传统合成氨企业转产乙醇的可行性研究

楚可嘉，王德强，潘玉芹

(1.晋煤集团煤化工研究院，山西 晋城 048006；2.滕州盛隆煤化工公司；3.山东百盛安全环境技术有限公司，山东 滕州 277500)

自20世纪30年代常压固定床气化炉(UGI)引进到我国以来，利用GUI工艺生产合成氨，为解决中国人民的“吃饭问题”做出了巨大贡献。随着国家产业政策的调整、新型煤气化技术的出现以及氮肥运输价格、电价、减免增值税等优惠政策的废止，传统合成氨企业的竞争力越来越小。尤其是新型加压气化技术的出现，新上合成氨项目规模越来越大，其与传统UGI合成氨相比具有较大的规模效应，从而使UGI合成氨企业面临淘汰出局的境地。截止2019年底，我国中小型氮肥厂UGI数量由高峰期的7 000～10 000 台[1]降到不足2 000台，其产能由高峰时期的6 677.8万t/a降到2 238万t/a，其在总合成氨的占有率由49.8%降到目前的33.7%。就目前而言，使用无烟煤的UGI合成氨企业与新型煤气化合成氨企业同台竞争已不具备优势，这部分企业在国际、国内经济低迷的大环境下将如何转型生存，是亟待解决的问题。

1 传统合成氨技术现状分析

传统合成氨采用常压固定床UGI气化炉。该技术建设投资少、工艺控制简单、运行稳定，通常采用块状无烟煤或焦炭为原料，气化剂为空气和水蒸气，在常压下生成 原料气[2]。由于单炉产气量低，炉数较多，可以互备；操作温度、压力较低，安全性相对较高，是最成熟、经济的炉型。就目前而言，如果去除煤价因素的影响，从工业和信息化部与市场监管总局公示的2020年度重点用能行业能效“领跑者”数据和中国氮肥工业协会统计的数据(表1、表2所示)看，以无烟煤为原料的UGI气化生产合成氨比以烟煤为原料的新型煤气化生产合成氨单位产品综合能耗低，因此传统UGI气化技术还具有一定的竞争力[3]。因此，寻求具有竞争力的新技术、新产品逐步替代部分合成氨产能，既解决了合成氨产能过剩的问题，又为企业转型生存提供新出路。

表1 2019年各类气化技术吨氨消耗与综合能耗*

*数据来源：中国氮肥工业协会统计信息。

表2 2020年度合成氨行业能效“领跑者”数据

2 燃料乙醇市场需求

随着国家对环保的要求更加严苛，作为汽油高辛烷值添加剂的甲基叔丁基醚(MTBE)，由于具有一定毒性，污染地下水源等问题，已被美国、日本、西欧等多个国家禁用。乙醇作为替代MTBE的最有潜力的汽油添加剂，无毒无污染，高辛烷值、含氧量高，可减少尾气污染物排放。借鉴美国、巴西等国已十分成熟的乙醇汽油推广政策与市场运行的经验，2017年9月13日，国家发改委、能源局等十五部委联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》，要求于2002年开始实施乙醇汽油政策，燃料乙醇项目应运而生且发展迅速。

据亚化咨询发布的《中国燃料乙醇年度报告2019 》显示，2018年中国汽油表观消费约1.27亿t，按E10标准，燃料乙醇市场需求巨大。目前中国燃料乙醇年产量仅为200万～300万吨级，燃料乙醇在2020年后缺口将达到900余万t。随着汽车工业迅猛发展，汽油消费量逐年增加，燃料乙醇的需要将会越来越大，乙醇产品的应用前景较为广阔。

3 燃料乙醇技术路线的经济分析

目前制备乙醇的方法主要分为两种。 一是化学合成法，二是发酵法。发酵法又分为生物质发酵法和合成气发酵法[4]。两种技术主要分为六条路线，分别是：① 合成气直接催化；② 甲醇羰基化制乙酸甲酯加氢；③ 醋酸加氢；④ 醋酸酯加氢；⑤ 二甲醚羰基化；⑥ 微生物发酵，如图1所示。

