油頁巖與煤路線制油的技術經(jīng)濟分析和比較

周懷榮，楊慶春，楊思宇（華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640）

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研究開發(fā)

油頁巖與煤路線制油的技術經(jīng)濟分析和比較

周懷榮，楊慶春，楊思宇
（華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640）

摘要：液體燃料廣泛應用于交通、物流和生活等行業(yè)，然而液體燃料的生產(chǎn)嚴重依賴石油。我國石油資源相對貧乏，石油對外依存度高達60%。為減少對石油的依賴，我國正積極開發(fā)石油替代資源，特別是油頁巖和煤炭。但迄今少有文獻報道對油頁巖與煤路線生產(chǎn)液體燃料過程進行全面的技術經(jīng)濟分析和比較。本文通過對油頁巖制油和煤制油分別進行建模和模擬，根據(jù)模擬從能效、投資和成本等方面對這兩種路線進行分析和比較。結(jié)果表明油頁巖制油的能效比煤制油低 5個百分點，因為油頁巖制油的原料利用率低，產(chǎn)品收率低。經(jīng)濟方面，油頁巖制油的固定投資為63.34元/GJ，相比煤制油節(jié)省70%，因為油頁巖制油流程短，設備結(jié)構(gòu)簡單。但油頁巖制油的原料消耗大，生產(chǎn)1t液體燃料消耗24.5t油頁巖，所以其成本相比煤制油僅節(jié)省6%。

關鍵詞：技術經(jīng)濟分析；油頁巖制油；煤制油

第一作者：周懷榮（1988—），男，博士研究生。E-mail z.huairong@mail. scut.edu.cn。聯(lián)系人：楊思宇，副研究員，主要從事過程系統(tǒng)工程方向的研究。E-mail cesyyang@scut.edu.cn。

汽柴油等液體燃料廣泛應用于交通、物流等行業(yè)和人們生活中，汽柴油的消費量與經(jīng)濟發(fā)展密切相關。我國汽柴油的消費量在近十年一直快速增長，如圖1所示，從2003—2013年，汽油消費平均年增長率為 8.8%，柴油消費平均年增長率為8.3%［1］?，F(xiàn)有的汽柴油生產(chǎn)嚴重依賴石油，而我國石油相對貧乏，汽柴油消費增加造成了石油供求關系日益緊張。2013年我國石油產(chǎn)量2.1億噸，表觀消費量4.9億噸，對外依存度58%。預計到2020年，我國石油對外依存度達到65%［2］。

圖1 中國汽油和柴油消費量

為減少對石油的依賴，我國正積極開發(fā)替代資源生產(chǎn)液體燃料，尤其是油頁巖和煤炭。據(jù)統(tǒng)計，我國油頁巖儲量折算成頁巖油有476億噸，為我國石油儲量的2倍［3］。另外，我國煤炭資源相對富裕，煤炭儲量1145億噸，占一次能源總量的75%［4］。

目前，一些油頁巖制油技術已經(jīng)得到了發(fā)展。代表性的技術有愛沙尼亞石油公司開發(fā)的 Kiviter技術［5］、巴西石油公司開發(fā)的Petrosix技術［6］、中國撫順礦業(yè)公司開發(fā)的撫順爐技術和中國遼寧成大公司開發(fā)的瓦斯全循環(huán)爐技術［7］。其中撫順爐技術能處理含油率低至 6%的貧礦油頁巖，且結(jié)構(gòu)簡單、維修方便。截止到2014年，撫順礦業(yè)公司正在運營的規(guī)模最大的頁巖煉油廠，采用撫順爐技術，年產(chǎn)0.37Mt/a燃料油（0.06 Mt/a汽油和0.31Mt/a柴油）［7］。

在煤制油技術的開發(fā)和應用方面，逐漸形成了一些代表性的技術，主要有Shell公司開發(fā)的SMDS技術、Sasol公司開發(fā)的Arge技術和SSPD技術、上海兗礦能源科技研發(fā)有限公司開發(fā)的YSPD技術以及中科院山西煤炭化學研究所開發(fā)的 SMFT技術［8-9］。其中上海兗礦公司開發(fā)的YSPD技術具有國內(nèi)領先水平。該技術采用的漿態(tài)床反應器的熱效率高、且結(jié)構(gòu)簡單。陜西延長石油公司采用該技術建設了首套規(guī)模最大的煤制油工業(yè)化裝置，年產(chǎn)1.0Mt燃料油（0.25Mt/a汽油和0.75Mt/a柴油）［9］。

