上海某工業(yè)區(qū)合成氣發(fā)展技術路線比較分析

王濤

上海市節(jié)能減排中心有限公司

關鍵字：合成氣；供需分析；技術路線

0 引言

上海某工業(yè)區(qū)以乙烯項目為龍頭，發(fā)展以烯烴和芳烴為原料的中下游石油化工裝置以及精細化工深加工系列產品鏈。由于區(qū)域規(guī)劃調整，原有合成氣裝置面臨關停，該工業(yè)區(qū)合成氣供應將面臨較大缺口。

1 合成氣供需分析

上海某工業(yè)區(qū)目前已形成了以兩家工業(yè)氣體公司為主要來源的合成氣供應體系?？紤]到原有合成氣項目的關停對現(xiàn)有工業(yè)氣體公司生產的影響，按其它生產裝置不變，未來上海某工業(yè)區(qū)合成氣總缺口為55 000m3/h，其中CO 30 000m3/h，H225 000m3/h，CO與H2的比例約為1:0．83。

2 合成氣發(fā)展技術路線研究

2.1 合成氣發(fā)展技術路線概況

合成氣在化學化工等領域一直被人們所廣泛應用，如何能既制備出合成氣產品，又能保證制備過程的經(jīng)濟性與綠色化一直是行業(yè)焦點。傳統(tǒng)制合成氣方法包括以天然氣和煤制備合成氣，工藝技術發(fā)展均較為成熟。此外，合成氣還可用生物質制備，但該技術目前還不夠成熟，僅在實驗室階段。

一般煤制合成氣的工藝流程為：濃度＞62%的水煤漿和40bar的純氧經(jīng)過三流式燒嘴混合，霧化后，在氣化爐上部進行部分氧化反應，得到的合成氣與未反應的灰渣一并進入激冷室。然后通過文丘里洗滌器，去除固體顆粒。最后經(jīng)過洗滌塔，進一步除塵，得到由CO、H2、CO2和少量由H2S、COS、N2、Ar、CH4雜質組成的合成氣。

以天然氣為原料制取合成氣的技術主要研究水蒸氣轉化法（SMR）和甲烷非催化部分氧化法（POX）兩種方法，該兩種方法制得的合成氣中H2/CO比值分別為3:1和2:1。

2.2 合成氣發(fā)展路線技術經(jīng)濟比選

本文主要針對煤制合成氣方案（方案一、方案二）和天然氣制合成氣方案（方案三、方案四）進行比較，重點比較技術路線的可靠性、負荷波動的適應性和經(jīng)濟性。

方案一：新建一個煤制合成氣項目，滿足工業(yè)區(qū)未來全部的合成氣需求。

由于煤制合成氣需要具備一定的規(guī)模且煤合成氣從單位成本上可能對工業(yè)區(qū)全部需求形成替代，因此煤制合成氣方案的裝置規(guī)模按照工業(yè)區(qū)合成氣的需求總量約200 000m3/h，CO與H2的比例以1:3進行測算。

方案二：新建一個煤制合成氣項目并配套合成氨裝置，滿足原有合成氣裝置關停導致的供應缺口。

煤制合成氣方案的裝置規(guī)模按照原合成氣裝置關停導致的供應缺口約130 000m3/h，且CO 與 H2的比例約為 1:1．9（即 CO 45 000m3/h、H285 000m3/h）進行測算。同時考慮合成氣的穩(wěn)定供應以及工業(yè)區(qū)的需求，另配套合成氨裝置。

方案三：新建一個天然氣合成氣項目（采用SMR法），滿足原有合成氣裝置關停導致的供應缺口。

對于天然氣制合成氣的裝置規(guī)模（采用SMR法）按原有合成氣裝置關停導致的供應缺口約120 000m3/h，且CO與H2的比例約為1∶3（即CO 30 000m3/h、H290 000m3/h）進行測算，以滿足現(xiàn)有用戶合成氣的需求。

方案四：新建一個天然氣合成氣項目（采用POX法），滿足原有合成氣裝置關停導致的供應缺口。

對于天然氣制合成氣的裝置規(guī)模（采用POX法）按照原有合成氣裝置關停導致的供應缺口約55 000m3/h，且CO與H2的比例約為1:1（即CO 30 000m3/h、H225 000m3/h）進行測算，以滿足現(xiàn)有用戶合成氣的需求。

2.2.1 安全可靠性

1)技術可靠性

煤氣化技術已日臻成熟且處于不斷完善和發(fā)展過程中，其中GE公司水煤漿氣化技術是在國內工業(yè)化應用最早使用且業(yè)績最多的氣化技術。但是煤制合成氣的工藝路線偏長，設備眾多，投資較大。為了提高工藝的可靠性，有時需要增加備用氣化爐，將增加投資和運維成本。由于其氣化爐設備工藝的特殊性，不能快速降負荷或停爐，因此，煤氣化技術對負荷波動的響應性相對較差，為滿足下游用戶的需求，通常需要配備相應的合成氨裝置來適應負荷的波動。

天然氣水蒸氣轉化（SMR）法制合成氣技術已趨于成熟。魯奇公司早在20世紀80年代后期就率先開發(fā)出兩段水蒸氣轉化制合成氣的工藝，距今已有三十年的工業(yè)生產史，該工藝目前已成熟應用于工業(yè)化生產。非催化部分氧化（POX）工業(yè)化始于20世紀50年代中期，由于天然氣蒸汽轉化法的出現(xiàn)及迅速發(fā)展，目前國內采用非催化部分氧化法進行合成氣的生產業(yè)績較少。由于天然氣制合成氣的工藝流程短，且設備能夠迅速響應負荷的波動，系統(tǒng)可靠性可達99．5%及以上。