图1 化学合成乙醇路线

其中路线①处于小试阶段，不够成熟；路线②由晋煤山东联盟公司与大连化物所合作已完成中试，完成20万t/a的工艺包编制；路线③和④属于同类技术，经常受到上下游市场的影响，经济性较差，例如塞拉尼斯因受醋酸价格影响较大，目前已停产；路线⑤是延长石油与大连化物所联合开发，以煤为原料，是目前热点技术；路线⑥是以朗泽为首的微生物发酵制燃料乙醇技术。

由于工业乙醇不能进入车用燃油系统，其销售价格遵循市场价，而燃料乙醇受国家政策调控，其价格为汽油出厂价的91.1%，相比工业乙醇具有较高且稳定的价格。本文重点研究微生物发酵法燃料乙醇的可靠性与经济性。

微生物发酵法分为生物质微生物发酵法和工业合成气微生物发酵法，由于生物质微生物发酵法与化工产业没有关联性，本文也不做相关的研究，仅研究工业合成气或尾气微生物发酵制燃料乙醇。国内推广微生物发酵制燃料乙醇技术的有3家，分别是美国塞纳达生物乙醇、首钢朗泽和巨鹏生物科技。

汪洪涛[5]介绍了一种钢铁尾气微生物发酵法制取燃料乙醇的新工艺。该技术来源于首钢朗泽。吴志连[6]等系统地对该技术的工艺特点和商业化进程进行了介绍，该技术适合富CO原料气，国内曹妃甸4.5万t/a燃料乙醇项目在运行，并已通过政府核准进入燃料乙醇市场，鞍钢、宁夏元吉等钢铁尾气4.5万t/a燃料乙醇项目在规划建设中。

山西潞安化工与巨鹏合作规划的20万t/a燃料乙醇，一期建设2万t/a工业尾气制燃料乙醇示范项目进入安装扫尾工作，计划2020年11月调试运行。该技术来源于巨鹏生物，巨鹏公司的前身英力士生物(Ineos Bio)成立于2007年。英力士生物收购了美国最早研究合成气发酵法制乙醇的BRI公司，并只专注于利用生物质及城市垃圾等可再生资源制合成气并转化为乙醇，该工厂利用城市垃圾为主要原料，在美国建有年产乙醇24 000 t以及6 MW的可再生电力。巨鹏于2017年收购了这项技术，并在中国进行推广。

塞纳达生物的前身是科斯科达公司(Coskata)，成立于2006年，与朗泽和英力士生物(巨鹏公司的前身)一起成为世界上最早致力于工业尾气生物发酵法制乙醇的前驱，并发展至今。塞纳达在长达13 a的技术研发与过程示范中形成了独特的技术特点和优势，在美国宾夕法尼亚州麦迪逊市建设并成功运行了世界上第一个工业尾气生物发酵法制乙醇的中试示范工厂(100 t/a)。该示范项目成功地证明了工业尾气发酵技术的可靠性，为大规模商业化工厂的设计提供了可靠的数据依据。

以上3种技术均属于微生物发酵技术，将预处理后的合成气或工业尾气送入各自独有发酵罐进行发酵，发酵醪液送至蒸馏系统，生产质量分数为95%的乙醇，再经过分子筛深度脱水制得无水乙醇。由于此工艺常温低压、流程短、选择性高、转化率高、成本最低，因此，被国内外重点关注。

4 塞纳达技术路线考察

4.1 技术条件

通过对上述3种技术路线的现场调研分析，3种技术还是存在较大差异。郎泽微生物发酵法制乙醇适合低温低压，需无菌环境，高CO低H2环境，比较适合炼钢尾气及粉煤加压气化所得的煤气；巨鹏技术低温低压，不需无菌环境，对合成气组分变化具有高宽容性，水中取氢(细菌法水/气变换)，尤其适合富一氧化碳气体的合成气；塞纳达微生物发酵制乙醇适合低温低压，需无菌环境，合成气组分要求H2/CO体积比为1.5～3.0，对合成气组分变化具有高宽容性，菌种能够摄取更高的氢气量和总体合成气的产品产率，它非常适合于利用煤或天然气气化产生的合成气原料，与甲醇合成气组成接近，更接近合成氨甲醇企业的合成条件，在产品转型上具有较大的优势。

