許永江 李瀚 鐘宛君 張?chǎng)?鄧少宏 錢璦嬡楊丹潔 強(qiáng)孟珂 代任 黃衛(wèi)清

(東莞理工學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

近年來，我國(guó)苯酐產(chǎn)能過剩，市場(chǎng)消費(fèi)能力不足。以鄰二甲苯(OX)為原料的工藝(鄰法)仍占據(jù)著我國(guó)苯酐生產(chǎn)(副產(chǎn)順酐)的主體地位[1]，然而我國(guó)OX長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，導(dǎo)致苯酐生產(chǎn)企業(yè)利潤(rùn)低下。因此，尋找可替代的生產(chǎn)技術(shù)比如主產(chǎn)順酐對(duì)于原苯酐生產(chǎn)企業(yè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。順酐作為一種重要基礎(chǔ)化工原材料廣泛應(yīng)用于紡織、涂料、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-2]。目前，我國(guó)順酐生產(chǎn)技術(shù)主要包括苯氧化法[3]、正丁烷法[1]以及C4烯烴氧化法[4]，其中苯氧化法和正丁烷法分別占據(jù)順酐產(chǎn)能的60%和30%[5]。鑒于苯氧化法環(huán)保性能差、苯原料成本過高[6]、而經(jīng)濟(jì)效益較好的正丁烷法所需技術(shù)設(shè)備依賴進(jìn)口、國(guó)內(nèi)缺乏自主研發(fā)的技術(shù)設(shè)備[2]，相關(guān)企業(yè)有待于尋求更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用的生產(chǎn)技術(shù)和工藝。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從原材料、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型以及催化劑性能等方面開展了順酐生產(chǎn)優(yōu)化研究，構(gòu)建了生物質(zhì)糖醛制取順酐實(shí)驗(yàn)[7]，建立了相關(guān)模型對(duì)順酐生產(chǎn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)和控制[8-9]，改善了催化劑活性、壽命和選擇性[10-12]。目前，順酐生產(chǎn)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境性能有待于進(jìn)一步研究。

C5烷烴作為我國(guó)乙烯裂解的重要副產(chǎn)物，2019年產(chǎn)量約為205.2～410.5萬(wàn)t[13]，然而我國(guó)C5資源化利用率不足20%，遠(yuǎn)低于美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家[14]，利用C5烷烴制取順酐是提高C5資源化利用率的有效途經(jīng)。Centi等[15]曾提出利用C5烷烴組分正戊烷制備順酐的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，Cavani等[16]和Singh等[17]研究了釩基催化劑對(duì)正戊烷制順酐的催化作用。目前針對(duì)C5烷烴生產(chǎn)順酐技術(shù)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)-環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估尚屬少見。為拓寬順酐生產(chǎn)技術(shù)途經(jīng)來源并發(fā)展C5高價(jià)值資源化利用技術(shù)，本研究立足某苯酐/順酐生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)和改造需求，利用化工流程模擬軟件Aspen Plus和化工原理基礎(chǔ)理論對(duì)C5烷烴生產(chǎn)順酐進(jìn)行概念設(shè)計(jì)模擬，進(jìn)一步應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)評(píng)估其環(huán)境影響，并耦合生命周期成本和清潔生產(chǎn)靜態(tài)投資償還期理念進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估，從系統(tǒng)工程的角度評(píng)估該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境綜合效益，為順酐生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化、環(huán)境污染防控和經(jīng)濟(jì)效益增效提供理論和決策支持。

1 C5烷烴法概念設(shè)計(jì)及流程模擬

C5烷烴法是指利用石油工業(yè)伴生的C5烷烴，對(duì)其進(jìn)行組分分離獲得的正戊烷在空氣、高溫和催化劑的作用下，進(jìn)行催化氧化反應(yīng)生產(chǎn)順酐。

主反應(yīng)：

副反應(yīng)：

運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)進(jìn)行流程模擬如圖1所示，該技術(shù)主要分為以下四個(gè)工段。

