煤基乙二醇聯產聚乙醇酸工藝技術及經濟效益分析

惠櫻花 許 珂 王 佳 華陸

工程科技有限責任公司 西安 710065

煤基乙二醇聯產聚乙醇酸工藝技術及經濟效益分析

惠櫻花*許 珂 王 佳 華陸

工程科技有限責任公司 西安 710065

針對國內乙二醇企業同質化日趨嚴重，“白色污染”逐漸加深的兩個問題，提出新型可降解材料聚乙醇酸(PGA)這一方向。本文從聚乙醇酸的性能、市場、煤制乙二醇聯產聚乙醇酸的工藝方案及經濟性闡述了聚乙醇酸作為一種新型的可降解材料，不僅從性能和成本遠優于目前市場上的各類可降解材料，還可以提高煤制乙二醇企業的經濟效益，具有極好的發展前景。

聚乙醇酸 煤制乙二醇 可降解材料 聯產方案 經濟性

“十二五”期間，隨著煤制乙二醇技術獲得重大突破，國內乙二醇裝置建設加速。到2015年底，國內乙二醇生產能力已達到780萬噸/年，共有32家生產企業，其中采用煤氣化間接制乙二醇的工藝技術占全部產能的43.75%，乙二醇市場已經呈現需求增長緩慢的局面。根據相關資料統計，“十三五”期間還將有350萬噸/年的煤基乙二醇產能釋放。屆時，煤制乙二醇裝置同質化現象嚴重，將出現產能過剩的局面。隨著國際原油價格低位徘徊，乙二醇市場價格已從2011年9月份的10170元/噸的高點持續下降，2016年以來一直在5000元/噸～5500元/噸區間波動。未來，在經濟“新常態”下煤基乙二醇企業如何尋求新的利潤增長點是一個值得思考的問題。

面對日益嚴重的白色污染問題，世界各國對可降解塑料產業的發展十分重視。國家發改委、工信部均大力鼓勵可降解塑料產業的發展，吉林、海南三亞也已實行了嚴格的“禁塑令”。市場上主流的可降解材料主要有聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸/己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚碳酸亞丙酯(PPC)、聚ε-己內酯(PCL)等，但因其制造成本昂貴，市場價格大多在2～3萬元/噸，市場推廣難度較大。面對此類嚴峻問題，如何尋求一種新型低成本的可降解材料已經成為擺在行業面前的一大課題。

在現有化工技術條件下，聚乙醇酸是已知的一種單元碳數最少，具有可完全分解的酯結構，降解速度最快的脂肪族聚酯類高分子材料,還可以通過乙二醇裝置聯產乙醇酸甲酯再進行聚合生成。聚乙醇酸作為一種新型環保可降解材料已受到國家政策的鼓勵和支持。

下面就聚乙醇酸的性能、工藝生產技術、煤基乙二醇聯產聚乙醇酸(PGA)的工藝方案和經濟效益進行介紹。

1 聚乙醇酸概述

聚乙醇酸(PGA)，也稱聚乙交酯，又稱聚羥基乙酸，是最簡單的線性脂肪族聚酯。該材料不僅具有簡單規整的線性分子結構，主鏈上還具有可完全分解酯基化學基團，是一種高結晶、可生物降解的脂肪族聚合物，具有良好生物降解性和生物相容性，同時具有較高的機械強度、優異的可成型性以及卓越的氣體阻隔性。

聚乙醇酸作為一種簡單并且可商品化的可降解材料，可應用于包裝材料、農用薄膜、一次性餐具、手術縫合線等多方面。在包裝材料方面：現有包裝材料多為PE、PP和PET等材料，根據具體用途，其中30%可使用全降解材料替代，即有210萬噸市場需求；在農用薄膜方面：現有農膜多使用PE膜，部分使用PBS可降解膜，全部替代為PGA，則有180萬噸市場需求；在日用雜品：一次性塑料餐具、塑料制品大部分難以收集或不宜回收利用，現有材料多為PS、PE、PP和小部分PLA，該部分可全部由PGA替代，有170萬噸市場需求；在醫療行業，高端市場，則有10萬噸市場需求，單價高，利潤空間大。據不完全統計聚乙醇酸作為可降解材料其市場潛在容量約有600萬噸。

目前國內商業化的PGA產品主要來源于進口，價格昂貴且產量較小。以國內豐富的煤炭資源為原料，經過草酸二甲酯加氫生產乙醇酸甲酯為中間產品制得PGA的技術國內已經研發成功，通過這一技術可大幅降低PGA的生產成本。

2 PGA的生產工藝技術簡介

PGA主要通過乙醇酸(酯)、乙交酯等原料在催化劑作用下縮聚而得。目前，PGA最具有工業價值的制備技術是乙醇酸(酯)的縮合聚合法和乙交酯的開環聚合法[1]：

2.1 乙醇酸(酯)直接縮聚法

羥基脂肪酸(酯)直接加熱縮聚是制備羥基酸聚合物最簡單的方法，乙醇酸(酯)經加熱脫水(脫醇)，直接生成PGA，此種方法生成的乙醇酸酯一般只能得到相對分子質量為幾十至幾千的低聚PGA。

