耦合SOEC的煤制乙二醇新工藝開發(fā)與系統(tǒng)評價(jià)

楊慶春，楊慶，張金亮，高明林，梅樹美，張大偉

（1 合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 合肥 230009；2 安徽昊源化工集團(tuán)有限公司,安徽 阜陽 236023）

隨著近年來聚酯行業(yè)飛速發(fā)展，我國基礎(chǔ)化工原料乙二醇總需求量從2008 年的671 萬噸增長至2019 年的1785.20 萬噸，十年間增長幅度高達(dá)166%[1]。然而，近年來我國乙二醇自給率常年低于50%。如何基于我國富煤貧油少氣的能源稟性降低乙二醇對外依存度，對聚酯、乙二醇等重要行業(yè)的安全、穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

根據(jù)原料路線的不同，乙二醇生產(chǎn)路線主要包括以石油、甲醇或乙烷為原料的乙烯路線，以及煤、天然氣、焦?fàn)t氣為原料的合成氣路線。前者技術(shù)成熟，但存在高成本、高水耗和高能耗等缺點(diǎn)，且部分核心技術(shù)主要由國外三家公司（UC、SD和Shell公司）壟斷[2]；后者符合我國富煤貧油少氣的能源稟性，與前者相比，具有成本低、流程短和抗風(fēng)險(xiǎn)能力好等優(yōu)點(diǎn)[3]。因此，煤制乙二醇工藝被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)石油路線最具前景的技術(shù)之一。

然而，傳統(tǒng)煤制乙二醇過程存在綜合能耗高、質(zhì)能效率低和CO2排放大等問題。煤制乙二醇與可再生能源電解水制氫技術(shù)進(jìn)行耦合不僅可以實(shí)現(xiàn)組分互補(bǔ)、降低過程能耗和碳排放，也可促進(jìn)可再生資源就地消納利用，緩解我國解決棄水、棄光、棄風(fēng)的問題[4]。與傳統(tǒng)的堿水電解和質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)相比，固體氧化物電解池（solid oxide electrolysis cells,SOEC）具有最高的電解效率以及能量利用效率高、不需要貴金屬催化劑等優(yōu)點(diǎn)[5]。然而，尚未有文獻(xiàn)報(bào)道將固體氧化物電解池技術(shù)與煤制乙二醇合成工藝進(jìn)行耦合與分析。因此，本文基于煤制乙二醇和固體氧化物電解池技術(shù)特性，探索開發(fā)了一種耦合固體氧化物電解池的煤制乙二醇（coal-to-ethylene glycol process coupled with solid oxide electrolytic cells, SO-CtEG）新工藝，以期為我國煤化工行業(yè)低碳高效發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 煤制乙二醇發(fā)展現(xiàn)狀分析

從2009 年第一套煤制乙二醇項(xiàng)目在內(nèi)蒙古通遼成功運(yùn)行，到現(xiàn)在已有20 余套。截止2019 年底，我國煤制乙二醇產(chǎn)能已達(dá)491 萬噸/年，占國內(nèi)乙二醇總產(chǎn)能的42%[6]。隨著煤制乙二醇技術(shù)日益成熟以及產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升（如新疆天業(yè)煤制乙二醇項(xiàng)目成功產(chǎn)出聚酯級乙二醇產(chǎn)品，可滿足聚酯行業(yè)對乙二醇指標(biāo)的最高要求），勢必有效降低我國乙二醇對外依存度。

煤制乙二醇（coal to ethylene glycol, CtEG）過程主要包括煤氣化、水煤氣變換、酸性氣體脫除、H2/CO分離、草酸二甲酯合成、乙二醇合成與乙二醇精制等單元，如圖1所示。煤與來自空分單元的氧氣在煤氣化單元發(fā)生系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，得到氫碳比小于1.0 的粗合成氣。為了符合乙二醇合成的需要，部分合成氣進(jìn)入水煤氣變換單元增加其氫氣含量。合成氣再經(jīng)酸性氣體脫除單元脫除CO2、H2S等雜質(zhì)后，進(jìn)入H2/CO分離單元實(shí)現(xiàn)高純度的H2和CO分離；再經(jīng)草酸二甲酯、乙二醇合成和乙二醇精制等單元，最終可生產(chǎn)得到高純度的乙二醇產(chǎn)品[7]。