圖1 C5烷烴法技術(shù)流程圖

1)原料處理工段：C5烷烴經(jīng)過4座分離塔后，分離出長(zhǎng)鏈烷烴、正戊烷、異戊烷、環(huán)戊烷、正丁烯，其中正戊烷為反應(yīng)所需。

2)反應(yīng)工段：將正戊烷和空氣混合均勻，加熱后通入到反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和模擬軟件計(jì)算[18]，反應(yīng)溫度為380 ℃，反應(yīng)壓力為160 kPa。使用平推流反應(yīng)器模擬該反應(yīng)，反應(yīng)類型選擇為L(zhǎng)HHW，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[19]，將數(shù)據(jù)換算單位后輸入Aspen Plus中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)選項(xiàng)。

3)氣液分離工段：反應(yīng)后的產(chǎn)物含有CO，H2O，CO2，通過氣液分離罐分離得到粗產(chǎn)品。

4)精餾提純工段：對(duì)粗產(chǎn)品進(jìn)行精餾提純，得到純度較高的順酐和苯酐。

根據(jù)模擬結(jié)果，以每年生產(chǎn)8 000 h為基準(zhǔn)，C5烷烴進(jìn)料量為80 000 t，其中正戊烷組分進(jìn)料量為23 723.2 t，電力能耗為2.31×108kWh，可生產(chǎn)順酐16 159.2 t和苯酐8 624 t；直接排放大氣污染物CO2共14 655 200 kg、CO共4 235 200 kg和VOC共598 400 kg(VOC包括微量順酐、苯酐、異戊烷、環(huán)戊烷和2-甲基-2-丁烯)。

2 生命周期評(píng)價(jià)

2.1 C5烷烴法生命周期評(píng)價(jià)的目標(biāo)和范圍

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是一種對(duì)某種技術(shù)或產(chǎn)品的全生命周期所造成的直接或潛在環(huán)境影響進(jìn)行量化的評(píng)估體系[20]。LCA首要環(huán)節(jié)是確定目標(biāo)以及系統(tǒng)邊界，關(guān)乎LCA最終結(jié)果的準(zhǔn)確度。鑒于所研究的相關(guān)順酐生產(chǎn)企業(yè)僅對(duì)原料進(jìn)行購(gòu)買使用，并不直接參與原料采集制備以及運(yùn)輸，所得產(chǎn)品直接售賣，因此本文暫不考慮原料采集、運(yùn)輸以及產(chǎn)品使用環(huán)節(jié)造成的環(huán)境影響。設(shè)定該技術(shù)的系統(tǒng)邊界如圖2所示，其生命周期過程可劃分為4個(gè)工段：原料處理工段、反應(yīng)工段、氣液分離工段和精餾提純工段。

圖2 C5烷烴法LCA系統(tǒng)邊界

2.2 清單分析

根據(jù)模擬結(jié)果，以1 t順酐作為功能單位獲取C5烷烴法的全生命周期污染物排放清單。由于該生產(chǎn)過程主要產(chǎn)生污染為CO2、CO、VOC等大氣污染物，清單中僅考慮廢氣污染物排放。對(duì)于多產(chǎn)品技術(shù)的生命周期清單分析，應(yīng)考慮能耗和污染物的分配[21]，鑒于該技術(shù)的主要能耗以及污染物排放來自主產(chǎn)品順酐以及苯酐的反應(yīng)及分離提純過程，因此根據(jù)順酐和苯酐的產(chǎn)出質(zhì)量比例進(jìn)行分配，其中順酐產(chǎn)量占比為0.652。

