石油与煤路线制烯烃过程技术评述.pdf

化 工 进 展 2 0 1 3年第 3 2卷第 5期 C HE MI C AL I ND US T R Y AND E N GI NE E R I NG P R OG R E S S 9 5 9 石油与煤路线制烯烃过程技术评述 项 东 ，彭丽娟 ，杨思宇 ，钱 宇 华南理工大学化 学与化 工学院 ，广东 广 州 5 1 0 6 4 0 摘要烯烃是重要 的平台化学品，烯烃工业的发展带动着其它有机化工产品的发展。无论从能源安全还是资 源储量角度看，探索煤炭原料路线的烯烃生产是化工产业可持续发展的一个重要方向。近年来煤气化为基础的 甲醇制烯烃技术得到了快速的发展 。本文综述了石油、煤路线制烯烃的主要工艺技术，并结合能源储量、工艺 应用情况、技术经济等方面对两条工艺路线进行了比较。总体而言，煤制烯烃路线具有原料成本优势，在经济 上表现 出较强的竞争力，但整体工艺和过程集成技术有待提高。 关键词煤；石油；烯烃；技术经济 中图分类号T Q 5 3 6 ． 1 文献标志码A 文章编号1 0 0 06 6 1 3 2 0 1 3 0 5 0 9 5 91 2 DoI 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 0 6 6 1 3 ．2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 1 A r e v i e w o f o i l - - ba s e d a nd c o a l - - ba s e d pr oc e s s e s f o r o l e fin s pr o d uc t i o n X I A NG Do n g ，P E N GL U u a n ，Y A NG S i y u ，Q I A N Y u S c h o o l o f Ch e mi s t r y a n dCh e mi c a l E n g i n e e r i n g，S o u t hCh i n aUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y，Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0， Gu a n g d o n g，Ch i n a Ab s t r a c t Ol e fi n s a r e i mp o r t a n t p l a t f o r m c h e mi c a l s ，wh i c h s u p p o r t t h e d e v e l o p me n t o f o t h e r o r g a n i c c h e mi c a l p r o d uc t s ． Fr o m t h e po i n t of vi e ws o f e n e r g y s e c u r i t y a n d r e s o ur c e r e s e r ve s ， d e v e l o p me n t of c o a l b a s e d o l e fi n s p r o d u c t i o n i s i mp o r t a n t f o r s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t o f C h i n e s e c h e mi c a l i n d u s t r y ． Th e me t h a n ol t o ol e fin s pr oc e s s b a s e d o n c oa l g a s i fc a t i o n i s i n r a pi d d e ve l o pme n t ． Th i s p a pe r r e vi e ws ma j o r p r o c e s s e s o f o i l t o o l e fi n s O T O a n d c o a l t o o l e fi n s C T O ， c o mp a r e s t h e t w o p r o