傳統(tǒng)合成氨企業(yè)轉(zhuǎn)產(chǎn)乙醇的可行性研究

楚可嘉，王德強(qiáng)，潘玉芹

(1.晉煤集團(tuán)煤化工研究院，山西 晉城 048006；2.滕州盛隆煤化工公司；3.山東百盛安全環(huán)境技術(shù)有限公司，山東 滕州 277500)

自20世紀(jì)30年代常壓固定床氣化爐(UGI)引進(jìn)到我國(guó)以來，利用GUI工藝生產(chǎn)合成氨，為解決中國(guó)人民的“吃飯問題”做出了巨大貢獻(xiàn)。隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整、新型煤氣化技術(shù)的出現(xiàn)以及氮肥運(yùn)輸價(jià)格、電價(jià)、減免增值稅等優(yōu)惠政策的廢止，傳統(tǒng)合成氨企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力越來越小。尤其是新型加壓氣化技術(shù)的出現(xiàn)，新上合成氨項(xiàng)目規(guī)模越來越大，其與傳統(tǒng)UGI合成氨相比具有較大的規(guī)模效應(yīng)，從而使UGI合成氨企業(yè)面臨淘汰出局的境地。截止2019年底，我國(guó)中小型氮肥廠UGI數(shù)量由高峰期的7 000～10 000 臺(tái)[1]降到不足2 000臺(tái)，其產(chǎn)能由高峰時(shí)期的6 677.8萬t/a降到2 238萬t/a，其在總合成氨的占有率由49.8%降到目前的33.7%。就目前而言，使用無煙煤的UGI合成氨企業(yè)與新型煤氣化合成氨企業(yè)同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)已不具備優(yōu)勢(shì)，這部分企業(yè)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)低迷的大環(huán)境下將如何轉(zhuǎn)型生存，是亟待解決的問題。

1 傳統(tǒng)合成氨技術(shù)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)合成氨采用常壓固定床UGI氣化爐。該技術(shù)建設(shè)投資少、工藝控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，通常采用塊狀無煙煤或焦炭為原料，氣化劑為空氣和水蒸氣，在常壓下生成 原料氣[2]。由于單爐產(chǎn)氣量低，爐數(shù)較多，可以互備；操作溫度、壓力較低，安全性相對(duì)較高，是最成熟、經(jīng)濟(jì)的爐型。就目前而言，如果去除煤價(jià)因素的影響，從工業(yè)和信息化部與市場(chǎng)監(jiān)管總局公示的2020年度重點(diǎn)用能行業(yè)能效“領(lǐng)跑者”數(shù)據(jù)和中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)(表1、表2所示)看，以無煙煤為原料的UGI氣化生產(chǎn)合成氨比以煙煤為原料的新型煤氣化生產(chǎn)合成氨單位產(chǎn)品綜合能耗低，因此傳統(tǒng)UGI氣化技術(shù)還具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力[3]。因此，尋求具有競(jìng)爭(zhēng)力的新技術(shù)、新產(chǎn)品逐步替代部分合成氨產(chǎn)能，既解決了合成氨產(chǎn)能過剩的問題，又為企業(yè)轉(zhuǎn)型生存提供新出路。

表1 2019年各類氣化技術(shù)噸氨消耗與綜合能耗*

*數(shù)據(jù)來源：中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)信息。

表2 2020年度合成氨行業(yè)能效“領(lǐng)跑者”數(shù)據(jù)

2 燃料乙醇市場(chǎng)需求

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求更加嚴(yán)苛，作為汽油高辛烷值添加劑的甲基叔丁基醚(MTBE)，由于具有一定毒性，污染地下水源等問題，已被美國(guó)、日本、西歐等多個(gè)國(guó)家禁用。乙醇作為替代MTBE的最有潛力的汽油添加劑，無毒無污染，高辛烷值、含氧量高，可減少尾氣污染物排放。借鑒美國(guó)、巴西等國(guó)已十分成熟的乙醇汽油推廣政策與市場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，2017年9月13日，國(guó)家發(fā)改委、能源局等十五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》，要求于2002年開始實(shí)施乙醇汽油政策，燃料乙醇項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生且發(fā)展迅速。