根據(jù)廢氣污染物直接排放數(shù)據(jù)，結(jié)合順酐產(chǎn)量以及其占比，可計(jì)算得生產(chǎn)1 t順酐直接排放591.34 kg CO2，170.89 kg CO和24.15 kg VOC。燃煤發(fā)電是我國(guó)的主流發(fā)電方式，以每度電折0.122 9 kg標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，C5烷烴法每年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤28 389 900 kg，每燃燒1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤可排放2.5 kg CO2、0.02 kg SO2、0.009 kg NOX以及0.001 09 kg CO[22]，可得該技術(shù)每年間接排放70 974 750 kg CO2、567 798 kg SO2、255 509.1 kg NOX以及30 944.99 kg CO；同理可計(jì)算得生產(chǎn)1 t順酐消耗標(biāo)準(zhǔn)煤1 145.53 kg，間接排放2 863.83 kg CO2、22.91 kg SO2、10.31 kg NOX以及1.25 kg CO。最終獲得該技術(shù)生產(chǎn)1 t順酐的全生命周期污染物排放清單如表1所示。

表1 C5烷烴法生產(chǎn)1 t順酐的全生命周期污染物排放清單

2.3 特征化

特征化處理是利用污染物的相關(guān)性系數(shù)對(duì)該技術(shù)所造成的環(huán)境影響進(jìn)行量化，獲得不同環(huán)境影響類型的環(huán)境影響潛值。根據(jù)表1清單數(shù)據(jù)，選取全球變暖(GWP)、光化學(xué)煙霧(POCP)、人體毒性潛力(HTP)、酸化效應(yīng)(AP)共4種環(huán)境影響類型進(jìn)行特征化，其計(jì)算公式如(1)所示：

(1)

式中：EP(j)為生命周期系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響類型j的貢獻(xiàn)(環(huán)境影響潛值)，EP(j)i為污染物i對(duì)環(huán)境影響類型j的貢獻(xiàn)，E(j)i為污染物i的排放量，EF(j)i為污染物i對(duì)環(huán)境影響類型j的相關(guān)性系數(shù)。特征化所采用的基準(zhǔn)物、相關(guān)性系數(shù)[23]以及特征化結(jié)果如下表2所示。

表2 C5烷烴法生命周期特征化結(jié)果

2.4 標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估

為消除不同環(huán)境影響類型的量綱差異，使各類環(huán)境影響類型具備對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法如式(2)所示：

(2)

式中：NER(j)為環(huán)境影響類型j的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，NR(j)為環(huán)境影響類型j的基準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)參考2000年世界人均環(huán)境影響潛力[24]，計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如下表3所示：

表3 C5烷烴法環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

加權(quán)評(píng)估是對(duì)環(huán)境影響類型進(jìn)行權(quán)重賦值，以表達(dá)其對(duì)環(huán)境影響綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度。為減少人為主觀因素影響，直接賦予同等權(quán)重值0.25。通過加權(quán)求和獲得該技術(shù)的環(huán)境影響綜合指標(biāo)(EI)，其計(jì)算公式如(3)所示：

EI=∑NER(j)ω(j) ,

(3)

式中ω(j)表示環(huán)境影響類型j的權(quán)重值。最終計(jì)算得C5烷烴法的EI為0.420 3，各環(huán)境影響類型加權(quán)值及其占EI比重如圖3所示:

圖3 C5烷烴法環(huán)境影響類型占比

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 生命周期成本

技術(shù)生命周期成本可以分為與生產(chǎn)相關(guān)的內(nèi)部成本(原料、設(shè)備、能源等)以及與公司社會(huì)責(zé)任相關(guān)的外部成本(廢物排放處置費(fèi)、污染控制費(fèi)等)[25]。以下進(jìn)行C5烷烴法生命周期成本分析。

3.1.1 原料成本

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，C5烷烴原料用量為80 000噸/年；結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，C5烷烴報(bào)價(jià)為4 200元/噸，可得C5烷烴成本為33 600萬(wàn)元。由于所研究的企業(yè)地處某化工園區(qū)，為優(yōu)化園區(qū)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)園區(qū)可持續(xù)性發(fā)展，分離C5烷烴產(chǎn)生的其他組分(長(zhǎng)鏈烷烴、異戊烷、環(huán)戊烷、正丁烯等)可由園區(qū)內(nèi)其他企業(yè)消化使用，原料成本則由相應(yīng)企業(yè)共同承擔(dān)。由于該企業(yè)生產(chǎn)順酐所需反應(yīng)原料為C5烷烴的組分正戊烷，該企業(yè)主要承擔(dān)正戊烷原料費(fèi)用，正戊烷占C5烷烴總量的29.654%，因此該企業(yè)需花費(fèi)原料成本9 963.744萬(wàn)元。

