煤制烯烃产业技术与项目进展.docx

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煤制烯烃产业技术与项目进展

煤制烯烃产业概述

2014-02-10化化网煤化工

关于MTO/MTP

    煤制烯烃即煤基甲醇制烯烃，是指以煤为原料合成甲醇后再通过甲醇制取乙烯、丙烯等烯烃的技术。

煤制烯烃（含外购甲醇制烯烃及煤制丙烯）是国家层面比较认可的第二个新型煤化工路径。

     煤制烯烃主要包括两种工艺路线即MTO和MTP。

     MTO是指以煤基或天然气基合成的甲醇为原料，借助类似催化裂化装置的流化床反应形式，主要生产乙烯工艺技术；MTO的产品是乙烯、丙烯和少量的正丁烯。

     MTP是指以煤基或天然气基合成的甲醇为原料，借助类似催化裂化装置的流化床反应形式，主要生产丙烯的工艺技术。

MTP的产品是丙烯、石脑油、LPG，主要成分是C3及C4烃类）和很少量的乙烯。

2013年进展

     2013年，随着宁波富德能源有限公司（原宁波禾元化学有限公司）和惠生（南京）清洁能源股份有限公司甲醇制烯烃项目的先后投产，中国已投入运行6个煤（甲醇）制烯烃装置，总产能276万吨/年。

其中一体化煤制烯烃产能156万吨/年，外购甲醇制烯烃150万吨/年。

     目前中国已经投运的三个煤制烯烃（CTO）示范项目总设计产能156万吨/年。

分别是：

神华宁夏煤业集团旗下50万吨/年甲醇制丙烯（MTP）项目、神华包头煤化工有限公司旗下60万吨/年MTO项目、大唐国际发电旗下46万吨/年MTP项目。

这三套装置的生产已经稳定。

   2013年投产

    宁波富德能源（原宁波禾元）60万吨/年MTO（2013年2月）

     惠生工程29.5万吨/年MTO（2013年9月）

   已投产

     神华包头60万吨/年MTO（2010年8月投产）

     中原石化60万吨/年MTO（2011年10月投产）

     神华宁煤50万吨/年MTP（2010年10月）

     大唐多伦46万吨/年MTP（2011年6月）

   2013年获路条

     中石化贵州织金60万吨/年MTO

     中石化河南60万吨/年MTO

     中煤陕西榆林60万吨/年MTO

     甘肃华鸿汇金平凉60万吨/年MTO

甲醇制烯烃技术原理

甲醇制烯烃工艺是煤基烯烃产业链中的关键步骤，其工艺流程主要为在合适的操作条件下，以甲醇为原料，选取适宜的催化剂（ZSM-5沸石催化剂、SAPO-34分子筛等），在固定床或流化床反应器中通过甲醇脱水制取低碳烯烃。

根据目的产品的不同，甲醇制烯烃工艺分为甲醇制乙烯、丙烯（methanol-to-olefin，MTO），甲醇制丙烯（methanol-to-propylene，MTP）。

MTO工艺的代表技术有环球石油公司（UOP）和海德鲁公司（NorskHydro）共同开发的UOP/HydroMTO技术，中国科学院大连化学物理研究所自主创新研发的DMTO技术；MTP工艺的代表技术有鲁奇公司（Lurgi）开发的LurgiMTP技术和我国清华大学自主研发的FMTP技术。

甲醇制烯烃的基本原理

在一定条件（温度、压强和催化剂）下，甲醇蒸汽先脱水生成二甲醚，然后二甲醚与原料甲醇的平衡混合物气体脱水继续转化为以乙烯、丙烯为主的低碳烯烃；少量C2～C5的低碳烯烃由于环化、脱氢、氢转移、缩合、烷基化等反应进一步生成分子量不同的饱和烃、芳烃、C6＋烯烃及焦炭。