據(jù)亞化咨詢發(fā)布的《中國(guó)燃料乙醇年度報(bào)告2019 》顯示，2018年中國(guó)汽油表觀消費(fèi)約1.27億t，按E10標(biāo)準(zhǔn)，燃料乙醇市場(chǎng)需求巨大。目前中國(guó)燃料乙醇年產(chǎn)量?jī)H為200萬～300萬噸級(jí)，燃料乙醇在2020年后缺口將達(dá)到900余萬t。隨著汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，汽油消費(fèi)量逐年增加，燃料乙醇的需要將會(huì)越來越大，乙醇產(chǎn)品的應(yīng)用前景較為廣闊。

3 燃料乙醇技術(shù)路線的經(jīng)濟(jì)分析

目前制備乙醇的方法主要分為兩種。 一是化學(xué)合成法，二是發(fā)酵法。發(fā)酵法又分為生物質(zhì)發(fā)酵法和合成氣發(fā)酵法[4]。兩種技術(shù)主要分為六條路線，分別是：① 合成氣直接催化；② 甲醇羰基化制乙酸甲酯加氫；③ 醋酸加氫；④ 醋酸酯加氫；⑤ 二甲醚羰基化；⑥ 微生物發(fā)酵，如圖1所示。

圖1 化學(xué)合成乙醇路線

其中路線①處于小試階段，不夠成熟；路線②由晉煤山東聯(lián)盟公司與大連化物所合作已完成中試，完成20萬t/a的工藝包編制；路線③和④屬于同類技術(shù)，經(jīng)常受到上下游市場(chǎng)的影響，經(jīng)濟(jì)性較差，例如塞拉尼斯因受醋酸價(jià)格影響較大，目前已停產(chǎn)；路線⑤是延長(zhǎng)石油與大連化物所聯(lián)合開發(fā)，以煤為原料，是目前熱點(diǎn)技術(shù)；路線⑥是以朗澤為首的微生物發(fā)酵制燃料乙醇技術(shù)。

由于工業(yè)乙醇不能進(jìn)入車用燃油系統(tǒng)，其銷售價(jià)格遵循市場(chǎng)價(jià)，而燃料乙醇受國(guó)家政策調(diào)控，其價(jià)格為汽油出廠價(jià)的91.1%，相比工業(yè)乙醇具有較高且穩(wěn)定的價(jià)格。本文重點(diǎn)研究微生物發(fā)酵法燃料乙醇的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

微生物發(fā)酵法分為生物質(zhì)微生物發(fā)酵法和工業(yè)合成氣微生物發(fā)酵法，由于生物質(zhì)微生物發(fā)酵法與化工產(chǎn)業(yè)沒有關(guān)聯(lián)性，本文也不做相關(guān)的研究，僅研究工業(yè)合成氣或尾氣微生物發(fā)酵制燃料乙醇。國(guó)內(nèi)推廣微生物發(fā)酵制燃料乙醇技術(shù)的有3家，分別是美國(guó)塞納達(dá)生物乙醇、首鋼朗澤和巨鵬生物科技。

汪洪濤[5]介紹了一種鋼鐵尾氣微生物發(fā)酵法制取燃料乙醇的新工藝。該技術(shù)來源于首鋼朗澤。吳志連[6]等系統(tǒng)地對(duì)該技術(shù)的工藝特點(diǎn)和商業(yè)化進(jìn)程進(jìn)行了介紹，該技術(shù)適合富CO原料氣，國(guó)內(nèi)曹妃甸4.5萬t/a燃料乙醇項(xiàng)目在運(yùn)行，并已通過政府核準(zhǔn)進(jìn)入燃料乙醇市場(chǎng)，鞍鋼、寧夏元吉等鋼鐵尾氣4.5萬t/a燃料乙醇項(xiàng)目在規(guī)劃建設(shè)中。

