煉油廠CO2-Urea-DMC產業鏈經濟評價

于 涵， 蔣慶哲， 宋昭崢， 袁 波

(1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 北京 102249； 2.中國石油 安全環保技術研究院， 北京 102206)

煉油廠CO2-Urea-DMC產業鏈經濟評價

于 涵1， 蔣慶哲1， 宋昭崢1， 袁 波2

(1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 北京 102249； 2.中國石油 安全環保技術研究院， 北京 102206)

隨著碳市場的逐步建立，煉油廠CO2排放問題成為煉油企業日漸沉重的負擔，將煉油廠捕集的CO2用于碳酸二甲酯化工合成在帶來減排效益的同時又可給煉油企業增加額外經濟收益。闡述了煉油廠CO2-Urea-DMC產業鏈流程；基于“0.6指數因子法”及比率估算法，建立了煉油廠CO2-Urea-DMC 工藝經濟評價體系；考察了碳酸二甲脂(DMC)產能在5×104t/a至20×104t/a的生產工藝總投資、產品成本及利潤空間等經濟指標；總結了產業鏈規模、主要費用項目占比大小及不同指數因子取值對投資及產品成本的影響。結果表明，產業鏈規模越大，單位產品成本越低，主要費用項目占比大小對各項費用的影響越大，當產能大于6×104t/a時，單位產品成本下降趨勢變小，綜合市場需求、生產現狀等因素，CO2-Urea-DMC 產業鏈規模宜在(5～8)×104t/a；DMC產能為5×104t/a工藝的總投資為6.67×108RMB(人民幣，下同)，產品成本為0.95×108RMB/a，利潤為1.55×108RMB/a，經濟效益可觀。

煉油廠； CO2利用； 碳酸二甲脂； 經濟評價

隨著全球變暖問題的日趨嚴重化，國際范圍內對于CO2排放問題的關注度也越來越高。根據國際能源機構(IEA)統計：工業CO2排放量占全球總排放的20%，其中煉油板塊CO2排放占工業總排放的5%以上[1]。截至2015年底，我國原油消耗量達到1.63×106t/d，占世界的12.9%[2]。按照原油加工排放系數0.284 t/(t原油)[3]計算，CO2排放量為0.46×106t/d。煉油行業作為高耗能高排放企業，勢必承受巨大的減排壓力。典型煉油廠CO2排放源及CO2含量[4]如表1所示，其中制氫單元的煙氣中CO2含量最高，其他單元的CO2體積分數不超過20%。目前，從煉油廠尾氣中回收CO2的方法主要有化學回收法、物理回收法和生物固定法3種[5]。對于捕集提純后的CO2氣體多用于驅油、采氣、化工合成或直接注入地下進行封存[6]。其中將CO2作為原料合成具有更高價值化工產品的路線是最具有經濟效益的一種方式[7]。CO2可作為尿素、甲醇、二甲醚、叔丁基醚、碳酸酯等化學品的生產原料，消耗量達到1.78×108t/a[8-10]。筆者以煉油廠煙道氣為最初進料，先后經過脫水、捕集提純、尿素合成以及碳酸二甲脂合成工藝，構建CO2-Urea-DMC產業鏈，從經濟角度評價，對全流程進行系統的經濟性分析，為煉油廠CO2資源化利用提供經濟參考。

表1 典型煉油廠主要CO2排放源Table 1 Main CO2 emission sources of typical refineries

1 CO2-Urea-DMC工藝流程描述

1.1 CO2吸收解析

煉油廠煙道氣中含有CO2、N2、O2、H2O等氣體，還有少量的NOx和SOx[11]。本文中假設煙道氣已經過水洗降溫、除塵和脫硫氮處理，只含有CO2、N2、O2和H2O 4種組分，摩爾分數分別為10%、69.5%、5.5%、15%。由于煙道氣中CO2分壓較低，因此采用單乙醇胺(MEA)溶液吸收法，流程如圖1所示。

圖1 MEA法吸收CO2流程圖Fig.1 Flowsheet of MEA-based CO2 absorption

煙道氣(Flue-gas)經過MEA吸收塔后，N2、O2和部分H2O從塔頂直接排空(Gas-out)，塔底富液(Rich-out)經過壓縮、加熱后進入解析塔將CO2分離出來。經過解析后的MEA貧液(MEA-Recycle)進入吸收塔塔頂循環利用，解析出的CO2氣體(CO2-out)由塔頂排出進入DMC生產單元，純度為99.9%[12]。