c e s s e s f r o m t h e a s p e c t s o f f e e d s t o c k p r i c e ，t e c h n o l o g y，a n d a p p l i c a t i o n s ，r e s p e c t i v e l y ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e CTO p r o c e s s i s mo r e c o mp e t i t i v e a g a i n s t t h e OTO p r o c e s s i n r a w ma t e r i a l p r i c e ，b u t i t n e e d s f u rth e r i mpr o v e me n t i n o v e r a l l t e c h no l o gy a nd pr o c e s s i n t e g r a t i o n． Ke y wor ds c oa l ； o i l ； o l e fins ； t e c h n o e c o n o my 以乙烯和 丙烯为 代表的烯烃是重要 的平 台化 合物 ，烯烃工业的发展带动着其它有机化工产品的 发展 。近年来 乙烯生产能力和需求有稳定的增长， 尤其是中国乙烯增长较快， 2 0 0 7年中国乙烯产量首 次突破 1 0 0 0万吨，2 0 1 1 年又突破了 1 5 0 0万吨，现 己跃居世界乙烯产能第二位 。但 中国乙烯 自给率仅 5 0 ％左右，如图 1所示u J ，中国乙烯市场还有很大 的缺 口。乙烯 、丙烯的供需格局也在发生变化 ，丙 烯是产量仅次于 乙烯的最重要基本有机原料之一。 受丙烯衍生物需求快速增长的拉动 ，中国丙烯需求 年平均增长率约为 6 ％，已经高于乙烯 的需求增长 率 中国丙烯 自给率 目前仅 7 0 ％左右⋯。 世界上烯烃生产主要有石油、煤、天然气和生 物质 4种原料路线。 中国能源结构中石油 占 1 6 ． 2 ％， 煤炭 占 7 4 ． 7 ％，天然气 占2 ． 7 ％【 j J 。以往的烯烃生产 严重依赖石油 。中国石油和天然气资源短缺，而煤 炭资源储量世界第三，生物质资源丰富。因此发展 收稿日期2 0 1 3 一 O 1 ． 0 8 修改稿日期2 0 1 3 ． 0 2 ． 2 7 。 基金项 目国家 自然科学基金重点项目 2 1 1 3 6 0 0 3 及科技部重大基 础研究计划 国家 9 7 3计划，2 0 1 2 C B 7 2 O 5 O 4 。 第一作者 项东 1 9 8 5 一 ，男，博士研 究生。E ． ma i l x i a n g ． d o n g ma i l ． s c u t ．e d u ． O i l 。联系人 钱宇，博士，教授，主要从事过程系统工 程方向的研究。E ． m a i l c e y u q i a n s c u t ．e d u ． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 0 化 工 进 展 2 0 1 3年第 3 2卷 图 1 中国乙烯产量和当量 需求 替代石油路线烯烃生产技术应该从煤炭和生物质等 多种资源中考虑 。 生物 乙醇制烯烃技术还不够成熟， 规模很小，如巴西建成 3套 乙醇脱水制 乙烯装置， 共计年产乙烯 7 4 k t ；印度建成 4套装置 ，年产乙烯 2 7 - 3 k t ；中国有安徽丰原集团有限公司、长春天裕 生物工程公司、中国石化集 团公司下属 的四川 I 维尼 纶厂等成功运行的 5套工业生物 乙烯装置，乙烯累 积生产能力仅 1 2 0 k t [ 4 1 。生物乙醇制烯烃将是未来 发展的必然趋势，但要实现大规模生产还尚待以时 日。煤制烯烃 目前 已有 1 7 6 0 k t烯烃装置投入商业 化运行，到 2 0 1 5年将有 1 0 0 0 0 k t 煤路线烯烃生产 能力，目前在 中国作为石油路线制烯烃 的替代和补 充主要是煤制烯烃技术。以石油和煤为原料制烯烃 流程如 图2所示L 5 J ， 对于这两种技术路线研究较多， 而对其从技术 、经济等方面进行系统比较的较少 。 