唐未慶

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，300271)

石腦油和輕烴是生產(chǎn)乙烯的主要原料，來源于原油加工和天然氣開采等過程。北美、中東地區(qū)頁巖氣、天然氣資源豐富，開采生產(chǎn)過程中副產(chǎn)大量乙烷等低成本輕烴，供石化行業(yè)作乙烯原料，大大降低了乙烯下游產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。由于國內(nèi)化工產(chǎn)品市場整體疲軟，加上國際低成本產(chǎn)品的大量進(jìn)口，乙烯鏈產(chǎn)品價格長期低位徘徊。由于缺少低成本輕烴資源，國內(nèi)乙烯企業(yè)大量用價格較高的石腦油作乙烯原料，提高了生產(chǎn)成本。與北美、中東地區(qū)相比，國內(nèi)不僅乙烯原料資源有缺口，而且乙烯原料結(jié)構(gòu)也不優(yōu)化，這些因素造成企業(yè)經(jīng)濟效益一直較低。近年來，國內(nèi)大型煉化一體化企業(yè)通過優(yōu)化利用煉化生產(chǎn)過程中的各種輕烴資源，逐漸降低石腦油作裂解原料比例，提高了煉化一體企業(yè)整體經(jīng)濟效益。文章研究某大型煉化一體化企業(yè)延遲焦化、加氫裂化裝置副產(chǎn)的干氣，經(jīng)吸附提純后生產(chǎn)的富乙烷產(chǎn)品氣(也稱富乙烷氣)作乙烯原料的技術(shù)經(jīng)濟問題，為煉化一體化企業(yè)改善裂解原料結(jié)構(gòu)、提高整體經(jīng)濟效益提供決策參考。

1 PIMS生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化模型簡介

過程工藝模型系統(tǒng)(Process Industry Modeling System，簡稱PIMS)是由美國ASPEN TECH公司開發(fā)的生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化模型，它可以對石油化工等流程型企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營全過程進(jìn)行優(yōu)化。PIMS生產(chǎn)優(yōu)化模型把各種原料資源和價格，各種產(chǎn)品銷量和售價，每套裝置加工能力、燃料動力及輔助材料消耗，裝置投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)等多種參數(shù)集合在一起，形成企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化PIMS模型。

PIMS生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)是企業(yè)的經(jīng)濟效益最大化，也就是企業(yè)的總收入扣除總成本(包括生產(chǎn)耗用的原料、輔料和燃料動力等價值)后余額的最大化。

給定優(yōu)化分析條件，運行PIMS模型可以給出這種條件下的最優(yōu)原料選購方案、最優(yōu)裝置生產(chǎn)負(fù)荷、最優(yōu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。PIMS模型也可用于物料的循環(huán)計算，比如用原料模擬評價的一次通過裂解收率等數(shù)據(jù)，循環(huán)計算裂解原料的最終裂解收率。運行PIMS模型還可以給出各種裂解原料的邊際貢獻(xiàn)，因此可以對各種原料的裂解經(jīng)濟性進(jìn)行量化比較，為企業(yè)優(yōu)化增效提供決策依據(jù)[1]。

2 富乙烷氣的組成

焦化和加氫裂化混合干氣(也稱粗干氣)是煉油板塊中延遲焦化、加氫裂化裝置生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)氣體，不含烯烴，是飽和干氣，以前脫硫后與天然氣等作為企業(yè)鍋爐燃料氣使用。隨著近年來粗干氣提純技術(shù)逐漸成熟以及石腦油價格的長期高企，各大型煉化一體化企業(yè)陸續(xù)建設(shè)干氣提純裝置，干氣提純后的富乙烷氣作為乙烯原料，以發(fā)揮煉化一體化整體優(yōu)勢、充分挖掘干氣的使用價值。某企業(yè)煉油板塊現(xiàn)有900 kt/a和2 300 kt/a兩套焦化裝置，1 200 kt/a和800 kt/a兩套加氫裝置，擬建設(shè)干氣提純項目的干氣處理能力300 kt/a(進(jìn)料)，提純后富乙烷氣達(dá)到149.7 kt/a，可供企業(yè)兩套乙烯裝置作裂解原料。按設(shè)計資料，干氣提純的富乙烷氣收率49.68%，剩余氣體(也稱吸附廢氣或釋放氣)占原料干氣比例48.66%。