山西潞安化工與巨鵬合作規(guī)劃的20萬t/a燃料乙醇，一期建設(shè)2萬t/a工業(yè)尾氣制燃料乙醇示范項(xiàng)目進(jìn)入安裝掃尾工作，計(jì)劃2020年11月調(diào)試運(yùn)行。該技術(shù)來源于巨鵬生物，巨鵬公司的前身英力士生物(Ineos Bio)成立于2007年。英力士生物收購(gòu)了美國(guó)最早研究合成氣發(fā)酵法制乙醇的BRI公司，并只專注于利用生物質(zhì)及城市垃圾等可再生資源制合成氣并轉(zhuǎn)化為乙醇，該工廠利用城市垃圾為主要原料，在美國(guó)建有年產(chǎn)乙醇24 000 t以及6 MW的可再生電力。巨鵬于2017年收購(gòu)了這項(xiàng)技術(shù)，并在中國(guó)進(jìn)行推廣。

塞納達(dá)生物的前身是科斯科達(dá)公司(Coskata)，成立于2006年，與朗澤和英力士生物(巨鵬公司的前身)一起成為世界上最早致力于工業(yè)尾氣生物發(fā)酵法制乙醇的前驅(qū)，并發(fā)展至今。塞納達(dá)在長(zhǎng)達(dá)13 a的技術(shù)研發(fā)與過程示范中形成了獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在美國(guó)賓夕法尼亞州麥迪遜市建設(shè)并成功運(yùn)行了世界上第一個(gè)工業(yè)尾氣生物發(fā)酵法制乙醇的中試示范工廠(100 t/a)。該示范項(xiàng)目成功地證明了工業(yè)尾氣發(fā)酵技術(shù)的可靠性，為大規(guī)模商業(yè)化工廠的設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

以上3種技術(shù)均屬于微生物發(fā)酵技術(shù)，將預(yù)處理后的合成氣或工業(yè)尾氣送入各自獨(dú)有發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵醪液送至蒸餾系統(tǒng)，生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的乙醇，再經(jīng)過分子篩深度脫水制得無水乙醇。由于此工藝常溫低壓、流程短、選擇性高、轉(zhuǎn)化率高、成本最低，因此，被國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)關(guān)注。

4 塞納達(dá)技術(shù)路線考察

4.1 技術(shù)條件

通過對(duì)上述3種技術(shù)路線的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，3種技術(shù)還是存在較大差異。郎澤微生物發(fā)酵法制乙醇適合低溫低壓，需無菌環(huán)境，高CO低H2環(huán)境，比較適合煉鋼尾氣及粉煤加壓氣化所得的煤氣；巨鵬技術(shù)低溫低壓，不需無菌環(huán)境，對(duì)合成氣組分變化具有高寬容性，水中取氫(細(xì)菌法水/氣變換)，尤其適合富一氧化碳?xì)怏w的合成氣；塞納達(dá)微生物發(fā)酵制乙醇適合低溫低壓，需無菌環(huán)境，合成氣組分要求H2/CO體積比為1.5～3.0，對(duì)合成氣組分變化具有高寬容性，菌種能夠攝取更高的氫氣量和總體合成氣的產(chǎn)品產(chǎn)率，它非常適合于利用煤或天然氣氣化產(chǎn)生的合成氣原料，與甲醇合成氣組成接近，更接近合成氨甲醇企業(yè)的合成條件，在產(chǎn)品轉(zhuǎn)型上具有較大的優(yōu)勢(shì)。

塞納達(dá)的核心技術(shù)是采用獨(dú)特新型菌種，穩(wěn)定強(qiáng)健，環(huán)境耐受能力強(qiáng)，生命周期長(zhǎng)，鼓泡式發(fā)酵罐可調(diào)(最大可放大到40 kt/a)，容易操作和維護(hù)。朗澤的核心技術(shù)是專利菌種，穩(wěn)定高效，公共領(lǐng)域中獲得，比較普通，普通的氣升式反應(yīng)罐需要大流量反應(yīng)液循環(huán)，能耗較高，發(fā)酵罐目前只能做到15 kt/a，限制了反應(yīng)器的規(guī)?；瘮U(kuò)大，巨鵬目前沒有公開數(shù)據(jù)。