本文作者主要对石油、煤制烯烃路线进行评述，从 技术、能效、经济性等方面分析比较这两条工艺 。 1 石油路线制烯烃技术 石油制烯烃 目前主要有蒸汽裂解工艺和催化裂 解工艺。蒸汽裂解是石油烃类如乙烷或石油馏分如 图 2 分别以石油、煤为原料制烯烃流程框图 石脑油、柴油等在高温和水蒸气存在 的条件下发生 分子断裂和脱氢反应，伴随少量聚合、缩合等反应 的过程。目前蒸汽裂解技术是指管式炉蒸汽裂解 ， 其 核心技 术是 管式 裂解 炉 。裂解 炉炉 型主要 有 L u mmu s公司 的 S I 型 、S t o n e We b s t e r 公 司的 uS C型、 K B R公司的 S C型、 L i n d e公司的 P y r o c r a c k 型等。蒸汽裂解工艺 己相当成熟，现有乙烯装置也 通过各种先进技术和流程的组合实现过程的优化 。 催化裂解结合了催化裂化和蒸汽裂解 ，目的产 物是低碳烯烃并兼产轻质芳烃。产物分布灵活，原 料范围广泛，从轻烃到重油均可作为裂解原料 ，因 此重油催化裂解制低碳烯烃技术具有较好的前景， 但其工业化生产不多，还是有很多技术 问题有待解 决。目前，国内外正在深入研究开发针对不 同原料 及产物分布的更经济有效的催化裂解工艺技术。具 有代表性 的国 内工艺技术有 D C C d e e p c a t a l y t i c c r a c k i n g ，深度催化裂化 、C P P c a t a l y t i c p y r o l y s i s p r o c e s s ， 催化裂解 、 H C C h e a v y o i l c o n t a c t c r a c k i n g p r o c e s s ，重油高温接触裂解工艺等 ；国外工艺技 术有 S u p e r fl e x 、P e t r o F C C fl u i d c a t a l y t i c c r a c k i n g ， 流化催化裂化工艺等。 蒸汽裂解和催化裂解工艺主要技术情况见表 1 。 乙烯裂解原料的质量对 乙烯裂解的生产能耗影响 较大， 世界上乙烯裂解原料主要有石脑油和天然气， 北美和中东地区有丰富的天然气储量，乙烯原料主 要 以乙烷和丙烷等气体原料为主。大部分亚洲国家 采用石脑油或轻柴油作 乙烯原料， 2 0 0 5年中国乙烯 原料 中石脑油 占 6 7 ％【 o J 。蒸汽裂解 以 L u mmu s开发 的 S R T裂解炉应用较为广泛，技术较为成熟。催化 裂解 以中国石化石油化工科学研 究院开发的 DC C 工艺较为先进， 技术较为成熟，已有 l 0套工业化装 置 。中国原油偏重，石脑油资源少，管式裂解炉在 处理重油方面存在反应温度高、结焦严重等 问题。 因此重油催化裂解工艺是适合国情 的炼油一 化工一 体化的新工艺，对发展中国乙烯具有很好的市场应 用前景。在反应温度、节能、烯烃产率、抗结焦、 产品分布调整等方面与蒸汽裂解具有较大的优势， 但工艺技术还不够成熟，只有部分工艺技术实现工 业化且规模不大。 目前所采用的催化剂孔道结构较 小，较大的重油分子不易进入分子筛内部进行择形 裂解而聚集在分子筛表面造成产品分布不良和结焦 缩合 ，从而堵塞催化剂孔道。开发新型催化剂，解 决重油大分子对活性中心的可接近性和催化剂回收 等问题，成为新型低碳烯烃催化裂解 的技术关键 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 项东等石油与煤路线制烯烃过程技术评述 ’ 9 6 1‘ 2 煤路线制烯烃技术 煤制烯烃是以煤气化为源头生产合成气 ，而后 生产烯烃有两条路线。一是由合成气生成 甲醇、再 由 甲醇合成烯 烃 ，技术基本成熟 ，已有工业化案 例 ； 二是经 F T反应合成烯烃， F T反应受 A n d e r s o n S c h u l z F l o r y分布规律 的限制，烯烃选择性 尚不 理想 。 2 ． 1 煤气化技术 煤、煤焦及水煤浆与气化剂 水蒸气／ 氧气 在 高温条件下生成 C O、H 2 、C O2 、C H4 等可燃气体。 按煤和气化剂的相对流动方式，煤气化技术分为 3 种类型逆流一 固定床 ；并逆流． 流化床；并流一 气流 床 。 