周怀荣，杨庆春，杨思宇（华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）



研究开发

油页岩与煤路线制油的技术经济分析和比较

周怀荣，杨庆春，杨思宇
（华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）

摘要：液体燃料广泛应用于交通、物流和生活等行业，然而液体燃料的生产严重依赖石油。我国石油资源相对贫乏，石油对外依存度高达60%。为减少对石油的依赖，我国正积极开发石油替代资源，特别是油页岩和煤炭。但迄今少有文献报道对油页岩与煤路线生产液体燃料过程进行全面的技术经济分析和比较。本文通过对油页岩制油和煤制油分别进行建模和模拟，根据模拟从能效、投资和成本等方面对这两种路线进行分析和比较。结果表明油页岩制油的能效比煤制油低 5个百分点，因为油页岩制油的原料利用率低，产品收率低。经济方面，油页岩制油的固定投资为63.34元/GJ，相比煤制油节省70%，因为油页岩制油流程短，设备结构简单。但油页岩制油的原料消耗大，生产1t液体燃料消耗24.5t油页岩，所以其成本相比煤制油仅节省6%。

关键词：技术经济分析；油页岩制油；煤制油

第一作者：周怀荣（1988—），男，博士研究生。E-mail z.huairong@mail. scut.edu.cn。联系人：杨思宇，副研究员，主要从事过程系统工程方向的研究。E-mail cesyyang@scut.edu.cn。

汽柴油等液体燃料广泛应用于交通、物流等行业和人们生活中，汽柴油的消费量与经济发展密切相关。我国汽柴油的消费量在近十年一直快速增长，如图1所示，从2003—2013年，汽油消费平均年增长率为 8.8%，柴油消费平均年增长率为8.3%［1］。现有的汽柴油生产严重依赖石油，而我国石油相对贫乏，汽柴油消费增加造成了石油供求关系日益紧张。2013年我国石油产量2.1亿吨，表观消费量4.9亿吨，对外依存度58%。预计到2020年，我国石油对外依存度达到65%［2］。

图1 中国汽油和柴油消费量

为减少对石油的依赖，我国正积极开发替代资源生产液体燃料，尤其是油页岩和煤炭。据统计，我国油页岩储量折算成页岩油有476亿吨，为我国石油储量的2倍［3］。另外，我国煤炭资源相对富裕，煤炭储量1145亿吨，占一次能源总量的75%［4］。

目前，一些油页岩制油技术已经得到了发展。代表性的技术有爱沙尼亚石油公司开发的 Kiviter技术［5］、巴西石油公司开发的Petrosix技术［6］、中国抚顺矿业公司开发的抚顺炉技术和中国辽宁成大公司开发的瓦斯全循环炉技术［7］。其中抚顺炉技术能处理含油率低至 6%的贫矿油页岩，且结构简单、维修方便。截止到2014年，抚顺矿业公司正在运营的规模最大的页岩炼油厂，采用抚顺炉技术，年产0.37Mt/a燃料油（0.06 Mt/a汽油和0.31Mt/a柴油）［7］。

在煤制油技术的开发和应用方面，逐渐形成了一些代表性的技术，主要有Shell公司开发的SMDS技术、Sasol公司开发的Arge技术和SSPD技术、上海兖矿能源科技研发有限公司开发的YSPD技术以及中科院山西煤炭化学研究所开发的 SMFT技术［8-9］。其中上海兖矿公司开发的YSPD技术具有国内领先水平。该技术采用的浆态床反应器的热效率高、且结构简单。陕西延长石油公司采用该技术建设了首套规模最大的煤制油工业化装置，年产1.0Mt燃料油（0.25Mt/a汽油和0.75Mt/a柴油）［9］。

对油页岩制油和煤制油的研究，很少有文献报道对它们进行系统的技术经济分析和比较。本文通过对油页岩制油和煤制油建模和模拟。依据模拟，分析比较油页岩制油和煤制油的能效、投资和生产成本。

1 过程建模与模拟

本文应用Aspen Plus模拟软件对0.37Mt/a规模油页岩制油和1.0Mt/a规模煤制油进行了建模和模拟。本文模拟的过程中，油页岩采用含油率为7%的辽宁抚顺油页岩，煤炭采用陕西神木煤。油页岩和煤炭的工业分析和元素分析如表1所示。

1.1 油页岩制油过程

油页岩制油工艺流程图如图2所示。破碎筛分后的10～75mm页岩，经干馏炉的顶部进入炉，在0.1MPa和525℃条件下发生干馏反应，产生油气混合物。油气混合物依次通过集合管、洗涤塔、冷却塔和电捕塔进行油气分离，得到干馏气和页岩油。页岩油、新鲜氢气和循环氢气混合后，进入加热炉加热。加热炉出口物流同一级加氢反应器的出口物流混合后，进入二级加氢反应器，在二级加氢反应器中进行脱硫、脱氮等精制反应，并发生部分裂化反应。二级加氢反应器出口物流经过换热器换热后，进入高压分离器分为气相和液相。液相经分馏塔分馏，得到汽油和柴油。未转化的渣油由分馏塔塔底抽出，与氢气混合后经换热器与二级加氢反应器的出口流出物换热，换热后的物流进入一级加氢反应器进行加氢裂化反应。

