丙烷脱氢工艺的技术经济性比较

张京辉

(上海赛科石油化工有限责任公司，上海 201507)

随着丙烯需求的大幅增长，世界范围内丙烷脱氢工艺的生产能力大幅增长，已实现大规模商业化的典型丙烷脱氢工艺主要分为两类：固定床反应器丙烷脱氢工艺和移动床反应器丙烷脱氢工艺。针对这两种主要的生产工艺，在进行项目立项的前期工作中，如何选择符合工厂需要、工艺先进可靠、安全环保和相对经济性高的生产工艺成为难点[1]。文章通过定性和定量分析相结合的方法，对这两种工艺的主要特点及应用前景进行分析比较，最终实现在项目前期分析中对工艺技术进行筛选的目的。

1 工艺简介

1.1 固定床反应器丙烷脱氢工艺

固定床反应器丙烷脱氢工艺采用氧化铬-氧化铝催化剂，为5个并联卧式固定床反应器，顺序控制周期性操作。每台反应器都能满足一周期26.5 min的重复循环操作，经过脱氢-蒸汽吹扫-空气加热-抽气-还原过程，实现工艺物料的连续流动。丙烷在负压条件下发生脱氢反应，烃类/热空气循环操作。

固定床反应器丙烷脱氢工艺的反应温度较低(590～600 ℃)，反应压力为0.04～0.05 MPa，丙烷单程转化率较高。循环丙烷无需加氢且循环量较小，蒸汽可自产自足无需外供，但装置占地较大。

1.2 移动床反应器丙烷脱氢工艺

移动床反应器丙烷脱氢工艺采用氧化铝基铂催化剂，为4台串联绝热式移动床反应器。由于丙烷脱氢为强吸热反应，因此每台反应器之间都设有中间加热炉加热下一个反应器的进料，以维持下一台反应器反应所需温度。该工艺使用连续再生催化剂再生器，持续不断再生催化剂，以保持较高的转化率和选择性。

移动床反应器丙烷脱氢工艺反应温度相对较高(600～650 ℃)，反应压力为正压操作，丙烷单程转化率较低。循环丙烷需通过加氢反应并循环量较大，需要外供高压蒸汽，装置占地相对较少。

2 技术经济指标分析

2.1 投资分析

两种丙烷脱氢工艺总投资和专利技术服务费(包括专利费、工艺开发费、技术服务费和专利实施费等)见表1。

根据对采用两种工艺技术的几家典型企业调研的结果，并结合设计单位的意见，对两种丙烷脱氢工艺的投资及占地情况进行估算。由于移动床反应器丙烷脱氢工艺需要大量的高压蒸汽驱动反应器产物压缩机，因此在公用工程投资部分要新建锅炉。根据估算的结果，可以得知，两种技术的总投资没有巨大差异，专利技术服务费相差也不多。

表1 两种丙烷脱氢工艺总投资、专利技术服务费

固定床反应器丙烷脱氢工艺要求反应器并联布置5台尺寸巨大的脱氢反应器，因此占地面积偏大。移动床反应器丙烷脱氢工艺的反应再生单元可以集中布置，因此装置占地面积较小。但若考虑移动床反应器丙烷脱氢工艺在公用工程端需新建1台锅炉，则总的占地面积与固定床反应器丙烷脱氢工艺相差无几。

综合以上方面比较，固定床反应器丙烷脱氢工艺和移动床反应器丙烷脱氢工艺之间在项目投资方面并无太大差异。

2.2 运行分析

表2为两种丙烷脱氢工艺运行周期情况。

表2 两种丙烷脱氢工艺运行周期

由于移动床反应器丙烷脱氢工艺采用催化剂连续再生工艺，流程长，工艺反应温度较高，反应进料需配氢，循环丙烷需要进行选择性加氢饱和二烯烃和炔烃，对进料要求较苛刻，反应器内过滤器筛网易结焦堵，因此影响长周期运行负荷。为保长周期运行，控制反应器内过滤网压差上升快(压差上限20 kPa，最大承载强度40 kPa)，维持90%负荷运行，导致其运行周期较短，生产负荷有可能达不到设计要求。

固定床反应器丙烷脱氢工艺实际运行负荷可达106%(反应器负荷111.9%)，装置运行稳定，可以实现长周期、高负荷运行；反应进料温度低，副反应少；催化剂再生彻底，反应单程转化率和选择性高；催化剂可承受碳四以上重组分、烯烃和炔烃以及氮、硫等杂质[2-3]。

移动床反应器丙烷脱氢工艺的催化剂寿命约为3.5年，装置运行周期为3年，而固定床反应器丙烷脱氢工艺的催化剂寿命约为4年，从大修周期与现有工厂匹配的角度，固定床反应器丙烷脱氢工艺有较明显优势。

