煤制油与煤气化制甲醇技术的比较与选择

1、1前言由于油价上涨,自2001年开始发展煤制油的技术路线以来,全国各地纷纷立项。鉴于煤制油技术路线投资大、煤耗高、耗水多、污染大,国家发改委先后三次叫停煤制油项目。直至2008年9月5日发文宣布:经国务院同意,除神华已建煤直接液化项目,以及宁夏煤间接液化项目需要认真进行可行性研究按程序报批外,所有煤制油项目一律停止实施。神华煤制油工艺技术路线的探索示范将有待于生产实践检验,能否推广目前尚不能预料。2煤炭液化制油的技术经济剖析2.1能效与污染按南非煤变油技术资料报导的数据,煤炭液化产油760×104t ,耗煤4590×104t ,折成每吨油耗煤6.04t ;按设计转化效率最高

2、的神华煤直接液化制油工艺,产1t 油采用优质煤(热值为7kcal/kg ,约合29.3kJ/kg为3t ,折成热值约21kJ/kg 煤的耗煤量为4.2t 。据估算,以目前的煤制油技术水平,生产1t 油往往需要45t 煤,按4t 煤(热值约21kJ/kg的热值相当于2t 油,所以热能利用率约为50%,若按南非的煤耗6t 计,其热能利用率仅为33.3%。煤制油热能利用率之所以很低,是由于油品组成是无氧的碳氢化学结构,一般分子式为C 79H 1215。由煤炭转化成油品时,因煤中元素组成主要是碳(C,并含少量氧(O,以及其他硫化物、水分和灰分(约15%,煤液化成油需加入大量的氢(H,而且煤中的氧也需要

3、加氢生成水(H 2O脱除,又要增加氢耗。煤制油加入的氢来源于煤炭纯氧气化制取CO+H 2,并将90%有效气体变换而得。而煤气中CO 占70%(体积分数,H 2仅有30%(体积分数,CO 又需进行水煤气变换成H 2(CO+H 2O CO 2+H 2,然后将CO 2脱除而取得氢。煤制1t 油品所需的煤制氢就大约有3.6t 的CO 2的排放,若包括发电、蒸汽和煤液化等环节,则产生并排放的CO 2为8.8t 。那样的话,建设300×104t/a 煤制油项目一年就要排放出1008×104t 的CO 2。此外,煤直接液化工艺还排放出含油煤渣600×104t ,由于含油煤渣热值

4、很低,难以用作燃料而只能堆存,堆存除占地外,还会受雨水作用而将油污慢慢渗透到地下造成地下水污染。2.2投资与效益分析煤直接液化成油的投资费用按年产1×104t 油品的固定资产投资约为1亿元计,则建设经济规模300×104t/a 以上项目的投资将超过300亿元,属高投入项目。据业内人士测算,如果按照煤炭价格400元/t 、20年固定资产折旧和7%的利息成本测煤制油与煤气化制甲醇技术的比较与选择李琼玖,杜世权,廖宗富,周述志,申同贺(基玖能源化工工程开发设计科技公司,四川成都610012摘要煤炭液化制油技术投资大、煤耗高、耗水多、污染严重,以目前的技术水平,生产1t 油往往需要

5、45t 煤,折算其热能利用率为50%,若按南非的煤耗(6t计,其热能利用率仅为33.3%。改用煤炭气化制甲醇技术,采用6MPa 纯氧高压气化制合成气(CO+H 2,合成气可产双倍的甲醇,则1t 甲醇的煤耗仅为1.31.5t ,甲醇用作汽车发动机燃料时,以1.31.5t 甲醇相当于1t 汽油作功计算,则煤炭的热能利用率可以达到66%76%。如果配套水电解制氢技术,还可以实现CO 2的零排放。中国每年有20×108t 的煤炭产量,如果将其中的12×108t 纳入煤炭气化制甲醇产业链,可每年创造产值约2.67万亿元,可减排CO 2约30×108t 。关键词煤制油煤制甲醇

6、技术经济创新技术作者简介:李琼玖,教授级高级工程师、研究员,1950年毕业于广东省立工业大学,长期从事化工设计、建设、生产工程技术工作,主编合成氨与碳一化学、醇醚燃料与化工产品链工程技术专著,发表论文百多篇。2009年第14卷·26·SINO-GLOBAL ENERGY算,煤制油出厂成本对应的油价大约为60美元/bbl;当煤价为600元/t时,煤制油出厂成本将上升到74美元/bbl。若国际原油价格维持在80美元/bbl,则煤制油盈利空间基本为零。所以国家发改委再度发出通知指出,煤制油项目是人才、技术、资金密集型的高投入、高耗能项目,投资风险大。目前无论是产品方向、工艺路线、