圖1 煤制乙二醇工藝流程

由圖1可知，由于原料煤富碳的屬性，導(dǎo)致氣化得到的合成氣的氫碳比遠(yuǎn)不能滿足合成乙二醇的需要。所以需要犧牲大量寶貴的CO 氣體用于水煤氣變換單元。然而，變換過程中產(chǎn)生大量的CO2卻無法在系統(tǒng)中循環(huán)利用，最終將作為廢氣排放污染環(huán)境[8-9]。除此之外，經(jīng)過水煤氣變換單元后，合成氣中的CO2含量大幅度增加，無疑將顯著增加酸性氣體脫除單元的處理規(guī)模及操作費(fèi)用，也將增加H2/CO分離單元得到高純度H2和CO的難度。因此，有學(xué)者提出在考慮碳稅后，煤制乙二醇工藝的成本優(yōu)勢將不復(fù)存在[10-11]。

以水為氫源的電解水制氫技術(shù)由于其制備過程和產(chǎn)物均不排放污染物，被認(rèn)為是最清潔的制氫方法[6]。目前，電解或電解池技術(shù)主要有堿性電解池、質(zhì)子交換膜電解池以及固體氧化物電解池（solid oxide electrolysis cells，SOEC）。堿性電解池技術(shù)是最早的電解池類型，但存在嚴(yán)重腐蝕電池電極等突出缺點(diǎn)；質(zhì)子交換膜電解池需要大量的電力來運(yùn)行，從而導(dǎo)致高昂的運(yùn)行成本[12-13]。與其他技術(shù)相比，固體氧化物電解池不但具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率、更低的制氫成本和更高電解效率等優(yōu)點(diǎn)，而且可以有效降低電耗、極化電阻以及極化電位、加速電極反應(yīng)速度等[14-15]。因此，通過SOEC 電解水制氫被認(rèn)為是一種適應(yīng)未來大規(guī)模可再生能源轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存、生產(chǎn)氫氣與減少CO2排放的有效途徑[16]。

例如，Zhang等[17]提出了SOEC系統(tǒng)輔助生物質(zhì)制甲醇新型工藝，并將傳統(tǒng)的生物質(zhì)制甲醇工藝與創(chuàng)新工藝進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)工藝相比，新工藝的能效提高了11.15%。此外，他們還在生物質(zhì)氣化基礎(chǔ)之上集成SOEC 用于生產(chǎn)合成氨[18]和液體燃料[19]。Cinti 等[20]提出了一種基于氣化爐和加壓SOEC 電解制天然氣的集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)合成天然氣。Ali 等[21]提出了一種將生物質(zhì)氣化和固體氧化物電解池系統(tǒng)相結(jié)合制甲醇的新型工藝，并對不同的重整方法（如蒸汽重整、自熱重整以及部分氧化重整）進(jìn)行了熱力學(xué)分析。結(jié)果表明，這種組合系統(tǒng)具有雙重優(yōu)勢，不僅可利用可再生能源，還可提高生物質(zhì)單化工過程的能效，是大規(guī)模長期儲(chǔ)能的理想選擇。Giglio 等[22]提出了一種集成SOEC和甲烷化技術(shù)合成天然氣的新工藝，并對其進(jìn)行建模和經(jīng)濟(jì)分析。結(jié)果表明，由于SOEC 所需的活性面積較小且運(yùn)行費(fèi)用較低，故該新工藝具有較低的投資費(fèi)用和生產(chǎn)成本。此外，由于SOEC具有較高的系統(tǒng)效率，該研究建議使用可再生電力將水作為原料輸入轉(zhuǎn)化為所需的化學(xué)品或者燃料。然而，尚未有文獻(xiàn)將固體氧化電解池技術(shù)與煤制乙二醇過程進(jìn)行耦合及評價(jià)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。

