傳統合成氨企業轉產乙醇的可行性研究

楚可嘉，王德強，潘玉芹

(1.晉煤集團煤化工研究院，山西 晉城 048006；2.滕州盛隆煤化工公司；3.山東百盛安全環境技術有限公司，山東 滕州 277500)

自20世紀30年代常壓固定床氣化爐(UGI)引進到我國以來，利用GUI工藝生產合成氨，為解決中國人民的“吃飯問題”做出了巨大貢獻。隨著國家產業政策的調整、新型煤氣化技術的出現以及氮肥運輸價格、電價、減免增值稅等優惠政策的廢止，傳統合成氨企業的競爭力越來越小。尤其是新型加壓氣化技術的出現，新上合成氨項目規模越來越大，其與傳統UGI合成氨相比具有較大的規模效應，從而使UGI合成氨企業面臨淘汰出局的境地。截止2019年底，我國中小型氮肥廠UGI數量由高峰期的7 000～10 000 臺[1]降到不足2 000臺，其產能由高峰時期的6 677.8萬t/a降到2 238萬t/a，其在總合成氨的占有率由49.8%降到目前的33.7%。就目前而言，使用無煙煤的UGI合成氨企業與新型煤氣化合成氨企業同臺競爭已不具備優勢，這部分企業在國際、國內經濟低迷的大環境下將如何轉型生存，是亟待解決的問題。

1 傳統合成氨技術現狀分析

傳統合成氨采用常壓固定床UGI氣化爐。該技術建設投資少、工藝控制簡單、運行穩定，通常采用塊狀無煙煤或焦炭為原料，氣化劑為空氣和水蒸氣，在常壓下生成 原料氣[2]。由于單爐產氣量低，爐數較多，可以互備；操作溫度、壓力較低，安全性相對較高，是最成熟、經濟的爐型。就目前而言，如果去除煤價因素的影響，從工業和信息化部與市場監管總局公示的2020年度重點用能行業能效“領跑者”數據和中國氮肥工業協會統計的數據(表1、表2所示)看，以無煙煤為原料的UGI氣化生產合成氨比以煙煤為原料的新型煤氣化生產合成氨單位產品綜合能耗低，因此傳統UGI氣化技術還具有一定的競爭力[3]。因此，尋求具有競爭力的新技術、新產品逐步替代部分合成氨產能，既解決了合成氨產能過剩的問題，又為企業轉型生存提供新出路。

表1 2019年各類氣化技術噸氨消耗與綜合能耗*

*數據來源：中國氮肥工業協會統計信息。

表2 2020年度合成氨行業能效“領跑者”數據

2 燃料乙醇市場需求

隨著國家對環保的要求更加嚴苛，作為汽油高辛烷值添加劑的甲基叔丁基醚(MTBE)，由于具有一定毒性，污染地下水源等問題，已被美國、日本、西歐等多個國家禁用。乙醇作為替代MTBE的最有潛力的汽油添加劑，無毒無污染，高辛烷值、含氧量高，可減少尾氣污染物排放。借鑒美國、巴西等國已十分成熟的乙醇汽油推廣政策與市場運行的經驗，2017年9月13日，國家發改委、能源局等十五部委聯合印發《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，要求于2002年開始實施乙醇汽油政策，燃料乙醇項目應運而生且發展迅速。

據亞化咨詢發布的《中國燃料乙醇年度報告2019 》顯示，2018年中國汽油表觀消費約1.27億t，按E10標準，燃料乙醇市場需求巨大。目前中國燃料乙醇年產量僅為200萬～300萬噸級，燃料乙醇在2020年后缺口將達到900余萬t。隨著汽車工業迅猛發展，汽油消費量逐年增加，燃料乙醇的需要將會越來越大，乙醇產品的應用前景較為廣闊。

3 燃料乙醇技術路線的經濟分析

目前制備乙醇的方法主要分為兩種。 一是化學合成法，二是發酵法。發酵法又分為生物質發酵法和合成氣發酵法[4]。兩種技術主要分為六條路線，分別是：① 合成氣直接催化；② 甲醇羰基化制乙酸甲酯加氫；③ 醋酸加氫；④ 醋酸酯加氫；⑤ 二甲醚羰基化；⑥ 微生物發酵，如圖1所示。

