劉建佳

上海華誼能源化工有限公司（上海 200241）

化工管理

中美乙烷裂解項目經(jīng)濟性對比研究
——以美國乙烷為原料

劉建佳

上海華誼能源化工有限公司（上海 200241）

以在中國華南沿海和美國墨西哥灣分別建設(shè)一套100萬t/a的乙烷裂解工廠為設(shè)想，目標市場為中國華南區(qū)域，采用美國乙烷為原料，對工藝技術(shù)進行了簡介，通過投資金額、乙烷價格、人工費和維修費等因素，比較了中美項目的成本，結(jié)合過去近10年的市場情況，考察了項目的盈利情況。

乙烷 乙烯 中美 經(jīng)濟性

乙烯被譽為“工業(yè)之母”，在化工行業(yè)中占有極其重要的地位，很多化工產(chǎn)品（如聚乙烯、醋酸乙烯等）都是從乙烯開始進行生產(chǎn)的。因此，乙烯的價格也受到化工生產(chǎn)商的廣泛關(guān)注[1]。目前國內(nèi)外生產(chǎn)乙烯的原料主要有三種：石油、煤炭和乙烷。石油路線采用的方法為石腦油裂解法，乙烯的收率受石腦油組分含量的影響較大；煤炭路線為煤炭氣化合成甲醇，然后經(jīng)甲醇制烯烴（MTO）生產(chǎn)乙烯和丙烯，該方法乙烯產(chǎn)率受乙烯/丙烯比例的影響，可調(diào)控空間不大；乙烷路線采用的方法為乙烷熱裂解法，該方法乙烯收率高，但乙烷來源較少。

在2010年—2013年之間，美國乙烷的產(chǎn)量幾乎與其國內(nèi)消費量持平，甚至還需要少量進口，但是從2013年底開始，隨著美國頁巖氣開采規(guī)模擴大，生產(chǎn)液化天然氣（LNG）時伴生的大量乙烷無法處理，只能回注至輸氣管道內(nèi)，導致過剩，促使美國自2014年開始開展乙烷原料出口業(yè)務(wù)（圖1），且出口量逐漸增加[2]。

圖1 2010年—2017年美國乙烷產(chǎn)量、消費量及出口量（千桶/天）

圖2 2010年—2015年中國乙烯產(chǎn)量和當量缺口（萬t/a）

我國的乙烯產(chǎn)量在2010年—2012年之間增加量較小，自2013年起隨著MTO技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化增多，乙烯產(chǎn)量有了一定的提高，2015的年乙烯產(chǎn)量達到1 700多萬噸（圖2），但我國是制造和消耗大國，乙烯消耗量巨大，缺口一直存在。國內(nèi)乙烯生產(chǎn)工藝主要為石腦油裂解，該路線也掌握著國內(nèi)乙烯定價，國際原油價格走低，乙烯價格也隨之走低，極大地壓縮了MTO路線乙烯的利潤空間。隨著美國乙烷出口量的增加，我國開始關(guān)注乙烷裂解技術(shù)的成本競爭力?，F(xiàn)以在中國華南沿海地區(qū)和美國墨西哥灣分別建設(shè)一套100萬t/a（產(chǎn)品量）的乙烷裂解工廠為設(shè)想，目標市場為中國華南區(qū)域，采用美國乙烷為原料，對工藝流程進行簡介，并就中美項目的經(jīng)濟性進行對比分析。

1 基本原理和工藝流程

1.1 基本原理

蒸汽裂解是生產(chǎn)乙烯使用最廣泛的方法。主反應(yīng)較為簡單［如式（1）所示］，乙烷在750～850℃、150～350 kPa條件下發(fā)生脫氫反應(yīng)生成乙烯，并副產(chǎn)氫氣。在反應(yīng)過程中，其他主要產(chǎn)物包括甲烷、乙炔、丙烯、丙烷、丁二烯和其他烴類。反應(yīng)物在裂解爐中的停留時間約為0.1～0.5 s。蒸汽注入反應(yīng)器中可以降低烴類分壓，從而降低高溫下的結(jié)焦速率[3]。