綜上，技術可靠性方面，天然氣制合成氣相對煤制合成氣技術路線有一定優(yōu)勢。方案三與方案四的可靠性相當，要高于方案一、方案二（方案二由于有合成氨裝置調節(jié)，要高于方案一）。

2)安全穩(wěn)定性

以煤為原料和以天然氣為原料的四種技術方案都比較成熟，運行穩(wěn)定性和安全性較高，但方案二配套了合成氨裝置，該工藝存在一定的泄漏風險。

方案三和方案四都采用天然氣為原料，其供氣的安全穩(wěn)定性是以天然氣的可靠供應為前提的，因此需要采取多渠道供氣措施來滿足工藝生產的穩(wěn)定性要求。

相比之下，煤制合成氣方案需要配備合成氨裝置才能滿足用戶的可靠性要求，且液氨產品銷路尚未明確，在此情景下，天然氣制合成氣方案略占一定優(yōu)勢。

2.2.2 經(jīng)濟性

對以天然氣為原料和以煤為原料制合成氣的技術路線進行經(jīng)濟比較，按成本要素法進行測算。合成氣生產成本要素包括：外購材料及燃料費用、工資及福利費、折舊費、維修費、管理費用及其他、財務費用等。根據(jù)初步測算，以天然氣為原料的兩種方案（方案三和方案四）制合成氣成本比以煤為原料制合成氣的兩種方案（方案一和方案二）高出約20%左右，其中方案二比方案一成本更低，但需考慮合成氨的出路問題，且近些年合成氨價格呈現(xiàn)持續(xù)走低態(tài)勢，將會推高方案二的合成氣價格；方案三比方案四成本略高，該方案中的合成氣為最終產品（氫氣和一氧化碳），且會富余大量氫氣，而其余方案均為粗合成氣（還需經(jīng)過凈化等處理工藝）。

2.2.3 外部影響性

經(jīng)初步測算，以煤為原料和以天然氣為原料四種方案的資源利用及污染物排放匯總詳見表1。

從表1可以看出，方案三、方案四的污染物排放較低、土地資源和能源消耗較低。

2.3 合成氣發(fā)展路線政策環(huán)境分析

合成氣生產屬于化工行業(yè)，煤制合成氣或天然氣制合成氣則分別屬于煤化工、天然氣化工。在上海某工業(yè)區(qū)建設此類項目，將面臨國家和本市天然氣、煤炭利用、環(huán)境保護、安全衛(wèi)生等方面的政策和規(guī)范要求。從國家層面來看，相關政策嚴格控制工業(yè)區(qū)建設煤制合成氣裝置，鼓勵加快推進天然氣利用。從本市層面來看，新建用煤設施和新建煤化工項目屬于禁止之列。從工業(yè)區(qū)層面來看，新建煤制合成氣項目與“新建項目實行低碳門檻管理”等低碳工業(yè)園區(qū)創(chuàng)建要求相悖。從長期趨勢來看，國家和上海市均明確提出嚴格控制和削減煤炭使用，用清潔能源替代煤炭等高碳能源的要求。

因此，在上海某工業(yè)區(qū)以天然氣為原料制合成氣，符合國家和本市當前相關政策和長期發(fā)展戰(zhàn)略。如以煤炭為原料，目前與國家和本市相關政策要求相悖，將來煤炭合成氣裝置的擴建將面臨煤炭使用政策趨嚴的巨大政策風險。

表1 四種方案的資源利用及污染物排放表

3 結論與建議

3.1 結論

通過上述對合成氣技術路線的安全可靠性、經(jīng)濟性、外部影響性、政策環(huán)境等多方面因素進行綜合分析，本文推薦上海某工業(yè)區(qū)采用以天然氣為原料制合成氣的發(fā)展路線。最終采用方案三（天然氣SMR法制合成氣）或方案四（天然氣POX法制合成氣），建議做進一步的技術經(jīng)濟比選。

3.2 建議

1)建議對新建的氣化裝置在約定合成氣價格的基礎上采取公開招標擇優(yōu)選擇建設方的模式，并綜合考慮上海某工業(yè)區(qū)H2、CO等氣體的整體供應方案，以盡可能控制工業(yè)區(qū)總體合成氣價格。

2)對于采用天然氣可能帶來的合成氣價格增加，為控制對下游企業(yè)產生過大成本增加的影響，宜采取由天然氣提供企業(yè)、下游企業(yè)和政府補貼等共同分擔的方式來疏導，即在天然氣制合成氣單位成本相對煤制合成氣成本上升20%的總體形勢下，以降低天然氣供應價格分擔其中10個百分點，以下游企業(yè)合成氣成本上升承擔其中5個百分點，通過政府補貼承擔其中5個百分點。在此方式下，下游企業(yè)由于合成氣原料由煤調整為天然氣所導致的生產成本增加將顯著低于本市大量企業(yè)由于燃煤供熱鍋爐清潔能源替代所導致用熱成本增加幅度（約20%左右）。

3)為推動工業(yè)區(qū)能源結構和合成氣原料的清潔替代，建議適當降低由于替代而造成企業(yè)成本的增加幅度，要求有關天然氣供應企業(yè)對于工業(yè)區(qū)制合成氣用天然氣的價格給予適當?shù)膬?yōu)惠政策。

4）建議結合氣化裝置的新建，進一步研究對工業(yè)區(qū)現(xiàn)有合成氣生產裝置的影響。