炼厂饱和干气提纯后作乙烯原料技术经济分析

唐未庆

(中国石油化工股份有限公司天津分公司，300271)

石脑油和轻烃是生产乙烯的主要原料，来源于原油加工和天然气开采等过程。北美、中东地区页岩气、天然气资源丰富，开采生产过程中副产大量乙烷等低成本轻烃，供石化行业作乙烯原料，大大降低了乙烯下游产品的生产成本。由于国内化工产品市场整体疲软，加上国际低成本产品的大量进口，乙烯链产品价格长期低位徘徊。由于缺少低成本轻烃资源，国内乙烯企业大量用价格较高的石脑油作乙烯原料，提高了生产成本。与北美、中东地区相比，国内不仅乙烯原料资源有缺口，而且乙烯原料结构也不优化，这些因素造成企业经济效益一直较低。近年来，国内大型炼化一体化企业通过优化利用炼化生产过程中的各种轻烃资源，逐渐降低石脑油作裂解原料比例，提高了炼化一体企业整体经济效益。文章研究某大型炼化一体化企业延迟焦化、加氢裂化装置副产的干气，经吸附提纯后生产的富乙烷产品气(也称富乙烷气)作乙烯原料的技术经济问题，为炼化一体化企业改善裂解原料结构、提高整体经济效益提供决策参考。

1 PIMS生产经营优化模型简介

过程工艺模型系统(Process Industry Modeling System，简称PIMS)是由美国ASPEN TECH公司开发的生产经营优化模型，它可以对石油化工等流程型企业的生产经营全过程进行优化。PIMS生产优化模型把各种原料资源和价格，各种产品销量和售价，每套装置加工能力、燃料动力及辅助材料消耗，装置投入产出结构等多种参数集合在一起，形成企业的生产经营优化PIMS模型。

PIMS生产经营优化模型的目标函数是企业的经济效益最大化，也就是企业的总收入扣除总成本(包括生产耗用的原料、辅料和燃料动力等价值)后余额的最大化。

给定优化分析条件，运行PIMS模型可以给出这种条件下的最优原料选购方案、最优装置生产负荷、最优产品结构等。PIMS模型也可用于物料的循环计算，比如用原料模拟评价的一次通过裂解收率等数据，循环计算裂解原料的最终裂解收率。运行PIMS模型还可以给出各种裂解原料的边际贡献，因此可以对各种原料的裂解经济性进行量化比较，为企业优化增效提供决策依据[1]。

2 富乙烷气的组成

焦化和加氢裂化混合干气(也称粗干气)是炼油板块中延迟焦化、加氢裂化装置生产过程中的副产气体，不含烯烃，是饱和干气，以前脱硫后与天然气等作为企业锅炉燃料气使用。随着近年来粗干气提纯技术逐渐成熟以及石脑油价格的长期高企，各大型炼化一体化企业陆续建设干气提纯装置，干气提纯后的富乙烷气作为乙烯原料，以发挥炼化一体化整体优势、充分挖掘干气的使用价值。某企业炼油板块现有900 kt/a和2 300 kt/a两套焦化装置，1 200 kt/a和800 kt/a两套加氢装置，拟建设干气提纯项目的干气处理能力300 kt/a(进料)，提纯后富乙烷气达到149.7 kt/a，可供企业两套乙烯装置作裂解原料。按设计资料，干气提纯的富乙烷气收率49.68%，剩余气体(也称吸附废气或释放气)占原料干气比例48.66%。

由于富乙烷气含92.55%(质量分数)的C2～C4等饱和轻烃、6.95%(质量分数)的甲烷，其他杂质含量较低，可以进裂解炉作为裂解原料。粗干气和富乙烷气组成如表1。

表1粗干气和富乙烷气的组成%(质量分数)

2.070.4538.586.9533.7959.172.33 09.26 20.202.380C4～C57.7013.183.890.05 100.00 100.00

按照设计资料，粗干气提纯装置年运行时间为8 400 h，富乙烷气生产能力则为149.7 kt/a。将富乙烷气作乙烯原料以后，企业燃料气缺口增大，需要用天然气进行弥补。由于国家天然气定价机制，以及整体减排需要，企业可获得的天然气资源满足不了企业生产需要，尤其是取暖季节，因此装置建成后只能根据外部天然气资源供应状况安排开车，估计干气提纯项目建成后开工率为50%～80%。

