(一) 輕油裂解製程

輕油又稱為石油腦,是沸點高於汽油而低於煤油的分餾混合物,輕油經裂解反應產生乙烯、丙烯、丁烯、戊烷、芳香烴及碳煙;或經過加氫裂解反應,生產汽油及液化石油氣。由於輕油裂解製程是石化業耗能最大的部分,也是我國石化產業的重要源頭,石化中、下游產業都要靠輕油裂解提供原料,進一步製造成塑膠、人纖、橡膠、溶劑等原料或中間產品,再製造成最終產品,滿足國內食、衣、住、行、育、樂等相關產業的需求。

1. 輕油裂解最佳可行技術(BAT)

輕油裂解是石化工業最耗能的一個程序,主要產品為乙烯。此法產生相當多有價值的副產品:丙烯、丁二烯、苯,也產生相當比例較無價值的甲烷、燃料油,因此熱裂爐的設計參數極為重要,圖1即為輕油裂解廠的流程簡圖(SRI report)。 不同來源的專利製程,主要差異在裂解爐的設計與熱回收整合的方式。影響裂解爐產品比例分布最大的是滯留時間、碳氫化合物的分壓、輕油與蒸汽的比例、熱裂解爐出口壓力等。

圖1、輕油裂解流程簡圖[1]

根據歐盟Integrated Pollution Prevention and Control( IPPC)出版之”Reference Document on Best Available Techniques in the Large Organic Chemical Industry, 2003”報告,有關輕油裂解中耗能最大的「烯烴製程」最佳可行技術(BAT),摘錄如表1所示:

表1、輕油裂解「烯烴製程」最佳可行技術(BAT) [2]
最佳可行技術(BAT)
1.製程選擇
(Process Selection)
無法訂定BAT
(製程能耗與排放物依製程不同與原料不同會產生很大的差異)
2.廠內設計
(Plant Design)
(1)所有設備及管線系統之設計應確保在高度密封及盡可能降低碳氫化合物之逸散
(2)在正常操作狀況下,避免碳氫化合物排放至大氣
(3)進到尾氣燃燒塔的碳氫化合物須極小化,尾氣燃
(4)能源之多階使用、利用先進之狹點(pinch)分析技術的幫助做能源整合
(5)延長連續操作之期間,延後歲修時間(一般間隔5年)
(6)安裝大規模的自動化系統讓工廠能夠安全地停爐
(7)藉由廠內回收與再製,實施廠內減廢
(8)排放的廢液要做好分流,避免和乾淨的水混合
3.製程控制與操作
(Process Control & Operation)
(1)廣泛地應用「高等控制與線上最佳化」於蒸汽裂解製程之控制操作
(2)應用長期氣體監測設備及安全衛生監測設備
(3)執行環境管理系統
4.空污排放
(Air Emissions)
依技術與經濟可行性,評估回收含有碳氫化合物的尾氣,當做補充燃料或供再製的原料
5.裂解爐
(Cracking Furnaces)
(l)設計有能源回收設施之新型爐膛,燃燒熱效率可提升至92~95%
(2)使用不含硫之甲烷氣或甲烷/氫氣混合氣作為燃料,透過燃燒控制可維持排氣含氧量在1~3%之水準
(3)採用低氮氧化物燃燒機(Low-NOx Burner),並盡可能同時使用選擇性觸媒轉換反應器(selective catalytic reduction , SCR)
6.除焦塔(decoking drum)排氣
(1)最適化操作以減低焦炭之形成,並使用乾式旋風分離器或濕式洗滌系統以降低排放量
(2)考慮將除焦塔排氣回收至燃燒室內再利用

資料來源:European Commission, 2003. [2]

A.最佳實用技術(Best Practicable Technology , BPT)

聯合國工業發展組織(United Nations Industrial Development Organization, UNIDO)曾經對全世界的工業部門的能源使用效率進行統計分析與調查研究,並於2010年10月公佈其研究結果。該報告首度提出建議採用「最佳實用技術」(Best Practicable Technology , BPT)取代「最佳可行技術」 (Best Available Technology, BAT),當做推動工業部門節能的指引。 所謂「最佳實用技術」(BPT)定義為該行業製程的前10 %最佳效率值,雖然「最佳可行技術」(BAT)的能源效率要比「最佳實用技術」(BPT)要高出5%~15%,但短期內推動採用「最佳實用技術」(BPT)將更能明顯地可降低能源耗用。

