武立俊，王燁敏

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 前 言

煤制油是1種以煤為基生產(chǎn)合成燃料油的煤炭轉(zhuǎn)化工藝，其產(chǎn)品可取代或補(bǔ)充從石油中提取的柴油和汽油。在煤液化工廠常使用FT催化合成工藝，即煤首先被氣化產(chǎn)生合成氣(CO+H2)，隨后被轉(zhuǎn)化成液態(tài)的碳?xì)浠衔?如汽油和柴油)。此燃料油含有極少量的芳香族化合物和氮氧化物、硫氧化物，較為清潔。常見(jiàn)的2種液化工藝流程如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)的2種煤液化工藝流程框圖

先前的研究大多以煙煤作為液化原料，較少考慮采用低階煤作液化原料。褐煤在化學(xué)組成、煤質(zhì)特性與煙煤差別較大，因其有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)故可降低原料成本，因此了解低階煤種對(duì)液化工藝的影響尤為重要[1-3]。

為了更具代表性，以下研究兼顧水煤漿進(jìn)料的GE氣化與干法進(jìn)料的Shell煤氣化2種典型氣化技術(shù)。前者將附加的一部分水引入氣化設(shè)備，后者進(jìn)水很少，兩者的操作溫度和壓力不同，產(chǎn)生的合成氣成分也有差別。

目前，有關(guān)CO2排放和生產(chǎn)成本對(duì)使用低階煤的間接液化工藝的影響研究較少，且在系統(tǒng)分析關(guān)鍵參數(shù)如何影響煤液化成本以及在碳約束影響方面均缺乏詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)研究，因而展開(kāi)褐煤間接液化工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型評(píng)價(jià)研究極有必要。

1 研究目標(biāo)

在該研究中，通過(guò)使用褐煤作為原料建立間接液化工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型，評(píng)估使用褐煤的GE和Shell煤氣化間接液化工藝的性能、成本及碳排放，另外比較了CCS的運(yùn)行成本和CO2的排放費(fèi)用。

2 研究方法

利用Aspen Plus化工流程模擬軟件建立技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型，若設(shè)定生產(chǎn)能力、操作條件及組分即能計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和能量守恒。將Aspen Plus得出的結(jié)果再輸入成本模型即可計(jì)算產(chǎn)品成本[4]。

煤樣的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果詳見(jiàn)表1。從表1中可看出，煤的水分和灰分較高，而發(fā)熱量較低，因此需先脫除部分水分(小于12%)以達(dá)到氣化爐的干法進(jìn)料要求。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析結(jié)果

水分(Mt)/%灰分(Ad)/%元素分析/%CdHd0dNdSt,d/%發(fā)熱量(Qnet,ar)/(MJ·kg-1)Cld/%33.016.0035.002.7011.100.801.3014.000.20

GE氣化爐溫度設(shè)定為1 316 ℃，壓力為5.6 MPa，鼓入的氧氣純度為95%(其余5%的氣體為氮?dú)夂蜌鍤?，O2與C的摩爾比為0.47。水煤漿進(jìn)料中干煤的質(zhì)量百分比為50%。相比之下，Shell煤氣化爐的操作溫度(1 427 ℃)更高，壓力為4.3 MPa，O2與C的摩爾比為0.42。從空分裝置分離出的氮?dú)馐姑毫鲬B(tài)化后輸送至氣化爐。

2.1 液化工藝模型分析

2.1.1煤氣化反應(yīng)

煤氣化工藝過(guò)程包括煤與水的反應(yīng)、煤與氧的反應(yīng)，從空氣分離器出來(lái)的熱解氣體首先在輻射冷卻裝置中冷卻，產(chǎn)生的熱壓氣流可用于發(fā)電。典型的氣化爐中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下:

以上方程均可通過(guò)aspen plus中的熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)加以計(jì)算，得出實(shí)際的合成氣體組分。