由于富乙烷氣含92.55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的C2～C4等飽和輕烴、6.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的甲烷，其他雜質(zhì)含量較低，可以進(jìn)裂解爐作為裂解原料。粗干氣和富乙烷氣組成如表1。

表1粗干氣和富乙烷氣的組成%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.070.4538.586.9533.7959.172.33 09.26 20.202.380C4～C57.7013.183.890.05 100.00 100.00

按照設(shè)計資料，粗干氣提純裝置年運行時間為8 400 h，富乙烷氣生產(chǎn)能力則為149.7 kt/a。將富乙烷氣作乙烯原料以后，企業(yè)燃料氣缺口增大，需要用天然氣進(jìn)行彌補。由于國家天然氣定價機制，以及整體減排需要，企業(yè)可獲得的天然氣資源滿足不了企業(yè)生產(chǎn)需要，尤其是取暖季節(jié)，因此裝置建成后只能根據(jù)外部天然氣資源供應(yīng)狀況安排開車，估計干氣提純項目建成后開工率為50%～80%。

文章沒有將干氣提純項目本身的技術(shù)經(jīng)濟問題作為重點，只考慮富乙烷氣成本變化(與石腦油比價)對其作乙烯原料的經(jīng)濟效益的影響。根據(jù)成本構(gòu)成要素，干氣提純項目富乙烷氣生產(chǎn)成本主要影響因素是原料干氣即粗干氣價格、富乙烷氣收率、輔料及燃動消耗、開工率等。其中，粗干氣原作為燃料氣使用，熱值可作為確定其價值的依據(jù)，粗干氣的熱值為天然氣熱值的101.40%。吸附廢氣(也稱釋放氣)仍可作鍋爐燃料使用，也按熱值確定價值，抵減富乙烷氣生產(chǎn)成本。根據(jù)天然氣價格及干氣提純項目有關(guān)資料，本文按富乙烷氣成本(以此作為富乙烷氣內(nèi)部結(jié)轉(zhuǎn)價格)為同期石腦油價格的0.95倍計算。

3 技術(shù)經(jīng)濟分析

3.1 富乙烷氣作裂解原料的技術(shù)分析

輕烴模擬裂解收率一般是依據(jù)輕烴組成成分裂解的熱力學(xué)和動力學(xué)機理，結(jié)合裝置設(shè)備技術(shù)參數(shù)、裂解工藝條件等，編制模型綜合計算而得。同一裂解原料如果裂解爐技術(shù)水平不同、操作條件不同也會造成裂解收率的不同。在裂解爐技術(shù)水平相差不大的情況下，裂解收率的主要影響因素是裂解原料性質(zhì)和裂解條件。對以乙烷和丙烷等單純物料為主要成分的富乙烷氣而言，裂解收率(指綜合裂解收率，非一次通過裂解收率)主要取決于富乙烷氣構(gòu)成成分，裂解爐爐型及操作條件影響相對較小。另外，采用不同機理模型模擬的裂解收率之間往往有一定差距，實際工作中需要根據(jù)裝置標(biāo)定及物料平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。不同爐型裂解爐的最佳操作條件不同，富乙烷氣裂解條件參照乙烯裝置循環(huán)乙烷和丙烷裂解溫度，適當(dāng)提高裂解溫度可以減少乙烷和丙烷循環(huán)比例，降低能耗[2-3]。

表2是用幾種模擬方法得出的富乙烷氣的平均裂解收率。為便于富乙烷氣裂解收率對比，將企業(yè)某種石腦油(烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%)以及丙烷氣(丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%左右)裂解收率對比列示。

