煤制聚烯烃装置建设的探讨
□ 北京中科合成油工程有限公司 唐宏青
乙烯、丙烯主要用于聚合物的生产。近年来我国聚乙烯和聚丙烯工业持续强劲增长,产量不断提高。国内石油聚烯烃的发展跟不上需求的增长，巨大的市场缺口要靠进口来弥补，这是推动近期煤制烯烃热的根本原因。
甲醇制烯烃就是在这样的环境下受到人们的注意，其后续产品主要为聚烯烃。
煤制烯烃工艺趋于成熟
根据催化剂的不同，目前煤制烯烃有三种工艺(见图1)：
(1)以SAPO34为代表的甲醇流化床催化裂解制取低碳烯烃(乙烯、丙烯和丁烯)的MTO工艺；(2)以ZSM-5为代表的甲醇固定床催化裂解制取丙烯等烃类(丙烯、石脑油和LPG)的MTP工艺；(3) 以SAPO34/SAPO18为代表的甲醇流化床催化裂解制取丙烯等烃类(丙烯、石脑油和LPG)的FMTP工艺。
上述三种工艺中，最受关注的是含有甲醇制烯烃的MTO工艺，这是由于其产物中含有乙烯和丙烯等量的产品，转化率高，在国内已有三十多年研发历史，在国外尚没有工业化先例。
当前大连化物所与UOP公司煤制烯烃技术处于世界领先地位。国内MTO工艺实验室阶段及中试阶段的工作已结束，数据比较完善，见表1。国内示范厂的试车阶段也已经结束。从催化剂研制到DMTO工艺路线的实现，一共申请了60多件发明专利，构成了完整的自主知识产权体系。甲醇制烯烃的MTO工艺流程，见图2。
甲醇制烯烃（MTO）工艺采用流化床反应器，1吨烯烃产品的催化剂消耗量约为1千克，一个典型的60万吨MTO装置的催化剂年消耗量为600吨。
表1 大连化物所与UOP公司的中试装置评价结果比较
项目 UOP公司 大连化物所MTO-100型
原料 甲醇 二甲醚
中试规模/t·d-1 0.75 相当甲醇0.08~0.15
分子筛类型 SAPO-34 SAPO-34
反应器类型 流化床 流化床
烯烃选择性(质量分数)/%
乙烯 34~46 50
乙烯+丙烯 76~79 ＞80
乙烯+丙烯+丁烯 85~90 ~90
单位质量混合烯烃原料消耗 2.659 相当2.567甲醇
已经运行的反应-再生次数 ＞450次 ~1500次
催化剂价格 高 比较低
催化剂牌号 MTO-100 DO123
示范厂项目宜进一步优化方案
神华包头煤制烯烃示范厂项目是以煤为原料，通过煤气化制甲醇、甲醇转化制烯烃、烯烃分离、烯烃聚合工艺路线生产聚烯烃的大型煤化工项目。该项目产品为30万吨聚乙烯和30万吨聚丙烯，副产品为混合碳四、碳五和硫磺等。可生产均聚物、无规共聚物、抗冲共聚物三类产品共一百多个牌号的产品。
示范厂中共有七个主要工艺单元，即水煤浆气化、低温甲醇洗净化、甲醇合成与精馏、甲醇制烯烃、烯烃分离、聚丙烯和聚乙烯，见图3。除了甲醇制烯烃单元是采用国内开发的技术以外，其他单元都是引进技术，见表2。由国内工程公司对这些技术进行组合和公用工程配套。
装置从2010年5月30日气化装置第1台气化炉投煤开始试车，2011年生产51万吨聚烯烃，2012年生产54.5万吨聚烯烃，接近设计值。
2011年7月18日，国家发展改革委产业协调司“煤制烯烃示范项目评定会”认为，在当前油煤比价下，煤制烯烃经济效益较好，但现有发展方式的资源占用和二氧化碳及污染物排放明显高于石油制烯烃。面临“十二五”日益严峻的资源和环境双重约束，不宜大规模推广，应进一步优化建设方案，开展升级示范。
2012年6月6日中国石油和化学工业联合会组织的“煤制烯烃示范工程科技成果”鉴定认为，示范项目实现了技术产业化、工程化和规模化，设备本地化率达到95%，污染物排放和资源利用符合国家规范要求，基本达到了示范目标。
国内另外两套MTO甲醇制烯烃项目已经投产，它们是：
