丙烷脱氢技术正在改变丙烯业务

近年来丙烯需求快速增长,传统工艺难以跟上

作者:钱伯章 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:194 发布时间:2018-03-07
过去5年来,丙烯需求以平均每年近5%的速度增长,其中一些发展中国家的增长速度是其2~3倍。以中国为例,2012~2016年,年均丙烯需求量以每年15.5%的速度增长。
丙烷脱氢技术正在改变丙烯业务

世界上大部分的丙烯供应来自联产过程,这些过程主要是为了生产丙烯以外的产品。由于对替代产品(乙烯或汽油)的需求比丙烯增长缓慢,因此必须实施替代工艺,以确保供应能够满足需求。丙烯脱氢(PDH)已经被证明是最有效的工具,丙烯脱氢(PDH)已成为丙烯生产的一部分。目前,全球有26套PDH装置正在运营,计划于2018年初在阿布扎比开设第27套装置。

对聚丙烯(PP)的高需求一直是丙烯生产工艺快速扩张的主要驱动力。PP是一种多功能塑料,全球约有2/3的丙烯被用来制造PP。随着对PP需求的增长,丙烯生产商不得不寻求替代工艺来确保足够的单体供应。

丙烯设备

多样的丙烯来源

聚丙烯在中国许多应用中的偏好推动了其产能的扩张,增加了对丙烯的需求。中国约占全球PP产能的三分之一,过去五年增长约14%。由于PP需求的增长,中国在新的丙烯产能方面投入巨资。目前,中国拥有全球丙烯产能的28%,以及全球乙烯产能的14%。

2016年,约有48%的丙烯是由蒸汽裂解装置生产的,作为与乙烯的联产品。近年来这个百分比已经下降,因为一些蒸汽裂解装置转向较轻的原料,产生的丙烯较少。这一趋势在美国尤为强劲,NGL和LPG价格保持低位,大多数投运的新的蒸汽裂解装置是使用乙烷作为主要原料,与乙烯生产相比,其通常生产丙烯少于2%。

欧洲和亚太地区裂解装置的NGL原料的使用越来越多,这主要是国际原料贸易的增加而导致的。目前,欧洲裂解装置的一半以上能够使用比石脑油更轻的原料运行,并且在港口增加了重要的基础设施来管理原料货物。

大约1/3的丙烯生产来自于炼油厂。近年来,温和的原油价格保持了汽油需求强劲,炼厂开工率高企。这种供应增长帮助填补了来自轻质蒸汽裂解装置原料产生的丙烯生产损失。预计适中的原油价格将持续上涨,这将继续保持汽油需求和炼油厂利用率的强劲,尽管供应影响因地区而异。然而,即使在全球经济增长的情况下,汽油需求增长仍低于丙烯。

丙烷脱氢技术

为了缓解丙烯供应缺口的增长,该行业正在投资专用丙烯生产技术,如PDH和基于煤和甲醇原料的工艺。这些技术可以解决丙烯衍生物以更快的速度增长而出现的供应缺口问题,并且随着裂解装置向轻质原料转移而继续。此外,由于美国和中国的产能大幅扩张,预计2019年和2020年乙烯将出现供应过剩的前景,以及蒸汽裂解装置开工率可能下降,进一步支持从不依赖于另一种产品经济性的过程来采购丙烯需求。

丙烷的脱氢是在非均相催化剂存在下进行的吸热反应,产品有丙烯、氢气和少量的甲烷、乙烷、乙烯等轻烃。丙烯是最有价值的产品,但是氢气也可以用作当地炼油厂作为从燃料中去除硫的工具。根据催化剂和反应器条件,丙烷原料的转化率生产的丙烯产生1.1~11.2的比率。一个新的世界级PDH装置的费用可能高达15亿美元。

在全球范围内运行的PDH装置中,约有60%使用霍尼韦尔UOP的Oleflex技术。其余的PDH装置使用西比埃鲁姆斯的Catofin技术,一套设施使用蒂森克虏伯工业解决方案公司的STAR技术。

