刘建佳

上海华谊能源化工有限公司（上海 200241）

化工管理

中美乙烷裂解项目经济性对比研究
——以美国乙烷为原料

刘建佳

上海华谊能源化工有限公司（上海 200241）

以在中国华南沿海和美国墨西哥湾分别建设一套100万t/a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，对工艺技术进行了简介，通过投资金额、乙烷价格、人工费和维修费等因素，比较了中美项目的成本，结合过去近10年的市场情况，考察了项目的盈利情况。

乙烷 乙烯 中美 经济性

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[1]。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[2]。

图1 2010年—2017年美国乙烷产量、消费量及出口量（千桶/天）

图2 2010年—2015年中国乙烯产量和当量缺口（万t/a）

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1 700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℃、150～350 kPa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0.1～0.5 s。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[3]。

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。

图3 乙烷裂解典型工艺流程

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℃、10 MPa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[4]。

表1 裂解气组分

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8000 h/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6.5 MPa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[5]，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[6]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。

表2 中美乙烷裂解装置经济性分析

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）。

表3 乙烷价格变动对项目经济性的影响

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1 400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”。

图4 历史条件下中美项目的利润对比

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。

[1]邹才能,赵群,张国生,等.能源革命:从化石能源到新能源[J].天然气工业,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]陈乐,李立,马越.新型煤化工产业技术及经济性分析[J].现代化工,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

刘建佳男1987年生工程师博士主要从事化工新业务拓展工作