石油與煤路線制乙二醇過程的技術(shù)經(jīng)濟分析

楊慶，許思敏，張大偉，楊慶春

（合肥工業(yè)大學化學與化工學院，安徽合肥230009）

引 言

乙二醇(EG)是一種重要的石油化工基本有機原料，主要用于生產(chǎn)聚酯、防凍劑、薄膜等[1]。2018 年，全球85%的乙二醇用于聚酯，8%用于防凍劑，7%用于其他領(lǐng)域[2]。隨著聚酯行業(yè)的快速發(fā)展，乙二醇需求量不斷增加，尤其是我國。例如，在過去十年中，我國乙二醇消費的年平均增長率超過9.8%。然而，卻有60%以上的乙二醇產(chǎn)品由國外進口。如何基于我國能源資源稟性提高乙二醇自給率，對乙二醇、聚酯等行業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

傳統(tǒng)乙二醇生產(chǎn)工藝主要以石油為原料，通過乙烯氧化和環(huán)氧乙烷水合反應(yīng)，即石油制乙二醇(oil to ethylene glycol,OtEG)路線。雖然該技術(shù)成熟，但其嚴重依賴于石油資源，存在生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)規(guī)模受限于配套乙烯裝置等缺點。然而，中國的能源結(jié)構(gòu)特點是富煤貧油少氣，因此，煤炭被認為是替代石油生產(chǎn)乙二醇的最佳替代資源之一。

隨著煤制乙二醇(coal to ethylene glycol, CtEG)技術(shù)瓶頸的突破，我國已建成了一批商業(yè)化的CtEG裝置，例如內(nèi)蒙古通遼年產(chǎn)20萬噸煤制乙二醇項目早已于2009 年成功運行。截至2019 年10 月，我國煤制乙二醇(不包含MTO 裝置)已有20 余套，后續(xù)煤制乙二醇項目遍地開花。而CtEG 路線的市場份額也超過了35%[3]。但其作為新興行業(yè)，與傳統(tǒng)石油路線相比，其競爭優(yōu)勢及發(fā)展前景如何？這是工業(yè)界和學術(shù)界最為關(guān)心的問題之一。

對石油和煤制乙二醇這兩條路線進行技術(shù)經(jīng)濟分析是解決上述問題最有效的方法之一。例如，Xiang 等[4]對煤制烯烴過程進行了全面的技術(shù)經(jīng)濟分析，通過與石油制烯烴過程進行能量效率、投資和生產(chǎn)成本等方面的比較，考察了煤制烯烴過程的機遇和挑戰(zhàn)。他們發(fā)現(xiàn)，煤制烯烴工藝的生產(chǎn)成本大大低于石油制烯烴工藝，但存在投資高，能效低等問題。Zhang 等[5]從經(jīng)濟和環(huán)境角度對煤制烯烴以及石油制乙烯進行了比較；建議政策制定者和投資者在開發(fā)煤制烯烴項目時應(yīng)謹慎行事。Zhou等[6-7]對油頁巖和煤制液體燃料工藝進行了詳細的技術(shù)經(jīng)濟對比，發(fā)現(xiàn)后者需要更高的投資費用和生產(chǎn)成本。Mohajerani 等[8]比較了天然氣和煤制液體燃料過程的技術(shù)經(jīng)濟性能，發(fā)現(xiàn)后者的生產(chǎn)成本約比前者高13 USD?bbl-1。目前，已有少數(shù)文獻對CtEG 和OtEG 進行了簡單的技術(shù)經(jīng)濟分析，例如，張麗君[9]和Li 等[10]簡單地綜述了CtEG 的研究進展，并簡要分析了其生產(chǎn)成本。此外，在作者之前的工作中，基于其嚴格的數(shù)學模型對CtEG過程進行熱力學分析[3]，重點分析了CtEG工藝的技術(shù)特點、工藝流程和能量利用效率[11-12]。然而，上述文獻既沒有系統(tǒng)地分析OtEG 和CtEG 工藝的技術(shù)經(jīng)濟性能，更沒有綜合比較及分析兩種路線各自的競爭優(yōu)勢，亦沒有系統(tǒng)地分析關(guān)鍵因素對兩種路線技術(shù)經(jīng)濟性能的影響。