(1)中原石化公司60万吨甲醇制烯烃(S-MTO)装置，2011年10月10日投产，产出合格的乙烯和丙烯。总投资15亿元，包括新建60万吨天然气甲醇制20万吨烯烃，该项目所用的甲醇制烯烃(S-MTO)技术由中国石化上海石油化工研究院、中国石化工程建设公司和北京燕山石化公司联合开发。
(2) 浙江宁波化学工业区宁波禾元DMTO装置，2013年1月28日投料试车成功产出合格的乙烯和丙烯。采用大连化物所DMTO工艺，项目主体包括180万吨外购甲醇制烯烃装置、50万吨乙二醇装置、40万吨聚丙烯装置。
表2 MTO示范装置中技术的来源
技术单元 技术来源 规模
水煤浆气化 GE 投煤量7×1500吨/天
低温甲醇洗 Linde 合成气处理2×26.5 万立方米
甲醇合成与精馏 Davy 甲醇180万吨
甲醇制烯烃 大连化物所、洛阳工程公司 烯烃60万吨
烯烃分离 Lumus 丙烯30万吨
乙烯30万吨
聚丙烯 陶氏化学 聚丙烯30万吨
聚乙烯 UNIVATION 聚乙烯30万吨
全流程能耗有优化空间
煤制烯烃装置的能量转化率不是很高（见表3），原因是工艺步骤比较长。煤制烯烃装置的能量转化率，应该在30%~40％，目前行业内设计给出的数据，有每吨聚烯烃包括副产物或不包括副产物两种算法。同样，煤制烯烃的吨产品能耗，应该在130~180吉焦，也有包括副产物或不包括副产物两种算法。
示范厂煤制烯烃能耗高的原因之一，是其工艺单元是由国外多家公司提供的工艺包，每一个工艺包中能耗可能是经过优化的，但是全流程能耗没有整体优化，主要表现在蒸汽平衡系统。富裕的高中压蒸汽大量地减温减压到下一层次的管网中，造成能量的浪费。
表3 煤化工产品的能耗和能量转化率 吉焦/吨
产品 吨产品 吨产品 能量转化
(水煤浆气化为龙头) 能耗 热值 效率/%
甲烷 89 50.3 56.6
甲醇 42 22.66 54.0
二甲醚 63 28.89 45.8
氨 46 18.57 40.4
醋酸 39 14.54 37.3
尿素 31 10.57 34.0
油品 F-T合成柴油 110 44.58 40.53
直接液化柴油 111 42.71 38.5
MTG汽油 150 46.05 30.7
MTO煤制聚烯烃(乙烯、丙烯、丁烯) 130* 47.19 36.3
MTP煤制聚丙烯(丙烯、石脑油、LPG) 150 45.81 30.5
2011年煤发电全国平均 37.23
*包括副产品
碳排放问题严峻
煤化工装置的原料为煤，煤中的碳大部分是以CO2的形式进入大气，这是不可避免的。还有一些装置用外来供电，包含着隐性的CO2排放。因此，煤化工装置“零排放”是不可能实现的理想状态。超大型煤化工装置碳排放统计见表4。
煤制烯烃项目原料煤中75%以上的碳要转化为CO2排入大气，60万吨的煤制烯烃项目耗煤量473万吨，则每年排入大气中的CO2将超过800万吨，由此带来的排放问题十分严峻。目前，神华在鄂尔多斯试验将10万吨CO2注入地下，投资2.1亿。如果要把全部CO2注入地下，至少需要几十亿的投资，还要有能容纳这样的数量CO2的地层。
表4 超大型煤化工装置碳排放统计 %
工艺 煤中的碳排入大气的比例
合成甲烷(天然气) 67.3
甲醇 65.1
煤制尿素 (经合成氨) 77.5
醋酸 59.9
F-T合成柴油 71.9
直接液化柴油 70.1
MTO聚烯烃(乙烯、丙烯、丁烯) 77.8
MTP聚丙烯(丙烯、石脑油、LPG) 77.8
节水系统需要整体优化
在现代煤化工项目中耗水量比较大，见表5。水耗数据是半定量的，与煤的品种、工艺路线、设计理念等多种因素有关。