固定床气化是最早出现 的煤气化技术，具有代 表性的有常压 UGI 炉、 加压 L u r g i 炉和 B GL炉。 其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化 工 进 展 2 0 1 3年第 3 2卷 中 L u r g i 固定床加压气化法成熟可靠，也是 目前世 界上建厂最多的煤气化技术 ，它对煤质要求较高， 只能用块煤，粗煤气 中甲烷含量较高，适宜生产城 市煤气口 。 流化床气化炉内气、 固相之间返混和接触 良好， 其温度和组成 比较均匀，最早应用始于 1 9 9 2年的 Wi n k l e r 温克勒气化炉 ，后得到不断发展。特别 是循环流化床气化炉具有多重优点，目前已进入商 业推广阶段，美国HR I 公司、瑞典 S t u d s v i k能源公 司、德国 L u r g i 公司、中国科学院广州能源所等开 发 了该技术， 证明其气化强度 比传统流化床大 3 ～4 倍 ，但煤 的碳转化率不高，只有 8 9 ％I J 。 气流床具有较好的煤种适应性、运行可靠和更 优 良的技术性能，是 目前大容量燃气和合成气制备 装置的主要运行技术，因其优 良性能和低环境污染 被广泛商业应用[ j 。 气流床技术有 T e x a c o水煤浆 气化、S h e l l 粉煤气化、GS P粉煤气化。T e x a c o水 煤浆气化是国内外经实践考验的成熟、先进的气化 工艺，可用价格较低的烟煤作原料，但 由于要求煤 种灰熔点与气化炉温度的匹配 ，而使该工艺使用的 煤种 比较窄。 S h e l l 粉煤气化在国外仅用于发 电，未 用于化工生产。 S h e l l 技术装置 国内已 2 0多套投产 ， 在生产 中有时性能表现不太稳定 。GS P粉煤气化技 术是 2 0世纪 7 0年代末，由前民主德国开发并投入 商业化运行的大中型煤气化技术 。该技术因采用气 化炉预干粉加料与反应室周围水冷壁结构，在气化 炉结构 以及工艺流程上有其先进之处，但工业化经 验比较少。具有代表性的 3种煤气化工艺详细比较 如表 2所示【 。 T e x a c o水煤浆气化工艺流程如图 3 1 2 9 1 所示，来 自煤贮运系统的小于 6 mm 的洗粉煤进入料仓后， 经圆盘给料机给料到胶带输送机上，计量并调整给 料量将煤送入磨煤机，与一定量 的水、添加剂、石 灰石、氨水混合磨成一定粒度分布、浓度为 6 0 ％ 6 5 ％的水煤浆 。水煤浆出磨煤机前 由磨煤机出口处 配带的滚筒筛预筛，将煤浆中 2 3 6 0 p m 以上的大粒 煤筛除后煤浆进入磨煤机出料槽，经磨煤机出料槽 泵输送至煤浆振动筛筛除大颗粒煤及杂物等，合格 的煤浆 自流至煤浆槽， 再经煤浆给料泵送至气化炉 。 加压后 的水煤浆与高压氧气 纯度为 9 5 ％以上 经 烧嘴混合后呈雾状，分别经喷嘴中心管及外环隙喷 入气化炉燃烧室 ，在燃烧室中进行气化反应，生成 的煤气和熔渣，经激冷环及下降管进入气化炉激冷 室冷却， 冷却后的合成气经喷嘴洗涤器进入碳洗塔 ， 表 2 T e x a c o水煤浆气化、S h e l l 粉煤气化、GS P粉煤气化 3种煤气化工艺比较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 项东等石油与煤路线制烯烃过程技术评述 9 6 3 氧化剂 图3 T e x a c o水煤浆气化工艺流程图 熔渣落入激冷室底部冷却、固化、定期排 出。 2 ． 2 甲醇合成技术 甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工 艺， 以低压法为主。 低压甲醇工艺主要有 I C I 、 L u r g i 、 T o p s o e法，前两种被认为是当今较为先进的甲醇技 术。这 3种工艺不同处如表 3所示 J 。 I C I 低压甲醇合成工艺中，由于单程转化较低， 所以必须有很大的循环气量 以提高原料气 的利用率 和减少驰放气排放量。L u r g i 低压 甲醇合成工艺中， 单程转化率较高，要求的循环气量比 I C I低压 甲醇 合成工艺约少一半L 2 。由于 I C I 工艺要求 的循环量 比 L u r g i多，生产过程 中的动力消耗要大 ，且有关 设备管道尺寸和一次性投资也要 比 L u r g i 工艺大。 