由于高热量输入会促进各种副反应并限制选择性,因此这些装置可能难以操作,原料杂质也会导致重大问题。此外,焦炭沉积物容易形成,并且需要频繁的催化剂再生。停电后的初始调试和启动在各个地区是十分困难的,这些装置的中断可能会由于其规模庞大而对市场产生重大影响。世界规模的装置能力为75万t/a,通常是蒸汽裂解装置或炼油厂的产能的数倍,或者是单个下游衍生装置的消费量。

东北亚是采用这些新技术最快的国家,单产丙烯产量占地区产能的30%,以煤和甲醇为基础的丙烯生产能力近年来也快速增长。然而,由于短期的产能过剩压制利润率和新的环境法规增加了投资成本,预计这一增长将放缓。

全球PDH产能汇总

全球的PDH产能超过1 200万t/a。中国已经表现出对PDH装置的偏好,占全球PDH能力的一半以上。目前中国已有12套PDH装置投入运营,其中很多与下游衍生产品生产装置构成了一体化。由于国内丙烷不符合规定的要求,所有中国的PDH装置都是由进口的丙烷提供的,这些丙烷来源于美国或中东。

在这12套装置中,有4个是混合脱氢装置(通常称为MDH),它们使用LPG原料(丙烷/丁烷混合物)生产丙烯和丁烯。这些装置通常被进一步整合到MTBE生产中。与PDH装置相比,这些MDH装置中的许多装置可以使用国有原料。

美国继续建设PDH生产能力。该地区利用廉价的丙烷来支持PDH装置的建设,并且在几个蒸汽裂解装置转移为乙烷原料的情况下,已从早期的产能下降中恢复了过来。继2010年和2015年下半年开始投产之后,美国第三套PDH装置已于2017年11月份开始投产。

由于中游公司Pembina和Inter Pipeline计划在加拿大阿尔伯塔省新建PDH/PP联合体,预计新的PDH装置将在未来几年在加拿大开始运营。两家公司都宣布了新的装置,但最终的投资决定还未作出。在西欧,两个小的PDH装置已经运行了好几年。因为几家炼油厂已经停止运行,这种情况有望继续下去,预计蒸汽裂解装置生产较少的丙烯,将有更多的PDH项目开始运作。英力士和北欧化工公司正在研究建设新的世界级PDH装置的可行性。预计这些公司将在2018年公布他们的最终计划。

在中国的PDH装置运营尤其成为问题。开工率的大幅波动尤为常见,特别是在2015年和2016年,运营商正在学习如何运行新的设施,平均使用率已从2015年和2016年的76%上升到2017年的近90%。这些装置的产量下降可能会对当地的产品供应和地区价格产生重大影响,然后逐渐向全球波动。

由于这些新装置的生产能力不断提高,现在的丙烯生产远高于单一衍生物装置所能消费的。一个典型的新的聚丙烯装置能力为45万~50万t/a。其他衍生物生产线的处理能力小得多,规划的不匹配可能会成为一些国家的问题。

在美国墨西哥湾沿岸,拥有庞大的管道系统和众多的参与者,来自大型PDH装置的生产可以被整个系统所吸收。然而,对于更孤立的装置,如在埃尔伯塔省北部或欧洲正在考虑的装置,建设一个全球规模的PDH装置可能需要与其他几家公司进行讨论,以确保新的生产装置可以在该地区使用。即使在中国,PDH装置通常也是商用丙烯的主要来源,因为生产商可以通过部分整合下游产品和部分现货市场来实现利润最大化。

PDH技术为石化企业提供了一个重要的工具,填补了乙烯和丙烯主要烯烃产品供应之间的差距。虽然全球乙烯供应由于主要产能增加而开始增长,但由于其原料的性质,这些装置将增加少量的丙烯供应。建立一个新的、可靠的丙烯生产来源对于支持对丙烯衍生物的持续需求至关重要,并可确保最终产品具有成本竞争力。