本文擬從以下三方面客觀合理地量化OtEG 和CtEG 兩條路線的技術(shù)經(jīng)濟性能：(1)從能耗、效率、總投資、總生產(chǎn)成本、CO2排放以及水耗等指標分析比較OtEG 和CtEG 工藝的技術(shù)經(jīng)濟環(huán)境性能；(2)研究關(guān)鍵因素如生產(chǎn)規(guī)模、原料價格波動對OtEG 和CtEG 工藝技術(shù)經(jīng)濟性能的影響；(3)探索CtEG 產(chǎn)業(yè)高效、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)，以期為決策者和投資者選取相關(guān)技術(shù)路線提供良好的理論基礎(chǔ)與堅實的技術(shù)支持，同時促進OtEG 和CtEG 行業(yè)“高效-經(jīng)濟-環(huán)保”可持續(xù)發(fā)展。

1 過程描述及建模模擬

典型的OtEG 和CtEG 工藝原理如圖1(a)、(b)所示。OtEG 工藝可分為三部分：(1)石腦油裂解單元，石腦油首先裂解生成乙烯；(2)環(huán)氧乙烷(EO)合成單元，乙烯被氧化成環(huán)氧乙烷；(3)環(huán)氧乙烷水合制乙二醇單元。與OtEG 工藝不同，CtEG 工藝由煤氣化、合成氣分離純化和乙二醇合成三部分組成，流程較長且過程較為煩瑣。因此，本研究工作采用大型穩(wěn)態(tài)模擬軟件Aspen plus(V8.4)對上述兩種工藝進行建模與模擬，以期得到它們的物料、能量平衡數(shù)據(jù)。

1.1 石油制乙二醇路線

圖1 OtEG和CtEG工藝原理圖Fig.1 Schematic diagram of OtEG and CtEG processes

OtEG 路線的全流程模擬示意圖如圖2 所示。乙烯、氧氣與循環(huán)氣混合后進入環(huán)氧乙烷合成反應(yīng)器，主要反應(yīng)如式(1)～式(3)所示。該反應(yīng)器采用Rstoic 模型進行建模，其中反應(yīng)(1)和(2)的C2H4轉(zhuǎn)化率分別設(shè)置為7.34%和0.73%。反應(yīng)出口氣冷卻后被送入環(huán)氧乙烷吸收單元。由于該系統(tǒng)涉及部分組分極性較強，所以文獻[13-14]對比分析了PENGROB、RK-SOAVE、RKS-BM、NRTL-RK、UNIQUAC、WILSON 和UNIFAC 等物性方法，表明OtEG 過程采用NRTL-RK 法得到的模擬結(jié)果更接近于工業(yè)實際數(shù)據(jù)。因此，本文選擇NRTL-RK 法作為OtEG 過程的全局物性方法。貧循環(huán)氣被送到CO2脫除單元，以除去產(chǎn)生的CO2。將富含環(huán)氧乙烷的閃蒸液經(jīng)預熱后進入汽提塔，分離環(huán)氧乙烷與水。汽提塔底部的貧循環(huán)水在回收熱量后返回到水洗塔的吸收段。塔頂富含環(huán)氧乙烷的氣相被送至環(huán)氧乙烷精制塔，從精制塔側(cè)線采出環(huán)氧乙烷液體送至CO2汽提塔，脫除CO2和甲醛雜質(zhì)之后從塔頂?shù)玫礁呒兌鹊沫h(huán)氧乙烷產(chǎn)品。這四個塔均用RadFrac 模型建模[15]。從環(huán)氧乙烷重整單元中分離出來的環(huán)氧乙烷與水混合后，進入乙二醇合成反應(yīng)器中生成乙二醇產(chǎn)品。水合反應(yīng)后，由于乙二醇產(chǎn)品中含有大量的水，因此先在多效蒸發(fā)塔和乙二醇脫水塔中首先除去粗乙二醇的水分，然后從脫水塔底部流出進入乙二醇重整裝置，得到高純度的乙二醇產(chǎn)品[16]。

