耦合SOEC的煤制乙二醇新工艺开发与系统评价！

随着近年来聚酯行业飞速发展，我国基础化工原料乙二醇总需求量从2008 年的671 万吨增长至2019 年的1785.20 万吨，十年间增长幅度高达166%[1]。然而，近年来我国乙二醇自给率常年低于50%。如何基于我国富煤贫油少气的能源禀性降低乙二醇对外依存度，对聚酯、乙二醇等重要行业的安全、稳定与可持续发展具有重要意义。

根据原料路线的不同，乙二醇生产路线主要包括以石油、甲醇或乙烷为原料的乙烯路线，以及煤、天然气、焦炉气为原料的合成气路线。前者技术成熟，但存在高成本、高水耗和高能耗等缺点，且部分核心技术主要由国外三家公司（UC、SD和Shell公司）垄断[2]；后者符合我国富煤贫油少气的能源禀性，与前者相比，具有成本低、流程短和抗风险能力好等优点[3]。因此，煤制乙二醇工艺被认为是替代传统石油路线最具前景的技术之一。

然而，传统煤制乙二醇过程存在综合能耗高、质能效率低和CO2排放大等问题。煤制乙二醇与可再生能源电解水制氢技术进行耦合不仅可以实现组分互补、降低过程能耗和碳排放，也可促进可再生资源就地消纳利用，缓解我国解决弃水、弃光、弃风的问题[4]。与传统的碱水电解和质子交换膜电解水制氢技术相比，固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cells,SOEC）具有最高的电解效率以及能量利用效率高、不需要贵金属催化剂等优点[5]。然而，尚未有文献报道将固体氧化物电解池技术与煤制乙二醇合成工艺进行耦合与分析。因此，本文基于煤制乙二醇和固体氧化物电解池技术特性，探索开发了一种耦合固体氧化物电解池的煤制乙二醇（coal-to-ethylene glycol process coupled with solid oxide electrolytic cells, SO-CtEG）新工艺，以期为我国煤化工行业低碳高效发展提供坚实的理论和技术基础。

1 煤制乙二醇发展现状分析

从2009 年第一套煤制乙二醇项目在内蒙古通辽成功运行，到现在已有20 余套。截止2019 年底，我国煤制乙二醇产能已达491 万吨/年，占国内乙二醇总产能的42%[6]。随着煤制乙二醇技术日益成熟以及产品质量不断提升（如新疆天业煤制乙二醇项目成功产出聚酯级乙二醇产品，可满足聚酯行业对乙二醇指标的最高要求），势必有效降低我国乙二醇对外依存度。

煤制乙二醇（coal to ethylene glycol, CtEG）过程主要包括煤气化、水煤气变换、酸性气体脱除、H2/CO分离、草酸二甲酯合成、乙二醇合成与乙二醇精制等单元，如图1所示。煤与来自空分单元的氧气在煤气化单元发生系列复杂的物理化学反应，得到氢碳比小于1.0 的粗合成气。为了符合乙二醇合成的需要，部分合成气进入水煤气变换单元增加其氢气含量。合成气再经酸性气体脱除单元脱除CO2、H2S等杂质后，进入H2/CO分离单元实现高纯度的H2和CO分离；再经草酸二甲酯、乙二醇合成和乙二醇精制等单元，最终可生产得到高纯度的乙二醇产品[7]。

图1 煤制乙二醇工艺流程

由图1可知，由于原料煤富碳的属性，导致气化得到的合成气的氢碳比远不能满足合成乙二醇的需要。所以需要牺牲大量宝贵的CO 气体用于水煤气变换单元。然而，变换过程中产生大量的CO2却无法在系统中循环利用，最终将作为废气排放污染环境。除此之外，经过水煤气变换单元后，合成气中的CO2含量大幅度增加，无疑将显著增加酸性气体脱除单元的处理规模及操作费用，也将增加H2/CO分离单元得到高纯度H2和CO的难度。因此，有学者提出在考虑碳税后，煤制乙二醇工艺的成本优势将不复存在。