1.2 DMC生產單元

DMC生產單元包括尿素合成單元和DMC合成單元，流程如圖2所示。

從MEA富液中解析分離出的CO2氣體(CO2-Feed)與氨氣(NH3-Feed)混合進入尿素合成反應器(Urea reactor)，反應溫度為160℃，壓力為18 MPa，尿素的產率達到73.8%[13-14]，經過二級分離除去產物中的原料和水等與甲醇混合進入DMC合成反應器(DMC reactor)，反應溫度為140℃，壓力為0.6 MPa，DMC產率達到78.7%[15]，未反應的原料經分離后用于循環，最終得到純度為99.78%的DMC產品[16]。

圖2 CO2-Urea-DMC工藝流程圖Fig.2 Flowsheet of CO2-Urea-DMC process

2 煉油廠CO2-Urea-DMC產業鏈經濟評價模型

2.1 項目總投資估算

項目總投資包括固定資產投資和流動資本投資2個部分，而固定資產投資又可分為生產固定投資和非生產固定投資。

生產固定投資是指整個工藝流程正常運轉所必要的裝置以及相關配套設備的購買、安裝所產生的費用，如反應釜、泵、換熱器、儀表的購買和安裝、管道的連接等；非生產固定投資指與產品生產不直接關聯的項目所產生的費用，如土地購買及翻新、辦公樓建造、產品儲存運輸等。Peters等[17]提出一般化工類生產廠固定資產投資約占項目總投資的85%。

流動資本投資是指產品生產過程中所產生的費用，如原材料的購買、員工工資、燃料的消耗、納稅等。

對于項目總投資的估算有多種方法[18]，美國造價師協會根據估算的準確性不同提出了以下5種估算方法：(1)比率估算法：根據以往相似項目進行投資估算，誤差為±30%；(2)分解估算法：根據項目建設中需要的主要設備進行分項估算，誤差為±30%；(3)邊界估算法：在項目承包商估算之前利用足夠的數據進行的粗略估算，誤差為±20%；(4)項目控制估算：在項目圖紙及細節設計之前，基于相對完整的項目信息進行的投資估算，誤差為±10%；(5)項目承包商的預算：基于完整的工程制圖、統計信息以及相關細節做出的預算，誤差為±5%。

由于目前沒有針對煉油廠CO2-Urea-DMC產業鏈全流程的實例報道，在進行經濟分析時缺少相關詳細數據，因此，筆者將采用比率估算法。表2列出了一般化工流程固定資產投資中各項投資比率波動范圍，從表2可以看出，固定資產投資包括直接投資和間接投資2大部分。表3為3種不同化學工藝的固定資產投資各項比率。

表2 固定資產投資中各項比例分布Table 2 Typical variation in the percentages of fixed capital investments

Source: Adapted from Ref.[17]

表3 不同化工工藝流程固定資產投資各項比率對比Table 3 Cost comparison of fixed-capital investment components, as an average percentage of the fixed-capital investment for three different chemical processes

Source: Adapted from Ref.[17]

根據表2、表3確定煉油廠CO2-Urea-DMC流程固定資產投資各項比率，如表4所示。

表4 煉油廠CO2-Urea-DMC工藝固定資產投資及各項所占比率Table 4 Percentages of cost components for CO2-Urea-DMC process of a refinery

Peters等[17]提出相似化工流程設備費用與規模之間存在一定的指數關系而非簡單的線性關系，即在現有規模的設備造價已知的情況下，可推算出其他相似流程不同規模的設備造價，該估算方法稱為“0.6指數因子法”如式(1)所示。

(1)

式(1)中，CA為原有A規模的設備造價；CB為B規模的設備造價；SA和SB分別表示A、B 2種規模的規模大小。據文獻[12-16,19-20]可知，產能為4.6×104t/a的煉油廠CO2-Urea-DMC工藝流程設備總造價約為19.90×106USD。筆者將結合比率估算法和“0.6指數因子法”對煉油廠CO2-Urea-DMC產業鏈進行項目總投資分析，人民幣對美元匯率取2015年平均值6.2284。

