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乙烯产业链深度报告


乙烯产业链深度报告之一:乙烯主要生产流程及各工艺路线评价

从2018年开始,全球乙烯价格出现了连续下跌,至2019年10月,全球乙烯价格跌幅达到50%及以上。乙烯作为衡量化工行业水平的重要指标,也是承载着全球化工行业景气度的重要产品,乙烯产业链的变化对全球化工产业都将带来直接的影响。本周平头哥将通过四期文章,深挖乙烯产业链,为大家带来不一样的市场分析。

上周乙烯与石脑油价差跌至近六年来的低点;同时如果以石脑油裂解乙烯的综合价差,考虑到丙烯、丁二烯、纯苯等产品的收率,价差为负,为近五年来的低点。从乙烯规模化后的成本降低,以及下游产品设置不同,我们认为不能简单以价差来衡量乙烯装置的盈利情况。

乙烯的利润与原料、下游产品配置、工艺路线等相关。除最主要、最传统的蒸汽热裂解外,其他的乙烯生产仍有催化热裂解(CPP)、催化裂解(DCC)、甲醇制烯烃(MTO)、乙醇脱水制乙烯等工艺路线;新开发的技术包括合成气直接制乙烯、Superflex、ACO、原油直接制烯烃等工艺。目前而言,蒸汽热裂解仍是最主要的乙烯生产路线,近年来也呈原料多元化、规模化、炼化一体化方向演变。

图1:乙烯产业链流程图

一、乙烯的行业基本知识:

乙烯的生产除了煤化工的煤制烯烃CTO/甲醇制烯烃MTO外,全球绝大多数的乙烯生产均是通过裂解而成。生产规模化的核心在于裂解炉的规模与压缩机的功率。目前乙烯生产的趋势是大型化与炼化一体化。传统的乙烯的生产多是外购石脑油通过裂解而成,一般情形下生产100万吨乙烯需要330万吨的石脑油原料,而同时副产近50吨丙烯、18万吨丁二烯、20万吨纯苯、以及其他芳烃混合物、异丁烯、丁烯、碳五碳十、乙烯焦油等。目前全球乙烯装置接近270套,共计产能1.7亿吨/年。美国在2010年以后由于页岩气革命,在开发过程中也带来了大量的乙烷副产,这些是裂解乙烯的优质原料。

乙烯的商品量极少,由于乙烯难以运输,需要在-100度以下存储,因此乙烯的生产商多是以配套聚乙烯、苯乙烯、乙二醇等下游产品。目前估算乙烯每年的贸易量约200万吨,而且贸易主要是由日本商社如丸红、三菱等公司控制。因为乙烯的运输船少,租金高必须连续运行,因此乙烯船是贸易的核心。中国外购乙烯的公司主要是一些独立的苯乙烯、环氧乙烷、VCM等生产商,价格对应的商品成交量少,而且其中很多为合约货锁定。因此,衡量乙烯装置的利润应该从整体装置的利润为计算,乙烯与原料的之间的价差仅为参考,历史上出现过乙烯的价格高于聚乙烯,也经常出现乙烯亏损但是下游产品利润丰厚的情况。

美国虽然是乙烯的生产大国,但至2018年底,美国仅有一个乙烯出口码头,而且码头被日本三菱商社长租。目前美国Enterprise计划与Navigator公司合作,在美国新建乙烯出口设施,未来美国乙烯出口能力将会明显提升。

二、裂解乙烯的主要生产流程:

蒸汽裂解乙烯是最重要的乙烯生产路径,生产过程主要包括管式炉蒸汽裂解和深冷分离两部分,原料范围为可以从轻烃、减压柴油、到加氢尾油等。乙烯蒸汽裂解通常是原料在多个平行的裂解炉中,裂解出口温度接近850°C(或1550°F);在裂解炉中会有成千上万种的化学反应,但它们通常是由碳碳键经过热分解而成,其余是碳氢键分离。影响裂解乙烯的副产品产量的因素主要有:

1、原料:含碳量多,偏重组分则对应的副产品多。

2、裂解深度:一种衡量原料分子被分解的程度;在裂解炉中温度达到了多少。

3、裂解参数:压力、裂解时间、技术、原料中所加蒸汽量等。

在离开裂解炉反应区时,烯烃气体的混合物进入急冷区;其中水或重油被用来冷却气体和淬火。这时,含碳氢的气体被液化或提纯,通过压缩空气到很高的压力,并冷却到很低的温度;液化后的组分被分离成乙烯、丙烯、混合碳四、粗裂解汽油(C5-C8混合物)、氢气/甲烷等。

裂解气的分离流程主要有:顺序分离流程、前脱乙烷前加氢流程和前脱丙烷前加氢流程。从技术路线而言,整体大同小异,如Lummus和Technip采用顺序分离流程,即组分由轻到重分离;Linde技术采用首先进行脱乙烷的分离流程;SW、KBR等采用首先脱丙烷的分离流程。

裂解炉是乙烯装置的核心,通常乙烯装置包括的系统单元有:裂解炉、急冷、稀释蒸汽发生系统、压缩-碱洗和干燥、激冷及脱甲烷、甲烷化单元、脱乙烷及乙炔加氢系统、乙烯精馏、脱丙烷及C3加氢、丙烯精馏、脱丁烷塔、二元制冷及丙烯制冷、废碱液氧化及中和、火炬系统、其他公用工程和辅助设施等。对于一套新的乙烯的装置投产过程,开车通常情况下为倒开车,即外购乙烯原料对于下游装置先行开车,最后再开乙烯裂解装置。

蒸汽热裂解乙烯的原料包括石脑油、乙烷、乙烷/丙烷、丙烷、混合原料、丁烷、LPG、炼厂干气、柴油等。裂解乙烯工艺中的乙烯收率与操作参数有一定的关系,但是更主要的是与原料特性有关,从多产乙烯、丙烯的角度,烷烃>环烷烃>单环芳烃>多环芳烃。从乙烷到柴油,相对分子量越大,乙烯、丙烯的收率越低。乙烷作为原料的双烯(乙烯+丙烯)收率在80%左右,丙烷为原料约为60%,石脑油为原料约为45%。

蒸汽裂解是最重要的乙烯生产方式,一般情况下乙烯裂解装置为多套裂解炉并联而成。大型裂解炉可以做到单台炉规模20万吨/年乙烯,目前世界级规模中单台裂解炉的能力可以为液体原料(石脑油等)的乙烯能力为20万吨/年/台;气体原料裂解(乙烷等)的乙烯能力为22万吨/年/台。如浙江石化一期140万吨/年乙烯,共九台裂解炉,其中一台备用。

以目前最为普遍的Lummus/ST顺序分离技术为例,假设100万吨/年乙烯装置,年操作时间8000小时,操作弹性为50%-110%,五年一大修设计。装置共设置11台裂解炉,其中:1台循环乙烷裂解炉,5台轻质原料裂解炉,5台重质原料裂解炉。每台炉能力为10万吨/年乙烯。循环乙烷裂解炉以循环乙烷或循环乙烷、丙烷为裂解原料。轻油炉中,有2台炉可以作为循环乙烷的备用炉,可以裂解循环乙烷或循环乙烷、丙烷,同时可以裂解石脑油和LPG与芳烃抽余油混合物;其余3台轻油炉只能裂解石脑油。重油炉的裂解原料为加氢尾油和石脑油。

图2:福建炼油乙烯装置全景图


三、乙烯各生产路线评价:

1、轻烃裂解:一般特指乙烷为原料的裂解装置,但是实际操作多为乙烷为主,兼顾丙烷、丁烷的混合裂解。中东和美国因乙烷成本低,多以乙烷为原料。以中东为例,从1990年到2010年,中东的乙烯产量从250万吨增加到近2000万吨,约占2010年全球产量的16%,2014年增加到19%;主要由于配额制的乙烷供应。但是由于中东新开发油田较少与气相关,新增乙烷供应不足,中东地区的新的大型乙烯装置多是混合裂解LPG、凝析油、石脑油等。美国在页岩气革命带来大量乙烷供应后,原有以石脑油路线的装置进行改造,均以乙烷加工为主。乙烷为原料会有一定的能耗节约,但是丙烯、丁二烯等收率也会减少。未来,东北亚地区外购乙烷进行裂解将会成为新的商业模式,需要考虑到乙烷的供应稳定,乙烷与丙烷、丁烷(或LPG)等轻烃之间的切换等因素;同时,近期丙烯、丁二烯的价格明显好于乙烯,也会影响到装置的总体经济效益评价。