對油頁巖制油和煤制油的研究，很少有文獻報道對它們進行系統(tǒng)的技術經(jīng)濟分析和比較。本文通過對油頁巖制油和煤制油建模和模擬。依據(jù)模擬，分析比較油頁巖制油和煤制油的能效、投資和生產(chǎn)成本。

1 過程建模與模擬

本文應用Aspen Plus模擬軟件對0.37Mt/a規(guī)模油頁巖制油和1.0Mt/a規(guī)模煤制油進行了建模和模擬。本文模擬的過程中，油頁巖采用含油率為7%的遼寧撫順油頁巖，煤炭采用陜西神木煤。油頁巖和煤炭的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

1.1 油頁巖制油過程

油頁巖制油工藝流程圖如圖2所示。破碎篩分后的10～75mm頁巖，經(jīng)干餾爐的頂部進入爐，在0.1MPa和525℃條件下發(fā)生干餾反應，產(chǎn)生油氣混合物。油氣混合物依次通過集合管、洗滌塔、冷卻塔和電捕塔進行油氣分離，得到干餾氣和頁巖油。頁巖油、新鮮氫氣和循環(huán)氫氣混合后，進入加熱爐加熱。加熱爐出口物流同一級加氫反應器的出口物流混合后，進入二級加氫反應器，在二級加氫反應器中進行脫硫、脫氮等精制反應，并發(fā)生部分裂化反應。二級加氫反應器出口物流經(jīng)過換熱器換熱后，進入高壓分離器分為氣相和液相。液相經(jīng)分餾塔分餾，得到汽油和柴油。未轉(zhuǎn)化的渣油由分餾塔塔底抽出，與氫氣混合后經(jīng)換熱器與二級加氫反應器的出口流出物換熱，換熱后的物流進入一級加氫反應器進行加氫裂化反應。

表1 油頁巖和煤炭的工業(yè)分析和元素分析

油頁巖制油過程主要包括油頁巖干餾單元和頁巖油加氫裂化單元，兩個單元的關鍵操作參數(shù)如表 2所示［7，10］。干餾爐包括干餾段和氣化段，本文干餾爐的建模采用干餾反應器和氣化反應器結(jié)合的方式。模擬中選用RK-SOAVE為物性方法。模擬干餾反應器時選用 RCSTR模型，氣化反應器選用RGibbs模型。

圖2 油頁巖制油工藝流程圖

本文采用RYield模型模擬頁巖油加氫反應，設定液化石油氣產(chǎn)率為2%，汽油產(chǎn)率為16%和柴油產(chǎn)率為 81%，在一級反應和二級反應中將 Mo-Ni作為催化劑，反應溫度分別為380℃和390℃，反應壓力為0.1MPa［10］。

1.2 煤制油過程

煤低溫費托合成油過程工藝流程如圖3所示。固體原料煤經(jīng)過粉碎篩分后，與一定量的水經(jīng)磨煤機制成質(zhì)量分數(shù)為60%的水煤漿。水煤漿和來自空分單元的95%純度的氧氣進入氣化爐，反應生成以CO和H2為主的高溫粗合成氣。高溫粗合成氣經(jīng)過輻射冷卻器和對流冷卻器冷卻后，進入水煤氣變換反應器得到氫碳比為2左右的合成氣。出水煤氣變換單元的合成氣進入酸性氣體凈化單元，用Rectisol法除去CO2、H2S等。高濃度的H2S氣體進入克勞斯單元進行硫回收。凈化后的合成氣進入費托合成油單元合成油。合成油繼續(xù)進入加氫裂解單元，通過加氫裂化反應和分餾得到汽柴油。

表2 油頁巖制油過程模擬操作參數(shù)