從氣化爐輸出的合成氣被冷卻、凈化，再使用高效的兩段Selexol工藝以脫除絕大部分的H2S和CO2。因?yàn)镕T合成催化劑對(duì)硫很敏感，且CO2的存在對(duì)FT合成反應(yīng)也有害。因此，捕集CO2是煤制油工藝的一部分，同時(shí)該技術(shù)也能減輕大氣環(huán)境的壓力[5-10]。

2.1.2費(fèi)托合成

已凈化的合成氣接著進(jìn)入低溫(約250 ℃)的水煤漿進(jìn)料的費(fèi)托合成器中，使用鐵系催化劑將合成氣轉(zhuǎn)化為不同碳鏈長(zhǎng)度的碳?xì)浠衔?。反?yīng)見(jiàn)下式:

(8)

從式(8)可看出，費(fèi)托合成反應(yīng)中H2/CO的摩爾比率為2，但對(duì)于水煤漿進(jìn)料的費(fèi)托合成器，反應(yīng)生成的合成氣中H2/CO比率有時(shí)會(huì)很低(約0.67)，可借助水煤氣變換反應(yīng)(2)而提高H2/CO比率。而水煤氣變換反應(yīng)(WGS)的程度依賴(lài)于進(jìn)料的H2/CO比率，其比率越低則反應(yīng)率越高。產(chǎn)生的CO2通過(guò)Selexol系統(tǒng)被分離。費(fèi)托合成器的反應(yīng)溫度還能產(chǎn)生中壓水蒸氣用以發(fā)電。

雖上述反應(yīng)器對(duì)于生產(chǎn)較高碳原子數(shù)的有機(jī)化合物更合適，但若設(shè)計(jì)適當(dāng)，也能使用該反應(yīng)器生產(chǎn)所需的液體產(chǎn)品。費(fèi)托合成產(chǎn)品中碳鏈長(zhǎng)度的分布取決于碳鏈增長(zhǎng)幾率α，其大小取決于費(fèi)托合成器的操作參數(shù)(如溫度、催化劑等)，計(jì)算公式如下:

Wn=n(1-α)2αn-1

(9)

眾所周知，使用鐵系催化劑的費(fèi)托反應(yīng)器有1個(gè)雙峰的產(chǎn)品分布，即意味著α值隨著碳原子數(shù)變化而變化。在此研究中，α值變化范圍取為0.85～0.95。利用Aspen Plus軟件建立費(fèi)托合成模型，以模擬給定進(jìn)料合成氣組分情況下的費(fèi)托合成反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)過(guò)程，且假定反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化率為80%。使用上述給定范圍的α值，產(chǎn)品中碳原子數(shù)的分布可通過(guò)公式(9)確定[11-13]。

從費(fèi)托合成器產(chǎn)生的氣體包括未轉(zhuǎn)化的合成氣、CO2和低分子有機(jī)物(C1～C4)，在只產(chǎn)液體燃料的工藝中，氣體從液體中被分離，除去CO2后再進(jìn)入費(fèi)托合成器，進(jìn)一步將低分子的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為CO和H2，而少量的氣體排入大氣。在有CCS工藝的只產(chǎn)液體燃料的工廠中，由于需使用吹掃氣體因而有少量的碳排放。

2.1.3發(fā)電單元

從費(fèi)托合成器輸出的、未轉(zhuǎn)化的合成氣還可進(jìn)入氣輪機(jī)中燃燒而產(chǎn)生電能。此處氣輪機(jī)型號(hào)為GE7FB，其操作壓力為18.5 MPa,溫度為1 395 ℃。氣輪機(jī)性能及型號(hào)的選擇首先要檢驗(yàn)校準(zhǔn)，包括氣輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)等熵效率的計(jì)算。在氣體燃燒之前，先和ASU單元排出的氮?dú)饣旌希康氖强刂频趸锏呐欧?。被氮?dú)庀♂屢院螅剂线M(jìn)入氣輪機(jī)燃燒，釋放出較低的熱值，范圍在4.5 MJ/m3～4.8 MJ/m3。