煤制烯烃装置需要大量的水，示范厂每吨聚烯烃的耗水量设计值为32吨，2011年的考核数据为28.9吨。煤制烯烃装置中的生产用新鲜水约占全部新鲜水的94％左右，生活用水量不多，设计时已经考虑到节水问题，并已经采用了空冷器等节水设备。但是，由于这个装置的工艺单元是由多家国外公司提供的工艺包拼合起来，缺乏整体优化，没有全面采用像夹点分析这样的技术来总体优化节水，因此未来还可以有节水的余地。改进MTO催化剂的性能，降低甲醇消耗量，也是节水的重要途径。
煤制烯烃装置有严格的污水回用装置，包括污水处理装置和回用水装置。污水处理装置设计采用“硝化-反硝化”A/O生物脱氮处理工艺，该装置还包括提升能力的雨水泵站、废水泵站，有效容积较大的事故水池。污水回用装置采用“石灰软化+絮凝沉淀+过滤+超滤+反渗透”工艺，设计回收率和脱盐率较高，出水作为循环水装置的补充水，实现污水再利用，提高了水利用率。
按照设计值每吨聚烯烃耗水32吨，大约有13吨是作为污水排掉的，如果产量达到设计值，每年有约780万吨污水排放。
表5 煤化工装置的水耗
工艺 吨产品的水耗(t)
合成甲烷(天然气) 9.4
甲醇 17
煤制尿素 (经合成氨) 15
醋酸 11
油品 F-T合成柴油 13.45
直接液化柴油 10
MTO聚烯烃(乙烯、丙烯、丁烯) 32(设计)
28.9(考核)
MTP聚丙烯(丙烯、石脑油、LPG) 51
项目投资偏高
比较石油路线乙烯工厂而言，煤制烯烃工厂的投资要高得多。示范厂60万吨煤制烯烃项目当时的总投资接近170亿元，按照目前的价格计算，投资超过200亿元，折合吨乙烯产品投资为3万~3.5万元。煤制烯烃工厂投资强度高，总投资约为石油路线的1.5~2倍。
煤制烯烃项目投资高的原因主要有：①煤制烯烃工厂的原料煤炭为固体，备煤、煤气化、空分和净化单元、硫回收等工艺设备复杂、投资高，约占工厂主装置投资的50%；②整个工艺的流程长，从煤到聚合物单元步骤多，并有两条聚合线；③公用工程巨大，锅炉、电站、供配电、循环水、污水处理等系统庞大；④从煤气化到终端产品装置大量引进技术，工艺技术的国产化率低，专利费较高。
关于成本问题，数年前国内某工程公司曾作过分析，以甲醇为基准，当甲醇价格为1600元/吨时，烯烃产品成本为5532元/吨，以此推论，在当前物价基础上，聚烯烃的成本为6500元/吨左右，还要考虑偿还贷款（投资为200亿元，以10年还贷本息计，每吨烯烃还本息为4400元），则聚烯烃产品成本已超过万元大关。
装置建设规模应适当
当前我国已经正式进入开工建设或前期工作的煤（甲醇）制烯烃项目超过50个，如果这些项目均能如期投产，则2020年我国将形成2800万吨煤制烯烃产能。这些装置大部分在西北地区，包括内蒙和新疆这样的干旱地区。由于这些地区的人口稀少，大量的聚烯烃要输送到中东部地区销售。而煤制烯烃厂都是新建大规模甲醇装置，也无法来缓解国内小甲醇过剩的初衷。
在沿海地区热情很高的外购甲醇制聚烯烃的做法，其必要性受到怀疑。2012年外购甲醇的平均价格是每吨377.38美元，按照3吨甲醇制1吨聚烯烃计，每吨聚烯烃的原料成本是人民币7110元。当国外甲醇的上岸税后价格为2500元/吨和聚烯烃市场销售价格为11500元/吨时，则两者相当。
煤制烯烃技术MTO的工业化运行，是我国近年来现代煤化工技术的重大进展，预计再运行2~3年，就可以达到设计标准。国内聚烯烃的部分缺口可以通过煤制烯烃产品来满足。
煤化工可以作为石油化工的补充，而不是代替石油化工。根据石油化工的缺口，适当建设若干煤制烯烃装置，对于推动地方经济，减少聚烯烃的进口，是十分有益的。