整个反应过程可分为两个阶段：

脱水阶段、裂解反应阶段

1、脱水阶段

2CH3OH→CH3OCH3＋H2O＋Q

2、裂解反应阶段

该反应过程主要是脱水反应产物二甲醚和少量未转化的原料甲醇进行的催化裂解反应，包括：

（1）主反应（生成烯烃）

nCH3OH→CnH2n＋nH2O ＋Q

nCH3OCH3→2CnH2n＋nH2O ＋Q

n＝2和3（主要），4、5和6（次要）

以上各种烯烃产物均为气态。

（2）副反应（生成烷烃、芳烃、碳氧化物并结焦）

（n＋1）CH3OH→CnH2n＋2＋C＋（n＋1）H2O＋Q

（2n＋1）CH3OH→2CnH2n＋2＋CO＋2nH2O＋Q

（3n＋1）CH3OH→3CnH2n＋2＋CO2＋（3n－1）H2O＋Q 

n＝1，2，3，4，5………

nCH3OCH3→CnH2n-6＋3H2＋nH2O＋Q

n＝6,7,8………

以上产物有气态（CO、H2、H2O、CO2、CH4等烷烃、芳烃等）和固态（大分子量烃和焦炭）之分。

反应机理

有关反应机理研究已有专著论述,其中代表性的理论如下:

1、氧合内合盐机理

该机理认为,甲醇脱水后得到的二甲醚与固体酸表面的质子酸作用形成二甲基氧合离子,之后又与另一个二甲醚反应生成三甲基氧合内氧盐。

接着,脱质子形成与催化剂表面相聚合的二甲基氧合内合盐物种。

该物种或者经分子内的Stevens重排形成甲乙醚,或者是分子间甲基化形成乙基二甲基氧合离子。

两者都通过Β2消除反应生成乙烯,详见图：

2、碳烯离子机理

在沸石催化剂酸、碱中心的协同作用下,甲醇经Α2消除反应水得到碳烯（CH2）,然后通过碳烯聚合反应或者是碳烯插入甲醇或二甲醚分子中即可形成烯烃。

3、串连型机理

该机理可用下式表示:

2C1→C2H4+H2O

C2H4+C1→C3H6

C3H6+C1→C4H8

式中C1来自甲醇,并通过多步加成生成各种烯烃。

4、平行型机理

该机理是以SAPO-34为催化剂,以甲醇进料的C13标记和来自乙醇的乙烯C12标记跟踪而提出的，其机理见图：

甲醇制烯烃工艺

甲醇制烯烃总体流程与催化裂化装置相似，包括反应再生、急冷分馏、气体压缩、烟气能量利用和回收、反应取热、再生取热等部分。

烯烃的精制分离部分，与管式裂解炉工艺的精制分离部分相似。

美国UOP公司和我国中科院大连化学物理研究所分别在上世纪90年代各自独立完成了小型甲醇制烯烃试验装置。

1、UOP公司的MTO工艺

UOP公司的MTO技术，以粗甲醇或产品级甲醇为原料生产聚合级乙烯/丙烯，反应采用流化床反应器。

UOP技术的催化剂型号为MTO-100，主要成份是SAPO-34（硅、铝、磷），早期的试验表明SAPO-34是一种理想的催化剂，但由于不耐磨，经过多次试验，最终将SAPO-34经一种特殊的黏合剂处理，使催化剂既有较高选择性，又有较好的强度和耐磨性。

1995年UOP公司建设了一套甲醇处理能力为0.75吨/天的示范装置，装置连续运行90天，运行情况良好。

采用UOP公司的MTO工艺，法国道达尔石化在比利时费卢依（Feluy,Belgium）建成全球首创的甲醇制烯烃，烯烃裂解中试装置（MTO/OCPPDU），该中试装置总投资4500万欧元，于2008年年末建成启动，将在长期运行的基础上验证包含甲醇制烯烃，烯烃分离，重烯烃裂解，烯烃聚合反应和聚烯烃产品应用在内的一体化工艺流程和其放大到百万吨级工业化规模的可靠性。