B.乙烯最佳實用技術單位耗能

由於乙烯是輕油裂解製程最重要的產品,世界各國都以生產一噸乙烯耗用多少能源當做輕油裂解製程的耗能指標,表2是IEA彙整國際上主要輕油裂解製程的BPT單位耗能值。

表2、主要石化產品製程之BPT單位耗能值[3]
製程
IEA-BPT單位耗能(以最終能源消費計算)
Electric (GJ/t) Feedstock (GJ/t) Fuel(GJ/t) Steam (GJ/t) 合計(GJ/t) 合計(Mcal/t)
乙烯
(Steam cracking)
0.3 -- 13.1 -1.5 11.9(21.64)* 2,847(5,176)*
C.節能效益:

根據IEA(2009) [3]報告,乙烯最佳製程,每噸乙烯消耗21.09 GJ的熱與0.55GJ的電力,總耗能為21.64GJ/噸,相當於5,176 Mcal/噸乙烯。表3是我國輕油裂解廠之乙烯設計產能與單位耗能,對台灣部分乙烯廠最高節能量可達23%,每噸乙烯單耗由6,700 Mcal降至與5,176 Mcal。對於乙烯年產量80萬噸的工廠,每年節能潛力達13.5萬公秉油當量。

表3、我國輕油裂解廠之乙烯設計產能與單位耗能
輕裂工廠 中油3輕 中油4輕 中油5輕 麥寮6輕 中油新3輕
採用製程專利 Stone & Webster Lummus MW Kellogg Stone & Webster Lummus
完成年份 1978(已於2012年6月關廠) 1984 1994 1998(烯烴1廠)
2000(烯烴2廠)
2007(烯烴3廠)
2013
設計產能(萬噸/年) 23 35 50 70(烯烴1廠)
103.5(烯烴2廠)
120(烯烴3廠)
72
單位能耗設計值(Mcal/噸乙烯) 8,850 6,700 6,223 5,200 5,500
D.成本效益:

根據中油公司發表的資料(許長發, 2011),一個最佳能源效率年產量80萬噸的乙烯工廠,投資成本為450億元,如果按燃料油價格21,600元/公秉,每年節約13.5萬公秉油當量的效益達29.2億元,約15.4年可回收。以一座輕油裂解廠可操作30年計,汰舊換新仍是值得做的投資。

(二) 乙二醇(EG)

乙二醇(Ethylene Glycol, EG)是一種重要的石油化工基礎有機原料,化學式爲:HOCH2—CH2OH,是最簡單的二元醇。乙二醇主要用於生產聚酯纖維、防凍劑、不飽和聚酯樹脂、潤滑劑、增塑劑、非離子表面活性劑以及炸藥等,也用作防凍劑。乙二醇與對苯二甲酸經縮合反應製成聚對苯二甲酸乙二酯(PET),可紡成聚酯纖維,可製成薄膜用於絕緣膜、產品包裝等,也可作為塑料吹製成各種可樂瓶、礦泉水瓶等。

乙二醇常見的製程是以乙烯為原料,以銀為觸媒進行氧化反應,將乙烯直接氧化成為環氧乙烷(Ethylene Oxide, EO),氧化反應可使用空氣或純氧做為氧之來源。環氧乙烷(EO)在逐漸升壓與升溫的條件下(150 - 250 ºC, 30 - 40 barg),水解成為單乙二醇(Mono-Ethylene Glycol, MEG),以及副產品二乙二醇(Di-Ethylene Glycol, DEG)與三乙二醇(Tri-Ethylene Glycol, TEG)。由於乙烯具有高氧化性質,因此部分原料乙烯會和氧氣產生放熱的燃燒反應,產生CO2和水。以純氧或空氣製造EO/EG的製程如圖2和圖3所示。

圖2、以純氧當進料製造EO/EG的流程圖[2]

圖3、以空氣當進料製造EO/EG的流程圖[2]

1. 生產乙二醇(EG)之最佳可行技術

(A)製程選擇
  • (a) EO製程:以純氧氧化法產製EO是歐盟定義的最佳可行技術,因其原料乙烯消耗量及尾氣產生量均較其他製程為低;但若將既有之以空氣為進料的製程變更為純氧當進料的製程,因投資成本過高,不被當成BAT。
  • (b) EG製程:EG係由EO水解反應而得,其最佳可行技術為此反應條件 之最適化,即在最低能源使用(主要是蒸汽)而可獲得最高EG產率之最佳條件。
(B)原料及能源之消耗