2.2 產品成本計算

產品成本的計算有3種方法[21]：(1)基于每天產量進行計算；(2)基于單位產品量進行計算；(3)基于全年產量進行計算。其中，基于全年產量的計算方法具有以下優點：1)可以忽略某些特殊產品的季節性影響；2)考慮了工廠的投產時間和設備停開工情況等影響因素；3)在裝置非滿負荷運行情況下可進行快速計算；4)對于一些不常見但無法忽略的費用計算較快速，如某煉油廠的年周轉成本計算。因此筆者將基于全年產量的計算方法結合比率法對產品成本進行估算。

產品成本的各項費用所占比率及波動范圍如表5 所示，根據表5數據可對煉油廠CO2-Urea-DMC工藝產品成本各項費用比率進行估算，如表6所示。

3 結果與討論

3.1 項目總投資結果分析

由表4可以計算出不同生產規模以及固定資產投資和各項占比，結合固定資產投資在項目總投資中的占比可以計算出項目總投資與生產規模之間的關系，結果見表7、表8。

由表8可知，直接投資包括設備購買、安裝、測控、管道、電力、辦公樓、服務設施和土地費用等，占固定資產投資的70%；間接投資占固定資產投資的30%，包括工程咨詢和監理費用、建設費用、承包費和由于意外事故所產生的費用等。根據表7、表8可得出項目投資隨DMC生產規模不同而變化的趨勢，以及單位產品的資金投入與產能的關系，如圖3所示。

表5 典型化工產品成本估算Table 5 Estimation of total product cost

Source: Adapted from Ref.[17]

表6 煉油廠CO2-Urea-DMC工藝總產品成本比率Table 6 Cost item percentages for CO2-Urea-DMC process of a refinery

表7 不同DMC生產規模的固定資產投資Table 7 Fixed-capital investment for a CO2-Urea-DMC plant with different production capacities

1) Percentage of the fixed-capital investment.

表8 不同DMC生產規模的項目總投資Table 8 Total capital investment for a CO2-Urea-DMC plant with different production capacities

由圖3可知，設備投資、流動資本投資、固定資產投資和項目總投資隨著產能的增加呈指數上升趨勢。其中，流動資本投資和設備投資曲線相似，當產量在(1～20)×104t/a之間變化時，兩者費用在(0.38～3)×108RMB(人民幣，下同)范圍內變化，上升趨勢較為平緩；固定資產投資和項目總投資變化幅度較大，當產量在(1～20)×104t/a之間變化時，固定資產投資變化區間為(2～13)×108RMB，總投資變化范圍為(2.5～15.3)×108RMB。由單位產品項目投資費用變化曲線可以看出，單位產品的項目投資呈單調遞減趨勢，當產能大于5×104t/a時，單位產品項目投資下降幅度較小，因此在項目建設時其規模應當不小于5×104t/a。

圖3 項目總投資各項費用與產能的關系Fig.3 Variation of capital investment items with varying plant capacity

項目投資是基于“0.6指數因子法”來估算，指數因子“0.6”為經驗值，因此需考察指數因子的取值不同對項目投資的影響。圖4列出了當指數因子分別為0.5、0.6、0.7、0.8的情況下總投資的變化趨勢。

圖4 總投資隨產能及指數因子的變化趨勢Fig.4 Variation of total capital investment with varying plant capacity and estimation factor

由圖4可以看出，隨著指數因子的增大，總投資隨著產能變化的波動逐漸增大。在產能為7×104t/a情況下，指數因子取0.5時其總投資約為7.82×108RMB，指數因子取0.8時其總投資為8.87×108RMB，變化率為13.4%；在產能為10×104t/a情況下，指數因子分別為0.5和0.8時總投資變化率為26.2%；當產能為15×104t/a時，變化率達到42.5%。因此可以判斷，當產量小于10×104t/a時，估算結果受指數因子取值影響較小。

3.2 產品成本結果分析

根據表6可知，產品成本中維護和維修、生產供給品、設備折舊、稅收、保險、租金和融資利息等資金投入是基于固定資產投資、建筑、土地和項目總投資計算的，這些費用項目占據產品成本的54%，可根據此關系計算出產品成本的組成，結果如表9所示。

由表9結果可以計算出各項費用在產品成本中的占比情況，如圖5所示。

由圖5可知，維護和維修費用占比最大，占產品總成本的17%；其次是設備折舊費用占13%；原材料費用、操作人工費和水電費，三者各占10%。該5項費用隨產能的變化趨勢如圖6所示。