塞纳达的核心技术是采用独特新型菌种，稳定强健，环境耐受能力强，生命周期长，鼓泡式发酵罐可调(最大可放大到40 kt/a)，容易操作和维护。朗泽的核心技术是专利菌种，稳定高效，公共领域中获得，比较普通，普通的气升式反应罐需要大流量反应液循环，能耗较高，发酵罐目前只能做到15 kt/a，限制了反应器的规模化扩大，巨鹏目前没有公开数据。

4.2 原料气来源

与巨鹏和朗泽技术对原料气的氢含量要求相比，塞纳达技术对氢含量相对较高的工业合成气(CO+H2，又称有效气)适应性较强，其中H2和CO的一次转化率分别是95%和99%，吨乙醇耗标准状态有效气量约3 500 m3；采用UGI气化的传统合成氨企业以空气和蒸汽为气化剂生产半水煤气，经半脱后和变脱后的净化气或氨合成的富氢驰放气为原料，其组成如表3。不需大规模技术改造只需将上述气体各抽取部分气量即可调制成H2/CO 体积比至2，比较容易满足塞纳达生物发酵制乙醇的原料气要求(见表4)。以50 000 t/a乙醇规模为例，年运行8 000 h计算，需标准状态水煤气约为23 015 m3/h，标准状态净化气约8 680 m3/h，每小时可生产6.25 t理想产品，(注CO2含量约5%，N2含量约11%)。

表3 半水煤气成分

表4 塞纳达微生物发酵制乙醇原料气成分

4.3 投资与成本

由于传统合成氨企业大多是小于30万t/a氨规模，煤气量和驰放气量有限，产品转型较灵活，可以根据市场需求合理调整联醇(甲醇、乙醇)和液氨规模。以塞纳达生物发酵法5万t/a乙醇为例，项目占地面积约7 000 m2，投资约3.5亿元。原料气0.6元/ m3，乙醇原料成本约2 120元/t[7]；采用首钢朗泽的技术4.5万t/a(模块化规模)，占地约60 000 m2投资约3.8亿元，原料气0.235元/m3，原料成本约1 880元/t[8]；采用巨鹏技术在潞安集团在建2万t/a的示范装置，目前投资约1.9亿元。

4.4 经济分析

目前采用UGI气化技术的中小合成氨企业，其吨氨的完全成本约为2 165元，成本组成如图2所示，每吨液氨消耗H21 960 m3，液氨平均售价2 800元/t，则H2利润约为0.33元/m3。

图2 UGI技术的吨氨成本(元/t)

根据塞纳达—晋煤集团50 000 t/a微生物发酵法制燃料乙醇可行性研究报告数据，每吨燃料乙醇的完全成本约4 400元，其中原料气成本占64%(煤气0.8元/m3)，每吨乙醇消耗(CO+H2)3 500 m3，燃料乙醇平均售价6 500元/t，则每立方(CO+H2)气利润约为0.60元，即比生产合成氨增值0.27元/m3。

5 结 论

在国家积极推广E10乙醇汽油政策的利好环境下，通过对三种不同微生物发酵法制乙醇技术的研究分析，选择塞纳达微生物发酵技术生产燃料乙醇，对UGI为气头的传统合成氨过剩产能进行改产或联产燃料乙醇具有较好的耦合性。传统合成氨企业在气化工段不做改动的情况下，根据液氨和联醇(甲醇、乙醇)的市场需求，按一定比例抽取半脱气和净化气进行混合，以微生物发酵技术生产燃料乙醇每立方米有效气可增值0.27元，具有较好的经济性。通过氨醇比可调，可以提高传统合成氨企业的竞争力和生存力，对处于盈亏边缘的传统合成氨企业转型升级或扭亏脱困具有一定的指导作用。