煤化工产品能耗分析与思考

石油和化工节能2011年第2期·3·专题论坛煤化工产品能耗分析与思考张有国（上海焦化有限公司上海200241）摘要煤资源作为我国的主要能源，其转化产品能源效率差异与转换方式和产品加工深度存在相关关系。本文通过部分煤转化制品能源效率对传统煤化工和新型煤化工能耗及特征进行了分析。煤化工产品价格及产品结构直接影响煤化工企业的产值能耗。以上海焦化创建煤基多联产示范基地为例提出我国发展煤化工应做好技术示范验证，考虑能源消耗最低，系统能量最优，谨慎探索跨行业联产，着力发展精细化工，使煤化工成为我国经济可持续发展的动力。关键字煤化工能耗分析节能措施精细化工煤基多联产0概述众所周知，我国能源的资源分布和消费结构以煤为主，并将维持一定阶段。传统煤的利用以产品粗放，污染严重，碳排放量大、能源利用水平低为特征。近年来，尽管国内随着煤的一碳化工崛起，煤通过高温完全气化，煤的清洁利用得到明显改善，而产品单一，碳排放量高，技术手段匮乏等将仍然制约着我国煤炭资源的高效利用。上世纪80年代上海焦化有限公司新建以煤为原料以生产煤气、电力、化工产品的“三联供”项目，为今天的煤高效利用提供了煤基多联产的雏形。近年来国内煤化工发展势头强劲，煤的利用与国家的能源发展息息相关。如何正确客观认识和评价煤制品的能源效率，控制碳排放，实现低碳经济，已成为我国国民经济发展的重要课题。从煤转化制品能源消耗、能源损耗、能源利用率剖析，可以看出上海焦化提出的创建煤基多联产循环经济示范基地现实意义，同时也为煤转换利用提供了能源利用效率依据。1煤转化制品能耗分析1.1煤转化制品能耗数据传统的煤化工产品经长期的生产运行积累了较多的能源消耗数据，并形成了一整套的能源消耗核定方法和定额指标。新型煤化工由于对产品能耗考量缺乏完善的核算规范和长期数据积累考证，而很多煤化工往往与煤炭、炼油、石化、热电等行业组合联产，生产辅助共享，能耗分担差异和原料煤优劣差异以及国外煤化工技术的商业化推荐，使煤化工产品能耗与实际运行能耗存在较大的差别。表1列出了部分不同技术线路煤转化制品的能耗情况。表1中产品1-3能耗取自有关炼焦、合成氨的产品能源消耗限额；产品4能耗由（美国）国立橡树岭试验所（RONL）陶瓷无机膜技术的煤制氢效率推算；产品5-6产品能耗取自上海焦化实际运行积累数据；产品7能耗取自有关煤化工产品能耗数据；产品8能耗取自中石化合成气一步法生产二甲醚工艺消耗定额，合成气能耗按上海焦化煤制合成气能耗折算；产品9-13能耗取自煤化工产品能耗；IGCC发电能耗由美国能源技术试验室500MW规模发电效率推算得到。产品18取自石洞口二厂超临界粉煤发电煤耗310g/kWh推算。表中列出的产品能耗与统计意义上的产品能耗有所区别，这里是指产品生产过程中投入到产品生产中的能源耗用量，其值扣除了生产过程中已回收并得到利用的能源，但包含产品自身的热焓值。各项产品热值取自于统计局能源目录参照热值；未列入统计局能源目录的产品以产品低位发热量为准。各类产品能源损耗为产品投入能源消耗扣除产品自身的热值，为产品生产过程中的真实消耗。产品能源利用率为产品自身获得的能量（热值）占投入能源的百分比。1.2传统煤化工产品能耗与效率众所周知煤炭属于低效、高污染能源。以煤的焦化、煤制合成氨等为代表的传统煤化工是典型的高能耗、高排放、高污染、低效益即“三高一低”·4·2011年第2期石油和化工节能行业，其产品技术含量和附加值较低，从能耗指标也充分反映其高能耗低效率的特征。煤在炼焦过程中，大部分被固化在焦炭中仅百分之二十几固体燃料被干馏气化转化为化工产品，其转化过程能量损耗十分可观，尽管目前干熄焦技术、荒煤气余热利用技术、煤调湿预热技术的应用得到大量应用和推广，炼焦工序能耗由上个世纪80年代的200多公斤标煤下降到目前的155公斤标煤，2008年国家也给出比2003年更为严格的焦炭能耗指标，但此过程中煤的非深度转化产品能源利用率也仅为85%左右。