因此，从长周期运行以及实际运行过程的适应性方面考虑，固定床反应器丙烷脱氢工艺明显优于移动床反应器丙烷脱氢工艺。

2.3 工艺技术性能分析

两种丙烷脱氢工艺技术性能分析见表3。

表3 两种丙烷脱氢工艺技术性能

*首次装填每次回收损耗5%。

由表3数据可知：移动床反应器丙烷脱氢工艺催化剂活性高，反应器体积小，催化剂装填量少，但使用了贵金属催化剂，且分子筛/吸附剂/干燥剂(以下简称三剂)等的装填使用量并不少。

根据费用估算结果，不包含贵金属首次装填费用，移动床反应器丙烷脱氢工艺的工艺技术的三剂使用费用也较高。

另外，移动床反应器丙烷脱氢工艺催化剂对进料要求苛刻，需要进行脱水、除金属离子净化处理；反应单程转化率低，使得后续分离设备尺寸增大；反应进料温度高，反应进料需配氢，循环丙烷需要进行选择性加氢饱和二烯烃和炔烃；催化剂再生需注氯，有再生尾气处理。

固定床反应器丙烷脱氢工艺不使用贵金属催化剂，催化剂再生彻底，反应单程转化率和选择性高；虽然反应器体积大，但反应器结构简单；催化剂器内再生，无催化剂损失，且催化剂可承受碳四以上重组分、烯烃和炔烃以及氮、硫等杂质；反应进料温度低，副反应少。

综合评估后，从反应、再生、转化率、副反应、原料适应性以及费用角度看，固定床反应器丙烷脱氢工艺有一定优势。

由于三剂和工艺技术方面指标的优先级较其他所有指标为最低，意味着在本次丙烷脱氢工艺技术经济评估中对最终的评估结果无实质影响。

2.4 单耗分析

两种丙烷脱氢工艺主要单耗的比较见表4。

表4 两种丙烷脱氢工艺主要单耗的比较

由表4可知：虽然固定床反应器丙烷脱氢工艺的单程转化率较高，丙烷循环量少，高价值产品收率高，但从原料单耗角度分析，移动床反应器丙烷脱氢工艺较固定床反应器丙烷脱氢工艺具有一定优势。考虑到丙烷脱氢装置的技术经济性受原料影响敏感性较大，故此项指标对某种丙烷脱氢工艺有较大影响。

2.5 能耗分析

两种丙烷脱氢工艺能耗的具体数据见表5。

表5 两种丙烷脱氢工艺能耗

由表5比较可知:移动床反应器丙烷脱氢工艺的能耗较固定床反应器丙烷脱氢工艺大。其中，蒸汽消耗占比较大，主要因为移动床反应器丙烷脱氢工艺单程转化率低，同样生产规模丙烷循环量接近固定床反应器丙烷脱氢工艺丙烷循环量的1.5～2倍。移动床反应器丙烷脱氢工艺反应压力正压操作，为保证生产运行，需要大能力的反应器出口反应气压缩机。

受制于工厂供电条件，大于20 MW电机即使采用专门的起动装置，也会引起系统电网电压波动，影响工厂甚至化工区内供电系统稳定运行。因此移动床反应器丙烷脱氢工艺必须使用超压蒸汽透平驱动反应器出口反应气压缩机，并抽出低压蒸汽。由于低压蒸汽没有其他热力用户，因此必须采用全凝工况，即便在分离单元脱丙烷塔采用热泵实现高效热能利用，以降低高压蒸汽用量，但能耗相比于固定床反应器丙烷脱氢工艺所采用的电机最大化工况仍旧更高。

对处于华东地区的企业，天然气供应处于国家长输管线末端，燃料价格相对较高。而国家电网上网电价主要以煤电为主，单位热值下蒸汽价格整体高于电价，因此移动床反应器丙烷脱氢工艺采用透平驱动总体上是不经济的。

2.6 工艺环保

2.6.1 废气排放

总体来说，固定床反应器丙烷脱氢工艺由于采取蒸汽吹扫、空气烧焦的反应器催化剂再生工艺，余热锅炉用于回收反应器的再生空气中的热量产生过热高压蒸汽。再生空气离开反应器后进入余热锅炉，在余热锅炉中首先对余热锅炉汽包和反应器蒸汽发生器所产生的高压蒸汽进行过热，然后预热汽包和反应器蒸汽发生器所需的给水，最后在排入大气之前对流向除氧器的冷凝器凝液进行预热。为了符合装置对蒸汽品质的要求，还需要对余热锅炉设置辅加补充燃烧单元。另外，为使烟气经烟囱能够达标排放，余热锅炉包含催化还原系统(SCR/SNCR)，以减少氮氧化物的排放，脱硝率按90%计。自余热锅炉的废气排放量大，非甲烷烃排放总量较高，可通过增加催化还原床层降低约85%。

