以美乙烷为原料，中美乙烷裂解制乙烯项目经济性对比

乙烯被誉为“工业之母”，在化工行业中占有极其重要的地位，很多化工产品（如聚乙烯、醋酸乙烯等）都是从乙烯开始进行生产的。因此，乙烯的价格也受到化工生产商的广泛关注。目前国内外生产乙烯的原料主要有三种：石油、煤炭和乙烷。


石油路线采用的方法为石脑油裂解法，乙烯的收率受石脑油组分含量的影响较大；煤炭路线为煤炭气化合成甲醇，然后经甲醇制烯烃（MTO）生产乙烯和丙烯，该方法乙烯产率受乙烯/丙烯比例的影响，可调控空间不大；乙烷路线采用的方法为乙烷热裂解法，该方法乙烯收率高，但乙烷来源较少。


在2010年—2013年之间，美国乙烷的产量几乎与其国内消费量持平，甚至还需要少量进口，但是从2013年底开始，随着美国页岩气开采规模扩大，生产液化天然气（LNG）时伴生的大量乙烷无法处理，只能回注至输气管道内，导致过剩，促使美国自2014年开始开展乙烷原料出口业务（图1），且出口量逐渐增加。



我国的乙烯产量在2010年—2012年之间增加量较小，自2013年起随着MTO技术的产业化增多，乙烯产量有了一定的提高，2015的年乙烯产量达到1700多万吨（图2），但我国是制造和消耗大国，乙烯消耗量巨大，缺口一直存在。


国内乙烯生产工艺主要为石脑油裂解，该路线也掌握着国内乙烯定价，国际原油价格走低，乙烯价格也随之走低，极大地压缩了MTO路线乙烯的利润空间。随着美国乙烷出口量的增加，我国开始关注乙烷裂解技术的成本竞争力。现以在中国华南沿海地区和美国墨西哥湾分别建设一套100万t/a（产品量）的乙烷裂解工厂为设想，目标市场为中国华南区域，采用美国乙烷为原料，对工艺流程进行简介，并就中美项目的经济性进行对比分析。


1基本原理和工艺流程

1.1基本原理

蒸汽裂解是生产乙烯使用最广泛的方法。主反应较为简单［如式（1）所示］，乙烷在750~850℃、150~350kPa条件下发生脱氢反应生成乙烯，并副产氢气。在反应过程中，其他主要产物包括甲烷、乙炔、丙烯、丙烷、丁二烯和其他烃类。反应物在裂解炉中的停留时间约为0.1~0.5s。蒸汽注入反应器中可以降低烃类分压，从而降低高温下的结焦速率。


1.2工艺流程

常见的工艺流程分为三个主要部分：热解、压缩、冷却及分离，如图3所示，该裂解流程也可以使用丙烷和石脑油等作为原料。


在热解部分，预热的乙烷和蒸汽（水烃质量比为0.3）进入到裂解炉中，在800℃的高温下反应得到乙烯和其他副产物，详细组分如表1所示。


裂解气随后被急冷到600℃以避免其发生分解反应，500℃、10MPa的副产高压蒸汽被送至透平压缩机。随后将冷却后的裂解气进行多级压缩，以便将乙烯从其他产物中分离出来。

在压缩部分，酸性气体和部分残留水分被除去，以避免在冷却时形成固态的杂质或冰，从而堵塞设备和管道。在分离部分，使用制冷剂进一步冷却压缩部分尾气并将氢气从中分离出来，得到的高纯度氢用于乙炔的加氢反应，液体产品物料通过一系列精馏塔脱除其中的甲烷、乙烷和丙烷。

1.3工艺消耗

中美乙烷裂解工厂的乙烯产能为100万t/a，工作时长为8000h/a。乙烷裂解制乙烯的过程需要消耗大量能量，本文中乙烷裂解炉所需的热量均由外购天然气提供，系统副产的6.5MPa高压蒸汽除驱动压缩机外全部外送，裂解所需的低压蒸汽由系统自身提供，其他副产产品除氢气外全部送入裂解炉充作燃料，氢气主要用于乙炔等不饱和烃的加氢反应，电力主要用于驱动风机和泵。

2乙烷裂解在中美的经济性

2.1中美项目经济性对比

美国装置拟选址为墨西哥湾附近区域，中国装置拟选址为中国华南沿海区域，目标市场均为中国华南区域，汇率定为6.8，项目资金为自有，美国综合税率为35%。

美国100万t装置的投资金额为10亿美元，由于我国仍属于发展中国家，原料、制造费用和人工成本均较低，所以中国装置投资金额暂定为6亿美元，设备折旧期为15年。项目的原料、公用工程、副产物和财务指数等内容见表2。在美国乙烷的售价为3.79美元/吉焦的情况下，中国项目的利润和税后财务内部收益率（IRR）均低于美国项目。虽然在投资金额、人工费和维修费上占据绝对优势，但是燃料在乙烷裂解消耗中占据较大比例，而中国天然气较高的价格显著地影响了中国项目的经济性。