從氣輪機(jī)排出的熱廢氣可在蒸汽發(fā)生器中冷卻，在此產(chǎn)生高壓的過(guò)熱蒸汽(9.8 MPa、38 ℃)。蒸汽發(fā)生器也將中壓蒸汽(2.1 MPa)加熱至538 ℃。該蒸汽在1個(gè)三段蒸汽輪機(jī)中膨脹做功(9.8 MPa、2.1 MPa、0.28 MPa)后產(chǎn)生二次電能。如前所述，蒸汽也能夠從粗煤氣冷卻器和費(fèi)托反應(yīng)器冷卻夾層中產(chǎn)生。在提供輔助的負(fù)荷需要(即ASU單元的發(fā)電、二氧化碳的捕集單元、CCS單元、二氧化碳的壓縮等)后，剩下的電量可進(jìn)入商業(yè)電網(wǎng)。

2.1.4二氧化碳的捕集和貯存

當(dāng)CCS工藝中，CO2被加壓至150bar，通過(guò)管路輸送至深井構(gòu)筑物儲(chǔ)存。在多產(chǎn)品系統(tǒng)中，未轉(zhuǎn)化的合成氣在氣輪機(jī)中燃燒導(dǎo)致額外的CO2排放，通過(guò)胺基燃后捕集工藝來(lái)捕集。對(duì)該系統(tǒng)，CCS單元需提供燃后CO2捕集所需能量，其中包括溶劑再生需要的低壓蒸汽、泵和其它設(shè)備的用電需求。從電廠出來(lái)的此兩種CO2進(jìn)行合并、壓縮，最后輸送到深井中。

對(duì)于只產(chǎn)液體燃料的工藝，在一定程度上電是由廢熱產(chǎn)生，只能滿足廠區(qū)用電，沒(méi)有多余的電能進(jìn)入電網(wǎng)。對(duì)于沒(méi)有CCS單元的工廠，從廢熱中獲得的額外蒸汽能可作為產(chǎn)品之一，在結(jié)果中未計(jì)入。雖在費(fèi)托合成循環(huán)中通過(guò)燃燒氣體也能產(chǎn)生額外的電能，但也同時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的成本。因?yàn)橛行У恼羝芸蓾M足所有的設(shè)備需求，此選擇在文中未考慮，符合現(xiàn)在的商業(yè)實(shí)際[14]。因廢熱被利用的情況下，只產(chǎn)液體燃料的工廠的效率才不受影響，雖總成本會(huì)由于CCS單元而有所增加，具體討論如下。

3 研究結(jié)果

不同氣化工藝下合成氣組分的結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可看出，水煤漿進(jìn)料的GE氣化爐產(chǎn)生的CO2含量(19.7%)很高，而Shell氣化爐產(chǎn)生的CO2含量?jī)H有6.6%。造成兩者較大差異的原因主要由于溫度的不同而直接影響CO2的生成。另外，在較高溫度下，CO的含量要比H2的含量高出許多(22.9%)。而在GE氣化爐中，因?yàn)檫^(guò)量水的存在，H2的產(chǎn)率要比CO高12.2%。水煤漿進(jìn)料時(shí)，在氣化產(chǎn)品中水分含量達(dá)到33.1%，因此作為有用組分的CO和H2，Shell工藝比GE工藝的含量要高28.7%。

表2 不同氣化工藝下的合成氣組分

%

從氣化爐輸出的合成氣經(jīng)過(guò)干燥和凈化，可除去大部分CO2和H2S等雜質(zhì)。對(duì)于Shell氣化爐，產(chǎn)生的粗煤氣經(jīng)變換后可將H2/CO提高到0.67，此即費(fèi)托合成的最低要求[15]。

3.1 只產(chǎn)液體燃料的工藝性能分析

不同煤種及不同氣化爐的性能及成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。整體效率可定義為輸出能量除以輸入能量。