煤低溫費托合成油過程主要包括煤氣化單元、費托合成油單元和合成油加氫裂解單元，每個單元的關鍵操作參數(shù)如表 3所示［9，11］。本文煤氣化單元建模采用Texaco水煤漿氣化工藝。煤在氣化爐的反應包括分解和氣化，選用Rstoic反應器模型來模擬煤的分解反應，并通過 RGibbs反應器模型中吉布斯自由能方法來模擬煤氣化過程。將煤的轉(zhuǎn)化率設定為95%。

本文費托合成采用漿態(tài)床反應器。采用RYield模型模擬漿態(tài)床反應器，設定CO轉(zhuǎn)化率為73%，汽油餾分收率為18%，柴油餾分收率為19%，重油和石蠟餾分收率為48%［12］。將Co作為催化劑，反應溫度為255℃，壓力為1.0MPa［12］。

費托合成油加氫裂解單元采用上海兗礦能源有限公司開發(fā)的費托合成油加氫裂化工藝，采用Requil模型模擬加氫裂化反應。將SiO2-Al2O3作為催化劑，反應溫度和壓力為365℃和6.4MPa［9］。

1.3 模擬結(jié)果

基于所建立的模型，模擬得到油頁巖制油和煤制油過程主要的物流數(shù)據(jù)，如表4所示。每個過程公用工程消耗數(shù)據(jù)見表 5。油頁巖制油過程:處理1125t/h油頁巖，需消耗氫氣1.63t/h，可產(chǎn)生7.38t/h汽油和 38.5t/h柴油。整個過程公用工程消耗為173.8MW。煤制油過程:處理511.25t/h煤炭，可產(chǎn)生31.25t/h汽油和93.75t/h柴油。整個過程公用工程消耗為998MW。

圖3 煤制油工藝流程圖

表3 煤制油過程模擬操作參數(shù)

2 能效分析

能量效率是輸出產(chǎn)品的能量與系統(tǒng)能耗的比值。能量效率是評價能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)換過程的主要熱力學效率指標，其計算公式見式（1）。

表4 油頁巖、煤制油過程進出口物流數(shù)據(jù)

表5 油頁巖、煤制油過程公用工程消耗數(shù)據(jù)

式中，Ein和Eout分別為系統(tǒng)輸入和輸出的能量。

由模擬得到油頁巖制油和煤制油的產(chǎn)品單耗和能量消耗，并經(jīng)折標計算得到能量效率，結(jié)果如表6所示。油頁巖制油相比煤制油能效低5個百分點，因為油頁巖含油率低，生產(chǎn)1t液體燃料原料消耗很大，需消耗 24.5t油頁巖。建議開發(fā)新的干餾爐型，通過提高原料利用率和提高油收率來提高整個油頁巖制油過程的能效。

3 經(jīng)濟分析

3.1 投資分析

建設項目總投資主要包括固定資產(chǎn)投資和流動資金。本文依據(jù)裝置能力指數(shù)法對油頁巖制油和煤制油設備投資進行估算，計算式見式（2）［14］。

式中，I1和Q1分別為現(xiàn)有項目的固定投資和生產(chǎn)規(guī)模；I2和Q2分別為擬建項目的固定投資和生產(chǎn)規(guī)模；sf為規(guī)模因子，在化工過程中，通常取sf=0.6。

依據(jù)文獻［3，9，15-17］和式（2）計算得到油頁巖制油和煤制油的固定投資分別為63.34元/GJ和207.87 元/GJ，其組成如圖4所示。油頁巖制油相比煤制油固定投資低很多，節(jié)省70%，主要是因為油頁巖制油路線短，設備結(jié)構(gòu)簡單且維修方便。

3.2 成本分析

原料和公用工程費用按照文章模擬進行計算。折舊費按20年直線折舊，殘值為4%。生產(chǎn)成本中其它費用參考相關文獻［18-19］進行計算。生產(chǎn)成本（production cost，PC）主要包括原料費用、公用工程費用、操作人工費用等，如公式（3）所示。