1.2 煤制乙二醇路線建模與模擬

CtEG 工藝全流程模擬示意圖如圖3 所示。原煤經(jīng)破碎篩分后進入氣化爐，與空分單元的氧氣反應(yīng)生成粗合成氣。模型可分為煤的干燥、煤的熱解、煤的氣化和燃燒三個階段，分別采用RYield、RCSTR 和RGibbs 模型對其進行建模與模擬[17]。由于粗合成氣的H2/CO 比小于1.0，而乙二醇生產(chǎn)過程需要的是2.0，所以煤制乙二醇必須增加一個水煤氣變換單元來提高合成氣H2/CO 比[18]。經(jīng)變換后進入合成氣分離凈化單元，去除H2S 和CO2后，凈化后的合成氣送入深冷箱和變壓吸附裝置中，產(chǎn)生高純度的H2和CO。利用高純度CO 氣體與亞硝酸甲酯(MN)在草酸二甲酯(DMO)合成單元中反應(yīng)生成草酸二甲酯[式(4)]，而高純度H2則與草酸二甲酯在乙二醇(EG)合成反應(yīng)器中反應(yīng)生成乙二醇[式(5)]，該反應(yīng)過程可采用RPlug 模型進行建模。粗乙二醇進入乙二醇精制單元進行分離提純，該單元主要由甲醇回收塔、脫水塔、脫醇塔、乙二醇產(chǎn)品塔、乙二醇回收塔等關(guān)鍵設(shè)備組成[19]。本文采用RadFrac 模型對這些塔設(shè)備進行建模，詳細的建模和模擬參考本文作者之前的工作[17,19-20]。

2 技術(shù)經(jīng)濟評價

為了方便比較OtEG和CtEG工藝的技術(shù)經(jīng)濟性能，其處理規(guī)模統(tǒng)一設(shè)置為3.0×105t·a-1。采用能耗和效率等指標分析比較了其技術(shù)性能；并采用總投資和總生產(chǎn)成本分析比較了其經(jīng)濟性能。此外，本文還分析了工廠規(guī)模、原料價格波動等因素對兩種路線經(jīng)濟效益的影響。

2.1 技術(shù)性能比較

圖2 OtEG 過程的全流程模擬簡圖Fig.2 Simplified simulation flowsheet of OtEG process

圖3 CtEG 過程的全流程模擬簡圖Fig.3 Simplified simulation flowsheet of CtEG process

2.1.1 能耗 本文首先采用我國化工行業(yè)最常用的指標能耗(energy consumption，EC)對OtEG和CtEG工藝的技術(shù)性能進行比較[21-23]。根據(jù)模擬結(jié)果（表1）和標準煤系數(shù)計算了OtEG和CtEG工藝的總能耗如圖4 所示。OtEG 和CtEG 工藝單位產(chǎn)品的總能耗分別為0.61 t-ce和3.23 t-ce標準煤。從能耗組成來看，OtEG 和CtEG 工藝的能耗主要由原材料的消耗引起。與OtEG 工藝相比，CtEG 工藝的公用工程消耗明顯高于OtEG 工藝。例如，CtEG 的蒸汽和電力消耗分別比OtEG 工藝高1.15 t-ce 和0.07 t-ce。這主要是因為CtEG 工藝需要消耗大量的燃料煤來產(chǎn)生蒸汽，以滿足系統(tǒng)的熱平衡，尤其是高壓蒸汽。因此，為了降低CtEG 過程的能耗，在今后的研究過程中可采用過程系統(tǒng)工程方法與工具，強化過程傳質(zhì)傳熱以及改進其換熱網(wǎng)絡(luò)等。

霍尼韋爾過程控制部大中華區(qū)副總裁兼總經(jīng)理陳延表示：“霍尼韋爾互聯(lián)工廠通過其卓越的能力帶來更高的可靠性、利潤率和更安全的操作，必將成為中國精細化工的重要推動力。此次與中化集團化工事業(yè)部的合作正是將互聯(lián)工廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與卓越運營管理進行了結(jié)合?！?/p>

表1 OtEG和CtEG過程的主要模擬結(jié)果Table 1 Main simulation results of OtEG and CtEG processes

圖4 OtEG和CtEG工藝的能耗Fig.4 Energy consumption of OtEG and CtEG processes

其中，m為原料煤質(zhì)量流率，kg·s-1；Qnet為煤低位發(fā)熱量，kJ·kg-1；w(H)、w(C)、w(O)和w(N)分別為原料煤中氫、碳、氧和氮元素的質(zhì)量分數(shù)，%；Exin為輸入，Exprd為產(chǎn)品，Exdes為損。

2.2 經(jīng)濟性能比較

2.2.1 總投資 總投資是經(jīng)濟分析的重要評價指標，通?？刹捎觅M用系數(shù)法估算擬建項目的設(shè)備投資，而其他投資費用采用系數(shù)比例法進行估算[24]，具體計算公式如式(10)和式(11)所示。

其中TCI 是總投資，IEI是主要設(shè)備投資，RFi是直接和間接投資與設(shè)備投資的比例系數(shù)；θ為區(qū)域因子，sf是指規(guī)模指數(shù)，Q和IEI為擬建項目生產(chǎn)規(guī)模和設(shè)備投資，Qref和Iref為已建項目生產(chǎn)規(guī)模和設(shè)備投資。