圖1 化學合成乙醇路線

其中路線①處于小試階段，不夠成熟；路線②由晉煤山東聯盟公司與大連化物所合作已完成中試，完成20萬t/a的工藝包編制；路線③和④屬于同類技術，經常受到上下游市場的影響，經濟性較差，例如塞拉尼斯因受醋酸價格影響較大，目前已停產；路線⑤是延長石油與大連化物所聯合開發，以煤為原料，是目前熱點技術；路線⑥是以朗澤為首的微生物發酵制燃料乙醇技術。

由于工業乙醇不能進入車用燃油系統，其銷售價格遵循市場價，而燃料乙醇受國家政策調控，其價格為汽油出廠價的91.1%，相比工業乙醇具有較高且穩定的價格。本文重點研究微生物發酵法燃料乙醇的可靠性與經濟性。

微生物發酵法分為生物質微生物發酵法和工業合成氣微生物發酵法，由于生物質微生物發酵法與化工產業沒有關聯性，本文也不做相關的研究，僅研究工業合成氣或尾氣微生物發酵制燃料乙醇。國內推廣微生物發酵制燃料乙醇技術的有3家，分別是美國塞納達生物乙醇、首鋼朗澤和巨鵬生物科技。

汪洪濤[5]介紹了一種鋼鐵尾氣微生物發酵法制取燃料乙醇的新工藝。該技術來源于首鋼朗澤。吳志連[6]等系統地對該技術的工藝特點和商業化進程進行了介紹，該技術適合富CO原料氣，國內曹妃甸4.5萬t/a燃料乙醇項目在運行，并已通過政府核準進入燃料乙醇市場，鞍鋼、寧夏元吉等鋼鐵尾氣4.5萬t/a燃料乙醇項目在規劃建設中。

山西潞安化工與巨鵬合作規劃的20萬t/a燃料乙醇，一期建設2萬t/a工業尾氣制燃料乙醇示范項目進入安裝掃尾工作，計劃2020年11月調試運行。該技術來源于巨鵬生物，巨鵬公司的前身英力士生物(Ineos Bio)成立于2007年。英力士生物收購了美國最早研究合成氣發酵法制乙醇的BRI公司，并只專注于利用生物質及城市垃圾等可再生資源制合成氣并轉化為乙醇，該工廠利用城市垃圾為主要原料，在美國建有年產乙醇24 000 t以及6 MW的可再生電力。巨鵬于2017年收購了這項技術，并在中國進行推廣。

塞納達生物的前身是科斯科達公司(Coskata)，成立于2006年，與朗澤和英力士生物(巨鵬公司的前身)一起成為世界上最早致力于工業尾氣生物發酵法制乙醇的前驅，并發展至今。塞納達在長達13 a的技術研發與過程示范中形成了獨特的技術特點和優勢，在美國賓夕法尼亞州麥迪遜市建設并成功運行了世界上第一個工業尾氣生物發酵法制乙醇的中試示范工廠(100 t/a)。該示范項目成功地證明了工業尾氣發酵技術的可靠性，為大規模商業化工廠的設計提供了可靠的數據依據。

以上3種技術均屬于微生物發酵技術，將預處理后的合成氣或工業尾氣送入各自獨有發酵罐進行發酵，發酵醪液送至蒸餾系統，生產質量分數為95%的乙醇，再經過分子篩深度脫水制得無水乙醇。由于此工藝常溫低壓、流程短、選擇性高、轉化率高、成本最低，因此，被國內外重點關注。

4 塞納達技術路線考察

4.1 技術條件

通過對上述3種技術路線的現場調研分析，3種技術還是存在較大差異。郎澤微生物發酵法制乙醇適合低溫低壓，需無菌環境，高CO低H2環境，比較適合煉鋼尾氣及粉煤加壓氣化所得的煤氣；巨鵬技術低溫低壓，不需無菌環境，對合成氣組分變化具有高寬容性，水中取氫(細菌法水/氣變換)，尤其適合富一氧化碳氣體的合成氣；塞納達微生物發酵制乙醇適合低溫低壓，需無菌環境，合成氣組分要求H2/CO體積比為1.5～3.0，對合成氣組分變化具有高寬容性，菌種能夠攝取更高的氫氣量和總體合成氣的產品產率，它非常適合于利用煤或天然氣氣化產生的合成氣原料，與甲醇合成氣組成接近，更接近合成氨甲醇企業的合成條件，在產品轉型上具有較大的優勢。