4.2 原料氣來源

與巨鵬和朗澤技術(shù)對(duì)原料氣的氫含量要求相比，塞納達(dá)技術(shù)對(duì)氫含量相對(duì)較高的工業(yè)合成氣(CO+H2，又稱有效氣)適應(yīng)性較強(qiáng)，其中H2和CO的一次轉(zhuǎn)化率分別是95%和99%，噸乙醇耗標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)有效氣量約3 500 m3；采用UGI氣化的傳統(tǒng)合成氨企業(yè)以空氣和蒸汽為氣化劑生產(chǎn)半水煤氣，經(jīng)半脫后和變脫后的凈化氣或氨合成的富氫馳放氣為原料，其組成如表3。不需大規(guī)模技術(shù)改造只需將上述氣體各抽取部分氣量即可調(diào)制成H2/CO 體積比至2，比較容易滿足塞納達(dá)生物發(fā)酵制乙醇的原料氣要求(見表4)。以50 000 t/a乙醇規(guī)模為例，年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，需標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水煤氣約為23 015 m3/h，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)凈化氣約8 680 m3/h，每小時(shí)可生產(chǎn)6.25 t理想產(chǎn)品，(注CO2含量約5%，N2含量約11%)。

表3 半水煤氣成分

表4 塞納達(dá)微生物發(fā)酵制乙醇原料氣成分

4.3 投資與成本

由于傳統(tǒng)合成氨企業(yè)大多是小于30萬t/a氨規(guī)模，煤氣量和馳放氣量有限，產(chǎn)品轉(zhuǎn)型較靈活，可以根據(jù)市場(chǎng)需求合理調(diào)整聯(lián)醇(甲醇、乙醇)和液氨規(guī)模。以塞納達(dá)生物發(fā)酵法5萬t/a乙醇為例，項(xiàng)目占地面積約7 000 m2，投資約3.5億元。原料氣0.6元/ m3，乙醇原料成本約2 120元/t[7]；采用首鋼朗澤的技術(shù)4.5萬t/a(模塊化規(guī)模)，占地約60 000 m2投資約3.8億元，原料氣0.235元/m3，原料成本約1 880元/t[8]；采用巨鵬技術(shù)在潞安集團(tuán)在建2萬t/a的示范裝置，目前投資約1.9億元。

4.4 經(jīng)濟(jì)分析

目前采用UGI氣化技術(shù)的中小合成氨企業(yè)，其噸氨的完全成本約為2 165元，成本組成如圖2所示，每噸液氨消耗H21 960 m3，液氨平均售價(jià)2 800元/t，則H2利潤(rùn)約為0.33元/m3。

圖2 UGI技術(shù)的噸氨成本(元/t)

根據(jù)塞納達(dá)—晉煤集團(tuán)50 000 t/a微生物發(fā)酵法制燃料乙醇可行性研究報(bào)告數(shù)據(jù)，每噸燃料乙醇的完全成本約4 400元，其中原料氣成本占64%(煤氣0.8元/m3)，每噸乙醇消耗(CO+H2)3 500 m3，燃料乙醇平均售價(jià)6 500元/t，則每立方(CO+H2)氣利潤(rùn)約為0.60元，即比生產(chǎn)合成氨增值0.27元/m3。

5 結(jié) 論

在國(guó)家積極推廣E10乙醇汽油政策的利好環(huán)境下，通過對(duì)三種不同微生物發(fā)酵法制乙醇技術(shù)的研究分析，選擇塞納達(dá)微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)燃料乙醇，對(duì)UGI為氣頭的傳統(tǒng)合成氨過剩產(chǎn)能進(jìn)行改產(chǎn)或聯(lián)產(chǎn)燃料乙醇具有較好的耦合性。傳統(tǒng)合成氨企業(yè)在氣化工段不做改動(dòng)的情況下，根據(jù)液氨和聯(lián)醇(甲醇、乙醇)的市場(chǎng)需求，按一定比例抽取半脫氣和凈化氣進(jìn)行混合，以微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)燃料乙醇每立方米有效氣可增值0.27元，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。通過氨醇比可調(diào)，可以提高傳統(tǒng)合成氨企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和生存力，對(duì)處于盈虧邊緣的傳統(tǒng)合成氨企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)或扭虧脫困具有一定的指導(dǎo)作用。