根據(jù)式（10）和式（11），可估算得到OtEG 和CtEG 過程的總投資及組成分布如圖6 所示。CtEG工藝總投資16862 CNY?(t?a)-1，約為OtEG 工藝的2.58 倍，這主要是因為CtEG 工藝流程比OtEG 工藝流程復雜[25-26]，含有更多的過程單元，導致其需要投入更多的設(shè)備投資。與OtEG 工藝相比，CtEG 工藝的設(shè)備投資從2051 CNY?(t?a)-1增加到5245 CNY?(t?a)-1，導致其他的投資費用也隨著設(shè)備費用的增加而有所增加。

圖5 OtEG和CtEG工藝流簡圖Fig.5 Exergy flowchart of the OtEG and CtEG processes

圖6 OtEG和CtEG過程總投資分布Fig.6 Distribution of total capital investment of OtEG and CtEG processes

其中，CR是指原材料價格，CU是指公用工程費用，COM是運營和維修費用，CFC是指固定支出，CPOC是指工廠制造費用，CGE是指一般費用，主要包括銷售費用、管理費用、研發(fā)成本和財務(wù)成本。

圖7 OtEG和CtEG工藝總生產(chǎn)成本Fig.7 Total production cost of OtEG and CtEG processes(oil price:50 USD·bbl-1,coal price:400 CNY?t-1)

2.2.3 工廠規(guī)模對經(jīng)濟效益的影響 隨著CtEG 技術(shù)的日益成熟，其生產(chǎn)規(guī)模也將越來越大。例如，陜煤集團榆林化學有限責任公司擬建設(shè)一座1.8 Mt·a-1的CtEG 工廠[28-29]。本文分析了生產(chǎn)規(guī)模對OtEG 和CtEG 工藝經(jīng)濟性能的影響，如圖8 所示。由圖可知：適當擴大生產(chǎn)規(guī)模可以明顯降低OtEG和CtEG 過程的固定投資和總投資。當規(guī)模從0.2 Mt?a-1增加到1.0 Mt?a-1時，CtEG 工藝的總投資從19276 CNY ?(t?a)-1減 少到11333 CNY ?(t?a)-1；而OtEG 工藝從6533 CNY?(t?a)-1降低到4391 CNY?(t?a)-1。這主要是由于CtEG 工藝設(shè)備投資從4835 CNY?(t?a)-1減少到2843 CNY?(t?a)-1；而OtEG工藝由1899 CNY?(t?a)-1降為1116 CNY?(t?a)-1。此時CtEG工藝與OtEG 工藝的總投資比從2.58 降至1.52。綜上所述，擴大生產(chǎn)規(guī)模可以明顯降低OtEG 和CtEG工藝的投資，尤其是CtEG 路線。因此，為有效提升CtEG 替代路線的競爭力，建議適當擴大CtEG 工藝規(guī)模。但也需綜合考慮其他因素，選取適宜規(guī)模。

圖8 生產(chǎn)規(guī)模對OtEG和CtEG工藝經(jīng)濟性能的影響Fig.8 Effects of plant scale on economic performance of OtEG and CtEG processes

2.2.4 原料價格波動對競爭力的影響 由2.2.2 節(jié)可知，原材料成本在OtEG 和CtEG 工藝的總生產(chǎn)成本中所占比例最大，煤和石油等原料價格將直接關(guān)系著這兩個過程的經(jīng)濟效益。因此，分析原料價格波動對OtEG和CtEG工藝競爭力的影響有著重要意義。因為乙烯價格與石油價格密切相關(guān)，為了比較OtEG 和CtEG 工藝的競爭力，所以本文分析了石油和煤炭價格對其經(jīng)濟性能的影響，其中乙烯與石油價格的關(guān)系主要依據(jù)文獻[4,30-31]進行估算。近5 年來石油價格主要在40～120 USD?bbl-1，煤炭價格則在300～850 CNY?t-1波動。當石油和煤炭價格在上述范圍內(nèi)變化時，OtEG 與CtEG 的生產(chǎn)成本比(TPCOtEG/TPCCtEG)如圖9 所示。如果油價低于40 USD?bbl-1而煤價高于500 CNY?t-1，TPCOtEG/TPCCtEG將低于1.0，這意味著OtEG工藝的生產(chǎn)成本低于CtEG工藝。如果油價高于60 USD?bbl-1，即使煤價高達850 CNY?t-1，TPCOtEG/TPCCtEG也高于1.0，說明CtEG 工藝比OtEG 工藝具有更強的競爭力。圖9 中紅線以上部分表示CtEG 工藝的總生產(chǎn)成本低于OtEG 工藝，CtEG 工藝優(yōu)于OtEG工藝；下方則表示OtEG工藝優(yōu)于CtEG工藝。從結(jié)果可知，絕大情況下CtEG都具有較好的成本優(yōu)勢。