原料裂解性能的技術(shù)指標(biāo)主要包括乙烯收率、雙烯收率(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個收率指標(biāo)分別從不同角度表示原料的裂解性能，其中雙烯收率、三烯收率更能反映乙烯原料全流程加工的經(jīng)濟性，近年來越來越受到重視[2-3]。提純干氣、石腦油及粗丙烷的裂解性能指標(biāo)對比見表3。

表2富乙烷氣及對比原料的裂解收率%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

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：裂解產(chǎn)物混合C4中包括含丁二烯、丁烯-1、其他C4等組分，裂解汽油組分中包括裂解C5、C6～C8烷烴、C6～C8芳烴、C9和C10等產(chǎn)品組分，明細(xì)數(shù)據(jù)不詳列，但計算過程中已經(jīng)考慮。

表3富乙烷氣裂解技術(shù)指標(biāo)%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

60.0032.4542.4067.0048.3663.5969.3052.5866.98

從表3可以看到：富乙烷氣作乙烯原料，其乙烯、雙烯、三烯收率分別高于石腦油27.55，18.64，16.72個百分點，分別高于丙烷17.60，3.41，2.32個百分點。也就是說，焦化和加氫裂化干氣提純精制后生產(chǎn)的富乙烷氣作乙烯原料，其裂解技術(shù)指標(biāo)大大高于石腦油、丙烷。

以某企業(yè)1#乙烯裝置(小乙烯裝置)為例，如果每月使用富乙烷氣3 kt作裂解原料，占現(xiàn)裂解原料總耗量的5.50%(相應(yīng)減少石腦油用量)，按照富乙烷氣模擬裂解收率計算，乙烯裝置的乙烯、雙烯、三烯收率能夠分別提高1.50，1.00，0.86個百分點。

3.2 富乙烷氣作乙烯原料的經(jīng)濟性分析

3.2.1 經(jīng)濟分析方法和分析基準(zhǔn)

石化行業(yè)流程長，原料結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)經(jīng)營方案的經(jīng)濟分析非常復(fù)雜。除需要考慮裝置、原料品種和產(chǎn)品品種價格外，還需要考慮生產(chǎn)經(jīng)營要素占用、分析基準(zhǔn)等行業(yè)特殊因素。石化行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化方案經(jīng)濟分析大多采用PIMS模型等線性規(guī)劃類方法。需要企業(yè)針對具體的分析對象，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營實際情況，編制相應(yīng)的PIMS模型，運行PIMS模型進(jìn)行針對性計算而得。

對新裂解原料的技術(shù)經(jīng)濟分析，不同企業(yè)的分析結(jié)果不盡相同，主要是分析基準(zhǔn)選擇、分析范圍、生產(chǎn)經(jīng)營瓶頸影響等造成的。比如，原料充裕的企業(yè)與原料有缺口的企業(yè)，對新增原料品種的需求程度是不一樣的，需求的原料特性也不相同。對于國內(nèi)乙烯企業(yè)而言，乙烯原料缺口是主要矛盾。本文介紹的企業(yè)每年需要外采大量石腦油來補足乙烯裂解原料缺口，這也是該企業(yè)投資干氣提純項目、生產(chǎn)富乙烷氣作裂解原料的原因之一。對于這種情況，可以1 t原料作為分析基準(zhǔn)，計算1 t裂解原料經(jīng)過裂解及直接分離環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的銷售產(chǎn)值及邊際貢獻(xiàn)，作為判斷其是否能做裂解原料的依據(jù)[4]。

對于原料供應(yīng)過剩，且加工或出廠環(huán)節(jié)存在明顯設(shè)備能力瓶頸的乙烯企業(yè)而言，關(guān)注重點是在消除設(shè)備瓶頸之前、選用技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)更好的新裂解原料。實際分析時，將該設(shè)備能力作為生產(chǎn)經(jīng)營要素計入PIMS模型，運行PIMS模型將會確認(rèn)該設(shè)備能力是企業(yè)進(jìn)一步增加效益的瓶頸。這樣計算出的結(jié)果一般應(yīng)該作為企業(yè)采取措施、消除設(shè)備能力瓶頸的決策依據(jù)，不作為新原料裂解原料本身技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)好壞的依據(jù)。

