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丙烷脱氢技术分析:丙烯生产四大主流技术之一,技术优势明显,总产能的占比逐年提升,促进丙烷脱氢盈利提升[图]

2019年04月17日 14:11:10字号:T|T

    四、丙烷脱氢生产丙烯具有显著的技术优势

    一、中国丙烯行业的发展:是全球最大的丙烯生产国和消费国

    截至2017年底,全球丙烯产能合计已达到1.16亿吨。全球丙烯产能主要分布区域包括东亚(中国、日本和韩国)、北美、西欧、东南亚和中东地区,上述地区加起来约占全球产能的86%。从国家来看,中国、美国、韩国、沙特、日本、印度和德国位列丙烯产能排名的1-7名,这些国家的产能之和占据全球产能的64%。

    2017年全球丙烯产能分布

    数据来源:公开资料整理

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国聚丙烯酰胺行业市场调查及发展趋势研究报告

    从2005年起,我国丙烯酸行业迅速发展,产能快速增长,尤其是2014年、2015年是丙烯酸装置建成投产高峰年,生产厂家增至17家,共新增155万吨产能(2014年、2015年分别增长89万吨、66万吨),其中扩能企业有江苏裕廊、浙江卫星、扬子-巴斯夫、塑宁波等原有企业,还有新进入企业山东宏信化工、福建滨海化工、万洲石化、万华化学等。并且,除了新进入企业投产为一期项目,产能在10万吨以下外,其他企业新增产能规模较大。

    截至2016年,我国丙烯酸的有效产能约295万吨/年左右,占全球产能的36%。具体来看,2016年国内丙烯酸行业未有新增产能,反而出现产能萎缩现象,相比2015年减少了45万吨/年左右,厂家通过控产的方式来调控市场供需来达到市场平衡。

    整体来看,整个行业经过前几年的高速扩张后,产能利用率严重下滑,2016年开工率仅维持在50%左右的水平。2017年国内也仅有华谊丙烯酸一期的16万吨/年装置在一季度投产,考虑到其关停的老装置,实际上2017年国内丙烯酸产能将维持在2016年的水平,行业通过控制产能规模来维持盈利的模式未变。

    2009-2017年中国丙烯酸产能及预测(单位:万吨,%)

    数据来源:公开资料整理

    二、丙烷脱氢是丙烯生产四大主流技术之一

    丙烯生产的主流技术主要包括四种:1)蒸汽裂解,原料主要是轻石脑油和乙烷,有时会掺杂丙烷/LPG、柴油、减压蜡油、加氢裂化尾油等;2)炼厂气副产,炼油工艺中会副产含有丙烯的炼厂气,采用气体分离技术可以将炼厂气中的丙烯分离出来,如需要生产聚丙烯则需要进一步提纯到聚合级;3)煤制烯烃或者甲醇制烯烃(包括CTP和MTP技术);4)丙烷脱氢技术(PDH),另外还有烯烃相互转化、易位歧化等技术往往与蒸汽裂解技术进行配套使用,作为增产丙烯的一种手段,占比较小。

    (1)蒸汽裂解技术:石脑油等原料在高温条件下和水蒸气发生分子链断裂和脱氢反应,以制取乙烯和丙烯等低分子烯烃的技术。蒸汽裂解的反应设备一般为管式加热炉:原料和水蒸气首先经预热后入加热炉炉管,高温下发生裂解,通过急冷装置和深冷分离装置,获得乙烯、丙烯、碳四和裂解汽油等产品,其中碳四又可以分理出丁二烯、正丁烯和异丁烯等有用成分,裂解汽油是芳烃的两大来源之一(另外一种为炼厂的催化重整)。蒸汽裂解是乙烯和丙烯等低分子烯烃的主要生产方法之一。蒸汽裂解技术的目的是生产乙烯,而丙烯和丁二烯等产品作为乙烯生产的副产品。原料相对分子质量越大(比如石脑油、轻柴油),丙烯收率越高。以石脑油为原料生产乙烯,每产1吨乙烯副产0.5吨丙烯,而以轻质原料例如乙烷为原料生产乙烯,每产1吨乙烯仅副产0.02吨丙烯。

    (2)炼厂气副产技术:炼厂丙烯主要来自催化裂化(FCC)、减粘/热裂化和延迟焦化等三类装置,其中FCC丙烯约占炼厂丙烯的97%,是丙烯的第二大来源。FCC技术是一种将重质原料加工成为轻质燃料的技术,其主要目的是生产催化汽油,同时副产少量催化柴油、液化气和丙烯。重质油在热和催化剂存在的情况下发生裂化反应,得到裂化气,裂化气中含有大量的丙烯。FCC增产丙烯技术按照开发思路的不同,分为两类:第一类是为增产丙烯而开发,裂解温度在550~580℃,例如深度