移动床反应器丙烷脱氢工艺来自反应催化剂再生单元的排放气总量虽然并不高，但其硫化物较高，因催化剂再生需注氯，再生尾气含氯气需增加一个小的碱洗塔，或送至厂区内的碱洗塔进行处理。因反应温度较高，自加热炉排放废气的氮氧化物浓度较高，氮氧化物排放总量较高。在加热炉的废气中，因为是全燃烧的设计(有约3%的过剩氧气)，应该没有非甲烷总烃(NMHC)。颗粒物的质量浓度一般不会超过10 mg/m3，如果使用洁净的天然气做燃气，颗粒物的质量浓度为6 mg/m3。移动床反应器丙烷脱氢工艺需要增设锅炉提供透平驱动蒸汽，自锅炉排放的废气量也较高。

2.6.2 废水排放

固定床反应器丙烷脱氢工艺废水汽提塔塔底因化学需氧量(COD)及油含量高，需控制达标排放，送至界区处理设施处理。

移动床反应器丙烷脱氢工艺注入量多，产品气干燥器再生气需碱洗脱硫，从碱液脱气罐排放的含硫废碱液总量不高，但其中含盐、COD极高，导致COD排放总量也很高，须经中和、焚烧或生物处理工艺进行处理。

2.6.3 废固处理

固定床反应器丙烷脱氢工艺废固排放总量较大，其中含铬催化剂是各方关注的焦点问题，主要是因为非催化剂若含六价铬，其作为吸入性极毒物可能致癌，需采取安全保护措施处理。根据专利商的报告，催化剂中的铬元素主要以非危险性的三价铬形式存在，不是危险货物，无运输和存储限制。在全球范围内有超过20家用户处理废催化剂，未曾因为催化剂性质的原因导致事故发生。可经催化剂加工商回收金属或制成耐火砖或按照当地法规填埋。

固定床反应器丙烷脱氢工艺新的停车流程可有效降低六价铬含量，不再需要填埋前的固化步骤。废催化剂通过了不同实验室的析出物测试验证，因此，不应将该固定床反应器丙烷脱氢工艺反应过程中的六价铬问题，作为项目环评可行性的充要条件。但在项目实施过程中，应将环评工作做细做实，加强与政府环保监管部门的沟通咨询工作，及时了解政策导向，确保项目实施的顺利进行。

移动床反应器丙烷脱氢工艺催化剂及其他装填三剂寿命短，因此折算到每年的废固总量相对更高。

综上所述，由于移动床反应器丙烷脱氢工艺废气、废水排放总量相对于固定床反应器丙烷脱氢工艺更少，且其废固相对于固定床反应器丙烷脱氢工艺废固处理难度较小，因此从环保角度来看，移动床反应器丙烷脱氢工艺略优于固定床反应器丙烷脱氢工艺。

3 两种丙烷脱氢工艺专利分析

3.1 专利业绩的比较

项目工艺专利选择中，专利实际运营业绩是一个重要的考量方面。选择成熟、可靠、运营业绩好的专利技术对项目上马后，实际运营时的稳定运行、减少故障、迅速扩张产能、实现投资效益会带来很大的助益。而专利转让情况，可以从宏观上反映某一专利发展的成熟度，指标指导意义简洁、明了，是项目开发过程中经常要检索的数据。

自2012年以来，固定床反应器丙烷脱氢工艺的专利授权经历了大幅增长,目前专利授权产能达到了当时的将近2倍之多,至2027年该专利产能预计会达到当前的200%；移动床反应器丙烷脱氢工艺的专利授权也经历了大幅增长，目前专利授权产能超过了当时的2倍，至2022年该专利产能预计会增长到当前的近200%。

表6为已建两种丙烷脱氢工艺专利装置的统计情况。

表6 两种丙烷脱氢工艺专利装置已建项目统计

总的来说，虽然两种丙烷脱氢工艺专利授权都处于高速增长的发展过程，但从移动床反应器丙烷脱氢工艺专利转让历史来看，仍然略占优势。固定床反应器丙烷脱氢工艺近年不断优化工艺流程，加大了专利转让推广力度，展望不久的将来，全球范围内仍然会以此两种工艺为主，孰强孰弱还很难定论。

3.2 专利设备的比较

因工厂供电条件限制，大于20 MW电机即使采用专门的起动装置，也会引起系统电网电压很大波动，甚至影响整个化工区供电系统稳定运行。大电机若采用直接起动方式，电机自身功率偏大会因起动压降大造成电网波动，影响电网安全运行，需采用HS透平驱动。