3.1.2 設(shè)備成本

通過Aspen Plus模擬得所需的設(shè)備類型及數(shù)量，參考各類設(shè)備市場(chǎng)價(jià)格，得出該技術(shù)的設(shè)備成本估算結(jié)果如表4所示，其總設(shè)備成本為16 485萬(wàn)元。

表4 C5烷烴法設(shè)備成本估算表

3.1.3 燃料成本

標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7 000 kcal/kg，目前市面上一噸發(fā)熱量為6 300 kcal的精煤市場(chǎng)價(jià)格為500元/噸，可得標(biāo)準(zhǔn)煤折價(jià)為555.5元/噸。結(jié)合2.2清單分析，C5烷烴法每年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤28 389 900 kg。最終計(jì)算得C5烷烴法年燃料成本為1 577.058 9萬(wàn)元。

3.1.4 生命周期外部成本

生命周期外部成本Cex是指各種排放因子對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響的貨幣價(jià)值，可用公式(4)計(jì)算

(4)

式中，Ei表示污染物i的排放量；ei表示污染物i的單位外部成本。

將生產(chǎn)過程中直接和間接排放的CO2、CO、VOC、SO2和NOX的大氣污染物治理成本作為外部成本。根據(jù)該技術(shù)的模擬污染物直接排放結(jié)果以及2.2清單分析中污染物間接排放總量，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[26]報(bào)道的單位外部成本，可計(jì)算得該技術(shù)外部成本如表5所示，該技術(shù)每年所需外部成本5 906.621 8萬(wàn)元。

表5 C5烷烴法外部成本清單

3.1.5 總生命周期成本

綜上分析，可計(jì)算該技術(shù)投產(chǎn)建成第一年(含設(shè)備成本)所需的總生命周期成本為33 932.425 6萬(wàn)元，成本構(gòu)成如下圖4所示：

圖4 C5烷烴法各類成本構(gòu)成情況

3.2 產(chǎn)品銷售收入

根據(jù)模擬結(jié)果可知該技術(shù)的主產(chǎn)品為順酐和苯酐，參考各類化工市場(chǎng)數(shù)據(jù)，順酐售價(jià)為0.91萬(wàn)元/噸，苯酐售價(jià)為0.79萬(wàn)元/噸，可計(jì)算得C5烷烴法的年產(chǎn)品銷售收入約為21 517.832萬(wàn)元。

3.3 靜態(tài)投資償還期

根據(jù)企業(yè)清潔生產(chǎn)審核要求，靜態(tài)投資償還期可以核算技術(shù)項(xiàng)目投產(chǎn)后，以技術(shù)項(xiàng)目獲得的現(xiàn)金流量來回收項(xiàng)目總投資費(fèi)用所需要的年限，即技術(shù)項(xiàng)目的投資回報(bào)期。參考相關(guān)文獻(xiàn)[27]關(guān)于技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析中投資費(fèi)用的核算方式，本研究將設(shè)備成本作為技術(shù)項(xiàng)目的總投資費(fèi)用。靜態(tài)投資償還期核算流程如下:

1)核算設(shè)備年折舊費(fèi)用，其計(jì)算公式如(5)所示：

(5)

式中，D為設(shè)備年折舊費(fèi)用，I為項(xiàng)目投資總費(fèi)用，Y為折舊期。

通過實(shí)際調(diào)研以及相關(guān)清潔生產(chǎn)審核技術(shù)資料可知，折舊期Y為10年，計(jì)算得C5烷烴法的設(shè)備年折舊費(fèi)用為1 648.5萬(wàn)元。

2)核算年凈現(xiàn)金流量，其計(jì)算公式如(6)所示：

F=(P-C-D)×(1-T)+D,

(6)

