上海某工业区合成气发展技术路线比较分析

王涛

上海市节能减排中心有限公司

关键字：合成气；供需分析；技术路线

0 引言

上海某工业区以乙烯项目为龙头，发展以烯烃和芳烃为原料的中下游石油化工装置以及精细化工深加工系列产品链。由于区域规划调整，原有合成气装置面临关停，该工业区合成气供应将面临较大缺口。

1 合成气供需分析

上海某工业区目前已形成了以两家工业气体公司为主要来源的合成气供应体系。考虑到原有合成气项目的关停对现有工业气体公司生产的影响，按其它生产装置不变，未来上海某工业区合成气总缺口为55 000m3/h，其中CO 30 000m3/h，H225 000m3/h，CO与H2的比例约为1:0．83。

2 合成气发展技术路线研究

2.1 合成气发展技术路线概况

合成气在化学化工等领域一直被人们所广泛应用，如何能既制备出合成气产品，又能保证制备过程的经济性与绿色化一直是行业焦点。传统制合成气方法包括以天然气和煤制备合成气，工艺技术发展均较为成熟。此外，合成气还可用生物质制备，但该技术目前还不够成熟，仅在实验室阶段。

一般煤制合成气的工艺流程为：浓度＞62%的水煤浆和40bar的纯氧经过三流式烧嘴混合，雾化后，在气化炉上部进行部分氧化反应，得到的合成气与未反应的灰渣一并进入激冷室。然后通过文丘里洗涤器，去除固体颗粒。最后经过洗涤塔，进一步除尘，得到由CO、H2、CO2和少量由H2S、COS、N2、Ar、CH4杂质组成的合成气。

以天然气为原料制取合成气的技术主要研究水蒸气转化法（SMR）和甲烷非催化部分氧化法（POX）两种方法，该两种方法制得的合成气中H2/CO比值分别为3:1和2:1。

2.2 合成气发展路线技术经济比选

本文主要针对煤制合成气方案（方案一、方案二）和天然气制合成气方案（方案三、方案四）进行比较，重点比较技术路线的可靠性、负荷波动的适应性和经济性。

方案一：新建一个煤制合成气项目，满足工业区未来全部的合成气需求。

由于煤制合成气需要具备一定的规模且煤合成气从单位成本上可能对工业区全部需求形成替代，因此煤制合成气方案的装置规模按照工业区合成气的需求总量约200 000m3/h，CO与H2的比例以1:3进行测算。

方案二：新建一个煤制合成气项目并配套合成氨装置，满足原有合成气装置关停导致的供应缺口。

煤制合成气方案的装置规模按照原合成气装置关停导致的供应缺口约130 000m3/h，且CO 与 H2的比例约为 1:1．9（即 CO 45 000m3/h、H285 000m3/h）进行测算。同时考虑合成气的稳定供应以及工业区的需求，另配套合成氨装置。

方案三：新建一个天然气合成气项目（采用SMR法），满足原有合成气装置关停导致的供应缺口。

对于天然气制合成气的装置规模（采用SMR法）按原有合成气装置关停导致的供应缺口约120 000m3/h，且CO与H2的比例约为1∶3（即CO 30 000m3/h、H290 000m3/h）进行测算，以满足现有用户合成气的需求。

方案四：新建一个天然气合成气项目（采用POX法），满足原有合成气装置关停导致的供应缺口。

对于天然气制合成气的装置规模（采用POX法）按照原有合成气装置关停导致的供应缺口约55 000m3/h，且CO与H2的比例约为1:1（即CO 30 000m3/h、H225 000m3/h）进行测算，以满足现有用户合成气的需求。

2.2.1 安全可靠性

1)技术可靠性

煤气化技术已日臻成熟且处于不断完善和发展过程中，其中GE公司水煤浆气化技术是在国内工业化应用最早使用且业绩最多的气化技术。但是煤制合成气的工艺路线偏长，设备众多，投资较大。为了提高工艺的可靠性，有时需要增加备用气化炉，将增加投资和运维成本。由于其气化炉设备工艺的特殊性，不能快速降负荷或停炉，因此，煤气化技术对负荷波动的响应性相对较差，为满足下游用户的需求，通常需要配备相应的合成氨装置来适应负荷的波动。

天然气水蒸气转化（SMR）法制合成气技术已趋于成熟。鲁奇公司早在20世纪80年代后期就率先开发出两段水蒸气转化制合成气的工艺，距今已有三十年的工业生产史，该工艺目前已成熟应用于工业化生产。非催化部分氧化（POX）工业化始于20世纪50年代中期，由于天然气蒸汽转化法的出现及迅速发展，目前国内采用非催化部分氧化法进行合成气的生产业绩较少。由于天然气制合成气的工艺流程短，且设备能够迅速响应负荷的波动，系统可靠性可达99．5%及以上。