針對傳統(tǒng)CtEG 技術(shù)的不足，本文提出一種耦合固體氧化物電解池的煤制乙二醇新工藝（coalto-ethylene glycol process coupled with solid oxide electrolytic cells, SO-CtEG）。與傳統(tǒng)煤制乙二醇過程相比，SO-CtEG過程有以下突出優(yōu)點(diǎn)：①通過耦合高效、低成本、環(huán)境友好的固體氧化物電解池電解水制氫，可以有效提高合成氣的氫碳比，從而省去水煤氣變換單元，顯著降低CO2排放；②耦合SOEC單元副產(chǎn)的O2可以作為煤氣化的氣化劑，進(jìn)而省去空分單元；③由于不需要水煤氣變換單元，酸性氣體脫除單元的處理規(guī)模將顯著下降；④由于減少了水煤氣變化、空分單元以及顯著降低了酸性氣體脫除單元的處理規(guī)模，所以SO-CtEG過程的投資、生產(chǎn)成本將明顯下降，即有更好的經(jīng)濟(jì)性能；⑤可以集成太陽能、風(fēng)能等可再生能源作為SOEC單元的電力來源，可以有效緩解我國煤化工基地周邊“棄電”現(xiàn)象。

2 SO-CtEG工藝過程描述與模擬

針對傳統(tǒng)煤制乙二醇工藝的缺點(diǎn)，SO-CtEG創(chuàng)新工藝的流程如圖2所示。與傳統(tǒng)煤制乙二醇不同，SO-CtEG 過程不需要水煤氣變換單元和空分單元，新增了固體氧化物電解池單元；煤氣化的O2不再由空分單元提供而是由SOEC單元提供；乙二醇單元的氫源有一部分還是由H2/CO 分離得到，另一部分則由SOEC單元提供。

圖2 耦合固體氧化物電解池的煤制乙二醇新工藝流程

為了得到SO-CtEG 過程物料與能量平衡數(shù)據(jù)，本文采用大型流程模擬軟件Aspen Plus對該工藝進(jìn)行了全流程的建模與模擬。由于SO-CtEG 過程除了固體氧化物電解池單元之外，其他單元基本上與傳統(tǒng)煤制乙二醇過程相似。本文重點(diǎn)闡述對新耦合的固體氧化物電解池單元的建模與模擬過程。其他單元的建模與模擬過程可參考本文作者以前的研究工作[2,7,23]。

固態(tài)氧化物電解池的原理示意圖如圖3(a)所示。蒸汽通入到多孔陰極，在通電的條件下逐漸移動(dòng)至陰極-電解質(zhì)界面，并被還原形成H2和O2-。氫氣通過陰極擴(kuò)散回去并作為后續(xù)乙二醇合成單元的氫源；而O2-則通過電解質(zhì)遷移到陽極。在電解質(zhì)-陽極界面處，氧離子被氧化形成氧氣用于后續(xù)的煤氣化單元。

為了防止鎳在陰極上氧化，通常需要控制SOEC入口氣體的H2含量保持在10%左右[24]。因此，模擬過程中，水蒸氣在預(yù)熱至反應(yīng)溫度后，首先與循環(huán)的氫氣混合再進(jìn)入陰極如圖3(b)所示。采用RStoic模型模擬水蒸氣在特定反應(yīng)溫度下的電化學(xué)反應(yīng)[25-26]。通過一個(gè)Sep 模塊模擬電解質(zhì)分離陰陽兩極的氫氣和氧氣產(chǎn)品。陰極產(chǎn)物H2經(jīng)過FSplit模型分成兩部分：一部分作為后續(xù)乙二醇合成的氫源；另一部分作為循環(huán)氣。通過設(shè)計(jì)規(guī)定調(diào)整循環(huán)氫氣（物流13）的分率，滿足入口氣體（物流5）中的H2含量為10%。陽極產(chǎn)物O2則通過引入吹掃氣將其完全滲透到陽極通道。此外，吹掃氣還被用于模擬陰極和陽極之間傳遞熱量的加熱介質(zhì)。吹掃氣在一個(gè)Heater模塊中被加熱到陰極溫度，然后在離開陽極之前在Mixer 模塊中與氧氣混合[27]。回收熱量后的氧氣則可作為后續(xù)煤氣化的氣化劑。