式中，CR是原料費用；CU是公用工程費用；CO&M是維修和操作費用；CD是折舊費用；CPOC是工廠管理費用；CAC是行政費用；CDSC是銷售費用。根據(jù)式（3）計算得到兩種路線的生產(chǎn)成本組成，如圖5所示。油頁巖制油和煤制油生產(chǎn)成本分別為86.94元/GJ和92.32元/GJ，油頁巖制油相比煤制油成本僅節(jié)省6%，詳細討論如下:①油頁巖制油較煤制油路線折舊費用低，因為煤制油路線固定投資最大，折舊費用與固定投資成線性關系；②油頁巖制油較煤制油路線原料費用占的比例大，因為油頁巖制油生產(chǎn)每噸燃料油需消耗24.5t油頁巖，而煤制油生產(chǎn)每噸燃料油需消耗4.1t煤炭；另外，油頁巖制油需外購的氫氣來提供頁巖油加氫的氫源，氫氣費用占整個原料費用的 40%，而煤制油路線采用變壓吸附技術自產(chǎn)氫氣；③油頁巖制油較煤制油路線公用工程費用低，因為煤制油路線能耗較高；④油頁巖制油較煤制油路線操作與維護費用低，因為煤制油路線流程長，設備結(jié)構(gòu)復雜，操作維護費用相對較高。

表6 油頁巖和煤制油生產(chǎn)1 t成品油能耗和能效

圖4 油頁巖制油和煤制油固定投資

圖5 油頁巖制油和煤制油成本費用

4 結(jié) 論

中國石油資源短缺，油頁巖和煤炭資源富裕，從能源安全的角度考慮，發(fā)展油頁巖制油和煤制油有很大的前景。油頁巖制油和煤制油在中國已有一定規(guī)模的工業(yè)化裝置，而且正在進一步擴大其產(chǎn)能規(guī)模。本文對油頁巖制油和煤制油進行了建模和模擬，依據(jù)模擬對兩個過程的能效、投資和成本進行分析和比較。油頁巖制油和煤制油的能效分別為27.7%和33%。油頁巖制油能效比煤制油僅低5個百分點，因為油頁巖制油原料消耗大，生產(chǎn)1t液體燃料消耗24.5t油頁巖。建議通過開發(fā)新干餾爐，來提高其能效。經(jīng)濟分析表明:油頁巖制油固定投資較煤制油有很大的優(yōu)勢，其固定投資較煤制油節(jié)省70%，但由于油頁巖制油原料消耗較高，所以其成本相比煤制油僅節(jié)省6%。

符 號 說 明

CTL——煤制油

CAC——行政費用，元/a

CD——折舊費用，元/a

CDSC——銷售費用，元/a

CO&M——維修和操作費用，元/a

CPOC——工廠管理費用，元/a

CR——原料費用，元/a

CU——公用工程費用，元/a

Ein——系統(tǒng)輸入的能量，MJ

Eout——系統(tǒng)輸出的能量，MJ

FT——費托合成

I——項目投資，元

PC——生產(chǎn)成本

Q——生產(chǎn)規(guī)模

STL——油頁巖制油

sf——規(guī)模因子

λ——能量效率，%

參 考 文 獻

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Techno-economic analysis and comparison of oil shale-to-liquid fuels and coal-to-liquid fuels processes

ZHOU Huairong，YANG Qingchun，YANG Siyu
（School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Abstract：Liquid fuels are widely used in transportation，logistics，and lives. However the production is heavily dependent on oil. In China oil resources are relatively scarce. Import dependence is as high as 60%. To reduce dependence on oil，the production of liquid fuels from alternative energy resources，especially from oil shale and coal is increasing in China. However，few literatures can be found for analysis and comparison of oil shale-to-liquid （STL） and coal-to-liquid （CTL） processes. This paper models and simulates a STL process and a CTL process. Based on the models，analysis of the two processes is made from energy efficiency，capital investment，and production cost. Energy efficiency of STL process is lower by about 5%，compared to CTL process. This is because STL process has lower utilization rate of raw material and product yield. Total capital investment of STL process is 63.34 CNY/GJ，70% lower than that of CTL process，because this process has simple flow scheme and lower equipment investment. However，raw material consumption of STL process is much higher. Producing 1t liquid fuels consumes 24.5t oil shale. This makes production cost of STL process only lower by 6% compared to CTL process.

Key words：techno-economic analysis； oil shale-to-liquid fuels；coal-to-liquid fuels

中圖分類號：TD 83

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1404-06

DOI：10.3969/j.issn.1000-6613. 2016.020

收稿日期：2015-09-02；修改稿日期：2015-09-30。

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2014CB744306）。