综上，技术可靠性方面，天然气制合成气相对煤制合成气技术路线有一定优势。方案三与方案四的可靠性相当，要高于方案一、方案二（方案二由于有合成氨装置调节，要高于方案一）。

2)安全稳定性

以煤为原料和以天然气为原料的四种技术方案都比较成熟，运行稳定性和安全性较高，但方案二配套了合成氨装置，该工艺存在一定的泄漏风险。

方案三和方案四都采用天然气为原料，其供气的安全稳定性是以天然气的可靠供应为前提的，因此需要采取多渠道供气措施来满足工艺生产的稳定性要求。

相比之下，煤制合成气方案需要配备合成氨装置才能满足用户的可靠性要求，且液氨产品销路尚未明确，在此情景下，天然气制合成气方案略占一定优势。

2.2.2 经济性

对以天然气为原料和以煤为原料制合成气的技术路线进行经济比较，按成本要素法进行测算。合成气生产成本要素包括：外购材料及燃料费用、工资及福利费、折旧费、维修费、管理费用及其他、财务费用等。根据初步测算，以天然气为原料的两种方案（方案三和方案四）制合成气成本比以煤为原料制合成气的两种方案（方案一和方案二）高出约20%左右，其中方案二比方案一成本更低，但需考虑合成氨的出路问题，且近些年合成氨价格呈现持续走低态势，将会推高方案二的合成气价格；方案三比方案四成本略高，该方案中的合成气为最终产品（氢气和一氧化碳），且会富余大量氢气，而其余方案均为粗合成气（还需经过净化等处理工艺）。

2.2.3 外部影响性

经初步测算，以煤为原料和以天然气为原料四种方案的资源利用及污染物排放汇总详见表1。

从表1可以看出，方案三、方案四的污染物排放较低、土地资源和能源消耗较低。

2.3 合成气发展路线政策环境分析

合成气生产属于化工行业，煤制合成气或天然气制合成气则分别属于煤化工、天然气化工。在上海某工业区建设此类项目，将面临国家和本市天然气、煤炭利用、环境保护、安全卫生等方面的政策和规范要求。从国家层面来看，相关政策严格控制工业区建设煤制合成气装置，鼓励加快推进天然气利用。从本市层面来看，新建用煤设施和新建煤化工项目属于禁止之列。从工业区层面来看，新建煤制合成气项目与“新建项目实行低碳门槛管理”等低碳工业园区创建要求相悖。从长期趋势来看，国家和上海市均明确提出严格控制和削减煤炭使用，用清洁能源替代煤炭等高碳能源的要求。

因此，在上海某工业区以天然气为原料制合成气，符合国家和本市当前相关政策和长期发展战略。如以煤炭为原料，目前与国家和本市相关政策要求相悖，将来煤炭合成气装置的扩建将面临煤炭使用政策趋严的巨大政策风险。

表1 四种方案的资源利用及污染物排放表

3 结论与建议

3.1 结论

通过上述对合成气技术路线的安全可靠性、经济性、外部影响性、政策环境等多方面因素进行综合分析，本文推荐上海某工业区采用以天然气为原料制合成气的发展路线。最终采用方案三（天然气SMR法制合成气）或方案四（天然气POX法制合成气），建议做进一步的技术经济比选。

3.2 建议

1)建议对新建的气化装置在约定合成气价格的基础上采取公开招标择优选择建设方的模式，并综合考虑上海某工业区H2、CO等气体的整体供应方案，以尽可能控制工业区总体合成气价格。

2)对于采用天然气可能带来的合成气价格增加，为控制对下游企业产生过大成本增加的影响，宜采取由天然气提供企业、下游企业和政府补贴等共同分担的方式来疏导，即在天然气制合成气单位成本相对煤制合成气成本上升20%的总体形势下，以降低天然气供应价格分担其中10个百分点，以下游企业合成气成本上升承担其中5个百分点，通过政府补贴承担其中5个百分点。在此方式下，下游企业由于合成气原料由煤调整为天然气所导致的生产成本增加将显著低于本市大量企业由于燃煤供热锅炉清洁能源替代所导致用热成本增加幅度（约20%左右）。

3)为推动工业区能源结构和合成气原料的清洁替代，建议适当降低由于替代而造成企业成本的增加幅度，要求有关天然气供应企业对于工业区制合成气用天然气的价格给予适当的优惠政策。

4）建议结合气化装置的新建，进一步研究对工业区现有合成气生产装置的影响。