2.2乙烷价格的影响

除了燃料价格等因素的影响外，备受关注的是乙烷价格对项目经济性的影响。在假定其他因素不变的情况下，对乙烷的价格变动进行考察（见表3）。


当美国乙烷的价格下调至1.90美元/吉焦时，美国项目的利润仍高于中国项目，但二者的差距在缩小，乙烷价格在项目总成本中的占比也不断缩小，中国项目的投资、维修、人力等成本优势逐渐体现，中国项目的税后IRR甚至超过了美国项目。

当乙烷价格上涨时，虽然美国项目和中国项目的利润均有所下降，但是二者的差值扩大，说明乙烷价格上涨对中国项目利润的影响更大，中国项目的IRR降幅也更明显。当乙烷价格跃升至6.64~7.58美元/吉焦时，中国项目已进入亏损阶段，而美国项目仍具有可观的利润和收益率。当乙烷价格升至9.48美元/吉焦后，美国项目可以微利存活，中国项目则基本灭亡。该假设并未考虑天然气的价格因素。

如果天然气价格随乙烷正相关变动，则乙烷价格越低，中国项目的优势越明显；而乙烷价格越高时，中国项目的劣势也就越突出。以上假设也并未考虑乙烯价格的变动，乙烯产品价格的变动也将会给项目的经济性造成显著的影响。

2.3历史条件下中美项目的经济性

为了更贴近真实的历史市场情况，依照本模型，参考2008年—2016年的美国乙烷价格和东北亚乙烯售价，对中美项目乙烯利润情况进行对比分析（见图4）。2011年以前，美国乙烷价格和东北亚乙烯售价的基本趋势保持一致。2008年全球金融危机爆发，虽然乙烯价格维持在1400美元/吨以上，但是乙烷的价格也处于近年最高点，接近700美元/吨，从而导致中美项目均出现亏损。

随着全球金融危机的蔓延，2009年的乙烯售价出现跳水，下跌幅度几乎达44%，但乙烷价格下降超过了46%，这时中国项目的利润基本维持在盈亏平衡点，而美国项目则已开始盈利。从2010年到2011年，全球经济回暖，乙烷价格持续增长，虽然乙烯售价也有所提高，但是难以冲抵乙烷原料成本的增加，中美项目的盈利情况持续恶化，中国项目甚至在2011年出现“巨亏”。

乙烷与乙烯价格的相关特性在2012年出现巨大转折。2011年末，希腊的财政危机对欧盟乃至全球经济造成了不利影响，连带对东北亚的乙烯市场也造成了一定的冲击。

2012年的乙烯售价基本与2011年持平，但是此时美国的页岩气革命爆发，美国乙烷的价格出现大幅下降，从而导致中国项目首次盈利，而同期美国项目的盈利性更好。

随着欧盟危机的化解，2013年和2014年的乙烯售价继续提升，但美国页岩气的高速开采提高了凝析液产量，其中富含的乙烷丰富了其原料供应来源，也使乙烷价格持续下降，中美两项目的盈利性良好，且美国项目优于中国项目。虽然2015年和2016年的乙烷价格基本保持平稳，但是随着中国MTO项目的开工，东北亚乙烯售价出现了一定幅度的下降，美国乙烷的价格在这两年中保持平稳，使中美项目的利润出现细微下滑，但仍保持较高的收益。

通过分析近10年的历史数据可知，中国项目的盈利性和抗风险性均弱于美国项目。如前所述，只有当乙烷价格十分低廉时，中国项目的投资回报率才优于美国项目，但这种情况并未出现，也许在美国的高纯乙烷大量出口后，中国项目的未来将变得更好。

3结论

以中国华南地区为目标市场，分别对在美国墨西哥湾和中国华南地区建设100万t/a的乙烷裂解工厂进行了分析。在过去的近10年中，美国项目的成本要低于中国项目，投资回报率更佳，抗风险性也更强。

页岩气革命的爆发，使化工原料的来源更加丰富，这给我国的化工企业带来了机遇和挑战，单纯地依靠乙烷和乙烯的价格差来获利具有很大的风险，只有对乙烯进行深加工、做大做强下游产业链，才能将利润最大化，企业的抗风险性也会更强。