圖3 SOEC單元原理示意圖和流程模擬示意圖

SOEC 所需的電能通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，并使用FORTRAN 語言在Aspen Plus 中的計(jì)算器（calculator）工具中進(jìn)行編程，具體輸入?yún)?shù)如表1所示。由于極化現(xiàn)象導(dǎo)致SOEC實(shí)際工作電壓比電解水理論分壓高，進(jìn)而有部分電能轉(zhuǎn)化成了熱損失，所以SOEC 實(shí)際工作電壓包括標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢（Er）、歐姆過電勢（Uohm）、活化過電勢（Uact）和濃差過電勢（Ucon）[14]，可表示為式(1)。

表1 電解池操作參數(shù)和輸入?yún)?shù)

考慮氣體分壓時(shí)，根據(jù)能斯特方程可知SOEC的平衡電壓為式(2)[14]。

式中，R是氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T是電池溫度，K；F是法拉第常數(shù)，C/mol；PH2、PO2和PH2O分別是氫氣、氧氣和水蒸氣分壓，kPa。

由于電解池內(nèi)阻的存在，導(dǎo)致產(chǎn)生歐姆極化，可表示為式(4)[28]。

式中，J為電流密度，A/m2；L為電解質(zhì)厚度，m。

活化過電勢（Uact）是指克服反應(yīng)活化能的過電壓，可根據(jù)Butler-Volmer式[式(5)]進(jìn)行計(jì)算[28]。

式中，J0,i是陰極（i=c）和陽極（i=a）的交換電流密度，A/m2，可根據(jù)式(6)計(jì)算。

式中，γi和Eact是陰極和陽極的指數(shù)前因子和活化能。濃差過電勢（Ucon）由電極和電解質(zhì)之間的傳質(zhì)阻力引起，陰極由式(7)計(jì)算，陽極由式(8)計(jì)算[14]。

基于指定利用因子（Uf）的理論電流（I）可以根據(jù)式(9)進(jìn)行計(jì)算。電流密度則根據(jù)電流和電池面積（A）進(jìn)行計(jì)算，如式(10)。根據(jù)電流和實(shí)際工作電壓則可以計(jì)算得到SOEC 所需的電功率（W），如式(11)所示[14]。

SOEC 操作所需的總能量（QT）包括電能和熱能。隨著所提供的電能減少，則應(yīng)增加所提供的熱能以維持總能量平衡。SOEC 運(yùn)行所需的凈熱能可通過式(12)計(jì)算。SOEC 的能量平衡如式(13)所示。因此，當(dāng)認(rèn)為熱損失可以忽略不計(jì)時(shí)，則將能量平衡方程式推導(dǎo)為式(14)[14]。

式中，Qr是反應(yīng)所需的熱量，W；Qovp是過電勢熱量，W；Qswg是吹掃氣熱量，W；QE是外部熱量，W；Qloss是能量損耗，W。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法與評價(jià)模型

3.1 技術(shù)分析方法與模型

在技術(shù)性能方面，主要分析了CtEG 和SOCtEG 工藝的?效率和碳元素利用效率。為了便于比較，本文假設(shè)兩種工藝的生產(chǎn)規(guī)模統(tǒng)一為年產(chǎn)60萬噸乙二醇。

3.1.1 碳元素利用效率模型

碳元素利用效率（ηC）指的是產(chǎn)品輸出和過程總投入的碳元素之比，如式(15)所示[29]。

3.1.2 ?效率模型

本文選用?效率考察了CtEG 和SO-CtEG 過程的熱力學(xué)性能，以期識(shí)別其用能瓶頸。?效率（φ）可定義為產(chǎn)品?（Exprd）與輸入?（Exin）之比，如式(16)所示[15]。其中，輸入?指原料?與?損總和，如式(17)所示。由于原料煤組分較復(fù)雜，所以其化學(xué)?（Excoal）依據(jù)其低位熱值和元素組成進(jìn)行計(jì)算，如式(18)所示[6]。