以水为氢源的电解水制氢技术由于其制备过程和产物均不排放污染物，被认为是最清洁的制氢方法。目前，电解或电解池技术主要有碱性电解池、质子交换膜电解池以及固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cells，SOEC）。碱性电解池技术是最早的电解池类型，但存在严重腐蚀电池电极等突出缺点；质子交换膜电解池需要大量的电力来运行，从而导致高昂的运行成本。与其他技术相比，固体氧化物电解池不但具有更高的能量转换效率、更低的制氢成本和更高电解效率等优点，而且可以有效降低电耗、极化电阻以及极化电位、加速电极反应速度等。因此，通过SOEC 电解水制氢被认为是一种适应未来大规模可再生能源转化储存、生产氢气与减少CO2排放的有效途径。

2 SO-CtEG工艺过程描述与模拟

针对传统煤制乙二醇工艺的缺点，SO-CtEG创新工艺的流程如图2所示。与传统煤制乙二醇不同，SO-CtEG 过程不需要水煤气变换单元和空分单元，新增了固体氧化物电解池单元；煤气化的O2不再由空分单元提供而是由SOEC单元提供；乙二醇单元的氢源有一部分还是由H2/CO 分离得到，另一部分则由SOEC单元提供。

图2 耦合固体氧化物电解池的煤制乙二醇新工艺流程

为了得到SO-CtEG 过程物料与能量平衡数据，本文采用大型流程模拟软件Aspen Plus对该工艺进行了全流程的建模与模拟。由于SO-CtEG 过程除了固体氧化物电解池单元之外，其他单元基本上与传统煤制乙二醇过程相似。本文重点阐述对新耦合的固体氧化物电解池单元的建模与模拟过程。其他单元的建模与模拟过程可参考本文作者以前的研究工作。

3 耦合固体氧化物电解池的煤制乙二醇过程系统分析

基于本文所建的模型，首先分析了关键参数对SOEC 单元性能的影响；然后，采用㶲效率和碳元素利用效率等指标分析比较了CtEG 和SO-CtEG 过程的技术性能；再采用总投资、平均生产成本和内部收益率分析比较了新旧过程经济性能的优劣势。最后，分析了原料和产品价格对SO-CtEG 过程竞争力的影响。

4 结论与展望

基于我国富煤的能源结构以及乙二醇自给率常年低于50%，发展煤制乙二醇具有较好的市场前景。为了有效降低该过程高碳排放的问题，立足于我国大型煤化工项目多处于风、光能较丰富地区，提出了一种耦合固体氧化物电解池的煤制乙二醇新工艺（SO-CtEG）。通过对其进行详细的技术经济分析，并与传统煤制乙二醇过程相比，得出如下结论：①在技术性能方面，SO-CtEG 过程的碳元素利用效率从22.48%提升至48.61%，㶲效率从30.68%提升至45.50%；②在经济性能方面，SOCtEG过程使得总投资从87.74亿元降至67.04亿元，平均生产成本从5377 元/吨降至4455 元/吨，内部收益率从11.78%提升至20.63%；③SO-CtEG 新工艺具有更好的抗市场风险的能力，例如，当煤价低于340 元/吨和乙二醇价格高于8340 元/吨时，传统煤制乙二醇的内部收益率才高于基准收益，而SOCtEG 新工艺只需乙二醇价格高于6370 元/吨。因此，将固体氧化物电解池制氢技术与煤化工进行耦合，既能提升原有系统的质能效率，又能取得更佳的经济效益，是未来煤化工低碳高效化发展重要研究方向之一。

在今后的研究过程中，还需进一步优化固体氧化物电解池制氢技术的结构以及开发新型电解质和电极材料；探讨可再生能源的配置成本和波动特性对系统电力成本的影响；并借助过程系统工程研究方法与工具，进一步优化SO-CtEG 新工艺的物流、能量和水网络，实现物流和能流紧密连接、系统性能综合最优。此外，煤制乙二醇新技术的发展与应用还面临着市场、政策和技术等方面的不确定性，建议采用实物期权分析（ROA）法进一步定量分析不确定条件下的项目最优价值和对应的投资策略。