创新技术 实现烯烃生产收益最大化
□ KBR技术事业部石油化工技术副总裁 MICHAEL J. TALLMAN
原料价格是乙烯生产成本的决定性因素。用于蒸汽裂解的原料来自天然气或原油。西欧和亚洲乙烯厂主要以石脑油为原料，而中东、北美以及东南亚地区则主要以天然气为原料。北美地区页岩气的开发促使天然气与原油的价差增大。凭借对大量低成本乙烷原料的期待，北美有十几家生产商宣布计划新建乙烯工厂，预计未来数年北美地区的乙烯产量将有显著增加。北美大多数乙烯生产商还在对其现有的裂解装置进行投资改造，以增加产能以及对轻质原料的适应能力，此时选择一种具有较高乙烯选择性的热裂解技术尤为重要。对于同等规模的工厂，原料轻质化和高乙烯收率意味着原料用量减少，从而会产生更少的裂解副产物，且对现有工厂烯烃回收工艺的影响较小。
1.KBR裂解炉的优势
KBR公司的裂解炉采用“单管程”炉管，停留时间一般为0.1~0.15秒，时间较短，可实现更高的乙烯收率，如图1所示。
当前，乙烷裂解炉高转化率运行的能力是提高收率的另一个重要要素。未转化的乙烷需要在回收工段进行处理并返回裂解炉，从而占用了回收工段与裂解炉的空间。KBR公司的裂解炉能够以75%以上的乙烷转化率持续运行。结合较高的乙烯选择性以及较高的乙烷转化率，最多可使乙烯生产能力提高10%。
裂解炉布置结构同样是裂解炉改造或扩建项目的关键因素。KBR公司的设计采用了一个单独、紧凑、舱式辐射室。辐射室的裂解能力很大，单台石脑油裂解炉能力可高达20万吨/年，而单台乙烷裂解炉的能力则超过20万吨/年。与其它普遍采用双辐射室结构的同等规模的裂解炉相比，该设计占地空间更少——这在改造项目中通常是一项重要的考量点。
因此，KBR公司独特的裂解炉设计及结构对于现有乙烯厂改造或扩建而言，具有明显的优势。
2.液体裂解炉面对的冲击
当前液体裂解炉在欧洲及东北亚地区比较普遍，其乙烯生产成本全球最高。而这些以液体原料为主的乙烯厂已经成为“边际生产商”，将承受来自市场收益与生产成本的双重压力。
烯烃行业的关键问题是副产品的供给能力及其价格高低，如丙烯和丁二烯。在全球范围内，来自蒸汽裂解厂的此类副产品总产量将逐渐减少，这正是采用乙烷及其它天然气伴生轻烃为原料的直接结果。乙烷是极好的乙烯生产原料，利用现代化的裂解炉，并采用全循环操作，乙烯最终收率为80%以上。然而，相对于其他裂解原料，丙烯及丁二烯的产量则极低，大约各为2%。一直以来，全球丙烯和丁二烯主要来自石脑油或瓦斯油等液态原料的蒸汽裂解。轻质化使得丙烯与丁二烯出现供应短缺，导致其价格特别是丁二烯的价格暴涨暴跌、反复不定。据预测，未来丙烯与丁二烯的价格还将一直高于其历史平均水平。
液体裂解炉保持竞争力的关键策略是最大化高附加值副产品的生产，如丙烯、丁二烯及芳烃。大多数液体裂解炉可通过降低裂解深度，增加丙烯/乙烯生产比率（P/E）来实现这一策略。
以上挑战促使许多生产商开始寻找生产丙烯及丁二烯的替代方法。有几家公司对丙烷脱氢装置进行了调研，虽然此类装置属于资金密集型项目，但只要低成本丙烷原料与高价值丙烯产品之间存在足够的利润，即为合理项目。中国以及亚洲其它地区的许多国家都在通过氧化脱氢的方式专门生产丁二烯——这同样是资金极度密集型项目。
3.KBR催化裂解技术的特点
KBR公司使用催化裂解技术生产烯烃，可与传统的蒸汽裂解技术整合产生协同效应。此类催化技术将丙烯与芳烃作为主要关注对象，具体设计可根据原料的类型定制。KBR公司的催化制烯烃技术采用流化床催化裂解（FCC），工艺设备与传统炼油厂的FCC装置相似。KBR公司的催化制烯烃技术融合了独特、新颖的专利设计，以应对原料要远轻于传统炼油厂FCC原料的特点。KBR催化裂解制烯烃反应器区域流程见图2。
与所有炼油厂FCC装置一样，该反应器（转化器）由四个部分组成：提升管/反应器，所有的裂解反应均在此进行；沉降器，使裂解气与催化剂分离；汽提器，对催化剂夹带的废气进行回收；再生器，利用空气进行燃烧，去除催化剂表面形成的焦炭。FCC装置的配件系统包括空气供应装置、烟气处理及热回收装置，以及催化剂存储装置。
对新鲜的石脑油进行催化裂解，其丙烯收率接近蒸汽裂解的两倍，典型的P/E接近1.0（而传统蒸汽裂解为0.5~0.6）。对富含烯烃的原料进行催化裂解，如烯烃厂C4/C5副产品，丙烯收率可高达40%，P/E约为2.0。
该技术对于目前利用石脑油裂解制烯烃的生产商尤为有益。研究表明，通过增设一个催化制烯烃装置，并与石脑油裂解烯烃厂整合，对C4抽余液、一段加氢C5以及汽油非芳烃抽余液进行循环催化裂解，可将现有年产100万吨的蒸汽裂解厂的经营利润提高5500~6500万美元/年。催化制烯烃在原料上也具有一定的灵活性，混合C4产品可以根据需要先进行预先加工处理，如抽提丁二烯、异丁烯或1-丁烯（PE共聚单体），之后再返回至催化制烯烃转化器。
催化制烯烃与传统蒸汽裂解技术整合，可大幅提高烯烃（乙烯+丙烯）的收率以及P/E，对新建装置和扩建/改造项目均适用。
4.柔性技术是未来竞争力的关键
装置运营的灵活性是新建工厂或改造项目的关注点，可以灵活地应对市场动态的变化并在特定的时期持续调整经营策略，实现收益的最大化。
同时在热裂解炉和催化制烯烃转化器中裂解新鲜石脑油原料，使生产商可以从容面对不断变化的市场条件并及时对产品结构作出调整。传统的热解工艺可从大多数原料中提供较高的丁二烯收率以及略高的乙烯产量，而催化制烯烃转化器则可提供较高的丙烯及芳烃收率。通过将新鲜原料（或循环料）灵活地转至裂解炉或FCC型反应器，生产商可以不断变换生产，实现产品最大化收益。
催化制烯烃装置对原料可以有显著的灵活性，因为除了新鲜石脑油以及蒸汽裂解副产品C4及C5物料以外，它还适用于其它物料：来自炼油厂FCC、焦化或减粘裂化装置的富烯烃原料，此类原料除非进行加氢处理，否则不能用于传统的蒸汽裂解；含氧基物料，如甲醇、乙醇或其它含氧基物质，可在FCC反应器中转化为烯烃。
许多烯烃生产厂正在寻找提高经营利润的方法，以及“专门”生产丙烯的替代技术，此类技术在将来必定会更加普遍。KBR的烯烃技术具有卓越的经济性，通过组合的方式，还可提供极佳的灵活性，以便应对无法预测的市场变化条件。