石油與煤路線制乙二醇過程的技術經濟分析

楊慶，許思敏，張大偉，楊慶春

（合肥工業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%用于其他領域[2]。隨著聚酯行業的快速發展，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、聚酯等行業健康、可持續發展至關重要。

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

隨著煤制乙二醇(coal to ethylene glycol, CtEG)技術瓶頸的突破，我國已建成了一批商業化的CtEG裝置，例如內蒙古通遼年產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，與傳統石油路線相比，其競爭優勢及發展前景如何？這是工業界和學術界最為關心的問題之一。

對石油和煤制乙二醇這兩條路線進行技術經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經濟分析，通過與石油制烯烴過程進行能量效率、投資和生產成本等方面的比較，考察了煤制烯烴過程的機遇和挑戰。他們發現，煤制烯烴工藝的生產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]從經濟和環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煤制烯烴項目時應謹慎行事。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經濟對比，發現后者需要更高的投資費用和生產成本。Mohajerani 等[8]比較了天然氣和煤制液體燃料過程的技術經濟性能，發現后者的生產成本約比前者高13 USD?bbl-1。目前，已有少數文獻對CtEG 和OtEG 進行了簡單的技術經濟分析，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成本。此外，在作者之前的工作中，基于其嚴格的數學模型對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地分析OtEG 和CtEG 工藝的技術經濟性能，更沒有綜合比較及分析兩種路線各自的競爭優勢，亦沒有系統地分析關鍵因素對兩種路線技術經濟性能的影響。

本文擬從以下三方面客觀合理地量化OtEG 和CtEG 兩條路線的技術經濟性能：(1)從能耗、效率、總投資、總生產成本、CO2排放以及水耗等指標分析比較OtEG 和CtEG 工藝的技術經濟環境性能；(2)研究關鍵因素如生產規模、原料價格波動對OtEG 和CtEG 工藝技術經濟性能的影響；(3)探索CtEG 產業高效、經濟、可持續發展的機遇與挑戰，以期為決策者和投資者選取相關技術路線提供良好的理論基礎與堅實的技術支持，同時促進OtEG 和CtEG 行業“高效-經濟-環保”可持續發展。

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)環氧乙烷(EO)合成單元，乙烯被氧化成環氧乙烷；(3)環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態模擬軟件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、能量平衡數據。

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、氧氣與循環氣混合后進入環氧乙烷合成反應器，主要反應如式(1)～式(3)所示。該反應器采用Rstoic 模型進行建模，其中反應(1)和(2)的C2H4轉化率分別設置為7.34%和0.73%。反應出口氣冷卻后被送入環氧乙烷吸收單元。由于該系統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 法得到的模擬結果更接近于工業實際數據。因此，本文選擇NRTL-RK 法作為OtEG 過程的全局物性方法。貧循環氣被送到CO2脫除單元，以除去產生的CO2。將富含環氧乙烷的閃蒸液經預熱后進入汽提塔，分離環氧乙烷與水。汽提塔底部的貧循環水在回收熱量后返回到水洗塔的吸收段。塔頂富含環氧乙烷的氣相被送至環氧乙烷精制塔，從精制塔側線采出環氧乙烷液體送至CO2汽提塔，脫除CO2和甲醛雜質之后從塔頂得到高純度的環氧乙烷產品。這四個塔均用RadFrac 模型建模[15]。從環氧乙烷重整單元中分離出來的環氧乙烷與水混合后，進入乙二醇合成反應器中生成乙二醇產品。水合反應后，由于乙二醇產品中含有大量的水，因此先在多效蒸發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。原煤經破碎篩分后進入氣化爐，與空分單元的氧氣反應生成粗合成氣。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)合成反應器中反應生成乙二醇[式(5)]，該反應過程可采用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、乙二醇產品塔、乙二醇回收塔等關鍵設備組成[19]。本文采用RadFrac 模型對這些塔設備進行建模，詳細的建模和模擬參考本文作者之前的工作[17,19-20]。