2、石脑油为主的混合裂解:历史上传统的炼油厂和乙烯装置多是分开,乙烯厂以外购石脑油为原料,因此炼油、乙烯中间的很多产品难以做到优化和物料平衡。而炼化一体化对于乙烯原料来源进行优化。传统的乙烯生产路线的原料是通过饱和烷烃、石脑油等进行裂解而成。乙烯的原料大体上可以分为气体原料和液体原料;气体原料包括乙烷、丙烷、丁烷、饱和液化气和炼厂气等;液体原料包括凝析油、轻烃、石脑油、常压瓦斯油(AGO)、减压蜡油(VGO)、加氢尾油(HVGO)、加氢焦化石脑油、芳烃抽余油等。根据国标,乙烯原料石脑油中烷烃含量不低于65%,烯烃含量不大于1%,硫含量不大于0.08%。石蜡基原油和石蜡-中间基原油的直溜石脑油一般可以直接作为乙烯裂解原料。焦化石脑油烯烃和硫含量高,不能直接作为乙烯裂解原料,但加氢精制后可成为优质的乙烯裂解原料。我们认为,以石脑油为主的混合原料的裂解乙烯装置更符合我国的特点。以浙江石化为例:由于炼油、乙烯装置一体化后,乙烯原料一般在以石脑油为主的基础上增加了液化气、加氢尾油、轻柴油、碳五等混合裂解,原料的保障性强。从下游产品的角度,因为石脑油为主的裂解装置下游会副产碳四、碳五等产品,更加适合于发展精细化工、高附加值下游产品。

3、煤化工路线:除蒸汽裂解以外,煤化工是最主要的乙烯生产方式,一般把煤制烯烃(CTO)及甲醇制烯烃(MTO)归类于煤化工。我国CTO/MTO的乙烯路线自2014年以来得到快速发展,目前已经占我国乙烯产能的约22%。需要关注原料来源与规格、水资源的消耗、装置能耗、催化剂消耗、产品的水处理、C4烯烃处理、二甲醚脱除等因素。CTO一般多是重资产,建在煤炭的资源地。MTO以外购甲醇为主,多是在沿海港口地区,需要考虑外购甲醇与下游烯烃的经济性之间平衡。


乙烯产业链深度报告之二:大周期进入拐点,2024年之前将维持弱势运行(内附东北亚CFR乙烯10年价格走势图)

乙烯作为全球体量最大的化工产品,由于过于重资产,因此景气周期也呈现典型的朱格拉产能周期的特征,一轮完整的周期非常漫长,一般在10年左右。其中高位约为2-3年,底部则往往会持续7-8年。而本轮始于2015年的高景气从时间看已经是过往历次周期中持续最久的一次,因此走向盛极而衰应该只是一个时间的问题。而2019年至今,乙烯下游代表性产品乙二醇跌幅已近腰斩,东北亚乙烯价格跌幅也在30%以上,这基本可以标志乙烯大周期的景气拐点已经出现,后续只是跌多久与跌多少的问题了。从周期规律看,我们判断至少2024年之前乙烯大周期都将在底部运行。

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图1:东北亚CFR乙烯长周期运行走势图

周期分析的核心就是供需分析,对于乙烯来说其需求一般是平稳增长,基本与GDP增速同步,但供给端则呈现脉冲式增长,因此供给端对周期的影响一直都远大于需求。其特征就是景气低迷时,所有企业基本都停止资本开支,甚少逆周期投资,所以即使需求增长再缓慢,在供给约束下最终也会景气反转。而景气反转初期,大多数企业还心有余悸,投资热情也不高,景气还会继续维持。但随着景气的不断回升,越来越多的企业开始启动资本开支,甚至在供需数据已经明显呈现未来将产能过剩的情况下,大多数企业也不会停止资本开支,所有人都寄希望于自己能成为那个优秀到可以特立于行业之外的α。但其实历史已经一再证明,对于乙烯这种既无明显壁垒,又极度重资产的行业来说,α极为稀少,β才是这个行业的基本特征。而本轮乙烯大周期与以往不同之处还在于,除了周期规律带来的景气必然下滑之外,本轮还出现了史无前例的油煤气三条工艺路线同步大幅扩产的结构性变化,这点在乙二醇上体现的最为明显。因此乙二醇作为供需矛盾最为激化的产品,其价格对判断整个乙烯周期底在何方就尤为关键。