T o p s o e甲醇合成塔在催化剂上部装有复杂的机械装 置，以防止其在运行 中因催化剂收缩而产生轴向气 流，其催化剂利用率不高。 2 ． 3 甲醇制烯烃技术 甲醇制烯烃是煤制烯烃路线的关键技术。可分 为 MT O me t h a n o l t o o l e fi n s ，主要产品是乙烯和丙 烯 和 MT P me t h a n o l t o p r o p y l e n e ，主要产品是丙 烯 。随着催化剂技术的发展 ， 一些大的石油化工公 司，如环球油品 UO P 、中国石化集 团公司、德 国 鲁奇 L u r g i 等都投入到这一工艺的开发与应用， 逐渐形成 了许多有代表性的工艺，主要有环球油 品 公司和挪威 海德鲁 公司联合开发 的 UO P ／H y d r o MT O技术、 中国科学院大连化学物理研 究所开发的 DMT O d i me t h y l e t h e r a n d me t h a n o l t o o l e fi n ，甲醇／ 二甲醚制烯烃 技术、中国石化上海化工研究院开 发的 S MT O S i n o p e c me t h a n o l t o o l e fi n ，中国石化 甲醇制烯烃 技术、L u r g i公司开发 的固定床 甲醇 制丙烯 MT P 技术以及清华大学开发的流化床甲醇 制丙烯 F MT P fl u i d b e d me t h a n o l t o p r o p y l e n e ，流 化床 甲醇制丙烯技术。 2 - 3 ． 1 UOP／ Hy d r o MTO工 艺 UO P ／ Hy d r o MT O 工艺采用以四乙基氢氧化胺 为模板剂合成的 S AP O 一 3 4分子筛催化剂。 该催化剂 反应周期短，需要频繁再生，所以采用循环再生流 化床反应器。反应温度为 4 0 0 5 0 0℃，反应压力 O _ 3 M P a [ 3 0 ] 。这项工艺的特点是乙烯和丙烯选择性 之和达到 8 0 ％，通过改变工艺条件 ，乙烯和丙烯摩 尔比可以在 0 ． 7 5 ～1 ． 5 O调节，为用户提供了安排生 产的灵活性[ 3 l J 。 在此基础上，UO P公司和道达尔公 表 3 I C I 、L u r g i 、T o p s o e 3种甲醇合成工艺比较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 项东等 石油与煤路线制烯烃过程技术评述 9 6 5 化北京燕 山分公司、中国石化工程建设公司合作开 发了甲醇制烯烃工艺 S MT O ，在北京燕山分公司 进行 了万吨级规模 甲醇进料 的工业化示范试验 。该 项 目己于 2 0 0 7年 1 1月成功投产 ，各项性能指标与 大连化学物理研究所的技术接近 引 。采用此技术的 河南 中原石化 2 0万吨烯烃项 目也于 2 0 1 1 年投产 。 2 ． 3 ． 4 L u r g i MT P技术 2 0世纪 9 0年代， 德 国 L u r g i 公司成功开发 了甲 醇制丙烯技术 MT P ，其工艺流程 由图 6所示。 该工艺的产物主要为丙烯，同时副产汽油、液化石 油气及燃料气等。采用 的催化剂是德 国南方化学公 司提供的改性 Z S M． 5分子筛 ， 反应器为固定床反应 器，可 以最大限度减少返混 ，但催化剂无法连续再 生，需要使用 3台固定床并联操作，两台反应 ，一 台再生，切换操作 。反应温度为 3 8 0 4 8 0℃，压 力 0 ． 1 3 ～0 ． 1 6 MP a 。该工艺的甲醇转化率达到 9 9 ％ 以上，丙烯碳基收率达到 6 5 ％ 创 。采用固定床反应 器，较之流化床反应器 的逐级放大过程，其工业放 大过程技术成熟。 2 0 0 1 年鲁奇在挪威建立一套工业 示范装置 ，该装置正常运转 了 1 1 0 0 0 h ，甲醇转化 率达到 9 9 ％以上 ，丙烯的单程选择性达到 4 6 ． 6 ％， 丙烯／ 乙烯 比为 l 0 t J 。 2 0 1 0年 1 0月， 神华宁煤采用鲁奇 MT P技术建 设的年产 5 0万吨煤基烯烃项 目试车成功， 产出了纯 度为 9 9 ． 6 9 ％的丙烯产品。