表1 油页岩和煤炭的工业分析和元素分析

油页岩制油过程主要包括油页岩干馏单元和页岩油加氢裂化单元，两个单元的关键操作参数如表 2所示［7，10］。干馏炉包括干馏段和气化段，本文干馏炉的建模采用干馏反应器和气化反应器结合的方式。模拟中选用RK-SOAVE为物性方法。模拟干馏反应器时选用 RCSTR模型，气化反应器选用RGibbs模型。

图2 油页岩制油工艺流程图

本文采用RYield模型模拟页岩油加氢反应，设定液化石油气产率为2%，汽油产率为16%和柴油产率为 81%，在一级反应和二级反应中将 Mo-Ni作为催化剂，反应温度分别为380℃和390℃，反应压力为0.1MPa［10］。

1.2 煤制油过程

煤低温费托合成油过程工艺流程如图3所示。固体原料煤经过粉碎筛分后，与一定量的水经磨煤机制成质量分数为60%的水煤浆。水煤浆和来自空分单元的95%纯度的氧气进入气化炉，反应生成以CO和H2为主的高温粗合成气。高温粗合成气经过辐射冷却器和对流冷却器冷却后，进入水煤气变换反应器得到氢碳比为2左右的合成气。出水煤气变换单元的合成气进入酸性气体净化单元，用Rectisol法除去CO2、H2S等。高浓度的H2S气体进入克劳斯单元进行硫回收。净化后的合成气进入费托合成油单元合成油。合成油继续进入加氢裂解单元，通过加氢裂化反应和分馏得到汽柴油。

表2 油页岩制油过程模拟操作参数

煤低温费托合成油过程主要包括煤气化单元、费托合成油单元和合成油加氢裂解单元，每个单元的关键操作参数如表 3所示［9，11］。本文煤气化单元建模采用Texaco水煤浆气化工艺。煤在气化炉的反应包括分解和气化，选用Rstoic反应器模型来模拟煤的分解反应，并通过 RGibbs反应器模型中吉布斯自由能方法来模拟煤气化过程。将煤的转化率设定为95%。

本文费托合成采用浆态床反应器。采用RYield模型模拟浆态床反应器，设定CO转化率为73%，汽油馏分收率为18%，柴油馏分收率为19%，重油和石蜡馏分收率为48%［12］。将Co作为催化剂，反应温度为255℃，压力为1.0MPa［12］。

费托合成油加氢裂解单元采用上海兖矿能源有限公司开发的费托合成油加氢裂化工艺，采用Requil模型模拟加氢裂化反应。将SiO2-Al2O3作为催化剂，反应温度和压力为365℃和6.4MPa［9］。

1.3 模拟结果

基于所建立的模型，模拟得到油页岩制油和煤制油过程主要的物流数据，如表4所示。每个过程公用工程消耗数据见表 5。油页岩制油过程:处理1125t/h油页岩，需消耗氢气1.63t/h，可产生7.38t/h汽油和 38.5t/h柴油。整个过程公用工程消耗为173.8MW。煤制油过程:处理511.25t/h煤炭，可产生31.25t/h汽油和93.75t/h柴油。整个过程公用工程消耗为998MW。

图3 煤制油工艺流程图

表3 煤制油过程模拟操作参数

2 能效分析

能量效率是输出产品的能量与系统能耗的比值。能量效率是评价能量转化或转换过程的主要热力学效率指标，其计算公式见式（1）。

表4 油页岩、煤制油过程进出口物流数据

表5 油页岩、煤制油过程公用工程消耗数据

式中，Ein和Eout分别为系统输入和输出的能量。

由模拟得到油页岩制油和煤制油的产品单耗和能量消耗，并经折标计算得到能量效率，结果如表6所示。油页岩制油相比煤制油能效低5个百分点，因为油页岩含油率低，生产1t液体燃料原料消耗很大，需消耗 24.5t油页岩。建议开发新的干馏炉型，通过提高原料利用率和提高油收率来提高整个油页岩制油过程的能效。

3 经济分析

3.1 投资分析

建设项目总投资主要包括固定资产投资和流动资金。本文依据装置能力指数法对油页岩制油和煤制油设备投资进行估算，计算式见式（2）［14］。

式中，I1和Q1分别为现有项目的固定投资和生产规模；I2和Q2分别为拟建项目的固定投资和生产规模；sf为规模因子，在化工过程中，通常取sf=0.6。

依据文献［3，9，15-17］和式（2）计算得到油页岩制油和煤制油的固定投资分别为63.34元/GJ和207.87 元/GJ，其组成如图4所示。油页岩制油相比煤制油固定投资低很多，节省70%，主要是因为油页岩制油路线短，设备结构简单且维修方便。