3.1.1褐煤實(shí)驗(yàn)

褐煤的灰分和水分均較高，在水煤漿中的固體含量也較低，且進(jìn)入Shell氣化爐的干煤粉中的水分含量稍高。

對(duì)于GE氣化爐，褐煤的消耗量要高出6.5%，沒(méi)有CCS單元的CO2排放量比Shell高出8.1%。若加入CCS單元，2種工藝的CO2排放量均很低，即使用褐煤的液化整體效率都較低。

表3 不同氣化工藝的性能及成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果

性能及成本有無(wú)CCS單元GEShell整體效率/%53.156.3CO2排放量/無(wú)CCS單元28.126.0(1 000 t·d-1)有CCS單元0.10.2總成本/(1 000美元·桶-1)無(wú)CCS單元133.0137.4有CCS單元134.4138.6液體產(chǎn)品成本/無(wú)CCS單元91.493.3(美元·桶-1)無(wú)CCS+CO2排放稅105.5106.3有CCS單元97.999.3

從表3中可看出，增加CCS單元后的成本幾乎沒(méi)有增加。沒(méi)有CCS單元的液體燃料成本約為

91美元/桶，若計(jì)入CO2排放稅則為105美元/桶。增加CCS單元的液體產(chǎn)品成本為98美元/桶，比沒(méi)有CCS單元的多付出CO2排放稅要便宜，Shell氣化爐也有相似的結(jié)論。只要CO2的排放稅高于12美元/t時(shí)，CCS單元均具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

3.1.2不確定性和敏感性分析

除了上述確定性因素的分析外，以下引入概率分析以考察不確定變量對(duì)成本和操作參數(shù)的影響。成本變量對(duì)應(yīng)的范圍和可能性分布見(jiàn)表4。不確定分析引用了蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)模擬法，即在Matlab軟件中使用隨機(jī)數(shù)程序，每種情況完成了20 000種模擬產(chǎn)生了模擬的成本結(jié)果可能分布。

表4 成本變量對(duì)應(yīng)的范圍和可能性分布

褐煤間接液化產(chǎn)品成本不確定性的影響如圖2所示。

圖2 褐煤液化產(chǎn)品成本不確定性的影響

上述結(jié)果適用于2種氣化爐。產(chǎn)品成本的總體變化幾乎由1個(gè)或多個(gè)因素決定，表明了在評(píng)價(jià)煤制油工廠的收益性方面經(jīng)濟(jì)的假設(shè)極其重要。液體產(chǎn)品成本90%的置信區(qū)間范圍在(60～120)美元/桶。如果原油價(jià)格高于(60～120)美元/桶范圍，則煤制油項(xiàng)目的投資就不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。

煤制油的生產(chǎn)規(guī)模對(duì)液體燃料產(chǎn)品成本的影響如圖3所示。從圖3可看出，生產(chǎn)規(guī)模對(duì)液體燃料產(chǎn)品成本也有1個(gè)顯著的影響，對(duì)于處理量125 000桶/d的工廠，產(chǎn)品成本要比處理量10 000桶/d的成本低30%左右。除此以外，不同的煤種和氣化工藝也會(huì)影響產(chǎn)品成本[16]。

圖3 煤制油的生產(chǎn)規(guī)模對(duì)液體燃料產(chǎn)品成本的影響

3.2 多產(chǎn)品系統(tǒng)分析

褐煤實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可看出，Shell工藝的總成本比GE工藝略低，且整體效率略高。