固定床反应器丙烷脱氢工艺可以实现丙烷脱氢装置内蒸汽的自给自足，不存在需要卖方提供的专利设备；几乎所有的技术设备均可从中国内地采购，或由在中国设有代表处或设施的国际供应商提供。

移动床反应器丙烷脱氢工艺因转化率低，丙烷循环量大，产品气压缩机和热泵功率较大，采用透平驱动，该工艺中催化剂再生控制系统/反应器产物干燥器再生控制系统(CRCS/DRCS)属专利设备。该工艺需引入约160 t的高压蒸汽和23 t的中压蒸汽，为此需新建动力中心提供蒸汽，相应将显著增加投资、占地及废气排放等。

固定床反应器丙烷脱氢工艺关键设备台数多，工艺复杂；移动床反应器丙烷脱氢工艺关键压缩机、泵功率大，制造、运行、管理及维护难度大，且含有专利设备。

按照华东当地的公用工程价格体系，蒸汽驱动的成本大于电驱动，宜采取电机最大化驱动方案，故移动床反应器丙烷脱氢工艺的运行成本较高。

从设备采购制造、运营管理角度评估，固定床反应器丙烷脱氢工艺与移动床反应器丙烷脱氢工艺差异并不明显。

3.3 专利关键运营瓶颈方面的比较

作为生产向企业配套的公用工程单元，往往因为涉及专业庞杂，占地面积庞大，设备布置分散，扩能改造难度大，直接效益不明显等原因，使之成为整个资产运营的短板，形成运营能力的瓶颈。因而，在新建项目工艺选择阶段，必须就所上项目对公用工程单元运行瓶颈所带来的影响进行评估比较。

根据大型化工企业的实际生产情况，火炬单元的处理能力成为了生产安全运营的最大瓶颈。两种丙烷脱氢工艺的火炬气排放置巨大，分别为250,500 t/h，因此其评估也是一项关键指标。

由于移动床反应器丙烷脱氢工艺反应转化率低，系统循环量大，因此固定床反应器丙烷脱氢工艺的火炬排放量优于移动床反应器丙烷脱氢工艺。

3.4 专利技术经济性的比较

除了以上各个环保、投资、技术、设备、运营等方面的比较之外，投资项目工艺综合比较选择的重中之重是要在分析可行性的基础上，选择经济性最好的项目，以实现公司效益最大化和资产效率的最大化。

根据计算结果，可以看出由于单耗低、丙烯选择性高，移动床反应器丙烷脱氢工艺具有一定优势。但是由于移动床反应器丙烷脱氢工艺转化率低、循环丙烷量大，其大功率反应气压缩机、热泵需采用高压蒸汽驱动，而低压蒸汽因没有用户而不得不采取全凝方式运行，导致公用工程损耗量大，且以华东地区电价与蒸汽价格相比，采用更多电机的固定床反应器丙烷脱氢工艺显然具有更佳的工艺技术经济性。

4 两种丙烷脱氢工艺各项指标的量化评估

各项指标的量化评估结果请见表7。

表7 各项指标的量化评估结果

由表7可知：

(1)固定床反应器丙烷脱氢工艺在长周期运行稳定性、能耗、三级消耗、火炬排放总量等方面明显优于移动床反应器丙烷脱氢工艺；移动床反应器丙烷脱氢工艺则在单耗、授权专利数、环保排放总量等方面优于固定床反应器丙烷脱氢工艺。

(2)对于华东地区，处于天然气管网末端、水源下游，能源价格较高，项目公用工程成本对生产成本影响很大。

(3)虽然固定床反应器丙烷脱氢工艺废气、废水排放量较大，但经处理后其质量浓度却低于移动床反应器丙烷脱氢工艺。

(4)从安全运行角度，固定床反应器丙烷脱氢工艺因反应转化率高而循环量少，火炬气排放量相对较少，自然对现有火炬系统影响较小，事故状态下火炬排放冗余度大，能够确保生产安全运行。从可行性角度来看，固定床反应器丙烷脱氢工艺更具可行性。

(5)两种丙烷脱氢工艺的设备先进性、运行可靠性、制造难度相仿。

(6)从总的效益来看，两种丙烷脱氢工艺的总投资、单耗、三剂消耗差异并不大，起决定作用的是能耗，固定床反应器丙烷脱氢工艺因此能耗优于移动床反应器丙烷脱氢工艺[4-5]。

5 结语

随着化工行业的竞争日益激烈，在做工艺选择比较工作时，必须摒弃过分依赖定性分析的方法，需要引入定性分析定量化的方法。只有进行定量比较才能确保分析比较的结果真实可靠，减少决策失误的可能，并可对项目决策的过程进行监督、追溯，在多方面决策中理清各项指标的重要性。同时所作的最终决策应该从本企业的实际出发，将定性的评比纳入量化比较，避免主观判断，最终得出较为客观的决策结果。