7、技术装备,还是运营管理、经济效益等方面都存在许多不确定因素。煤制油是一项巨大的系统工程,涉及煤资源、水资源、生态、环境、技术、资金以及诸多社会配套要求。只有通过神华的示范才能对煤制油项目进行全面的评估。3煤炭气化制甲醇的技术经济分析3.1能效与污染甲醇系含氧液体燃料,亦是C、H、O组成的有机化合物载体,可转化成多种化工产品。甲醇与油品相似,在常温常压下为液体,便于储存运输。由固体煤炭经纯氧气化后合成液态甲醇的工艺流程短、设备简单,采用6MPa纯氧高压气化制合成气(CO+ H2,再变换脱硫回收硫磺和脱碳后在等压下合成甲醇,不用合成气压缩机。若配套水电解制氢技术,还可取消变换和脱除CO2工序,且达

8、到CO2的零排放,合成气可产双倍的甲醇,每吨甲醇的煤耗为1.31.5t(热值约29.3kJ/kg的煤配入氢后,仅为0.650.75t。甲醇用作汽车发动机燃料,1.31.5t甲醇相当于1t汽油作功,煤炭热能利用率达66% 76%。若开发在发动机内甲醇再催化分解成合成气(CO+H2的技术,使燃烧温度达到2000,提高压缩比作功,则1t甲醇气化后所作功等于1t汽油作的功,这样煤炭的热能利用率将接近100%(作功增值所致。采用高温粉煤纯氧气化配水电解氢制甲醇,煤炭中碳元素的利用率可达99%,硫化物全部回收成硫磺,煤灰中含炭量为1%,可作高级水泥原料。由此可见,煤制甲醇清洁高效转化工艺路线应成为煤清洁化

9、利用的主导发展方向。3.2投资与效益分析煤气化制甲醇项目投资费用按年产1×104t甲醇的固定资产投资约0.25亿元计,建设经济规模为120×104t/a(60×104t/a煤气化和60×104t/a水电解制氢合成甲醇项目的总投资费用为30亿元。按煤价400元/t计,甲醇出厂成本价约在15002000元/t,当甲醇售价为25003000元/t时,投资回收期为6 7a(包括建设期。4我国自主开发的支撑甲醇生产的创新技术焦炉气、钢铁炉气、煤层气高温(1400非催化转化制甲醇用合成气合成甲醇工艺,在压力5MPa下转化,实现等压合成甲醇,不用合成气压缩机。该工艺可

10、实现原料元素充分利用、回收废弃物和免除环境污染。每吨甲醇耗焦炉气1600m3(标准。按我国年产焦炉气量681×108m3计,可产甲醇约0.43×108t;如焦炉气用于燃气轮机发电,热效率仅为28%,则损失焦炉气490×108m3,并排放出CO2 1.8×108t和硫化物等对环境造成污染。焦炉气轻烃非催化转化制甲醇工艺技术已成功在平顶山化肥厂工业化生产,并在潍坊化肥厂推广。非催化转化工艺的开发应用,日本还在开发的起步阶段。平顶山化肥厂投资1200万元进行技术改造,项目投产3年效果很好。潍坊化肥厂投资1600万元进行技改,亦已建成投产。该技术对采煤抽排的瓦斯

11、回收应用推广更具广泛性。轻烃(天然气、煤层气、炼厂气等三一段纯氧转化制合成气技术,已在潼南化肥厂投资1.2亿元兴建的12×104t/a天然气制甲醇项目成功投产。三一段比传统一段转化同量原料增产35%,减排CO2为85%90%。该技术系国内首创,具世界领先水平,也可用于煤层气(一般煤层气含CH4约95%,与天然气相近转化制甲醇,并已放大推广。还在鄂尔多斯苏里格甲醇厂,投资2.2亿元增设自热转化炉改造成33×104t/a甲醇(可增产15×104t/a,总结出生产数据可大型化推广。用天然气三一段转化节气减排CO2技术生产合成气,再生产以下每吨基础燃料化工产品的天然气耗量

12、为:合成氨制尿素470m3(标准;合成甲醇760m3(标准(在5MPa下转化实现等压合成甲醇,不用合成气压缩机;二甲醚1082m3(标准;乙烯1806m3(标准。该工艺每年利用1000×108m3天然气,可生产相当于原工艺1300×108m3天然气生产的产品和产值,并减排CO2约1.5×108t(转化用燃料部分的减排。三一段转化主要设备有:圆筒转化炉、多气流二段转化炉及烧嘴、U型管换热转化炉,这些设备已应用于33×104t/a甲醇和7.2×104t/a合成氨生产煤炭不单是能源的基础,也成为国民经济的物质基础。为了实施上述目标,需进行总体规划、分

13、步产品产值利润醇油4×108t ×2500元/t=10000亿元4×108t ×1200元/t=4800亿元乙烯、丙烯0.5×108t ×10000元/t=5000亿元0.5×108t ×5000元/t=2500亿元二甲醚1×108t ×5000元/t=5000亿元1×108t ×2400元/t=2400亿元甲醛化工0.5×108t ×6000元/t=3000亿元0.5×108t ×4000元/t=2000亿元尿素0.85×1