3.3 多產(chǎn)品工藝與只產(chǎn)液體燃料油工藝的比較

綜上所述，多產(chǎn)品工廠發(fā)電量可觀，產(chǎn)生的利潤(rùn)降低了液體燃料的成本。電價(jià)越高，液體油的成本越低。電價(jià)和CO2排放稅對(duì)液體油成本的影響如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)電價(jià)在50美元/MWh～90美元/MWh時(shí)，多產(chǎn)品工廠的成本較低。此電價(jià)范圍將來(lái)可能提高，且碳的排放限制也會(huì)更嚴(yán)格。因此多產(chǎn)品系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越受歡迎。然而，此電價(jià)范圍對(duì)其它煤和不同氣化類(lèi)型是不同的。對(duì)于使用褐煤的GE工廠，電價(jià)在50美元/MWh～100美元/MWh，多產(chǎn)品系統(tǒng)成本較低；對(duì)于Shell工藝，電價(jià)則為60美元/MWh～130美元/MWh。

表5 多產(chǎn)品氣化工藝的性能及成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果

性能及成本有無(wú)CCS單元GEShell銷(xiāo)售電量/MW無(wú)945650有815540效率/%無(wú)49.449.5有47.747.9CO2排放量/(1 000 t·d-1)無(wú)43.238.1有0.81.0總成本/(1 000美元·桶-1)無(wú)173.4171.4有187.6183.2無(wú)80.689.8液體產(chǎn)品成本/無(wú)CCS+CO2排放稅102.3108.9(美元·桶-1)有103.3109.5有CCS+ CO2排放稅103.7110.0

圖4 電價(jià)和CO2排放稅對(duì)液體油成本的影響

由圖4可知，只有當(dāng)電價(jià)不超過(guò)80美元/MWh時(shí)，CCS單元的成本才會(huì)比碳排放稅低。若電價(jià)過(guò)高，賣(mài)電利潤(rùn)不足以抵消CCS系統(tǒng)的成本。因此，總體來(lái)說(shuō)，雖多產(chǎn)品液化因?yàn)轭~外生產(chǎn)電能使液體產(chǎn)品成本較低，但電價(jià)的收支平衡還取決于氣化技術(shù)和煤種。水煤漿進(jìn)料比干法進(jìn)料的收支平衡點(diǎn)低。

4 結(jié) 論

該研究通過(guò)建立褐煤直接液化技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型從而對(duì)煤制油工藝的性能、碳排放及成本進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，即使用了低階褐煤進(jìn)料且考慮了水煤漿進(jìn)料和干法進(jìn)料2種方式。

對(duì)于只產(chǎn)液體燃料產(chǎn)品的工廠，干法進(jìn)料性能優(yōu)異于濕法進(jìn)料，但在成本上，水煤漿進(jìn)料略占優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步研究表明，只產(chǎn)液體燃料的工廠，產(chǎn)量在50 000桶/d時(shí)，使用不同的氣化工藝，年產(chǎn)值大約為50億美元～70億美元。液體燃料的成本為75美元/桶～110美元/桶。如果CO2的排放稅高于12美元/t，CCS則更經(jīng)濟(jì)。液化生產(chǎn)規(guī)模對(duì)液體產(chǎn)品的成本也有顯著的影響，規(guī)模較大則液體產(chǎn)品的成本越低。由此可見(jiàn)，當(dāng)考慮成本參數(shù)方面的不確定性和多樣性時(shí)，液體產(chǎn)品的成本受1個(gè)或多個(gè)因素的制約。

對(duì)于多產(chǎn)品工廠，依賴(lài)于耗煤量和發(fā)電量的整體效率，干法進(jìn)料的工廠效率稍高，但CO2的排放量也高。水煤漿進(jìn)料比干法進(jìn)料生產(chǎn)的燃料油更便宜。因?yàn)槟軓陌l(fā)電獲得額外收益，雖總成本較高，相比于只產(chǎn)液體產(chǎn)品的工廠，多產(chǎn)品工廠生產(chǎn)的油類(lèi)產(chǎn)品更便宜，但前提是電價(jià)能維持在50美元/MWh～120美元/MWh。且在多產(chǎn)品工廠中，當(dāng)電價(jià)超過(guò)80美元/MWh時(shí)，25美元/t的CO2排放稅并不足以使CCS單元更經(jīng)濟(jì)。