1.2 工藝流程

常見的工藝流程分為三個主要部分：熱解、壓縮、冷卻及分離，如圖3所示，該裂解流程也可以使用丙烷和石腦油等作為原料。

圖3 乙烷裂解典型工藝流程

在熱解部分，預(yù)熱的乙烷和蒸汽（水烴質(zhì)量比為0.3）進入到裂解爐中，在800℃的高溫下反應(yīng)得到乙烯和其他副產(chǎn)物，詳細組分如表1所示。裂解氣隨后被急冷到600℃以避免其發(fā)生分解反應(yīng)，500℃、10 MPa的副產(chǎn)高壓蒸汽被送至透平壓縮機。隨后將冷卻后的裂解氣進行多級壓縮，以便將乙烯從其他產(chǎn)物中分離出來。在壓縮部分，酸性氣體和部分殘留水分被除去，以避免在冷卻時形成固態(tài)的雜質(zhì)或冰，從而堵塞設(shè)備和管道。在分離部分，使用制冷劑進一步冷卻壓縮部分尾氣并將氫氣從中分離出來，得到的高純度氫用于乙炔的加氫反應(yīng)，液體產(chǎn)品物料通過一系列精餾塔脫除其中的甲烷、乙烷和丙烷[4]。

表1 裂解氣組分

1.3 工藝消耗

中美乙烷裂解工廠的乙烯產(chǎn)能為100萬t/a，工作時長為8000 h/a。乙烷裂解制乙烯的過程需要消耗大量能量，本文中乙烷裂解爐所需的熱量均由外購天然氣提供，系統(tǒng)副產(chǎn)的6.5 MPa高壓蒸汽除驅(qū)動壓縮機外全部外送，裂解所需的低壓蒸汽由系統(tǒng)自身提供，其他副產(chǎn)產(chǎn)品除氫氣外全部送入裂解爐充作燃料，氫氣主要用于乙炔等不飽和烴的加氫反應(yīng)[5]，電力主要用于驅(qū)動風機和泵。

2 乙烷裂解在中美的經(jīng)濟性

2.1 中美項目經(jīng)濟性對比

美國裝置擬選址為墨西哥灣附近區(qū)域，中國裝置擬選址為中國華南沿海區(qū)域，目標市場均為中國華南區(qū)域，匯率定為6.8，項目資金為自有，美國綜合稅率為35%。美國100萬t裝置的投資金額為10億美元，由于我國仍屬于發(fā)展中國家，原料、制造費用和人工成本均較低，所以中國裝置投資金額暫定為6億美元，設(shè)備折舊期為15年。

項目的原料、公用工程、副產(chǎn)物和財務(wù)指數(shù)等[6]內(nèi)容見表2。

在美國乙烷的售價為3.79美元/吉焦的情況下，中國項目的利潤和稅后財務(wù)內(nèi)部收益率（IRR）均低于美國項目。雖然在投資金額、人工費和維修費上占據(jù)絕對優(yōu)勢，但是燃料在乙烷裂解消耗中占據(jù)較大比例，而中國天然氣較高的價格顯著地影響了中國項目的經(jīng)濟性。

表2 中美乙烷裂解裝置經(jīng)濟性分析

2.2 乙烷價格的影響

除了燃料價格等因素的影響外，備受關(guān)注的是乙烷價格對項目經(jīng)濟性的影響。在假定其他因素不變的情況下，對乙烷的價格變動進行考察（見表3）。

表3 乙烷價格變動對項目經(jīng)濟性的影響

當美國乙烷的價格下調(diào)至1.90美元/吉焦時，美國項目的利潤仍高于中國項目，但二者的差距在縮小，乙烷價格在項目總成本中的占比也不斷縮小，中國項目的投資、維修、人力等成本優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，中國項目的稅后IRR甚至超過了美國項目。當乙烷價格上漲時，雖然美國項目和中國項目的利潤均有所下降，但是二者的差值擴大，說明乙烷價格上漲對中國項目利潤的影響更大，中國項目的IRR降幅也更明顯。當乙烷價格躍升至6.64～7.58美元/吉焦時，中國項目已進入虧損階段，而美國項目仍具有可觀的利潤和收益率。當乙烷價格升至9.48美元/吉焦后，美國項目可以微利存活，中國項目則基本滅亡。該假設(shè)并未考慮天然氣的價格因素。如果天然氣價格隨乙烷正相關(guān)變動，則乙烷價格越低，中國項目的優(yōu)勢越明顯；而乙烷價格越高時，中國項目的劣勢也就越突出。以上假設(shè)也并未考慮乙烯價格的變動，乙烯產(chǎn)品價格的變動也將會給項目的經(jīng)濟性造成顯著的影響。