式中，m為原料煤質(zhì)量流率，kg/·s；Qnet為煤低位發(fā)熱量，kJ/kg；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?jǐn)?shù)；Exin，Exprd和Exdes分別為輸入?、產(chǎn)品?與?損。

3.2 經(jīng)濟(jì)分析方法與模型

為比較CtEG、SO-CtEG 工藝的經(jīng)濟(jì)效益和競爭力，本文主要分析對比了它們的總投資、平均生產(chǎn)成本和內(nèi)部收益率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3.2.1 總投資

總投資（total capital investment, TCI）主要包括固定投資（fixed capital investment, FCI）和流動(dòng)資金（working cost,WC），其中固定投資主要包括設(shè)備成本（equipment cost,EC）、施工階段的設(shè)備安裝維修和廠房建筑等直接投資成本以及工廠建設(shè)承包等間接投資成本。通?？刹捎觅M(fèi)用系數(shù)法估算擬建項(xiàng)目的設(shè)備投資，如式(19)，其他投資費(fèi)用采用系數(shù)比例法進(jìn)行估算[30]。因此，固定投資和總投資可分別由式(20)和式(21)進(jìn)行估算[31]。

式中，θ為區(qū)域因子；sf為規(guī)模指數(shù)；Q和I為擬建項(xiàng)目生產(chǎn)能力和投資；Qref和Iref為已建項(xiàng)目生產(chǎn)能力和投資；TCI是總投資；Feco,i,j是比例因子。

3.2.2 平均生產(chǎn)成本

總生產(chǎn)成本是指直接運(yùn)營成本和間接運(yùn)營成本的總和，且將銷售的副產(chǎn)品作為收入。其中直接運(yùn)營成本包括原材料和公用工程成本，而間接運(yùn)營成本包括工廠運(yùn)營所需的維修、員工、稅金以及管理費(fèi)用等。平均生產(chǎn)成本（levelized production cost,LPC）指的是總成本除以產(chǎn)品產(chǎn)量，如式(22)。

式中，CICP、CO&M、CU、CD、Cfeedstock和Cby-prorev分別指工廠安裝成本、運(yùn)行和維護(hù)成本、折舊費(fèi)、公用工程成本、原料成本和副產(chǎn)品所獲得的收入；PEG是指乙二醇年產(chǎn)量。

3.2.3 內(nèi)部收益率

內(nèi)部收益率（internal rate of return,IRR）是指可使投資收益流的累計(jì)凈現(xiàn)值為零的折現(xiàn)率，如式(23)所示。它代表了項(xiàng)目的盈利能力，即該指標(biāo)越大，盈利能力越大。

式中，NCFi指項(xiàng)目在第i年時(shí)的年凈現(xiàn)金流量，i=1,2,3,···,n；i是指計(jì)算期限的年份。

4 耦合固體氧化物電解池的煤制乙二醇過程系統(tǒng)分析

基于本文所建的模型，首先分析了關(guān)鍵參數(shù)對SOEC 單元性能的影響；然后，采用?效率和碳元素利用效率等指標(biāo)分析比較了CtEG 和SO-CtEG 過程的技術(shù)性能；再采用總投資、平均生產(chǎn)成本和內(nèi)部收益率分析比較了新舊過程經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)劣勢。最后，分析了原料和產(chǎn)品價(jià)格對SO-CtEG 過程競爭力的影響。

