甲醇、氫、氨和液化天然氣等低碳排強度燃料，以裂解重油作為船用燃料的長期滯銷風(fēng)險不斷加劇。因此，混合原料蒸汽裂解爐既不環(huán)保變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||94卓越運營始于“分子管理”，即將合適的分子送入合適的工藝裝置來生產(chǎn)所需產(chǎn)品，同時更大限度降低資本支出、運營支目前全球約96%的乙烯采用蒸汽裂解工藝來生產(chǎn)。雖然蒸汽裂解靈活適應(yīng)各種原料，但每種原料（如下圖所示）帶來的收100 C2CSnc4SRLNSRHN柴油碳氫利用率，%苯乙烷原料中約80%的碳最終轉(zhuǎn)化為乙烯，收率超高。燃料氣或甲烷產(chǎn)量（藍色部分）較低，氫氣產(chǎn)量（粉色部分）很高，需要注意的是，原料越重，乙烯產(chǎn)量越低，而丁二烯、C4混合物、苯和甲苯等芳烴副產(chǎn)品，以及裂解重油等重質(zhì)副產(chǎn)品的變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||10甲烷是該過程最令人失望的副產(chǎn)品之一。甲烷不僅會降低碳利用率，而且所損失的每個碳原子還會帶走四個寶貴的氫原另外值得注意是，將丙烷(C3H6)引入蒸汽裂解爐時（從左邊開始第二根柱），乙烯的產(chǎn)量會減少，但丙烯的產(chǎn)量會增加，這是許多生產(chǎn)商所希望的。然而，相比于以乙烷作為原料，蒸汽裂解爐使用丙烷為原料時燃料氣產(chǎn)量增長近三倍，氫氣產(chǎn)由于卓越運營始于將合適的分子送入合適的工藝裝置中，制丙烯的下圖對比了C3蒸汽裂解和Ole?ex?技術(shù)的收率和生產(chǎn)價值。圖中左側(cè)柱同樣顯示了蒸汽裂解爐中使用丙烷作為原料時的收100%60%o50%40%o30%o20%10%o$1,100$1,000$900$800$700$600產(chǎn)品價值，美元/噸mm燃料氣mm丙烯混合物mm苯1.收率基于使用標準UOP方法和假設(shè)變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||11液體裂解爐Vs.蒸汽裂解爐除了蒸汽裂解爐，液體裂解爐（主要用于亞洲和歐盟地區(qū)）也被用來生產(chǎn)乙烯和丙烯。液體裂解爐造價高昂，以高成本的石腦油為原料且效果較差。而在北美和中東地區(qū)，蒸汽裂解爐通常使用乙烷（目前較低廉）作為原料，收率更高、資本支對于蒸汽裂解裝置，生產(chǎn)輕質(zhì)烯烴更有效的原料是乙烷；而對于PDH裝置，更有效的原料則是丙烷。要實現(xiàn)可持續(xù)的卓越運營，生產(chǎn)商就要應(yīng)對原料供需的波動并采用降本增效的技術(shù)。為此，石化生產(chǎn)商亟需一種經(jīng)過優(yōu)化的、靈活的和更高效的方式來專產(chǎn)乙烷和丙烷，這也是霍尼韋爾UOP研發(fā)NEP（石腦油制乙烷/丙烷）工藝的初衷。NEP工藝以液化石油氣或變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||12NEP技術(shù)的優(yōu)勢5什么是NEP？下面流程圖說明了如何運用石腦油制乙烷/丙烷工藝在輕質(zhì)烯烴聯(lián)產(chǎn)裝置中處理液NEP工藝能夠?qū)⒁夯蜌夂?或石腦油轉(zhuǎn)化為乙烷和丙烷，并可視需要調(diào)整乙烷和丙烷的產(chǎn)量比，意味著可根據(jù)市場需求變化來選擇多生產(chǎn)乙烷還是丙烷，甚至完全不需要丙烷。C2C聯(lián)產(chǎn)裝置中的任何裝置所產(chǎn)生的多余氫氣、輕烷烴和環(huán)烷烴或者商業(yè)可獲得原料都可送入NEP裝置。雖然NEP裝置中變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||13NEP工藝Vs.石腦油裂解技術(shù)利用NEP裝置可將石腦油裂解技術(shù)的輕質(zhì)烯烴（乙烯和丙烯）收率從約50%提高到70%以上，即意味著我們可使用相同數(shù)量的原料生產(chǎn)更多的高價值目標產(chǎn)品。另外，切記蒸汽裂解爐的主要產(chǎn)品是乙烯。由于混合原料蒸汽裂解裝置中乙烯的相對收率較低，因此需增加整個裝置的規(guī)模來達到所需的目標產(chǎn)量。下面示例顯示，相比于基于NEP的聯(lián)產(chǎn)裝置，同等乙烯48%輕質(zhì)預(yù)計收率148%輕質(zhì)100%90%o100%90%o80%60o50%o40%o30%o20%o兩種情況下處理3600kMTA的碳氫鏈1.收率基于石腦油裂解爐的商業(yè)蒸汽裂解模型估算得出；NEP聯(lián)合裝置的收率則使用UOP專有模型和變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||14下圖中的對比顯示了如何通過NEP裝置的高收率來減少原料消耗，從而將原料采購量減少多達50%。通常情況下，得益于更高的原料利用率和更少的低價值副產(chǎn)品，生產(chǎn)商可將生產(chǎn)現(xiàn)金成本降低約30~70美元/公噸。