如何利用催化技术的创新 突破PDH生产的瓶颈

慧正资讯：随着丙烯供需缺口的不断扩大，科莱恩催化剂业务单元的Kyle Mankin和曾才与SK Advanced公司的Chul-Jin Kim介绍了如何利用催化技术的创新，结合以客户为中心的理念，为PDH工厂生产大幅突破传统工艺的限制奠定基础。

在激烈的市场竞争中，新建丙烷脱氢工厂的企业期望获得快速的投资回报。为了加快建造、调试和大幅提高生产效率，PDH企业需要先进的技术，能够以最低的丙烷原料消耗实现最高的丙烯产量，并实现长期可靠的高在线率。此外，PDH企业也在建造规模更大的工厂，以求从规模经济中获益，因此更需要有能力支持大型PDH工厂项目的技术合作伙伴。

丙烯供需矛盾

丙烯需求正持续稳步增长，预计到2028年，全球丙烯需求将从2018年的约1.1亿吨增长至1.5亿吨（图1）。这种需求的持续增加主要是得益于丙烯及其衍生物，特别是聚丙烯的应用范围不断扩大。

图1. 全球丙烯年度供需对比（来源：IHS全球分析，2019年春季数据）。

炼油厂和乙烯裂解装置的丙烯产量增速跟不上需求。在过去十年中，页岩气的出现从根本上改变了烯烃市场格局。乙烯裂解装置运营商倾向于使用轻质进料，导致丙烯产量相对较低而乙烯产量相对较高。因此，单靠传统的蒸汽裂解工艺已经无法满足日益增长的丙烯需求。这导致人们对专有丙烯生产技术的兴趣与日俱增。在可供选择的方案中，丙烷脱氢技术（PDH）由于其更低的总体成本和更高的丙烷原料利用率而成为发展最快的技术之一 （图2）。

图2. 按生产工艺分类的丙烯产能（来源：IHS世界分析，2019年春季更新和科莱恩内部项目数据库）

首要解决方案

CATOFIN是最早也是最先进的烯烃生产技术之一，通过催化脱氢反应生产丙烯（来自丙烷）、异丁烯（来自异丁烷）和正丁烯/丁二烯（来自正丁烷）等烯烃，并具有优异的转化率和选择性。科莱恩与工艺合作伙伴鲁姆斯技术(Lummus Technology)紧密合作，并拥有此独特催化工艺技术的专利所有权。随着60多年来的持续改进，如今CATOFIN已在全球超过25家烷烃脱氢工厂成功实现了商业化运行近两年来，全球又有18个PDH新项目选用了CATOFIN技术，专利授权用户总数达到43家。科莱恩与鲁姆斯于近日宣布，其CATOFIN催化技术在恒力集团在大连新建的混合进料烷烃脱氢工厂成功开车。这家新工厂采用了丙烷脱氢（PDH）和异丁烷脱氢（BDH）相结合的工艺技术，烯烃年产能高达100多万吨，现已成为全球规模最大的使用CATOFIN催化技术的工厂。

为何选择CATOFIN？

所有CATOFIN PDH装置共同的两大优势是能够在高在线率条件下可靠运行（通常高于97%），并且实际产量显著高于设计产能（在某些情况下高达150%，平均超过110%）。由于CATOFIN反应在负压中进行，较低的操作温度可将热裂解和副产物降到最低水平，因此生产企业的原料消耗也大大减少。与其他PDH技术相比，这也是一种更加清洁的工艺，任何副产焦炭在反应器都会被在线清除，工厂无需停车进行除焦和清理。在使用中，该强劲的催化剂具有开车时间短、操作简单、使用寿命长等优点。

持续推进

为进一步提高丙烯产量，科莱恩和鲁姆斯凭借发热材料（HGM）和新型催化剂解决方案等技术创新，继续书写着CATOFIN的成功。顾名思义，HGM在催化剂床层内部产生热量，大大降低了对其他热量来源（如再生空气）需求。尽管听起来很简单，但这种极具创新的专利材料已成功得到商业验证，可有效提高烯烃的选择性和产量，并大幅降低反应器入口空气温度（图3）。基于HGM的催化剂系统与其他能量优化措施相结合，可减少高达35%的能耗成本和二氧化碳排放量。使用基于HGM的催化剂系统的另一个显著优点是，催化剂的运行时间可以延长到4年或更长时间。拥有11项专利的基于HGM的催化剂系统现已成为新PDH装置设计的行业标准。

最近，最新的技术突破是新型CATOFIN 311的问世，此催化剂已经过商业化验证，具有更高的选择性和更长的使用寿命，从而进一步提高了丙烷脱氢企业的整体盈利能力。同时，其他新一代产品也正在紧密研发中，催化剂性能将有望得到进一步增强。

展望未来，CATOFIN技术合作伙伴鲁姆斯也正在研发有前景的新型解决方案，在不影响工厂产能和先进能量整合的情况下，将反应器数量降至最低，从而减少固定投资。其他的优化还包括通过HGM显著降低空气量，提高原料空速，从而降低运营成本。

图3. 相同工厂条件下，使用CATOFIN催化剂，在使用和未应用HGM时的丙烷转化率。

SK Advanced公司的成功案例

由于众所周知的优势，全球最大的PDH工厂SK Advanced也选择使用了CATOFIN和HGM。2013年，韩国SK天然气公司（SK Gas Corporation Ltd.）、沙特阿拉伯先进石化公司（Advanced Petrochemical Company）和科威特石化工业公司（Petrochemical Industries Co.）等三大石化公司在韩国蔚山合资新建了一座丙烯工厂SK Advanced。该工厂从开工到机械完工历时仅18个月，其产量超出设计产能，实现了超出预期的快速投资回报。

该CATOFIN PDH新工厂于2016年建成，设计产能为60万吨/年。2016年3月8日进行了首次投料，在运行24小时后，成功生产出符合规格的丙烯。在平稳的升温之后，工厂经过两周的连续运行达到了满负荷运行。设计转化率也完全达标，与没有使用HGM的CATOFIN PDH装置相比，选择性提高了2.5 ~ 3.5  %。对于年产能60万吨的装置而言，此更高的选择性相当于每年增产丙烯21000吨及相关额外收益。

该工厂一直以平均设计产能的110%水平运行，最高负荷可达116%。因此，工厂从投产至今的四年累计产量远超240万吨的设计产量也就不足为奇了。此外，与未使用HGM的工厂相比，在设计中加入HGM后，催化剂的运行时间从3年增加到4年，从而在12年运行周期中可以节约一次完整的停车换剂的费用。

总结

轻质页岩气凝析油中丰富的低成本丙烷和丙烯需求的持续增长为专有PDH企业创造了巨大商机。开创性的技术和持续的催化剂创新使CATOFIN技术始终保持着最先进、高效、最可靠的解决方案的地位。SK Advanced的成功是近来CATOFIN开车运行的众多案例之一，这些案例充分展示了该技术如何将生产企业的期望转化为超出产能预期的高利润日常运营。科莱恩和鲁姆斯致力于为现有客户和新项目不断创新，引领CATOFIN迈入下一个发展新里程。