由于各種乙烯原料成本不同，裂解產(chǎn)品分布不同，燃動輔料消耗不同，所以各種乙烯原料經(jīng)濟效益即邊際貢獻(xiàn)也不同。下面從富乙烷氣作乙烯原料直接生產(chǎn)的產(chǎn)品銷售價值和邊際貢獻(xiàn)兩方面分別進(jìn)行分析。

3.2.2 市場價格等相關(guān)條件

裂解產(chǎn)品只考慮乙烯裝置、裂解汽油加氫、丁二烯抽提、芳烴抽提等通過裂解、物理手段分離得到的產(chǎn)品。2012年和2013年石腦油、丙烷原料以及相關(guān)產(chǎn)品平均價格見表4。

表4原料及裂解直接產(chǎn)品價格元/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 富乙烷氣作乙烯原料的經(jīng)濟效益

富乙烷氣作乙烯原料的經(jīng)濟效益分析基礎(chǔ)是干氣提純、乙烯、芳烴抽提等系列裝置都屬于同一個企業(yè)，不考慮因裝置配屬不同引起的產(chǎn)品互供定價、所得稅等因素影響。裂解產(chǎn)品銷售價值扣除原料輔料成本、自用燃料及氫氣耗用成本和其他燃動消耗成本后即為裂解原料的邊際貢獻(xiàn)。加工成本中自用燃料指裂解爐耗用的自產(chǎn)甲烷燃料成本，不同原料裂解溫度不同，耗用燃料成本也不同。自用氫氣指裂解汽油加氫裝置加工粗裂解汽油耗用成本，由于其裂解產(chǎn)物中C6～C8芳烴含量不同，加氫精制過程消耗氫氣價值不同[2-3]。

3種原料中石腦油、丙烷等原料價格取當(dāng)期市場平均價格，但富乙烷氣沒有市場公允價格。根據(jù)干氣提純項目設(shè)計資料，富乙烷氣生產(chǎn)成本約為石腦油近年價格的0.95倍，按富乙烷氣價格為同期石腦油價格的0.95倍計算其作乙烯原料的邊際貢獻(xiàn)。運行PIMS模型，得到富乙烷氣、石腦油和粗丙烷等3種原料的裂解產(chǎn)物銷售價值和邊際貢獻(xiàn)，具體對比見表5～6。

表5特定條件下富乙烷氣等裂解產(chǎn)品銷售價值元/t

20137 4056 9147 03720127 2466 8606 933

表6特定條件下富乙烷氣等原料邊際貢獻(xiàn)元/t

20131 41037376620121 02472680

從表5和表6可以看到：富乙烷氣作裂解原料的裂解產(chǎn)物銷售價值和邊際貢獻(xiàn)都要大大高于石腦油和丙烷。以2013年價格數(shù)據(jù)為例，富乙烷氣裂解產(chǎn)物銷售價值高出石腦油491元/t，高出丙烷368元/t 。在富乙烷氣價格為同期石腦油0.95倍時，其邊際貢獻(xiàn)高出石腦油1 037元/t，高出丙烷644元/t。企業(yè)現(xiàn)有兩套乙烯裝置，對其中1套乙烯裝置進(jìn)行核算，按2013年價格以及富乙烷氣價為同期石腦油0.95倍計算，如每月使用3 kt富乙烷氣，能夠增加整體經(jīng)濟效益310萬元左右。