文章没有将干气提纯项目本身的技术经济问题作为重点，只考虑富乙烷气成本变化(与石脑油比价)对其作乙烯原料的经济效益的影响。根据成本构成要素，干气提纯项目富乙烷气生产成本主要影响因素是原料干气即粗干气价格、富乙烷气收率、辅料及燃动消耗、开工率等。其中，粗干气原作为燃料气使用，热值可作为确定其价值的依据，粗干气的热值为天然气热值的101.40%。吸附废气(也称释放气)仍可作锅炉燃料使用，也按热值确定价值，抵减富乙烷气生产成本。根据天然气价格及干气提纯项目有关资料，本文按富乙烷气成本(以此作为富乙烷气内部结转价格)为同期石脑油价格的0.95倍计算。

3 技术经济分析

3.1 富乙烷气作裂解原料的技术分析

轻烃模拟裂解收率一般是依据轻烃组成成分裂解的热力学和动力学机理，结合装置设备技术参数、裂解工艺条件等，编制模型综合计算而得。同一裂解原料如果裂解炉技术水平不同、操作条件不同也会造成裂解收率的不同。在裂解炉技术水平相差不大的情况下，裂解收率的主要影响因素是裂解原料性质和裂解条件。对以乙烷和丙烷等单纯物料为主要成分的富乙烷气而言，裂解收率(指综合裂解收率，非一次通过裂解收率)主要取决于富乙烷气构成成分，裂解炉炉型及操作条件影响相对较小。另外，采用不同机理模型模拟的裂解收率之间往往有一定差距，实际工作中需要根据装置标定及物料平衡数据进行校核。不同炉型裂解炉的最佳操作条件不同，富乙烷气裂解条件参照乙烯装置循环乙烷和丙烷裂解温度，适当提高裂解温度可以减少乙烷和丙烷循环比例，降低能耗[2-3]。

表2是用几种模拟方法得出的富乙烷气的平均裂解收率。为便于富乙烷气裂解收率对比，将企业某种石脑油(烷烃质量分数为75%)以及丙烷气(丙烷质量分数为95%左右)裂解收率对比列示。

原料裂解性能的技术指标主要包括乙烯收率、双烯收率(即乙烯、丙烯收率之和)、三烯收率(即乙烯、丙烯、丁二烯收率之和)，3个收率指标分别从不同角度表示原料的裂解性能，其中双烯收率、三烯收率更能反映乙烯原料全流程加工的经济性，近年来越来越受到重视[2-3]。提纯干气、石脑油及粗丙烷的裂解性能指标对比见表3。

表2富乙烷气及对比原料的裂解收率%(质量分数)

5.120.981.5018.6616.4623.5160.0032.4542.407.0015.9121.15C44.7410.254.473.5219.195.890.164.010.300.800.750.78 100.00 100.00 100.00

注：裂解产物混合C4中包括含丁二烯、丁烯-1、其他C4等组分，裂解汽油组分中包括裂解C5、C6～C8烷烃、C6～C8芳烃、C9和C10等产品组分，明细数据不详列，但计算过程中已经考虑。

表3富乙烷气裂解技术指标%(质量分数)

60.0032.4542.4067.0048.3663.5969.3052.5866.98

从表3可以看到：富乙烷气作乙烯原料，其乙烯、双烯、三烯收率分别高于石脑油27.55，18.64，16.72个百分点，分别高于丙烷17.60，3.41，2.32个百分点。也就是说，焦化和加氢裂化干气提纯精制后生产的富乙烷气作乙烯原料，其裂解技术指标大大高于石脑油、丙烷。

以某企业1#乙烯装置(小乙烯装置)为例，如果每月使用富乙烷气3 kt作裂解原料，占现裂解原料总耗量的5.50%(相应减少石脑油用量)，按照富乙烷气模拟裂解收率计算，乙烯装置的乙烯、双烯、三烯收率能够分别提高1.50，1.00，0.86个百分点。