表9 煉油廠CO2-Urea-DMC工藝產品成本估算Table 9 Estimated annual total product cost for the CO2-Urea-DMC plant

圖5 產品成本各項費用占比Fig.5 Cost components by percentage of total product cost

圖6 主要費用項目隨產能變化趨勢Fig.6 Variations of main cost items of the total product cost with varying plant capacity

由圖6可知，隨著產能的增大，各項費用也隨之增大。當產能在(1～20)×104t/a范圍內變化時，維護和維修費變化區間為(7～38)×106RMB/a，折舊費用變化區間為(4.5～27.5)×106RMB/a，由于原材料費用、操作人工費、水電費三者占比相同，因此可用同一條曲線表示，變化范圍為(3～22)×106RMB/a。

由表5計算出生產成本和一般費用，如圖7所示。根據表8可得出產品成本中生產成本占比為85%，一般費用占比為15%，因此產品成本與生產成本變化曲線接近，遠高于一般費用曲線。

產品總成本各項比率直接影響總成本的大小，圖8～10分別表示不同產能情況下，產品總成本隨主要費用項目(原材料費用、操作人工費、水電費、維護維修費和折舊費)不同占比的變化趨勢。

圖7 生產成本和一般費用隨產能的變化趨勢Fig.7 Variations of manufacturing cost and general expenses with varying plant capacity

圖8 產品總成本與原材料/操作人工費/水電費占比的關系Fig.8 Variation of total product cost with varying material cost/operating labor/utilities percentage and plant capacity

圖9 產品總成本與維護維修費用占比關系Fig.9 Variation of total product cost with varying maintenance/repair cost percentage and plant capacity

如圖8～10所示，原材料費用、操作人工費、水電費是基于產品成本的比例計算，因此產品成本與三者的關系呈對數關系；設備的維護維修費用及折舊費用是基于固定資產投資的比例而得，在產品成本中的比例固定，因此與產品成本呈線性關系。隨著各項費用占比的升高，產能越大的項目，其產品成本變化幅度越大，以產能分別為5×104t/a和20×104t/a的項目為例，由圖8可見，當原材料費用占比分別為5%和40%時，產能5×104t/a的項目產品成本分別為0.8696×108、2.1378×108RMB/a，增長幅度為1.2682×108RMB/a；對應產能為20×104t/a 的產品成本分別為1.9979×108、4.9115×108RMB/a，增長幅度為2.9136×108RMB/a，約為產能5×104t/a項目漲幅的2.3倍。

圖10 產品總成本與折舊費用占比關系Fig.10 Variation of total product cost with varying depreciation percentage and plant capacity

指數因子的取值對產品成本也存在較大影響，圖11列出了指數因子分別取0.4～0.8時，產品成本隨產能的變化趨勢。

圖11 產品成本隨產能及指數因子變化趨勢Fig.11 Variation of total product cost with varying plant capacity and estimation factor

由圖11可知，指數因子取值越小，相應產品總成本隨產能的升高的變化幅度越小。當產能在(5～20)×104t/a區間內變化時，指數因子為0.4 時其產品總成本變化范圍為(0.93～1.63)×108RMB/a，指數因子為0.8時其產品總成本浮動范圍為(0.97～2.93)×108RMB/a。同時，由曲線斜率與右側截距可以看出，當指數因子介于0.4～0.6之間時，曲線變化趨勢相似；當指數因子取值大于0.6時，其波動范圍變化較大，由此可得指數因子取值應當介于0.4～0.6。

3.3 項目規模及利潤分析

由表9可以計算出不同DMC生產規模的產品總成本，結合年產量可得到DMC每噸產品的產品成本，如圖12所示。

圖12 單位產品成本與生產規模的關系Fig.12 Variation of cost per unit of capacity with plant capacity

由圖12可知，單位DMC產品成本隨著生產規模的擴大而降低，生產成本遠低于市場售價，有較大的利潤空間，當產量大于6×104t/a時，其單位產品成本變化趨于平緩。現階段國內DMC生產規模最大的為山東石大勝華化工股份有限公司的酯交換工藝，DMC產量為6×104t/a；另外目前DMC市場需求量較小，據預測2018年國內DMC需求量僅為72.2×104t[22]，因此考慮到市場因素，CO2-Urea-DMC 產業鏈生產規模應當控制在(5～8)×104t/a 之間，且在此區間內所采用的估算法中，指數因子取值影響較小，估算結果準確性更高。以產量為5×104t/a的DMC生產項目為例，假設DMC市場售價為5000 RMB/t，該項目利潤約為1.55×108RMB/a，經濟效益較為可觀。