    裂解DCC工艺(中石化石科院);第二类是为炼化一体化而设计,该类工艺以生产乙烯/丙烯为目的,操作温度620℃,原料为VGO(减压柴油)类,例如CPP工艺(中石化石科院)以及PetroFCC工艺(UOP公司)。

    (3)丙烷脱氢(PDH)技术:丙烷脱氢制丙烯是一种生产丙烯的成熟技术,目前在全球已经有几十套装置在稳定运行。国外已开发成功的丙烷脱氢制丙烯技术主要有UOP公司的Oleflex工艺、鲁姆斯公司的Catofin工艺、林德公司的PDH工艺和伍德公司改进的STAR工艺。工业应用最多的是Oleflex工艺和Catofin工艺,中国目前12套丙烷脱氢装置全部采用Oleflex和Catofin技术。丙烷脱氢装置对于原料品质有较高要求(丙烷纯度97%,硫100μL/L以下),现有国外装置都采用湿性油田伴生气为来源的高纯低硫丙烷为原料,而我国油田伴生气和页岩气凝析油较为贫乏,而国产液化气是石油炼制过程中产生的副产品,是一种杂质含量及硫含量较高的混合气体,丙烷含量低,无法满足丙烷脱氢的原料要求。因此国内丙烷脱氢装置须进口以国外油田伴生气为来源的非炼厂高纯液化丙烷,主要来自中东,部分来自美国。

    (4)甲醇制烯烃(MTO&MTP)技术:甲醇制烯烃(MTO)和甲醇制丙烯(MTP)是两个重要的碳一化工工艺,是指以煤或天然气生产合成气、然后合成气转化为甲醇,最后用甲醇生产低碳烯烃的化工技术。中国由于煤炭资源禀赋和能源战略的原因,过去十年大力发展煤化工,包括煤制烯烃、煤制油、煤制天然气等。目前中国煤制烯烃技术已经完全实现国产化,以大连化学物理所的DMTO和中石化的SMTO为代表,美国UOP的MTO技术也在中国的多套装置商业化。

    三、跟其他工艺路线相比,丙烷脱氢技术优势明显
PDH装置的主要成本来自原材料。根据测算,在丙烯生产中原材料成本占比约80%,原料丙烷的价格是决定成本优势的核心因素。而丙烷是液化石油气(LPG,主要为丙烷和丁烷的混合物)的主要成分,丙烷价格与LPG价格变化保持一致,因此,LPG价格及其走势间接成为PDH工艺成本优势及其可持续性的核心问题。

原材料在丙烯生产中占比约80%

数据来源:公开资料整理

PDH装置规模和收益正相关

数据来源:公开资料整理

    45万吨以上的PDH装置有较强经济型和抗风险能力。丙烯–丙烷价格差是影响PDH装置经济性的决定性因素,而PDH装置经济性对生产规模和公用工程价格变化的敏感性较弱。从近年价格走势来看,不同规模的PDH装置在较宽价差范围内均能体现出较好的经济性,但是规模大于45万吨/年的PDH装置对抗经济性风险的能力显著优于较小规模的PDH装置。

    从PDH装置整体的经济效益达到最优长期来看,丙烷脱氢技术有广阔的发展空间。主要逻辑有三:油价大概率迎来温和复苏,石化行业盈利水平向好;国内丙烯供不应求,价格存在底部支撑;PDH技术主要成本在于原料丙烷,丙烷为LPG主要成分,美国页岩油革命带来NGL爆发式增长,使全球LPG供需格局趋于改善,目前LPG供应增长快于需求,构筑丙烷价格天花板,叠加天然气对LPG的替代及比价效应,LPG价格长期或将低位徘徊,PDH技术成本优势明显。

    PDH工艺有五种:UOP公司的Oleflex工艺;ABBLummus公司的Catofin工艺;伍德(KruppUhde)公司的STAR工艺;Linde-BASF-Statoil共同开发的PDH工艺和Snamprogtti-Yarsintez公司开发的FPD工艺等。已实现工业化的主要是UOP的Oleflex工艺和ABBLummus的Catofin工艺,UOP和Lummus两种工艺路线大体相同,所不同的只是脱氢和催化剂再生部分。