4.1 電流密度與溫度對電池總電勢的影響

電流密度與操作溫度對SOEC性能發(fā)揮著重要作用。在恒定的操作溫度下，通過改變電流密度分析電流密度對SOEC性能的影響，如圖4所示。電池電壓都隨電流密度的增大而增大，表明SOEC需消耗更多的電能。由于電流密度和所需的電能有關(guān)，所以工作電流密度的選擇應(yīng)考慮電能的成本、電池的數(shù)量以及所需氫氣的量。為研究操作溫度對電池總電勢的影響，在600～1000℃范圍內(nèi)改變操作溫度，從圖4可以看出，隨著溫度的升高，電池總電勢逐漸降低。這是因?yàn)椴僮鳒囟壬?，電解液的電化學(xué)反應(yīng)速率和氧離子電導(dǎo)率提高，導(dǎo)致活化極化電壓和歐姆極化電壓降低。雖然蒸汽的有效擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增大，從而導(dǎo)致濃度極化電壓增加，但是由于歐姆極化電壓遠(yuǎn)高于其他極化電壓，因此操作溫度對總電勢的影響和歐姆極化電壓呈相同趨勢。

圖4 電流密度和溫度對SOEC性能的影響

4.2 技術(shù)性能分析

4.2.1 碳元素利用效率

根據(jù)建模與模擬結(jié)果，當(dāng)CtEG和SO-CtEG過程的生產(chǎn)規(guī)模統(tǒng)一為年產(chǎn)60 萬噸乙二醇時(shí)，CtEG 和SO-CtEG過程產(chǎn)品中所含碳元素皆為2419.35kmol/h。與傳統(tǒng)的CtEG 工藝相比，SO-CtEG 工藝原煤進(jìn)料量從273.96t/h降低到110.04t/h，導(dǎo)致其輸入的碳元素分別由10764kmol/h 下降至4978kmol/h。因此，SO-CtEG 過程的碳元素利用效率從22.48%提升至48.61%，見圖5。這主要是由于SO-CtEG過程集成SOEC 技術(shù)制氫，避免了約一半的合成氣用于變換，有效減少了CO2排放量，從而使得新過程具有更好的資源利用效率。

圖5 CtEG和SO-CtEG過程碳元素利用效率

4.2.2 ?效率

根據(jù)上述提到的模型方法對CtEG 和SO-CtEG過程進(jìn)行了?分析。與傳統(tǒng)的CtEG工藝相比，SOCtEG工藝將原煤進(jìn)料量從273.96t/h降低到110.04t/h，原料煤的?輸入從1111.8MW降至514.1MW，如表2所示。盡管SO-CtEG工藝避免了空分單元和水煤氣變換單元，以及減小了酸性氣體脫除單元的處理規(guī)模，使得這些單元公用工程輸入的?顯著降低，但SO-CtEG 工藝中SOEC 系統(tǒng)需要大量電力和蒸汽，使得SO-CtEG工藝的公用工程消耗從211.2MW增加到了377.7MW。因此，SO-CtEG 工藝總?輸入從1323MW 降低到891.78MW，使得SO-CtEG 工藝?效率從30.68%提高至45.50%。

表2 CtEG 和SO-CtEG 工藝過程的?分析

4.3 經(jīng)濟(jì)性能

4.3.1 總投資對比分析

相比于傳統(tǒng)CtEG工藝，SO-CtEG工藝避免了空分單元和水煤氣變換單元，增加了SOEC系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)（PV）以及電源轉(zhuǎn)換器（PC）。由于SOEC系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)階段，沒有市場價(jià)格。本研究假設(shè)SOEC單個(gè)電解池的購買價(jià)格為13000元[32]，其使用壽命為48000h。預(yù)計(jì)隨著技術(shù)的成熟和規(guī)?；a(chǎn)，價(jià)格會(huì)有較大的下降。PC 轉(zhuǎn)換器是將光伏系統(tǒng)通過電網(wǎng)的交流電源轉(zhuǎn)換為電解槽反應(yīng)輸入的直流電源，其成本估計(jì)為533 元/kW[32]。太陽能光伏系統(tǒng)的成本取決于組件的單位成本，而組件的單位成本由組件材料，即單晶硅的價(jià)格決定。單晶硅基模塊的價(jià)格是8.06 元/W，其他輔助設(shè)備和捕捉設(shè)備占PV 系統(tǒng)總成本的40%[33]。因此，光伏系統(tǒng)總成本可用式(24)計(jì)算。其他關(guān)鍵設(shè)備投資則可根據(jù)總投資估算模型中提到的式(19)進(jìn)行計(jì)算。