大唐多伦 4 6万吨煤制丙 烯项 目于 2 0 1 1 年 8月整个流程全线贯通， 产出丙烯 产品，实现了从煤到 甲醇、甲醇到丙烯的工业化生 产流程[ l 。 2 ． 3 ． 5 F MT P工 艺 清华大学研发 的具有 C H A和 AE I混合结构的 交生相 S A P O分子筛具有将乙烯、丁烯高选择性地 转化为丙烯的能力，据此提 出了流化床 甲醇制丙烯 图 6 L u r g i MT P流程示意 图 燃料气 丙烯 汽油 工艺 F MT P ，经过 S AP O分子筛催化剂的催化作 用，生成 以丙烯为主 的反应产物 ，从而避免了固定 床 MT P反应器 内Z S M 类型催化剂因需要每月切换 反应器频繁进行再生的缺点。清华大学与中国化学 工程集团公司、安徽淮化集团合作，在甲醇加工能 力 3万吨／ 年的工业性实验装置上实现了甲醇单程 转化率 9 9 ． 5 ％， 丙烯选择性 6 7 ． 3 ％的结果， 并于 2 0 0 9 年 1 1 月通过专家技术鉴定 。 以上 5种 甲醇制烯烃技术不同之处在于反应器 和催化剂，根据选用 的催化剂 S A P O、Z S M的 不 同 ， 反 应 器 选 型 可 分 为 流 化 床 和 固 定床 。 U OP ／ Hy d r o MT O、D MT O和 S MT O都是流化床反 应器 ，UO P ／ H y d r o MT O 以四乙基氢氧化胺为模板 剂，成本较高，大连化学物理研究所以廉价的三 乙 胺为模板剂，在催化剂价格方面很 占优势，中国石 化上海化工研究院采用三 乙胺和氟化物为复合模板 剂，也是低成本制备 了活性较高的 S AP O ． 3 4催化 剂。 L u r g i MT P采用 Z S M。 5 分子筛和 固定床反应器， 而 F MT P采用具有 C HA和 AE I混合结构的交生相 S AP O分子筛和流化床反应器 。 3 煤制烯烃和石油制烯烃的比较 石油制烯烃以 1 5 0 0 k t 烯烃规模的石脑油管式 炉蒸汽裂解为案例 ，煤制烯烃 以6 0 0 k t 烯烃规模 的 T a x a c o水煤浆气化、L u r g i甲醇合成和大连化学物 理研究所 DMT O 甲醇制烯烃技术为案例 ， 分别从技 术、能效、经济性等方面分析比较石油制烯烃和煤 制烯烃两种工艺。 3 ． 1 技术分析 石脑油蒸汽裂解制烯烃工艺流程如图 7所示， 石脑油在管式裂解炉中反应得到 8 0 0 9 0 0℃的裂 解 气 ，裂解 气经 过急 冷换 热锅 炉冷 却到 3 5 0 ～ 4 0 0℃并产生蒸气 3 2 0 3 2 6℃ ，用急冷油冷却 到 1 8 0 2 5 0 ℃后进入汽油分离塔 ，汽油分离塔塔 顶温度一般约为 1 0 5 ～1 1 0 ℃，塔釜温度为 1 9 0℃ 以下。裂解气再经过水洗塔冷却到 4 0℃左右，将 裂解气中所含 的稀释蒸气冷凝下来 ，将油洗时没有 冷凝下来一部分轻质油也冷凝下来，并分离出裂解 汽油。由裂解工段来的 4 0 ℃、0 ． 1 MP a裂解气经五 段离心式压缩机压缩到 3 ． 6 9 MP a 。 3 ． 6 9 MP a 、 1 5℃ 的裂解气经顺序分离得到聚合级乙烯和丙烯。煤经 甲醇制烯烃工艺流程见 图 8 ，固体原料煤经过粉碎 筛分后，与一定量的水混合制备水煤浆 水／ 煤质量 比为 3 5 6 5 。水煤浆和来 自空分单元的氧气进入 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 项东等石油与煤路线制烯 烃过程技 术评 述 9 6 7 表 4 石油制烯烃和煤制烯烃技术比较 经取得了较好的成果，理论上没有颠覆性的风险， 煤制甲醇技术十分成熟，国内外拥有众多专利 ，甲 醇制烯烃技术已经通过较大规模 的工业化实践 ，各 项技术指标均取得 了较满意的结果。但煤制烯烃还 有许多工程 问题有待完善，煤制烯烃 的能耗是石油 制烯烃的 2 ． 0 ～2 ． 7倍，C O 2 排放量是 5 ． 6 ～6 ． 2倍， 原料单耗是 3 ． 3倍 ，能效是 0 ． 4倍 。如表 4所 示[ 。 ‘ ， 表 4中单位烯烃消耗 已经根据烯烃产品 和非烯烃产 品的价值进行了分配 j 。 在能耗、 水耗、 C O2 排放、产品收率、能效等方面，煤制烯烃路线 还有较大的提升空间，有待工艺的进一步强化和系 统集成优化。