    UOP公司的Oleflex工艺是移动床技术,采用铂基催化剂,反应温度为600-700摄氏度,氢作为原料的稀释剂,丙烷选择性脱氢转化为丙烯,单程转化率随反应条件改变,一般在35%—65%,未反应的丙烷可循环使用,丙烯总收率可达89-91%。ABBLummus公司的Catofin工艺是固定窗技术,使用铬-氧化铝催化剂,反应温度为540-640摄氏度,丙烷单程转化率为48-65%,丙烯收率可达82-87%。
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,仅有一套设施使用蒂森克

    虏伯公司的STAR技术。中国第一套丙烷脱氢装置为2013年投产的渤海化工60万吨丙烷脱氢装置,截止到2017年底中国国内投产的丙烷脱氢装置。已经投放的12套装置中,6套采用Catofin工艺,6套使用Oleflex工。

    中国各省市现有丙烷脱氢装置产能

    数据来源:公开资料整理

中国企业现有丙烷脱氢装置产能

数据来源:公开资料整理

    PDH工艺具有三大优势:

    1)跟传统的炼厂副产和蒸汽裂解工艺相比,工艺流程较短,装置简单、投资和运营成本较低:丙烷在600℃左右的条件下经催化脱氢得到丙烯,该技术的特点是单一原料生产单一产品(主要是丙烯),流程简短,因此投资较省,由于流程短和装置复杂性相对较低,因此运行维护成本较低;而炼厂气回收丙烯装置是炼油厂的一部分,不论是从投资角度还是运营角度均受制于炼油厂整体;炼油厂的投资巨大,因此其投资决策和开工情况主要受到成品油市场的影响。蒸汽裂解装置的投资同样巨大,而且受制于上游石脑油原料的供应,往往与炼厂相配套;

    2)跟煤制烯烃相比,丙烷脱氢的投资同样少于煤制烯烃。以60万吨的丙烷脱氢装置为例,大约需要投资30亿人民币左右,而煤制烯烃工艺的煤炭到甲醇工艺段投资是非常大的,同等规模的煤制烯烃装置(乙烯+丙烯合计60万吨)大约需要投资50-70亿人民币(不含下游衍生物装置)。尤其是煤炭气化部分,气化炉和相关附属装置约占到整个项目投资的45%。同时煤化工主要分布在煤炭产地,而中国的现状是富煤的地方往往缺水,煤化工是高耗水的行业。

    3)丙烷脱氢的生产成本只与丙烷价格波动密切相关,大约1.2吨的丙烷生产1吨丙烯,而丙烷价格与石脑油价格、丙烯市场没有直接的关联。丙烷实际上是一种低价值的气体,以前的主要利用方式是作为原料,其化工价值没有得到很好的开发,丙烷脱氢可以将低价值的丙烷转化为高价值的丙烯。在中高油价下,丙烷脱氢的盈利性比传统的炼厂气工艺和蒸汽裂解工艺高。

    四、丙烷脱氢技术在全球和中国丙烯总产能的占比逐年提升

    随着美国油气井定向钻探和压裂页岩技术的突破,2010年以来美国页岩气革命的爆发,美国天然气产量呈现爆发性增长,为了提升的利润,页岩气开发企业大量开发富含凝析油(NGL)的湿气,这是因为页岩气副产的凝析油经过简单分离就可以提取出更高附加值的乙烷、丙烷、丁烷和化工轻油价格均比天然气高。在利润的驱使下,凝析油的供应增速比天然气还要更快。而乙烷是凝析油中最大的组分,占比接近50%,这就造成乙烷供应的剧烈增加,2011年开始乙烷产量每年增长超过30%。低成本的乙烷资源使得北美的乙烷裂解优势开始显现,美国炼厂纷纷投建乙烷制乙烯装置,国际投资者也逐步加大了对乙烷裂解装置的投资包括中国和西欧在内的很多国家和地区开始进口乙烷进行乙烷裂解制乙烯。

    乙烷裂解制乙烯工艺的扩张导致的后果是蒸汽裂解原料越来越轻质化,2005年之前,全球通过石脑油裂解制乙烯的产量达到乙烯总产量的55%左右;到2010年,全球通过石脑油裂解制乙烯的产量达到乙烯总产量的约51.2%,而乙烷裂解占比为32.1%,丙烷和丁烷占比分别为8.4%和4.1%;到2014年,全球通过石脑油裂解制乙烯的产量占比乙烯总产量下滑到46%,乙烷裂解占比上升到35%;到2016年,全球通过石脑油裂解制乙烯的产量占比乙烯总产量已下降到42%左右,而轻烃则上升到51.2%(其中乙烷36.2%、丙烷9.2%、丁烷5.8%)。