式中，F(xiàn)為年凈現(xiàn)金流量，P為產(chǎn)品銷售收入，C為經(jīng)營(yíng)成本，D為設(shè)備年折舊費(fèi)，T為綜合稅率。結(jié)合生命周期成本分析和企業(yè)實(shí)際情況，本文將原料成本、燃料成本和污染物直接排放所需外部成本作為該技術(shù)的經(jīng)營(yíng)成本，間接排放所需外部成本不予考慮。此外，綜合稅率T=期間稅負(fù)率+(1-期間稅負(fù)率)×企業(yè)基本所得稅稅負(fù)率?；ぎa(chǎn)品行業(yè)的平均期間負(fù)稅率為3.35%，非優(yōu)惠政策條件下的企業(yè)基本所得稅稅負(fù)率為25%，因此綜合稅率T為27.625%。利用公式(6)計(jì)算可得該技術(shù)年現(xiàn)金流量F為5 103.469 1萬(wàn)元。

3)核算靜態(tài)償還期，其計(jì)算公式如(7)所示：

(7)

式中，N為靜態(tài)投資償還期(年)，I為總投資費(fèi)用，F(xiàn)為年凈現(xiàn)金流量。

最終計(jì)算得C5烷烴法的靜態(tài)投資償還期N為3.2年。

3.4 總體經(jīng)濟(jì)效益分析

綜上分析，當(dāng)該技術(shù)達(dá)到投資回報(bào)期后，C5烷烴法的年凈利潤(rùn)達(dá)6 556.204 3萬(wàn)元，該技術(shù)每年的生產(chǎn)成本(不含設(shè)備成本和間接排放所需外部成本)、銷售收入以及凈利潤(rùn)如下圖5所示：

圖5 C5烷烴法的總體經(jīng)濟(jì)效益

4 結(jié)語(yǔ)

為拓寬我國(guó)順酐生產(chǎn)技術(shù)范疇，實(shí)現(xiàn)C5烷烴高效資源化利用，本研究對(duì)C5烷烴生產(chǎn)順酐技術(shù)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)模擬以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)-環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估，為順酐生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1)環(huán)境影響評(píng)估可知，POCP是C5烷烴法的主要環(huán)境影響類型，其占EI的33.11%，采取有效的尾氣處理措施或者回收利用廢氣有效組分進(jìn)而減少CO和VOC的直接排放能有效降低POCP的影響，同時(shí)也能抑制HTP的影響；AP和GWP分別占EI的31.95%和29.92%，其中AP的貢獻(xiàn)均來源于SO2和NOX的間接排放，生產(chǎn)過程直接排放的污染物并不會(huì)引起AP，而GWP的貢獻(xiàn)大部分來源于間接排放的CO2。由此可知，該技術(shù)具有較高的環(huán)境影響優(yōu)化潛力。

2)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估可知，該技術(shù)靜態(tài)投資償還期僅為3.2年，當(dāng)該技術(shù)償還了投資項(xiàng)目費(fèi)用后，每年凈利潤(rùn)可達(dá)6 556.204 3萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。值得注意的是，一方面可發(fā)揮該企業(yè)位于化工園區(qū)的地緣優(yōu)勢(shì)，由園區(qū)相關(guān)企業(yè)根據(jù)需求共同采購(gòu)C5烷烴并分擔(dān)相關(guān)成本，提高園區(qū)企業(yè)相互協(xié)作力度；同時(shí)可采取措施減少CO和VOC的直接排放降低外部成本，提高經(jīng)濟(jì)-環(huán)境綜合效益。

3)經(jīng)過分析可知，C5烷烴法不僅能提高C5資源利用效率，亦可通過銷售順酐和苯酐產(chǎn)品構(gòu)建多元化產(chǎn)品矩陣，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，降低單一產(chǎn)品引起的產(chǎn)品滯銷風(fēng)險(xiǎn)，提高企業(yè)市場(chǎng)綜合競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

本研究可為順酐生產(chǎn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)技術(shù)改造、提升整體經(jīng)濟(jì)效益提供一定的理論和決策支持。