自2010年5月起，该装置己生产出高标准的聚丙烯和聚乙烯产品。

该中试装置通过引入烯烃裂解技术，将碳四及以上精烃送到烯烃裂解装置，可以提高乙烯和丙烯的收率。

通过引入OCP单元，MTO单元生产100万吨低碳烯烃只需要260万吨的甲醇进料。

惠生（南京）清洁能源股份有限公司2011年宣布选择了UOP技术，将甲醇转化为乙烯和丙烯，并进而生产高附加值的丁辛醇等产品，MTO装置于2013年9月开车成功。

2012年9月，霍尼韦尔UOP公司宣布，久泰能源（准格尔）有限公司60万吨/年甲醇制烯烃项目将采用UOP技术，项目预计2015年投产。

2012年11月，霍尼韦尔UOP宣布，已与山东阳煤恒通化工签订甲醇制烯烃（MTO）及烯烃裂化工艺（OCP）技术许可协议。

该项目位于山东临沂郯城县，年产乙烯和丙烯超过29.5万吨，项目预计于2014年投产。

2013年4月，霍尼韦尔UOP公司宣布，江苏斯尔邦石化有限公司83.3万吨，年甲醇制烯烃项目将将采用UOP技术。

项目位于江苏省连云港市，预计于2015年投产。

这是目前为止霍尼韦尔UOP授权的第四套甲醇制烯烃项目。

2、中科院大连化学物理研究所的DMTO工艺

中科院大连化物所经过多年的研究，开发出具有自主知识产权的DMTO技术。

催化剂为SAPO-34酸性分子筛，流化床反应器，乙烯和丙烯选择性相近，都为40%多。

该技术于1991年完成了日处理1吨甲醇的制烯烃试验。

2004年大连化物所、洛阳炼油设计院和陕西新兴煤化工公司三方合作，在陕西化肥集团开始建设年处理甲醇1.67万吨的DMTO工业化中试装置，该装置于2005年12月建成，2006年2月20日投料试车成功，2006年6月9日进入考核运行阶段。

已接受了中国石油和化学工业协会组织的现场考核。

为期10天的试验运行表明中试装置达到了设计预订的参数和目标。

2008年9月底，中科院和LUMMUS公司签订协议，由LUMMUS独家拥有DMTO技术在中国境外进行市场推广和技术许可的权利。

正大能源集团独资的正大能源材料（大连）有限公司拥有DMTO技术催化剂的独家生产和销售权。

2010年6月26日，具有自主知识产权的新一代甲醇制烯烃（DMTO-II）技术在北京通过了由中国石油和化学工业联合会组织的成果鉴定。

DMTO-II技术是由陕西煤业化工集团煤化工技术工程中心有限公司牵头，在中国科学院大连化学物理研究所中试成果基础上，与中国石化集团洛阳石油化工工程公司共同开发。

在陕西省华县陕西煤化工技术工程中心有限公司甲醇制烯烃试验基地进行了每天甲醇处理量50吨的工业性试验。

试验装置从2009年7月至2010年5月共逆行了二个阶段试验，累计完成800多小时的运行试验。

DMTO-II按术是将甲醇转化和其产物中的C4以上充足份的再转化进行耦合，两个反应采用同一种催化剂，均用流化床技术。

2010年10月26日，“新一代甲醇制取低碳烯烃（DMTO-II）工业化技术成果新闻发布会暨工业化示范项目技术许可签约仪式”在北京举行。

大连化物所等技术许可方与蒲城清洁能源化工有限公司签署首套67万吨/年DMTO-II烯烃项目技术许可协议。

3、中石化的SMTO工艺

中石化SMTO技术由中国石化上海石油化工研究院、中国石化工程建设公司（SEI）和北京燕山石化公司联合开发，2007年在北京燕山石化完成了100吨/天甲醇制烯烃工业试验装置，2008年完成了甲醇年进料180万吨SMTO工艺包的开发。

SMTO技术所用催化剂由中石化催化剂上海分公司生产。

2010年中国石化投资1.8亿元在上海建设1500吨/年甲醇制烯烃（SMTO）催化剂项目，催化剂生产装置于2011年1月投料试车。

9月中旬，中石化催化剂上海分公司向中原石化运送甲醇制烯烃（SMTO）催化剂170吨，顺利完成首批SMTO催化剂的生产任务。

2011年10月，中国石化中原石油化工有限责任公司60万吨/年甲醇制烯烃（SMTO）装置产出合格乙烯、丙烯，实现装置开车一次成功。

煤制烯烃投运项目解析

    煤制烯烃主要包括两种工艺路线即MTO和MTP。

     MTO是指以煤基或天然气基合成的甲醇为原料，借助类似催化裂化装置的流化床反应形式，主要生产乙烯工艺技术；MTO的产品是乙烯、丙烯和少量的正丁烯。

     MTP是指以煤基或天然气基合成的甲醇为原料，借助类似催化裂化装置的流化床反应形式，主要生产丙烯的工艺技术。

MTP的产品是丙烯、石脑油、LPG（LPG指常温下加压（约1兆帕左右）而液化的石油气，主要成分是C3及C4烃类）和很少量的乙烯。

     MTP的催化反应是分为两步进行的，第一步就是MTO，第二步是将MTO反应生成的乙烯、丁烯、戊烯等通过第二反应器（EBTP反应），通过催化剂选择再转化为丙稀的过程。