新一代 甲醇制烯烃技术 DMT O I I 已 经提高了烯烃收率，I t 烯烃的甲醇消耗 已由 3 t 降 到 2 ． 7 t ，一定程度上降低 了烯烃生产的原料成本 。 中国的煤炭资源和水资源呈逆 向分布，主要产 煤 区均属缺水省份。 靠近黄河省份主要立足黄河水， 但 目前一些省份早 已超额取水 ， 黄河 已经不堪重负。 缺水省份大规模发展煤制烯烃产业 ，势必将打破 当 地本 己很脆弱的水资源平衡，对当地的生态环境产 生极大的破坏。 水资源是煤制烯烃关键的制约因素， 煤制烯烃生产过程需要消耗大量新鲜水 转化煤 1 t 约需水 l 0 b1 5 t 【4 。为解决煤化工发展用水，可 以有 4种措施 一是兴建引水设施 ，如新疆建设 了 引额济乌工程 ；二是实行工农业用水水权置换；三 是将水 由水资源丰富的地 区运输到多煤缺水的地 区，如南水北调工程；四是用空气冷却代替部分循 环水冷却 。 煤炭氢碳 比在 0 ． 2 ～ 1 ． 0 石 油的氢碳 比在 I ． 6 ～2 ． 0 ，以煤为原料生产石化产 品的过程一般都 伴随着氢碳比的调整，煤制烯烃过程 中需粗煤气中 的 C O转化为 H 2 ，从而导致大量有效碳资源转化为 二氧化碳 。煤制烯烃二氧化碳排放主要分布在公用 工程系统和酸性气体脱除系统。其中公用工程碳排 放主要来 自于为工艺装置提供蒸汽和 电力 的热 电 站，而酸洗气体脱 除系统二氧化碳排放主要来自于 调节 甲醇合成所需氢碳 比的变换工序，两处的二氧 化碳排放 占总排放量 9 0 ％以上[ 4 5 1 。煤化工装置排放 的二氧化碳排放集中、量大 、相当一部分具有浓度 高的特点，为二氧化碳的捕集创造 了条件，而且可 以大幅度降低二氧化碳的捕集成本。为了消减项 目 的二氧化碳排放，神华集团引入技术开展二氧化碳 捕集和封存试验 ， 于 2 0 1 0年 6月 1日正式启动国内 第一套全流程注入盐水层的二氧化碳捕集和封存示 范工程。封存地点距捕集地约 1 7 k m，超临界状态 的二氧化碳由低温液体槽车运送到封存地，然后被 高压泵以 3 5 4 0 MP a的压力，通过注入井注入地 下 1 0 0 0 3 0 0 0 m深处盐水层 ，每年可实现封存 1 0 万吨二氧化碳的能力。 煤制烯烃生产过程需通过煤气化在高温、高压 下将煤炭大分子结构打断为单分子，然后催化剂作 用下又重新将单分子排列组合为低碳烯烃产品，经 历 了“ 重一 轻一 重” 的工艺过程；此外，煤制烯烃生产 过程中经历多个“ 冷一 热” 的过程 ，制冷和冷却能耗、 水耗要求较高，也在定程度导致煤制烯烃能源消耗 较高。而石油路线烯烃产品的原料结构相对煤炭简 单，经历蒸馏 、裂解过程 即可得到烯烃产品，流程 相对简单 ，因此其能源消耗相对较低 。煤发电和煤 制烯烃联产系统可 以通过对现有传统工艺或技术的 集成，高效生产烯烃和 电力 ， 减少能源消耗、水耗、 二氧化碳排放 、提高煤制烯烃效率和整体效益 。 目前国内石油化工资源短缺，单纯依靠炼油厂 的资源无法满足烯烃发展的需求，用煤制烯烃可以 部分替代石脑油， 而且每替代 1 t石脑油只需要 2 ～ 3 t原料煤，这 比用 4 t煤液化生产 1 t油品节约能 源和资源。煤经 甲醇制烯烃的产品数量较少，便于 运输【 4 训，煤经 甲醇制烯烃适度规模 的产业化是可 行 的。 3 ． 2 经济分析 神华包头 6 O万吨煤制烯烃总投资 1 8 O ～1 9 0亿 元 。随着技术进步和成熟，预计建设 6 0万吨煤 制烯烃项 目的投资可降至 1 5 0亿元左右l J 引 。吉化、 齐鲁等石油制乙烯装置第二轮改造 ， 产能扩大到 4 0 万～6 0万吨，单位乙烯投资在 1 - 2 ～1 ． 6万元 。新建 装置单位乙烯投资在 1 ． 6 ～2 ． 1 万元 。综合 以上资 料估算新建 6 O 万吨规模煤制烯烃投资 1 7 0 亿元 ， 1 5 0 万吨规模石油制烯烃投资 1 6 0亿元。煤制烯烃单位 烯烃投资是石油制烯烃 的 2 ． 7 倍 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 8 化 工 进 展 2 0 1 3 年第 3 2卷 生产规模指数法取指数为 0 ． 7 ， 可得到不 同烯烃 规模下单位投资。