14、08t ×1700元/t=1445亿元0.85×108t ×800元/t=680亿元水泥4×108t ×500元/t=2000亿元4×108t ×200元/t=800亿元硫磺0.24×108t ×1000元/t=240亿元0.24×108t ×800元/t=192亿元合计26695亿元13372亿元表112×108t 煤炭制甲醇燃料与化工产品产值及利润匡算改造。用于老厂改造或新建厂时比传统法增产20%100%,节气20%30%,减排CO 2的20%80%。粉煤气化配水电解氢制

15、甲醇实现CO 2零排放技术,该技术采用粉煤气化(1700配水电解氢、氧循环制取合成气合成甲醇(在6MPa 下气化,实现等压合成甲醇,不用合成气压缩机,可实现CO 2的零排放,煤炭中的元素基本被全部利用,无废弃物排放。每吨甲醇耗用煤炭约700kg ,耗电1133kW ·h 。按1t 煤可产1.4t 甲醇计,每年生产12×108t 甲醇耗煤为8.57×108t ,并可减排CO 2近22×108t 。由于该项目投资巨大,开发低电耗水电解氢技术和设备需要与生产厂联合进行,并需经实验室到中间试验,然后才能用于生产厂的改造,所以需要前期投入开发资金,并组织有关部门合

16、作共同攻关。目前该技术尚处于基础理论研究阶段,希望能创造和争取条件继续开展攻关,以完成工业化试验后用于大工业生产。该技术将成为解决我国巨额CO 2减排的关键技术。5我国发展煤炭转化制甲醇产业链方案推荐我们煤化工专家团经反复研究后一致推荐我国发展煤炭转化制甲醇产业链方案,以供有关决策者参考,并供有关专家讨论,希望能形成共识。方案设想:投资2.5万亿元(仅相当于目前我国2万亿美元外汇储备的18%,在每年生产的20×108t 煤炭中,用其中的12×108t 煤炭生产8×108t 甲醇载体增能利用。生产产品:甲醇油4×108t ,二甲醚1×108t ,

17、乙烯、丙烯各0.5×108t ,化工用甲醛0.5×108t ,合成氨0.5×108t 加工成尿素0.85×108t ,煤渣制水泥4×108t ,回收硫磺0.24×108t 。可免去CO 2排放约30×108t 。在15年内完成煤制甲醇结构调整,12×108t 煤炭转化制甲醇产业链年产值可达2.67万亿元,按带动国民经济5倍计,可达约10万亿元,还未计入8×108t 煤炼焦生产钢铁和发电(改为燃气发电以及建材、化工等用煤的产值。以2005年国民经济总产值18.3万亿元为基数,按年增10%计,15年后可达50

18、万亿元。届时煤炭转化产业链产值按10万亿元计,煤炭能源化工工业即占总产值的20%以上。12×108t 煤制甲醇与二次利用的产品链见图1,产品产值及利润估算见表1。树脂干粉树脂液聚甲醛甲醛商品尿素化肥尿素合成氨脲醛树脂甲醛其他甲醇化工产品乙烯二甲醚甲醇油甲醇弛放气回收硫磺水泥煤渣气化水电解H 2电力水气化空分煤空气发电O 2O 2图1煤炭转化制甲醇产品链说明:煤炭元素接近100%利用,并免去CO 2排放2009年第14卷·28·SINO-GLOBAL ENERGYComparison between Coal Liquefaction and Coal-to-met

19、hanolTechnologies and SelectionLi Qiongjiu ,Du Shiquan ,Liao Zongfu ,Zhou Shuzhi ,Shen Tonghe(Jijiu Energy Chemical Engineering Development &Design Science and Technology Company ,Chengdu Sichuan 610012AbstractCoal liquefaction has many disadvantages such as large investment ,high coal and water

20、 consump tion and serious pollution.With technologies currently available ,the production of 1t of oil typically requires 45t of coal ,equivalent to a heat utilization rate of 50%.If calculated using South Africa s conversion effi -ciency of 6t of coal for 1t of oil ,the heat utilization rate is onl

21、y 33.3%.If using coal gasification technology to produce methanol ,in which pure oxygen is used to produce syngas(CO+H 2under a pressure of 6MPa ,the syngas produced in the process could produce twice as much methanol and producing 1t of methanol requires only 1.31.5t of coal.When methanol is used a

22、s auto fuel ,assuming 1.31.5t of methanol does the same amount of work as 1t of gasoline does the heat utilization rate of coal is 66%76%.If water electrolysis hy -drogen production technology is adopted ,no CO 2would be emitted.China produces 20×108t of coal annually.If 12×108t of coal is gasified to produce methanol ,annual output value