2.2 乙交酯開環聚合法

開環聚合法是制備聚羥基脂肪酸最為成熟的方法，可用乙交酯開環聚合制備聚乙醇酸。此種方法較為成熟，可獲得較高相對分子質量的聚乙醇酸產品。而乙交酯是開環聚合法的重要單體，其純度直接關系到聚乙醇酸的性能。

目前，國內外制備乙交酯合成法主要是以乙醇酸和鹵代乙酸為原料[2]。乙醇酸甲酯是合成乙交酯、聚乙醇酸的一種新原料，源起國內煤制乙二醇技術及裝置產能的優勢，由煤基合成氣經草酸二甲酯選擇性催化加氫制乙醇酸甲酯是一種技術性和經濟性較好的潛在綠色化工路線，開發低成本的乙醇酸甲酯制備單體乙交酯開環聚合生成聚乙醇酸是一種趨勢。

目前，國內煤制乙醇酸已實現萬噸級生產規模，標志著我國煤基PGA也由實驗室階段向工業化應用邁進，為PGA工業化規模生產奠定了堅實基礎。

3 煤基乙二醇聯產PGA的工藝方案

3.1 聯產方案

以30萬噸/年煤制乙二醇裝置為例，配置如下：

氣化單元：2臺干粉氣化爐。

酯化單元：單系列10萬噸/年，共3系列。

羰化單元：單系列10萬噸/年，共3系列。

草酸二甲酯加氫單元：單系列10萬噸/年，共3系列。

乙二醇精制單元：單系列15萬噸/年，共2系列。

煤制乙二醇聯產PGA裝置(以下簡稱聯產方案)，即在煤制乙二醇裝置基礎之上增加乙醇酸甲酯精制裝置、聚乙醇酸(PGA)聚合裝置。

具體聯產方案(見圖1)：在煤制乙二醇裝置的基礎之上，其余工段無需改變，只需將3系列中的草酸二甲酯加氫反應器調節為2個系列反應器生產乙二醇，1個系列反應器生成乙醇酸甲酯。通過對1系列草酸二甲酯加氫反應器改變加氫催化劑，通入過量的氫氣，可實現草酸二甲酯加氫產品由乙二醇改為乙醇酸甲酯，再新增乙醇酸甲酯精制塔和PGA裝置，最終實現PGA產品的產出。

圖1 煤基乙二醇聯產PGA的工藝方案

3.2 工藝流程

草酸二甲酯與氫氣在催化劑的作用下生成乙醇酸甲酯，乙醇酸甲酯經精制之后與催化劑按比例混合，在一定溫度和壓力下脫醇生成乙醇酸甲酯低聚物。乙醇酸低聚物經解聚反應，生成粗乙交酯。粗乙交酯經精制提純后，開環聚合，得到高分子量的PGA聚合物。

4 煤基乙二醇聯產PGA經濟效益分析

30萬噸/年煤基乙二醇與30萬噸/年煤基乙二醇聯產5萬噸/年PGA項目各項指標對比見表1。

煤基乙二醇路線聯產PGA方案中PGA生產成本見表2。

從表1、表2可知：

(1)聯產5萬噸/年PGA項目比30萬噸/年乙二醇項目原料氫氣減少7030Nm3/h，折合原煤量減少8萬噸/年。

表1 煤基乙二醇與聯產PGA主要經濟方案對比

表2 煤基乙二醇聯產PGA中PGA生產成本

(2)聯產方案比乙二醇項目建設投資增大約1.56億，但收入增加明顯，年均營業收入增加了約3.85億元。稅后內部收益率從9.02%提高到了12.48%。

(3)聯產方案所生產的PGA生產成本7052元/噸，遠遠低于市場上20000～30000元/噸的其它可降解材料。

5 結 語

PGA產品屬于國家鼓勵積極發展的產品，政策優勢顯著，在降解材料推廣的關鍵時期，推出能為市場所接受的高性能材料，有利于我國綠色環保材料產業的發展。并且利用乙二醇裝置通過調節催化劑制備乙醇酸甲酯聯產PGA可以在增加少量投資的基礎上帶來利潤的大幅提升，增加乙二醇生產企業的效益。同時乙二醇聯產PGA項目產品生產成本相對較低，降低了可降解材料的市場推廣難度。總體而言，乙二醇聯產PGA的技術方案從社會效益和經濟效益考慮都具有極好的市場前景。

1 陳 群，許 平，崔愛軍. 煤基聚乙醇酸技術進展[J].化工進展，2011，30(1)：175-176.

2 孫 政，崔愛軍，姜海建. 煤制乙二醇副產乙醇酸甲酯合成乙交酯的工藝研究[J].現代化工,2014, 34(9):96.

2016-08-22)

*惠櫻花：工程師。2006年畢業于河南理工大學材料科學與工程專業。目前從事化學工程咨詢工作。聯系電話：(029)87988359， E-mail：hyh2237@chinahualueng.com。