2 技術經濟評價

為了方便比較OtEG和CtEG工藝的技術經濟性能，其處理規模統一設置為3.0×105t·a-1。采用能耗和效率等指標分析比較了其技術性能；并采用總投資和總生產成本分析比較了其經濟性能。此外，本文還分析了工廠規模、原料價格波動等因素對兩種路線經濟效益的影響。

2.1 技術性能比較

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最常用的指標能耗(energy consumption，EC)對OtEG和CtEG工藝的技術性能進行比較[21-23]。根據模擬結果（表1）和標準煤系數計算了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生蒸汽，以滿足系統的熱平衡，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工程方法與工具，強化過程傳質傳熱以及改進其換熱網絡等。

霍尼韋爾過程控制部大中華區副總裁兼總經理陳延表示：“霍尼韋爾互聯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部的合作正是將互聯工廠的數字化轉型與卓越運營管理進行了結合。”

表1 OtEG和CtEG過程的主要模擬結果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為原料煤質量流率，kg·s-1；Qnet為煤低位發熱量，kJ·kg-1；w(H)、w(C)、w(O)和w(N)分別為原料煤中氫、碳、氧和氮元素的質量分數，%；Exin為輸入，Exprd為產品，Exdes為損。

2.2 經濟性能比較

2.2.1 總投資 總投資是經濟分析的重要評價指標，通常可采用費用系數法估算擬建項目的設備投資，而其他投資費用采用系數比例法進行估算[24]，具體計算公式如式(10)和式(11)所示。

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

根據式（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備投資。與OtEG 工藝相比，CtEG 工藝的設備投資從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、研發成本和財務成本。

圖7 OtEG和CtEG工藝總生產成本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 工廠規模對經濟效益的影響 隨著CtEG 技術的日益成熟，其生產規模也將越來越大。例如，陜煤集團榆林化學有限責任公司擬建設一座1.8 Mt·a-1的CtEG 工廠[28-29]。本文分析了生產規模對OtEG 和CtEG 工藝經濟性能的影響，如圖8 所示。由圖可知：適當擴大生產規模可以明顯降低OtEG和CtEG 過程的固定投資和總投資。當規模從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，擴大生產規模可以明顯降低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 工藝規模。但也需綜合考慮其他因素，選取適宜規模。

圖8 生產規模對OtEG和CtEG工藝經濟性能的影響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 節可知，原材料成本在OtEG 和CtEG 工藝的總生產成本中所占比例最大，煤和石油等原料價格將直接關系著這兩個過程的經濟效益。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，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濟性能的影響，其中乙烯與石油價格的關系主要依據文獻[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變化時，OtEG 與CtEG 的生產成本比(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 工藝的總生產成本低于OtEG 工藝，CtEG 工藝優于OtEG工藝；下方則表示OtEG工藝優于CtEG工藝。從結果可知，絕大情況下CtEG都具有較好的成本優勢。

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排放和節水技術的改進，將對CtEG 行業的綠色環保可持續發展至關重要。

3 結 論

煤制乙二醇（CtEG）技術已成為傳統石油對乙二醇（OtEG）技術的替代路線，并在我國迅速發展。本文主要量化比較了OtEG和CtEG兩條工藝路線的技術經濟性能，得到的主要結論如下。

(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。適當擴大生產規模，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實際生產規模時，也應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 過程的競爭價格區域。結果表明，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 過程的生產成本會高于OtEG過程。因此，絕大多數情況下CtEG過程具有更好的成本優勢。

(4)通過碳排放和水耗分析發現，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求以及豐富的煤炭資源，CtEG 工藝亦具有成本優勢，發展CtEG 行業具有一定的市場前景。但是，在CtEG產業大規模發展之前，也應極力解決高碳排放、高能耗等問題。例如，優化其質能系統結構、集成富氫資源以及制定節能減排激勵政策與補貼等。