塞納達的核心技術是采用獨特新型菌種，穩定強健，環境耐受能力強，生命周期長，鼓泡式發酵罐可調(最大可放大到40 kt/a)，容易操作和維護。朗澤的核心技術是專利菌種，穩定高效，公共領域中獲得，比較普通，普通的氣升式反應罐需要大流量反應液循環，能耗較高，發酵罐目前只能做到15 kt/a，限制了反應器的規模化擴大，巨鵬目前沒有公開數據。

4.2 原料氣來源

與巨鵬和朗澤技術對原料氣的氫含量要求相比，塞納達技術對氫含量相對較高的工業合成氣(CO+H2，又稱有效氣)適應性較強，其中H2和CO的一次轉化率分別是95%和99%，噸乙醇耗標準狀態有效氣量約3 500 m3；采用UGI氣化的傳統合成氨企業以空氣和蒸汽為氣化劑生產半水煤氣，經半脫后和變脫后的凈化氣或氨合成的富氫馳放氣為原料，其組成如表3。不需大規模技術改造只需將上述氣體各抽取部分氣量即可調制成H2/CO 體積比至2，比較容易滿足塞納達生物發酵制乙醇的原料氣要求(見表4)。以50 000 t/a乙醇規模為例，年運行8 000 h計算，需標準狀態水煤氣約為23 015 m3/h，標準狀態凈化氣約8 680 m3/h，每小時可生產6.25 t理想產品，(注CO2含量約5%，N2含量約11%)。

表3 半水煤氣成分

表4 塞納達微生物發酵制乙醇原料氣成分

4.3 投資與成本

由于傳統合成氨企業大多是小于30萬t/a氨規模，煤氣量和馳放氣量有限，產品轉型較靈活，可以根據市場需求合理調整聯醇(甲醇、乙醇)和液氨規模。以塞納達生物發酵法5萬t/a乙醇為例，項目占地面積約7 000 m2，投資約3.5億元。原料氣0.6元/ m3，乙醇原料成本約2 120元/t[7]；采用首鋼朗澤的技術4.5萬t/a(模塊化規模)，占地約60 000 m2投資約3.8億元，原料氣0.235元/m3，原料成本約1 880元/t[8]；采用巨鵬技術在潞安集團在建2萬t/a的示范裝置，目前投資約1.9億元。

4.4 經濟分析

目前采用UGI氣化技術的中小合成氨企業，其噸氨的完全成本約為2 165元，成本組成如圖2所示，每噸液氨消耗H21 960 m3，液氨平均售價2 800元/t，則H2利潤約為0.33元/m3。

圖2 UGI技術的噸氨成本(元/t)

根據塞納達—晉煤集團50 000 t/a微生物發酵法制燃料乙醇可行性研究報告數據，每噸燃料乙醇的完全成本約4 400元，其中原料氣成本占64%(煤氣0.8元/m3)，每噸乙醇消耗(CO+H2)3 500 m3，燃料乙醇平均售價6 500元/t，則每立方(CO+H2)氣利潤約為0.60元，即比生產合成氨增值0.27元/m3。

5 結 論

在國家積極推廣E10乙醇汽油政策的利好環境下，通過對三種不同微生物發酵法制乙醇技術的研究分析，選擇塞納達微生物發酵技術生產燃料乙醇，對UGI為氣頭的傳統合成氨過剩產能進行改產或聯產燃料乙醇具有較好的耦合性。傳統合成氨企業在氣化工段不做改動的情況下，根據液氨和聯醇(甲醇、乙醇)的市場需求，按一定比例抽取半脫氣和凈化氣進行混合，以微生物發酵技術生產燃料乙醇每立方米有效氣可增值0.27元，具有較好的經濟性。通過氨醇比可調，可以提高傳統合成氨企業的競爭力和生存力，對處于盈虧邊緣的傳統合成氨企業轉型升級或扭虧脫困具有一定的指導作用。