4 結 論

將煉油廠CO2進行捕集利用，一方面一定程度上可減輕碳排放壓力，另一方面可將CO2變廢為寶，生產出具有高附加值的化工產品，在帶來一定經濟效益的同時也具有環境、社會等多重效益。筆者在綜合國內外相關研究的基礎上，建立煉油廠CO2捕集、DMC合成產業鏈，采用“0.6指數因子法”對產業鏈投資及收益等經濟指標進行了估算。

(1) 以DMC產量為5×104t/a的工藝流程為例，該項目總投資為6.67×108RMB，其中固定投資為5.67×108RMB，一般投資為1.0×108RMB，分別占總投資的85%和15%。結果表明，隨著生產規模的擴大，單位產品總投資隨之減小，當產能大于5×104t/a時，單位產品總投資變化趨勢趨于平緩。通過指數因子敏感度分析可知，估算結果在產能為10×104t/a以下時，其估算結果受指數因子取值大小影響較小。

(2) 當DMC產量為5×104t/a時，產業鏈總生產成本為0.95×108RMB/a，單位產品成本為1900.0 RMB/t。產品成本中原材料費用、操作人工費、水電費、設備維護維修費用、設備折舊費用等因素是影響成本的重要因素。指數因子取值大小對成本的估算也有較大影響，通過對比發現，當指數因子介于0.4～0.6之間時，成本變化趨勢相似；當取值大于0.6時，其成本變化幅度明顯增大，因此指數因子取值應介于0.4～0.6。

(3) 單位產品成本隨規模的擴大而逐漸減小，當產業鏈規模大于6×104t/a時，下降趨勢平緩；且考慮到DMC生產現狀及市場需求因素，產業鏈規模不宜過大，結合結論(1)、(2)可知，短期內該產業鏈規模應當控制在(5～8)×104t/a之間，在此范圍內估算結果準確性也相對較高。結果表明，規模為5×104t/a的CO2-Urea-DMC產業鏈利潤約為1.55×108RMB/a，經濟效益可觀。

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Economic Analysis of the Refinery CO2-Urea-DMC Industrial Chain

YU Han1, JIANG Qingzhe1, SONG Zhaozheng1, YUAN Bo2

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.CNPCResearchInstituteofSafetyandEnvironmentTechnology,Beijing102206,China)

With the gradual establishment of the carbon market, the CO2emission problem is becoming an increasingly heavy burden to the refinery industry. Using the CO2captured from the refineries as the feedstock, an CO2-Urea-DMC industry chain and the technological process were elaborated which will result in carbon emission reduction as well as extra economic benefits to the refinery industry. With the cost model based on the six-tenths-factor rule and ratio estimation of the whole chain including CO2capture and separation, an evaluation framework on urea synthesis and dimethyl carbonate(DMC) synthesis was set up. Economic indicators involving total capital investment, total product cost and profit were investigated with variable annual production varying from 5×104tons to 20×104tons. The influences of the plant capacity variations, cost components percentages and index factor on investment and product cost were investigated. Results showed that as the plant capacity increases, the corresponding investments go up as well, while the unit product cost goes down. The costs vary more significantly when the size of the plant capacity is expanded. The unit product cost drops significantly before the capacity reaches 6×104t/a, after which the downward trend appears. The applicable scale range of 5×104-8×104t/a is proposed considering some key factors like the market demand and technology condition. In our estimation, the total capital investment, annual product cost and profit of a CO2-Urea-DMC chain with capacity of 5×104t/a are 6.67×108RMB, 0.95×108and 1.55×108RMB/a, respectively.

refinery; CO2utilization; dimethyl carbonate; economic analysis

2016-09-08

中國石油天然氣集團公司重大科技專項(016E-1209)資助

于涵，男，博士研究生，從事碳減排、回收、利用及能源發展戰略等研究；E-mail:yuhanluckydog@126.com

宋昭崢，男，副教授，從事油田化學、碳減排及能源發展戰略等研究；E-mail：song@cup.edu.cn

1001-8719(2017)04-0791-11

TE01

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.04.026