這意味著運營利潤增加了多達35%，從而使得基于NEP技術(shù)的烯烴聯(lián)產(chǎn)裝置更具競爭力和融資可行性。原料(MMTA)TPI($M)COP($/MTC)NPV，20年($M)1.基于商業(yè)蒸汽裂解模型和已發(fā)表的資料估算得出2.基于UOP試驗裝置信息和專有UOP模型估算得出MMTA=百萬公噸/年此外，乙烷（蒸汽）裂解裝置的資本成本約為液體或石腦油裂解裝置的一半，這降低了總體資本投資并允許添加NEP裝置NEP生產(chǎn)的乙烷和丙烷比例的范圍可從完全不生產(chǎn)丙烷到乙烷-丙烷產(chǎn)量比0.25（1比4）。同時從原料角度看NEP工藝非常靈活，其收率結(jié)構(gòu)受原料碳原子數(shù)量的影響很?。ǘ⊥椤⒓和椤⑹X油等）。此外，它對異構(gòu)烷烴具有很強的耐受性，不會像傳統(tǒng)蒸汽裂解爐那樣引發(fā)問題。考慮到異構(gòu)烷烴對蒸汽裂解爐性能的不利影響，基于MFSC經(jīng)濟性，傳統(tǒng)的C2C聯(lián)合裝置的總化學(xué)平收率大約限制在70%的中等水平。而NEP對異構(gòu)烷烴的耐受性使得基于NEP的C2C聯(lián)合裝置中的原料轉(zhuǎn)化率超過95%，從而降低了每噸乙烯的原料消耗，并使原油制凈烯烴的收率達到-80%。變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||15通過將石腦油裂解爐轉(zhuǎn)換為乙烷裂解爐，生產(chǎn)商可提高單套處理能力并獲得更大的資本效率。目前石腦油裂解裝置規(guī)模如果為每年約180萬公噸，引入NEP技術(shù)之后，通過乙烷裂解可以提高到乙烯產(chǎn)量至每年約220萬公噸。也就是說通過NEP與石腦油裂解的聯(lián)產(chǎn)裝置相比，基于NEP技術(shù)的聯(lián)產(chǎn)裝置的每噸輕質(zhì)烯烴的碳排放可減少50%之多。此外，若客戶對無C4或芳香烴副產(chǎn)品的低碳解決方案感興趣，UOP還有進一步降低碳排放并提高烯烴收率至75%NEP技術(shù)的最后一項優(yōu)勢是能更有效地利用工廠的占地面積。NEP技術(shù)支持堆疊布局，非常適合新建和現(xiàn)有場地的改造應(yīng)用。此外，NEP裝置無需與工廠的其他部分緊密耦合。若客戶有額外的空間，即使離現(xiàn)有設(shè)施數(shù)里之遙也可使用小型管道將NEP裝置連接到蒸汽裂解爐。使用NEP系統(tǒng)，傳統(tǒng)C2C聯(lián)合裝置占地面積可節(jié)省多達10%。變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||166客戶的目標是提升聚烯烴收率，減少乃至消除副產(chǎn)品并提高投資回報率。但是該客戶并未明確聚乙烯和聚丙烯之間的確切比例，而是希望UOP通過研究確定合適的聚乙烯和聚丙烯比。AR/VGO/AR/VGO/Kero通過原油蒸餾裝置將原料分離成某些關(guān)鍵餾分。其中輕烴和一些石腦油將直接送入混合進料蒸汽裂解爐；而常壓渣油、減壓蠟油和煤油則送入加氫裂化裝置。加氫裂化裝置可將大分子分解為小分子，主要用來生產(chǎn)石腦油以供給混合進料蒸汽裂解爐。液化石油氣和石腦油通常將被分別送入混合進料蒸汽裂解爐的單獨爐膛中以生產(chǎn)乙烯和丙烯，然后得到產(chǎn)品將按固變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||17基于這種傳統(tǒng)C2C聯(lián)合裝置的聚乙烯和聚丙烯的總收率約為53%。換句話說，進料中的碳只有約53%最終轉(zhuǎn)化為聚乙烯和聚丙烯這兩種目標產(chǎn)品。此外，每年還會產(chǎn)生將近一百萬噸的裂解氣油副產(chǎn)品（需要處理），以及約20萬噸年的裂解PE+PP收率=69wt%-78wt%AR/VGO/AR/VGO/Kero注：相比基礎(chǔ)情況，每噸輕烯烴的CO排放降低了36%~42%使用傳統(tǒng)方法，聚合物的總產(chǎn)率僅約為53%；而使用NEP技術(shù)，碳利用率可達69%~78%，并且裂解氣油的產(chǎn)量大幅降低，而裂解重油的產(chǎn)量幾乎為零。NEP裝置會產(chǎn)生一些芳烴。對此，客戶可基于經(jīng)濟方面和下游戰(zhàn)略考慮將芳烴與裂解氣這種基于NEP技術(shù)的原油制化工品聯(lián)合裝置的初始投資回報率比基準情況高約4%~5%，這意味著凈現(xiàn)值增加了40億~50億美元，具體取決于NEP裝置的調(diào)整。與基準情況相比，基于NEP技術(shù)的聯(lián)合裝置的每噸輕烯烴的碳排放（范圍1、2和3）減少了36%~42%。該案例的總投資比基準情況高出約10%~20%，考慮到所創(chuàng)造的增量價值，這一額外投資可忽略變革性的石腦油制乙烷/丙烷工藝||187客戶規(guī)劃125萬噸年乙烯產(chǎn)能；他們不需要丙烯或其他副產(chǎn)品，但是要求投資回報更大化，且使用的原料約為20萬噸年本地液化石油氣和73.5萬噸年進口乙烷，以上述簡易的流程框圖顯示了達到125萬噸/年乙烯年產(chǎn)目標所需的進口乙烷、進