2.3 歷史條件下中美項目的經(jīng)濟性

為了更貼近真實的歷史市場情況，依照本模型，參考2008年—2016年的美國乙烷價格和東北亞乙烯售價，對中美項目乙烯利潤情況進行對比分析（見圖4）。2011年以前，美國乙烷價格和東北亞乙烯售價的基本趨勢保持一致。2008年全球金融危機爆發(fā)，雖然乙烯價格維持在1 400美元/噸以上，但是乙烷的價格也處于近年最高點，接近700美元/噸，從而導致中美項目均出現(xiàn)虧損。隨著全球金融危機的蔓延，2009年的乙烯售價出現(xiàn)跳水，下跌幅度幾乎達44%，但乙烷價格下降超過了46%，這時中國項目的利潤基本維持在盈虧平衡點，而美國項目則已開始盈利。從2010年到2011年，全球經(jīng)濟回暖，乙烷價格持續(xù)增長，雖然乙烯售價也有所提高，但是難以沖抵乙烷原料成本的增加，中美項目的盈利情況持續(xù)惡化，中國項目甚至在2011年出現(xiàn)“巨虧”。

圖4 歷史條件下中美項目的利潤對比

乙烷與乙烯價格的相關(guān)特性在2012年出現(xiàn)巨大轉(zhuǎn)折。2011年末，希臘的財政危機對歐盟乃至全球經(jīng)濟造成了不利影響，連帶對東北亞的乙烯市場也造成了一定的沖擊。2012年的乙烯售價基本與2011年持平，但是此時美國的頁巖氣革命爆發(fā)，美國乙烷的價格出現(xiàn)大幅下降，從而導致中國項目首次盈利，而同期美國項目的盈利性更好。

隨著歐盟危機的化解，2013年和2014年的乙烯售價繼續(xù)提升，但美國頁巖氣的高速開采提高了凝析液產(chǎn)量，其中富含的乙烷豐富了其原料供應(yīng)來源，也使乙烷價格持續(xù)下降，中美兩項目的盈利性良好，且美國項目優(yōu)于中國項目。雖然2015年和2016年的乙烷價格基本保持平穩(wěn)，但是隨著中國MTO項目的開工，東北亞乙烯售價出現(xiàn)了一定幅度的下降，美國乙烷的價格在這兩年中保持平穩(wěn)，使中美項目的利潤出現(xiàn)細微下滑，但仍保持較高的收益。

通過分析近10年的歷史數(shù)據(jù)可知，中國項目的盈利性和抗風險性均弱于美國項目。如前所述，只有當乙烷價格十分低廉時，中國項目的投資回報率才優(yōu)于美國項目，但這種情況并未出現(xiàn)，也許在美國的高純乙烷大量出口后，中國項目的未來將變得更好。

3 結(jié)論

以中國華南地區(qū)為目標市場，分別對在美國墨西哥灣和中國華南地區(qū)建設(shè)100萬t/a的乙烷裂解工廠進行了分析。在過去的近10年中，美國項目的成本要低于中國項目，投資回報率更佳，抗風險性也更強。頁巖氣革命的爆發(fā)，使化工原料的來源更加豐富，這給我國的化工企業(yè)帶來了機遇和挑戰(zhàn)，單純地依靠乙烷和乙烯的價格差來獲利具有很大的風險，只有對乙烯進行深加工、做大做強下游產(chǎn)業(yè)鏈，才能將利潤最大化，企業(yè)的抗風險性也會更強。

[1]鄒才能,趙群,張國生,等.能源革命:從化石能源到新能源[J].天然氣工業(yè),2016,36(1):1-10.

[2]GANDOLPHE S C.The impact of the development of shale gas in the United States on Europe's petrochemical industries[Z].France:Ifri,2013.

[3]THIRUVENKATASWAMY P,ELJACK F T,ROY N,et al. Safety and techno-economic analysis of ethylene technologies[J].Journal ofLoss Prevention in the Process Industries, 2016(39):74-84.

[4]ABEDI A A.Economic analysis of a new gas to ethylene technology[D].Austin:Texas A&MUniversity,2007.

[5]ZIMMERMANN H,WALZL R.Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry[J].Ethylene,2012,13:465-526.

[6]陳樂,李立,馬越.新型煤化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)及經(jīng)濟性分析[J].現(xiàn)代化工,2015,35(1):6-10.

Economics Comparison Research on Sino-US Ethane Cracking Projects—with US Ethane as Raw Materials

Liu Jianjia

In this paper,the construction of an ethane cracking plant with product capacity of 1 million tons per year separately built in South China coastal area and Gulf of Mexico was assumed.The raw material was US ethane and the target market was South China area.By comparing factors such as investment,ethane price,labor cost,maintenance cost and so on,the cost comparison of two projects was obtained.In consideration of the market conditions for the last ten years,the earnings situations were investigated.

Ethane;Ethylene;Sino-Us;Economics

TE-9

2017年3月

劉建佳男1987年生工程師博士主要從事化工新業(yè)務(wù)拓展工作