    蒸汽裂解原料的轻质化对丙烯的影响是造成了丙烯供应的相对紧缺。一般来讲,若采用石脑油蒸汽裂解,一般乙烯和丙烯的比例在3∶1—2∶1,如每生产1吨的乙烯,则会有0.5吨的丙烯副产。而采用乙烷制乙烯后,每生产1吨的乙烯,则仅有1/40吨的丙烯副产。随着时间的推移,丙烯的供需结构近年来逐步好于乙烯,令投资者重新审视丙烯的投资机会并加大丙烯的产能建设。

    因此,PDH项目受到热捧。PDH在全球丙烯产能中的比例逐年提升,已经从2000年的2%提升到目前的10%以上,未来三年将提升到13%左右。

全球丙烯原料结构变化

数据来源:公开资料整理

    截止2017年底,全球投入运营的PDH装置已经有33套,总产能1240万吨/年,其中中国的PDH产能占全球40%。

全球丙烷脱氢装置PDH数量分布

数据来源:公开资料整理

全球丙烷脱氢装置PDH产能分布

数据来源:公开资料整理

 

    五、油价上升拉大丙烯丙烷价差,促进丙烷脱氢盈利提升

    1、丙烷原料占到丙烷脱氢成本的78%左右,是影响盈利最重要的因素之一
丙烷脱氢的生产成本包含丙烷原料成本(每吨丙烯产出约消耗丙烷1.2吨)、催化剂和化学品、副产品价值、公共工程、固定成本和折旧。其中丙烷原料成

    本占到总生产成本的大头,如下图所示,采用进口丙烷作为原料的丙烷脱氢装置的生产成本结构如图,丙烷原料远远大于其他成本项。如果将副产品价值排除在外,丙烷约占总成本结构的78%。

    当前丙烷脱氢成本结构

数据来源:公开资料整理

    2、丙烷脱氢盈利受到丙烯和丙烷价格的双重影响,盈利水平跟油价正向相关

    考察丙烷脱氢的盈利,一方面看产品丙烯的价格水平,一方面看原料丙烷的原料价格。而丙烯和丙烷受到油价的影响最大,丙烯和丙烷价格走势跟油价高度一致,下图展示了2015年1月份到2018年6月份的丙烯、丙烷和原油的月度走势,三者的走势相当一致。
丙烯价格、进口丙烷成本、丙烯-1.2倍丙烷价差和原油的价格走

    在丙烷脱氢中,每生产一吨丙烯消耗大约

    数据来源:公开资料整理

    1.2吨丙烷,因此采用产品-原材料价值(价差=丙烯价格-1.2*丙烷价格)作为考察丙烷脱氢盈利水平的指标。如下图所示,丙烯丙烷价差跟油价呈现正相关关系,相关系数0.4,为中等相关,说明产品原材料除了受到油价这一最大的影响因素影响之外,还受到其他因素的影响(比如丙烯下游衍生物产能的投放、民用液化气市场、季节等)。

    丙烯-1.2倍丙烷价差跟油价的关系

    数据来源:公开资料整理

    3、国际油价逐渐走强,预计下半年仍有较强支撑

    2018年以来国际油价上涨强劲,截止7月20日,布伦特周度平均价累计上涨9.6%,WTI周度平均价累计上涨14.3%。受地缘政治因素、地区供需差异和美国输油管能力限制等影响,布伦特-WTI价差今年第7周下降到3美金的低点,然后波动上升到第23周的10美金(本年度最高点),后回落至目前的4美金左右。截止7月20日当周,本年度平均价差为5.46美元每桶。

    2018年国际原油价格

    数据来源:公开资料整理

    下半年原油市场多空交织,原油市场重点关注以下影响因素:

    1)产油国增产以及计划增产的行动仍将在后期对油市形成利空压制,但潜在的增产幅度跟原油需求相比将非常有限。

    2)美国经济持续复苏、全球经济运行平稳、能源需求稳健,对油价形成支撑。3)美国对伊朗、委内瑞拉等的经济及能源制裁,有推升油市的可能。

    4)美国中期选举临近,控制油价的进一步上涨也成为了特朗普越来越棘手的问题,这或导致美国或考虑缓解对于伊朗的制裁。

    5)沙特阿美上市,上半年沙特曾暗示希望油价接近每桶80美元,以支持沙特阿美IPO,但目前IPO进展不大,变数较多。今年油价的高位一定程度上也缓解了沙特的财政压力和阿美公司IPO的迫切性。实际上抑制油价不再快速上涨,也符合作为产油国沙特的利益。过高的油价会刺激其他高成本石油的开采,打破目前的供需平衡。这也是沙特不愿意看到的。
基于以上因素,2018年下半年国际原油价格短期整理但是维持上涨态势的概率较大。

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