随煤制烯烃工艺技术和装备技术 提高，规模不断增大，单位烯烃投资逐渐减小。 目 前已投产煤制烯烃 6 O 万吨规模单位烯烃投资 2 ． 8 万 元，若达到 1 5 0万吨规模 ，单位烯烃投资降到 2 ． 2 万元，煤路线与石油路线制烯烃单位规模投资比可 降到 2 ． 1 。 中国石化上海石油化工研究院杨 学萍等【 4 8 J 对 石脑油蒸汽裂解制烯烃 1 5 0万吨烯烃规模和煤 经 甲醇制烯烃 6 0万吨烯烃规模 进行了经济分析， 在石油价格 1 1 0 ／ b b l 美元／ 桶，下同和煤炭价 格 5 0 0 R MB ／ t 的情况下，石油路线和煤路线制烯烃 的生产成本分别为 7 6 0 0 R MB ／ t 和 5 2 0 0 R MB ／ t 。石 油和化学工业规划院韩红梅等【 9 J 对石脑油蒸汽裂 解制烯烃 1 2 0万吨烯烃规模 和煤经甲醇制烯烃 8 0万吨烯烃规模 进行 了经济分析并得到双烯平 均生产成本与企业可承受原料价格的对应关系，以 此类推在石油价格 1 1 0 ／ b b 1 和煤炭价格 5 0 0 R MB ／ t 的情况下石油路线和煤路线制烯烃的生产成本分别 为 1 1 2 0 0 R MB ／ t 和 5 1 0 0 R MB ／ t 。石油和化学工业 规划院龚华俊_4 6 J 提出在石油价格 1 1 0 ／ b b l 和煤炭 价格 5 0 0 R MB ／ t 的情况下石油路线和煤路线制烯烃 的生产成本分别为 1 0 5 0 0 R MB ／ t 和 5 2 0 0 R MB ／ t 。 陈 香生等I 5 0 J 对煤基 甲醇制烯烃进行 了投资分析得到 甲醇价格在 1 0 0 0 1 6 0 0 R MB ／ t变化，烯烃成本为 3 8 0 0 5 5 0 0 R MB ／ t 。陈俊武院士【 4 4 J 根据 中国石化集 团洛阳化工工程公司所做的技术经济分析得出，在 石油价格 8 0 ／ b b l 以上时，如果煤制 甲醇的成本能 低于 2 0 0 0 R MB ／ t ，甲醇制烯烃的成本要比石脑油裂 解制烯烃的成本低 1 0 0 0 R MB ／ t 。 原料价格随市场变化很大 ，为了讨论煤制烯烃 和石油制烯烃经济性，本文设石油价格以布伦特价 格为准，石脑油价格以普 氏价格为准 ，煤价 以山西 大同煤价格为准，如图 9所示[ 。油价和煤价相 差很大，由此看 出煤制烯烃具有较大的原料成本优 势，石油和石脑油价格呈线性关系，油价和煤价的 变化趋势基本相 同，但油价变化幅度大 ，煤价变化 幅度相对较小 。 石油和煤制烯烃产品成本组成如表 5所示L 5 引 ， 其中原料 、公用工程费用 以模拟的数据计算，操作 人工根据_ 4 9 】计算，折 旧费按 2 0年直线折旧，残值 为 4 ％，其余费用按照比例系数进行计算。在石油 价格 1 l O ／ b b l 和煤炭价格 6 2 0 R MB ／ t 下 1 5 0 0 k t 规 模石油制烯烃和 6 0万吨规模煤制烯烃产品成本组 歪 南 釜 挺 超 ， 翅 2 0 0 3 2 0 0 42 0 0 5 2 00 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 】 0 20 1 l 2 01 2 年份 图 9 原料价格趋 势 ∞ 痤 成如图 l 0所示， 煤制烯烃成本中原料、 公用工程和 折旧费用大，其中公用工程消耗有待系统集成优化 和规模有待提高。煤制烯烃产品成本是石油制烯烃 产品成本的 0 ． 7倍，主要是因为当前石油价格高， 而煤炭价格相对便宜。石油路线产品成本中原料成 本所 占的比例为 8 9 ％，其受原料价格影响很大，而 煤路线产品成本中原料价格所 占比例为 3 6 ％，其受 原料价格影响相对较小，在当前的原料价格下煤制 烯烃路线具有较大的成本优势。 从图 1 0可 以看 出石油制烯烃和煤制烯烃产品 成本中原料所 占的比例较大，未来国际市场变化很 大，石油价格和煤价格都有可能会骤升骤降。通过 预测不同价格下石油制烯烃和煤制烯烃路线的成本 关系，可以得到在某价格区间内煤制烯烃成本具有 竞争力。目前石油价格在 1 0 0 ／ b b l 上下波动，煤价 表 5 产品成本估算系数 组成 范围 基准 原材料 操作人工 监督和办事员 公用工程 维护和维修 操作消耗品 实验室费用 折旧