图2:2018年四季度以来乙烯(美元/吨,左轴)和乙二醇(元/吨,右轴)价格大幅下行

本轮乙烯周期和历史相比,最大的不同之处首先就在于国内炼化垄断放开,乙烯行业的准入门槛大幅下降,大批民营资本涌入该行业。这些聚酯起家的民营企业对于乙烯最核心的诉求就是用其生产乙二醇来配套自身的PTA产能,因此本轮油头乙烯的扩产重点就在于乙二醇。其次由于近两年我国煤化工的关键技术突破也在于乙二醇,因此也成为后续新型煤化工最大的一个扩张方向。最后就是近几年也是北美轻烃裂解扩能的高峰,未来三年乙烯产能投放近1000万吨,与以往全部生产聚乙烯不同,本轮有近百万吨乙二醇的配套产能,更不用说我国规划的乙烷裂解产能中乙二醇占比也很高。作为三大路线扩张焦点的乙二醇也毫无悬念的成为了乙烯产业链盈利最差的产品,这也将驱动油头和气头企业将乙二醇转产为其他相对盈利更好的乙烯下游产品,这在近期并无扩产,且为乙二醇联产品的EO价格暴跌中体现的就很明显。未来仅从经济性看,不排除中东乙二醇产能也会转产为盈利更好且运费更低的聚乙烯,因此长期看乙二醇供给过剩问题将会溢出至整个乙烯行业,其隐含的乙烯价格也将成为本轮乙烯价格调整的下限。

图3:我国乙烯下游结构

乙二醇的供给过剩只是乙烯行业的一个缩影,其他乙烯下游产品的供给增长也处于历史较高水平。本轮乙烯产能扩张可以说是全球油化工、气化工和煤化工三大工艺路线的叠加,其扩能幅度非常惊人。我们统计2019-2022年国内新增油头产能1200万吨,煤头产能300万吨(仅MTO,不含煤制乙二醇),气头产能600万吨,美国新增气头产能1000万吨,其他地区新增产能800万吨。

全球合计新增乙烯产能约3900万吨,增量约22%,将大幅超过实际需求增长。因此源头上乙烯产能的快速增长必然导致下游产品的产能过剩,只不过乙二醇作为扩产最为集中的产品反应最快,但最终各个产品之间还是会通过转产实现再平衡。因此乙二醇价格半年就被腰斩也标志着整个乙烯行业的未来,只不过乙烯体量是乙二醇的5倍,所以调整过程要更加漫长而已。

图4:2019-2022年国内乙烯新增产能(按工艺路线划分,万吨)
 

图5:2019-2022年全球乙烯新增产能(万吨) 

本轮乙烯景气复苏始于13年,彼时受益于产能增长放缓和需求走强,全球乙烯开工率逐年上行,2015-2017年都维持在90%左右的高位水平。但从去年开始,北美气头产能释放率先提速,2018年全球乙烯新增产能830万吨(其中美国乙烷裂解620万吨),而需求增长仅约600万吨,开工率小幅下滑至89%。展望未来,今明两年仍然是北美乙烷裂解的投产高峰年,且明年起我国几大民营大炼化乙烯装置也将陆续开车,合计产能投放将超过千万吨。

国内煤头MTO增长较为平缓,但煤制乙二醇仍然有约1350万吨的产能,相当于变相增加了800万吨的乙烯供给。另外从2021年起,我国轻烃裂解也将迎来爆发式增长,虽然具体投产时点尚无法把握,但预计规模也有600万吨以上。

图6:2008-2022年全球乙烯产能、产量(万吨,左轴)及增速(%,右轴)

综合来看,我们预计2019-2022年全球乙烯产能增速分别为4.0%、4.6%、5.3%和6.3%,而长周期需求增速即使按照较高的4%测算,乙烯开工率也将迎来持续下滑,甚至2022年整体开工率将降至2008年经济危机时的水平。

来源:化工平头哥

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