     因此，MTP技术比MTO技术更加复杂，难度更大。

MTP装置同时也可以生产MTO的全部产品，但MTO装置是达不到MTP装置的丙稀高选择性。

这就是MTP技术和MTO技术的本质区别。

     目前中国已经投运的三个煤制烯烃（CTO）示范项目总设计产能156万吨/年。

其中神华宁夏煤业集团旗下50万吨/年甲醇制丙烯（MTP）项目于2010年10月试运；神华包头煤化工有限公司旗下60万吨/年MTO项目已于2010年8月投产；大唐国际发电旗下46万吨/年MTP项目于2011年6月试运。

已投运三大示范项目对比解析

煤制烯烃在建拟建项目

已投产煤制烯烃项目：

     神华包头60万吨/年MTO（2010年8月投产）

     中原石化60万吨/年MTO（2011年10月投产）

     神华宁煤50万吨/年MTP（2010年10月投产）

     大唐多伦46万吨/年MTP（2011年6月投产）

    宁波富德能源（原宁波禾元）60万吨/年MTO（2013年2月投产）

     惠生工程29.5万吨/年MTO（2013年9月投产）

在建拟建煤制烯烃项目统计：

煤/甲醇制烯烃成本与盈利分析

    随着MTO/MTP技术走向成熟和中国五大示范装置成功商业化运行，国内处于运行、建设和计划中的煤（甲醇）制烯烃项目超过60个，主要分布于煤炭产地和沿海地区。

成本结构

     一个典型的180万吨甲醇煤制烯烃一体化装置投资约200亿元，在煤价400元/吨情况下，聚烯烃税前完全成本为7400元/吨（未扣除副产品收益），其成本结构如下图所示。

     为了使用低价值的原料（煤炭）生产高价值的产品（烯烃），必需付出的代价就是高昂的投资，带来的财务和折旧费用占到烯烃成本的40%，其次为气化原料煤和提供电力和蒸汽的燃料煤，总计占成本的43%。

控制投资额和煤价，是降低煤制烯烃一体化项目成本的关键。

但也应重视采用可靠的技术和设备，提高工程质量，尽早实现满负荷生产，否则吨产品的财务和折旧费用将增加。

     对于外购甲醇制烯烃项目，一个典型的外购180万吨/年甲醇MTO装置投资约85亿元，在2300元/吨的甲醇价格下，聚烯烃税前完全成本为9501元/吨（未扣除副产品收益），其成本结构如下图所示。

    由于不需要投资巨大的煤制甲醇装置，外购甲醇制烯烃项目财务和折旧费用占成本比例仅为13%，能量费用也下降为6%，但原料费用从25%大幅上升为73%，意味着原料甲醇的价格对项目成本占据主要地位。

对于外购甲醇制烯烃项目来说，如何获得价格合理并且稳定的甲醇供应是最重要的课题。

盈利分析

1、项目所在区域对煤制烯烃盈利能力的影响

    下面以中国煤制烯烃的三个典型区域——新疆、内蒙古和安徽为对象，分析其盈利空间。

三地的主要区别在于煤价和产品运输成本，此外，项目投资额、水资源和人力成本方面也略有不同。

新疆、内蒙古和安徽煤制聚烯烃成本（已扣除副产品收益）如下图所示。

     华东地区HDPE平均价格为11330元/吨，共聚PP平均价格为11980元/吨，如果副产品（C4，C5等）销售顺利，煤制烯烃能够实现2000-4000元/吨的利润空间。

2、不同煤价对煤制烯烃盈利能力的影响

     原料煤（供气化）和燃料煤（提供电力和蒸汽）占据了煤制烯烃成本的43%，以内蒙古鄂尔多斯地区为例，不同煤价（烟煤，5600大卡/千克）下煤制聚烯烃的华东地区送到成本（含税，扣除副产品收益）如下图所示。

3、甲醇价格波动对MTO装置盈利能力的影响

     对于外购甲醇制烯烃装置，原料甲醇价格波动对项目成本影响巨大。

不同甲醇价格下华东地区MTO制聚烯烃项目（含税，扣除副产品收益）如下图所示，当原料甲醇价格高于2900元/吨，外购甲醇MTO项目将无利可图。

在海外获取天然气（页岩气）资源，就地把天然气转化为方便运输的甲醇，并运至中国华东港口地区用于MTO项目，是对中国项目投资者颇有吸引力的选项。