3.2 成本分析

原料和公用工程费用按照文章模拟进行计算。折旧费按20年直线折旧，残值为4%。生产成本中其它费用参考相关文献［18-19］进行计算。生产成本（production cost，PC）主要包括原料费用、公用工程费用、操作人工费用等，如公式（3）所示。

式中，CR是原料费用；CU是公用工程费用；CO&M是维修和操作费用；CD是折旧费用；CPOC是工厂管理费用；CAC是行政费用；CDSC是销售费用。根据式（3）计算得到两种路线的生产成本组成，如图5所示。油页岩制油和煤制油生产成本分别为86.94元/GJ和92.32元/GJ，油页岩制油相比煤制油成本仅节省6%，详细讨论如下:①油页岩制油较煤制油路线折旧费用低，因为煤制油路线固定投资最大，折旧费用与固定投资成线性关系；②油页岩制油较煤制油路线原料费用占的比例大，因为油页岩制油生产每吨燃料油需消耗24.5t油页岩，而煤制油生产每吨燃料油需消耗4.1t煤炭；另外，油页岩制油需外购的氢气来提供页岩油加氢的氢源，氢气费用占整个原料费用的 40%，而煤制油路线采用变压吸附技术自产氢气；③油页岩制油较煤制油路线公用工程费用低，因为煤制油路线能耗较高；④油页岩制油较煤制油路线操作与维护费用低，因为煤制油路线流程长，设备结构复杂，操作维护费用相对较高。

表6 油页岩和煤制油生产1 t成品油能耗和能效

图4 油页岩制油和煤制油固定投资

图5 油页岩制油和煤制油成本费用

4 结 论

中国石油资源短缺，油页岩和煤炭资源富裕，从能源安全的角度考虑，发展油页岩制油和煤制油有很大的前景。油页岩制油和煤制油在中国已有一定规模的工业化装置，而且正在进一步扩大其产能规模。本文对油页岩制油和煤制油进行了建模和模拟，依据模拟对两个过程的能效、投资和成本进行分析和比较。油页岩制油和煤制油的能效分别为27.7%和33%。油页岩制油能效比煤制油仅低5个百分点，因为油页岩制油原料消耗大，生产1t液体燃料消耗24.5t油页岩。建议通过开发新干馏炉，来提高其能效。经济分析表明:油页岩制油固定投资较煤制油有很大的优势，其固定投资较煤制油节省70%，但由于油页岩制油原料消耗较高，所以其成本相比煤制油仅节省6%。

符 号 说 明

CTL——煤制油

CAC——行政费用，元/a

CD——折旧费用，元/a

CDSC——销售费用，元/a

CO&M——维修和操作费用，元/a

CPOC——工厂管理费用，元/a

CR——原料费用，元/a

CU——公用工程费用，元/a

Ein——系统输入的能量，MJ

Eout——系统输出的能量，MJ

FT——费托合成

I——项目投资，元

PC——生产成本

Q——生产规模

STL——油页岩制油

sf——规模因子

λ——能量效率，%

参 考 文 献

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Techno-economic analysis and comparison of oil shale-to-liquid fuels and coal-to-liquid fuels processes

ZHOU Huairong，YANG Qingchun，YANG Siyu
（School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Abstract：Liquid fuels are widely used in transportation，logistics，and lives. However the production is heavily dependent on oil. In China oil resources are relatively scarce. Import dependence is as high as 60%. To reduce dependence on oil，the production of liquid fuels from alternative energy resources，especially from oil shale and coal is increasing in China. However，few literatures can be found for analysis and comparison of oil shale-to-liquid （STL） and coal-to-liquid （CTL） processes. This paper models and simulates a STL process and a CTL process. Based on the models，analysis of the two processes is made from energy efficiency，capital investment，and production cost. Energy efficiency of STL process is lower by about 5%，compared to CTL process. This is because STL process has lower utilization rate of raw material and product yield. Total capital investment of STL process is 63.34 CNY/GJ，70% lower than that of CTL process，because this process has simple flow scheme and lower equipment investment. However，raw material consumption of STL process is much higher. Producing 1t liquid fuels consumes 24.5t oil shale. This makes production cost of STL process only lower by 6% compared to CTL process.

Key words：techno-economic analysis； oil shale-to-liquid fuels；coal-to-liquid fuels

中图分类号：TD 83

文献标识码：A

文章编号：1000-6613（2016）05-1404-06

DOI：10.3969/j.issn.1000-6613. 2016.020

收稿日期：2015-09-02；修改稿日期：2015-09-30。

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2014CB744306）。