3.2 富乙烷气作乙烯原料的经济性分析

3.2.1 经济分析方法和分析基准

石化行业流程长，原料结构及产品结构复杂，生产经营方案的经济分析非常复杂。除需要考虑装置、原料品种和产品品种价格外，还需要考虑生产经营要素占用、分析基准等行业特殊因素。石化行业生产经营优化方案经济分析大多采用PIMS模型等线性规划类方法。需要企业针对具体的分析对象，结合企业生产经营实际情况，编制相应的PIMS模型，运行PIMS模型进行针对性计算而得。

对新裂解原料的技术经济分析，不同企业的分析结果不尽相同，主要是分析基准选择、分析范围、生产经营瓶颈影响等造成的。比如，原料充裕的企业与原料有缺口的企业，对新增原料品种的需求程度是不一样的，需求的原料特性也不相同。对于国内乙烯企业而言，乙烯原料缺口是主要矛盾。本文介绍的企业每年需要外采大量石脑油来补足乙烯裂解原料缺口，这也是该企业投资干气提纯项目、生产富乙烷气作裂解原料的原因之一。对于这种情况，可以1 t原料作为分析基准，计算1 t裂解原料经过裂解及直接分离环节所产生的销售产值及边际贡献，作为判断其是否能做裂解原料的依据[4]。

对于原料供应过剩，且加工或出厂环节存在明显设备能力瓶颈的乙烯企业而言，关注重点是在消除设备瓶颈之前、选用技术经济指标更好的新裂解原料。实际分析时，将该设备能力作为生产经营要素计入PIMS模型，运行PIMS模型将会确认该设备能力是企业进一步增加效益的瓶颈。这样计算出的结果一般应该作为企业采取措施、消除设备能力瓶颈的决策依据，不作为新原料裂解原料本身技术经济指标好坏的依据。

由于各种乙烯原料成本不同，裂解产品分布不同，燃动辅料消耗不同，所以各种乙烯原料经济效益即边际贡献也不同。下面从富乙烷气作乙烯原料直接生产的产品销售价值和边际贡献两方面分别进行分析。

3.2.2 市场价格等相关条件

裂解产品只考虑乙烯装置、裂解汽油加氢、丁二烯抽提、芳烃抽提等通过裂解、物理手段分离得到的产品。2012年和2013年石脑油、丙烷原料以及相关产品平均价格见表4。

表4原料及裂解直接产品价格元/t

20132012 6 6586 936 6 5406 515 16 31016 990 2 8002 800 9 5309 150 9 6249 637 10 00018 000 -17 1468 200 C45 9406 118 C56 9707 675 9 212 8 393 8 3738 724 C88 8118 948 6 6586 936 C9/C105 4225 795 3 0193 318

3.2.3 富乙烷气作乙烯原料的经济效益

富乙烷气作乙烯原料的经济效益分析基础是干气提纯、乙烯、芳烃抽提等系列装置都属于同一个企业，不考虑因装置配属不同引起的产品互供定价、所得税等因素影响。裂解产品销售价值扣除原料辅料成本、自用燃料及氢气耗用成本和其他燃动消耗成本后即为裂解原料的边际贡献。加工成本中自用燃料指裂解炉耗用的自产甲烷燃料成本，不同原料裂解温度不同，耗用燃料成本也不同。自用氢气指裂解汽油加氢装置加工粗裂解汽油耗用成本，由于其裂解产物中C6～C8芳烃含量不同，加氢精制过程消耗氢气价值不同[2-3]。

3种原料中石脑油、丙烷等原料价格取当期市场平均价格，但富乙烷气没有市场公允价格。根据干气提纯项目设计资料，富乙烷气生产成本约为石脑油近年价格的0.95倍，按富乙烷气价格为同期石脑油价格的0.95倍计算其作乙烯原料的边际贡献。运行PIMS模型，得到富乙烷气、石脑油和粗丙烷等3种原料的裂解产物销售价值和边际贡献，具体对比见表5～6。