3.2.4 富乙烷氣作裂解原料經(jīng)濟效益的影響因素

(1)富乙烷氣成本對裂解邊際貢獻(xiàn)的影響

富乙烷氣的生產(chǎn)成本與天然氣價格、提純裝置開工率、裝置運行效果等多種因素有關(guān)。生產(chǎn)成本變化，其裂解邊際貢獻(xiàn)會相應(yīng)變化，生產(chǎn)成本越高，結(jié)轉(zhuǎn)到乙烯裝置作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)也就越低。按2013年價格數(shù)據(jù)，用PIMS模型考察富乙烷氣作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)，具體計算結(jié)果如表7所示。

表7富乙烷氣邊際貢獻(xiàn)與其成本的關(guān)系元/t

0.900.951.001.051 6951 4101 1268412850-284-569

從表7可以看到：富乙烷氣作乙烯原料的邊際貢獻(xiàn)與其成本(結(jié)轉(zhuǎn)價格)關(guān)系密切，價格與當(dāng)期石腦油價格比值每升高0.05個點，其作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)降低約285元/t，但在與石腦油價格比值提高到1.05時邊際貢獻(xiàn)仍有841元/t。

(2)乙烯價格對富乙烷氣裂解邊際貢獻(xiàn)的影響

富乙烷氣作乙烯原料，其乙烯產(chǎn)品收率60%，是主要裂解產(chǎn)物，因此富乙烷氣作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)與乙烯產(chǎn)品價格有直接關(guān)系。按2013年價格(包括乙烯價格)，在富乙烷氣與石腦油價格比0.95前提下，將乙烯價格分別調(diào)整為0.90，0.95，1.00，1.05倍，計算富乙烷氣作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)，具體計算結(jié)果如表8所示。

表8富乙烷氣邊際貢獻(xiàn)與乙烯價格的關(guān)系元/t

0.900.951.001.059211 1661 4101 655-489-2440+245

從表8可以看到：富乙烷氣作乙烯原料的邊際貢獻(xiàn)與乙烯價格關(guān)系密切，價格比值每降低0.05，其作裂解原料的邊際貢獻(xiàn)約降低244元/t；乙烯價格降低到基礎(chǔ)價格的0.90倍時，仍有921元/t的邊際貢獻(xiàn)，說明建設(shè)干氣提純項目，將富乙烷氣作裂解原料項目具有較好的整體經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

(1)焦化和加氫裂化干氣提純后的富乙烷氣作乙烯原料，其乙烯、雙烯、三烯收率等裂解技術(shù)指標(biāo)大大高于石腦油和丙烷作乙烯裂解原料。按使用富乙烷氣量為裂解原料總投料量5.50%，即每月使用3 kt替代石腦油，則乙烯裝置的乙烯、雙烯、三烯收率分別能提高1.50，1.00，0.86個百分點。

(2)以單位裂解原料作為比較基準(zhǔn)，富乙烷氣的裂解產(chǎn)物銷售價值和邊際貢獻(xiàn)要大大高于石腦油等裂解原料。按2013年市場價格，富乙烷氣價為同期石腦油的0.95倍計算，每月使用3 kt富乙烷氣，企業(yè)整體經(jīng)濟效益可增加311萬元左右。

(3)富乙烷氣作乙烯原料的經(jīng)濟效益與其成本(按富乙烷氣/石腦油比價)、乙烯產(chǎn)品市場價格關(guān)聯(lián)密切。對這兩個因素的敏感性分析表明，建設(shè)干氣提純項目生產(chǎn)富乙烷氣作乙烯原料具有較好的抗市場風(fēng)險能力。

[1] 唐未慶. 液化氣作裂解料的技術(shù)經(jīng)濟評估[J].石油煉制與化工，2005,36(2)：63-67.

[2] 王松漢主編. 乙烯裝置技術(shù)與運行[M].北京：中國石化出版社，2009：36-56.

[3] 瞿國華編著. 乙烯工業(yè)原料優(yōu)化[M].北京：中國石化出版社，2003：20-45.

[4] 唐未慶.生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化實用經(jīng)濟分析方法綜述[J].石油化工技術(shù)經(jīng)濟,2006,22(4)：51-54.