随着燃料转化程度增加其转化过程中的能量损失大大提高，如传统煤制合成氨，环境条件差，气化效率低，动力消耗大，其产品能源利用率仅为29.7%。表1部分煤制品能耗及利用率情况序号生产工艺路线产品产品能耗，GJ/t产品热值，GJ/t能源损耗，GJ/t产品能源利用率，%1焦炭(180kgce/t)33.7428.465.2784.37%2机械焦炉焦炭(155kgce/t)33.028.464.5486.24%3传统煤焦制氨合成氨（2.20tce/t）64.4619.1645.3029.72%4高温脱硫陶瓷膜分离变换煤制氢(90%H2)70.4841.8728.6259.40%5CO+H2（合成气）42.1623.0319.1354.62%6上海焦化有限公司水煤浆Texaco气化为龙头甲醇48.922.6626.2446.34%7甲醇脱水二甲醚6328.4134.5945.10%8一步法二甲醚6028.4131.5947.35%9F-T合成柴油11842.6975.3136.18%10直接液化柴油11142.6968.3138.46%11MTG汽油15043.1106.928.73%12MTO乙烯15047.27102.7331.51%13MTP丙烯15045.89104.1130.59%14IGCC(GE气化)电力9.423.605.8238.20%15IGCC(Shell气化)电力8.763.605.1641.10%16IGCC(GE气化)捕集CO2电力11.083.607.4832.50%17IGCC(Shell气化)捕集CO2电力11.253.607.6532.00%18石洞口二厂60万kW超临界PC电力9.083.605.4839.63%1.3新型煤化工的产品特征及能源效率新型煤化工则以煤气化新技术为龙头，以洁净煤技术为标志，以一碳化学为核心的技术密集型和投资密集型产业。煤完全气化生成合成气，由不同技术线路制成氢气、一氧化碳、甲醇、二甲醚、汽油、柴油、乙烯、丙烯、乙二醇等及下游产品，或用于发电。新的煤气化技术使煤的气化效率从50%～60%提高到70%～80%，从相关资料表明Texaco、Shell、GSP气化工艺是目前煤气化推崇的技术，他们具有的共同特点是气化温度高，煤气有效成分高，技术先进。后二者尽管资料显示冷气化效率略高于前者，但由于Texaco技术具备技术可靠性高、制造施工难度小、投资低、国内运行经验丰富，煤气成本低而且有实际数据作考证等优点被大量用于国内煤化工行业。从表中看出随煤加工程度加深，产品链加长，转化中的能量损失也随之加大，合成气、甲醇产品能源利用率为45%～55%，而加工成汽油、乙烯、丙烯时煤的能源利用效率较低，仅30%左右。从煤化工产品CO2排放因子看，合成甲醇为2，而合成烯烃高达6，因此合成烯烃碳排放比甲醇等要高得多，碳利用率也较低。1.4煤化工产品的产值能耗表2显示了所列价格下的各种不同煤转化产品产值能耗情况。根据企业单位产值能耗计算公式：企业单位产值能耗＝∑∑iiiiiciOVOE式中：Eci——i产品单位能源消费量；Oi——i产品产量；石油和化工节能2011年第2期·5·Vi——i产品售价。可以看出煤化工企业除了因产品价格变动产值能耗发生变动外，其产品结构比重变化成为煤化工企业产值能耗变化的重要原因。表2部分煤转化产品产值能耗生产工艺产品能源损耗，GJ/t产品单价，CNY/t产值能耗，kJ/CNY产值能耗，tce/万CNY机焦焦炭5.2715003521.2高温脱硫陶瓷膜分离变换煤制氢(90%H2)28.6272823931.34CO+H2（合成气）19.1325107622.6水煤浆气化为龙头甲醇26.271220011944.08甲醇脱水二甲醚34.59300011533.94一步法二甲醚31.59300010533.59F-T合成柴油75.31512014715.02直接液化柴油68.31512013344.55MTG汽油106.9575218586.34MTO乙烯102.73600017