表5特定条件下富乙烷气等裂解产品销售价值元/t

20137 4056 9147 03720127 2466 8606 933

表6特定条件下富乙烷气等原料边际贡献元/t

20131 41037376620121 02472680

从表5和表6可以看到：富乙烷气作裂解原料的裂解产物销售价值和边际贡献都要大大高于石脑油和丙烷。以2013年价格数据为例，富乙烷气裂解产物销售价值高出石脑油491元/t，高出丙烷368元/t 。在富乙烷气价格为同期石脑油0.95倍时，其边际贡献高出石脑油1 037元/t，高出丙烷644元/t。企业现有两套乙烯装置，对其中1套乙烯装置进行核算，按2013年价格以及富乙烷气价为同期石脑油0.95倍计算，如每月使用3 kt富乙烷气，能够增加整体经济效益310万元左右。

3.2.4 富乙烷气作裂解原料经济效益的影响因素

(1)富乙烷气成本对裂解边际贡献的影响

富乙烷气的生产成本与天然气价格、提纯装置开工率、装置运行效果等多种因素有关。生产成本变化，其裂解边际贡献会相应变化，生产成本越高，结转到乙烯装置作裂解原料的边际贡献也就越低。按2013年价格数据，用PIMS模型考察富乙烷气作裂解原料的边际贡献，具体计算结果如表7所示。

表7富乙烷气边际贡献与其成本的关系元/t

0.900.951.001.051 6951 4101 1268412850-284-569

从表7可以看到：富乙烷气作乙烯原料的边际贡献与其成本(结转价格)关系密切，价格与当期石脑油价格比值每升高0.05个点，其作裂解原料的边际贡献降低约285元/t，但在与石脑油价格比值提高到1.05时边际贡献仍有841元/t。

(2)乙烯价格对富乙烷气裂解边际贡献的影响

富乙烷气作乙烯原料，其乙烯产品收率60%，是主要裂解产物，因此富乙烷气作裂解原料的边际贡献与乙烯产品价格有直接关系。按2013年价格(包括乙烯价格)，在富乙烷气与石脑油价格比0.95前提下，将乙烯价格分别调整为0.90，0.95，1.00，1.05倍，计算富乙烷气作裂解原料的边际贡献，具体计算结果如表8所示。

表8富乙烷气边际贡献与乙烯价格的关系元/t

0.900.951.001.059211 1661 4101 655-489-2440+245

从表8可以看到：富乙烷气作乙烯原料的边际贡献与乙烯价格关系密切，价格比值每降低0.05，其作裂解原料的边际贡献约降低244元/t；乙烯价格降低到基础价格的0.90倍时，仍有921元/t的边际贡献，说明建设干气提纯项目，将富乙烷气作裂解原料项目具有较好的整体经济效益。

4 结论

(1)焦化和加氢裂化干气提纯后的富乙烷气作乙烯原料，其乙烯、双烯、三烯收率等裂解技术指标大大高于石脑油和丙烷作乙烯裂解原料。按使用富乙烷气量为裂解原料总投料量5.50%，即每月使用3 kt替代石脑油，则乙烯装置的乙烯、双烯、三烯收率分别能提高1.50，1.00，0.86个百分点。

(2)以单位裂解原料作为比较基准，富乙烷气的裂解产物销售价值和边际贡献要大大高于石脑油等裂解原料。按2013年市场价格，富乙烷气价为同期石脑油的0.95倍计算，每月使用3 kt富乙烷气，企业整体经济效益可增加311万元左右。

(3)富乙烷气作乙烯原料的经济效益与其成本(按富乙烷气/石脑油比价)、乙烯产品市场价格关联密切。对这两个因素的敏感性分析表明，建设干气提纯项目生产富乙烷气作乙烯原料具有较好的抗市场风险能力。

[1] 唐未庆. 液化气作裂解料的技术经济评估[J].石油炼制与化工，2005,36(2)：63-67.

[2] 王松汉主编. 乙烯装置技术与运行[M].北京：中国石化出版社，2009：36-56.

[3] 瞿国华编著. 乙烯工业原料优化[M].北京：中国石化出版社，2003：20-45.

[4] 唐未庆.生产经营优化实用经济分析方法综述[J].石油化工技术经济,2006,22(4)：51-54.