圖9 石油和煤炭價格波動對OtEG和CtEG工藝競爭力的影響Fig.9 Effects of the price fluctuations of oil and coal on competitiveness of OtEG and CtEG processes

2.3 CO2排放量和水耗比較

圖10 OtEG和CtEG工藝的CO2排放量和耗水量Fig.10 CO2 emissions and water consumption of OtEG and CtEG processes

基于碳平衡，得到OtEG 和CtEG 過程的CO2排放量和水耗如圖10 所示。OtEG 和CtEG 工藝的總CO2排放量分別為0.79 t?t-1和5.78 t?t-1，水耗分別為3.8 t?t-1和24.2 t?t-1。CtEG 工藝二氧化碳排放量高的主要原因是：(1)煤是一種富碳資源，其H/C比小于1.0，但合成乙二醇所需的H/C 比約為2.0。在水煤氣變換單元中，大量CO 被轉(zhuǎn)化為CO2，導致CtEG 工藝直接排放的CO2比OtEG 工藝高2.89 t?t-1。(2)CtEG 工藝的蒸汽消耗遠大于OtEG 工藝，消耗了大量的燃料，如燃料煤[32-34]。(3)CtEG 工藝的電消耗遠高于OtEG 工藝，這也增加了CtEG 工藝的間接排放的CO2量。而水耗高于OtEG 工藝的原因是其轉(zhuǎn)化路線長，公用工程和原料消耗大，例如煤氣化單元、水煤氣變換單元以及合成草酸二甲酯合成單元等都需要耗費大量水資源[35-37]。因此，顯著降低CtEG工藝的CO2排放和節(jié)水技術(shù)的改進，將對CtEG 行業(yè)的綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

3 結(jié) 論

煤制乙二醇（CtEG）技術(shù)已成為傳統(tǒng)石油對乙二醇（OtEG）技術(shù)的替代路線，并在我國迅速發(fā)展。本文主要量化比較了OtEG和CtEG兩條工藝路線的技術(shù)經(jīng)濟性能，得到的主要結(jié)論如下。

(2)在煤和石油的平均價格下，CtEG 工藝和OtEG 工藝的生產(chǎn)成本比為0.84。但是，CtEG 工藝的總投資是OtEG 工藝的2.58 倍。適當擴大生產(chǎn)規(guī)模，可明顯降低OtEG和CtEG過程的投資費用，尤其是CtEG 工藝。當CtEG 過程的規(guī)模從0.2 Mt?a-1擴大到1.0 Mt?a-1，CtEG 工藝與OtEG 工藝的總投資比從2.58 降至1.52。但需注意的是，在確定OtEG 和CtEG實際生產(chǎn)規(guī)模時，也應(yīng)當綜合考慮其他因素。

(3)通過分析石油和煤炭價格波動對兩種路線競爭力的影響，確定了CtEG 過程的競爭價格區(qū)域。結(jié)果表明，當油價高于60 USD?bbl-1，即使煤價高達850 CNY?t-1，CtEG 過程也比OtEG 過程具有更好的經(jīng)濟效益；只有當油價低于40 USD?bbl-1而煤價高于500 CNY?t-1，CtEG 過程的生產(chǎn)成本會高于OtEG過程。因此，絕大多數(shù)情況下CtEG過程具有更好的成本優(yōu)勢。

(4)通過碳排放和水耗分析發(fā)現(xiàn)，OtEG 和CtEG工藝的CO2總排放量分別為0.79 t?t-1和5.78 t?t-1，水耗分別為3.8 t?t-1和24.2 t?t-1。因此，相比于OtEG工藝，CtEG過程碳排放、水耗均較大。

考慮到中國乙二醇供不應(yīng)求以及豐富的煤炭資源，CtEG 工藝亦具有成本優(yōu)勢，發(fā)展CtEG 行業(yè)具有一定的市場前景。但是，在CtEG產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展之前，也應(yīng)極力解決高碳排放、高能耗等問題。例如，優(yōu)化其質(zhì)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、集成富氫資源以及制定節(jié)能減排激勵政策與補貼等。