125.84MTP丙烯104.11700014875.08IGCC(GE)电力5.8345012954.42IGCC(Shell)电力5.1645011473.91IGCC(GE)捕集CO2电力7.4845016625.67IGCC(Shell)捕集CO2电力7.6545017005.8石洞口60万kW超临界PC电力5.4845012184.162对煤化工发展的一些节能问题思考与建议2.1重点做好煤化工技术示范验证，提高煤炭资源利用技术水平我国煤炭资源丰富，煤化工作为生产清洁能源和化学产品原料的煤炭深加工产业，为了合理高效利用煤炭资源，积极发展煤化工产业，提高煤化工技术水平十分必要。同时煤化工又是个资源消耗型产业，聚集大量煤洁净技术，需要不断改进煤化工技术，消化、吸收和创新国外先进技术。因此实行煤化工技术的示范验证，有控制推广十分必要。上海焦化在这方面作了很好的示范验证。上海焦化在上世纪80年代较早引进美国德士古水煤浆气化技术，实现国际先进技术国产化，通过与国内科研院所和设备制造商紧密合作共同研究，不断摸索，已经在许多重大关键技术与设备上实现了国产化。上海焦化装置建设、运行、改进、成长的过程，也是技术消化吸收、国内供应商的技术仿制、再开发、发展、壮大的过程。通过不断的探索研究，上海焦化已经掌握了大量的煤气化、甲醇合成技术方面的诀窍，形成了一大批具有自主知识产权的专有技术。如气化炉耐火砖的改进、激冷环的改进、水煤浆添加剂的制备、高效高温阻垢剂的制备、新型烧嘴的研制、真空压滤机的研制投用等。同时采用了一系列国际国内昀新的技术，如甲醇驰放气膜分离回收氢气增产甲醇、空分精馏塔以及甲醇精馏塔采用规整填料增加生产能力、采用棒磨机降低磨煤电耗并提高煤利用率、采用轨道球阀提高阀门寿命和密封性等。这一系列技术诀窍、技术进步的形成与应用，使得包括德士古气化在内的整个“三联供”项目的稳定、高效运行成为可能。其良好的示范效应以及大幅度的节能降耗措施给国内类似装置的项目论证以及建成后投产提供了极大的支持。2.2煤化工应考虑单项技术能耗最低，整体系统能量最优煤化工产品的生产集成了空分、煤气化、热量回收、煤气净化、气体分离、合成、高压加氢等一系列过程，因此每个单项技术水平及能耗高低直接影响其产品的能耗。建立完整的工序能耗核算规范及评价体系对促进煤化工单项技术水平的提高，降·6·2011年第2期石油和化工节能低工序能耗具备积极推进作用。例如上海焦化通过空分上塔改造、空分预冷改造、气化装置废热蒸汽回收利用、净化闪蒸气回收利用、德士古棒磨机改造、净化闪蒸气回收利用、甲醇合成驰（池）放气膜分离回收氢气增产甲醇、甲醇精馏改造等一系列节能改造项目，每年通过单项装置改造优化节能4～5万吨标准煤。上海焦化为新型煤化工企业创建煤基多联产示范基地建立了高度稳定可控的协调组织系统，它就是针对新型煤化工建立起的一套实时能源消耗管理系统。煤化工整个系统由于不同过程存在不同等级的能量释放或利用，能量的平衡及能源品质的梯度利用应成为整个系统重点考虑的问题。上海焦化就在蒸汽的利用中采取了较好的能源梯级利用方式。2.3积极开拓低位能利用技术，做好低位能合理利用煤化工的各类化学反应中产生大量热能，热能的利用水平直接影响产品的能耗。大量能源利用后，往往会产生大量的低位能源而难以得到有效利用。因此，需积极开拓应用高效余热回收技术和低品位热能转换高品位热能或电能技术，同时配合区域集中供热供暖减少废热排放。上海焦化在低位蒸汽利用上就通过向周边单位供热和试用螺杆膨胀动力机发电技术解决过剩的低位蒸汽和多余的废热蒸汽。仅此一项每年有效利用低位蒸汽30多万吨，同时产生部分电能，年节约能源近3万吨标准煤。2.4谨慎探索跨行业联产，摸索煤基多联产高效节能之路基于目前煤化工欲跨行业联产呼声很高，如结合IGCC（燃气蒸汽联合发电）等，但作者认为对于采用类似的煤基多联产路线应谨慎探索，与电力行业联合对发电企业减少CO2排放是一条技术路线，但对煤化工行业能否提高能源效率