與傳統(tǒng)CtEG 工藝相比，SO-CtEG 工藝雖然增加了SOEC 單元，但總投資仍然從87.74 億元降至67.04 億元，如圖6 所示。這主要是由于：①SOCtEG工藝中增加的SOEC單元產(chǎn)生的氧氣可直接通入煤氣化單元，使得省去空分單元的投資費(fèi)用（約2.63×108元）；②SOEC單元產(chǎn)生的氫氣足夠用于乙二醇的合成，可省去水煤氣變換單元的投資費(fèi)用（約8.43×107元）；③原煤進(jìn)料量的減少，使得氣化裝置投資費(fèi)用與總投資的占比從36.46%降至17.29%；④由于合成氣中的CO2含量顯著下降，導(dǎo)致甲醇再生塔的規(guī)模相應(yīng)降低，使酸性氣體脫除單元的投資費(fèi)用與總投資的占比從3.59% 降至3.48%；⑤關(guān)鍵設(shè)備投資費(fèi)用的降低使得施工階段相應(yīng)設(shè)備的安裝維修和廠房建筑等直接投資費(fèi)用也隨之降低，因此導(dǎo)致總投資降低了23.71%。

圖6 CtEG和SO-CtEG過程總投資

4.3.2 平均生產(chǎn)成本對比分析

根據(jù)上述方法模型對CtEG 和SO-CtEG 工藝進(jìn)行平均生產(chǎn)成本對比分析，如圖7所示。相比于傳統(tǒng)CtEG 工藝，由于用煤量大幅度下降，所以SOCtEG 工藝原材料費(fèi)用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝。其次，SO-CtEG 工藝固定投資的降低也有效減少了新工藝的折舊費(fèi)和維檢費(fèi)，而且新工藝多余的氧氣可作為副產(chǎn)品，最終使得SO-CtEG 工藝平均生產(chǎn)成本從5377 元/噸降低到4455 元/噸。但是，根據(jù)國家能源局發(fā)布的2020 年光伏工業(yè)用電的電價(jià)[34]，計(jì)算得到兩個(gè)工藝的電力成本，發(fā)現(xiàn)由于SO-CtEG工藝消耗較多的電力，故公用工程成本高于CtEG工藝。

圖7 CtEG和SO-CtEG過程的平均生產(chǎn)成本

4.3.3 內(nèi)部收益率

根據(jù)總投資、生產(chǎn)成本和收入計(jì)算得到CtEG和SO-CtEG 工藝的內(nèi)部收益率分別為11.78%和20.63%，如圖8所示。這主要是由于SO-CtEG工藝具有較明顯的成本和投資優(yōu)勢。因此，本文提出的SO-CtEG工藝具有更好的經(jīng)濟(jì)性能和市場競爭力。

圖8 CtEG和SO-CtEG工藝內(nèi)部收益率

4.3.4 原料煤價(jià)格與乙二醇價(jià)格對CtEG 和SOCtEG過程競爭力的影響

由于經(jīng)濟(jì)效益會(huì)受到多種因素的影響，諸如原材料和產(chǎn)品市場價(jià)格影響。因此，本文研究了原煤、乙二醇價(jià)格對CtEG 和SO-CtEG 工藝內(nèi)部收益率的影響，用以考察比較兩種工藝抗市場風(fēng)險(xiǎn)能力。當(dāng)原煤價(jià)格在250～650 元/噸范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，CtEG 和SO-CtEG 工藝競爭力的影響如圖9(a)所示。當(dāng)煤價(jià)從250 元/噸升高到650 元/噸時(shí)，CtEG 和SO-CtEG 工藝內(nèi)部收益率都相應(yīng)降低。但原煤價(jià)格波動(dòng)對SO-CtEG 工藝影響較小，即使原煤價(jià)格超出市場價(jià)達(dá)到650 元/噸，該工藝過程依舊保持了較高的競爭力。這是因?yàn)橄啾扔贑tEG 工藝，SO-CtEG 工藝降低了總投資和平均生產(chǎn)成本，尤其是原料成本。本研究將IRR 基準(zhǔn)值設(shè)置為12%，圖中虛線上方代表該工藝可盈利，下方代表不具有競爭力。對于CtEG工藝，只有當(dāng)煤價(jià)低于340元/噸才具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，而當(dāng)煤價(jià)高于340 元/噸時(shí)，傳統(tǒng)CtEG 工藝的IRR 低于基準(zhǔn)值。因此，相比于CtEG工藝，SO-CtEG工藝更具競爭優(yōu)勢。

圖9 原煤價(jià)格和乙二醇價(jià)格波動(dòng)對CtEG和SO-CtEG工藝內(nèi)部收益率的影響

由于乙二醇產(chǎn)品價(jià)格的變化影響CtEG 和SOCtEG 工藝的總收入，可直接改變其經(jīng)濟(jì)效益。因此通過在5850～9100元/噸范圍內(nèi)改變乙二醇價(jià)格研究對CtEG 和SO-CtEG 工藝競爭力的影響如圖9(b)所示。隨著乙二醇產(chǎn)品價(jià)格的升高，CtEG 和SOCtEG 工藝的內(nèi)部收益率增加。當(dāng)乙二醇產(chǎn)品價(jià)格高于6370 元/噸時(shí)，SO-CtEG 工藝的內(nèi)部收益率即可高于基準(zhǔn)收益，而對于CtEG 工藝，需要當(dāng)乙二醇的價(jià)格高于8340 元/噸時(shí)才具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。因此，與CtEG 工藝相比，SO-CtEG 工藝具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和抗市場風(fēng)險(xiǎn)的能力。

5 結(jié)論與展望

基于我國富煤的能源結(jié)構(gòu)以及乙二醇自給率常年低于50%，發(fā)展煤制乙二醇具有較好的市場前景。為了有效降低該過程高碳排放的問題，立足于我國大型煤化工項(xiàng)目多處于風(fēng)、光能較豐富地區(qū)，提出了一種耦合固體氧化物電解池的煤制乙二醇新工藝（SO-CtEG）。通過對其進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并與傳統(tǒng)煤制乙二醇過程相比，得出如下結(jié)論：①在技術(shù)性能方面，SO-CtEG 過程的碳元素利用效率從22.48%提升至48.61%，?效率從30.68%提升至45.50%；②在經(jīng)濟(jì)性能方面，SOCtEG過程使得總投資從87.74億元降至67.04億元，平均生產(chǎn)成本從5377 元/噸降至4455 元/噸，內(nèi)部收益率從11.78%提升至20.63%；③SO-CtEG 新工藝具有更好的抗市場風(fēng)險(xiǎn)的能力，例如，當(dāng)煤價(jià)低于340 元/噸和乙二醇價(jià)格高于8340 元/噸時(shí)，傳統(tǒng)煤制乙二醇的內(nèi)部收益率才高于基準(zhǔn)收益，而SOCtEG 新工藝只需乙二醇價(jià)格高于6370 元/噸。因此，將固體氧化物電解池制氫技術(shù)與煤化工進(jìn)行耦合，既能提升原有系統(tǒng)的質(zhì)能效率，又能取得更佳的經(jīng)濟(jì)效益，是未來煤化工低碳高效化發(fā)展重要研究方向之一。

在今后的研究過程中，還需進(jìn)一步優(yōu)化固體氧化物電解池制氫技術(shù)的結(jié)構(gòu)以及開發(fā)新型電解質(zhì)和電極材料；探討可再生能源的配置成本和波動(dòng)特性對系統(tǒng)電力成本的影響；并借助過程系統(tǒng)工程研究方法與工具，進(jìn)一步優(yōu)化SO-CtEG 新工藝的物流、能量和水網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物流和能流緊密連接、系統(tǒng)性能綜合最優(yōu)。此外，煤制乙二醇新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用還面臨著市場、政策和技術(shù)等方面的不確定性，建議采用實(shí)物期權(quán)分析（ROA）法進(jìn)一步定量分析不確定條件下的項(xiàng)目最優(yōu)價(jià)值和對應(yīng)的投資策略。