可以採行的最佳可行技術包括:

  • (a) 極大化觸媒選擇性,並最適化此操作條件,且盡可能商業化回收副產品CO2。
  • (b) 進行製程熱整合,包括 EO與EG單元的內部熱整合,以及EO/EG工廠與工廠外的熱整合。
(C)廠內設計

由於EO是一種有毒的致癌物質,因此在工業上須注意避免容器洩漏而導致職業傷害(濃度容許值為< 5mg EO/Nm3),故於工廠設計之BAT上應考慮:

  • (a) 廠內泵浦、壓縮機、閥門均應作好良好之密封。
  • (b) 使用適當型式之O型環及襯墊之材質。
  • (c) 儘可能減少管線的法蘭連接頭。
(D)氣體排放

以純氧產製EO所產生之CO2,先經由吸收塔內之碳酸鉀溶液吸收反應為碳酸氫鉀,再將此溶液以氣提方式移除CO2,此程序中可行之BAT為:

  • (a) 應選用高氧化效率之觸媒以減少CO2之生成;
  • (b) 將飽和碳酸鹽溶液於CO2氣提前先行移除溶液中之甲烷及乙烯;
  • (c) 利用加熱或觸媒氧化單元將甲烷及乙烯從CO2排氣孔中移除;
  • (d) 將分離之CO2製成產品出售。

此外,製程中其他排放之氣體中若含殘留有機成分如甲烷、乙烯或EO者,除以燃燒塔處理外,亦可評估將其回收作為燃料氣。

2. 生產乙二醇製程

乙二醇製造廠商幾乎都自行生產原料EO再水解成EG,並視不同製程,伴隨著不同比例之DEG、TEG等副產品。早期EG製法為使用硫酸為觸媒催化水合法,但腐蝕、污染的問題無法解決,目前EG之製程為將乙烯經過氧化使其生成環氧乙烷,再與水混合水合而成。每生產1公噸之EG約需0.6~0.8公噸乙烯,Shell、UCC、Scientific Design為三大製程提供廠商。但最現實的,EG製程之競爭力主要仍決定於原料是採用乙烯或天然氣,沙烏地阿拉伯國營石油企業SABIC以及東聯與UCC在加拿大合資設立的A&O乙二醇廠,均是採用天然氣為原料,屬具有成本競爭力的製程,當原油每桶價格頻頻上漲時,採用乙烯或天然氣的原料成本即出現極大差距;因此,油價上漲對國內生產乙二醇業者相當不利。

不同的製程最大差異在觸媒的效率,分為高選擇性,與高活性二類,觸媒的選用決定了製程的EG出產效率。原料乙烯與氧混合進入反應槽,產生EO,再加10倍水進行水合反應,即得EG。在新製程方面,日本三菱化學已開發出選擇率達99.3%(傳統為89%)的觸媒程序製程EG,其投資成本為傳統的90%,操作成本則低5%,主要關鍵在此法於水解反應中使用磷酸系觸媒提高EG回率,而舊法會產生約10%的DEG與1%之TEG較不具市場價值。

(三) 採用高效率馬達

根據工研院(2012)機械所之分析,國際間高效率馬達比一般馬達之效率可提升3%-5%,但成本約提升15%-25%,如表4所示。

表4、國際馬達效率標準概況
效率等級 規範或標準 說明
優級馬達 美國NEMA“ Premium ”/2002 效率提昇1%-3.5%
成本提昇10%-15%
高效率馬達 台灣CNS14400;美國EPAct/1997
澳、紐 MEPS—2006
歐盟 CEMEP“eff1”/1999
日本 JIS C 4212 Jul. 2000
效率提昇3%-5%
成本提昇15%-25%
加拿大和墨西哥採用美國標準
一般馬達 台灣 CNS 2934;澳、紐 MEPS--2002
歐盟 CEMEP “eff2”/1999
前期規範 歐盟 CEMEP “eff3”/1999
IEC60034-1

資料來源:工研院(2012)

  • A. 國外節能效益:根據LBNL(2010)報告,高效馬達可節約1-2%電耗。假設生產每噸熱軋材的電力需求是220 kWh/噸,則預計可節電4kWh/噸。
  • B. 國外成本效益:根據美國EPA(2012)資料,熱軋採用高效率馬達的額外成本預計為0.30美元/噸熱軋材,回收期大約需要3.2年。

(四) 空壓設備節能最佳化技術

美國能源部針對該國國內企業實施壓縮空氣系統節能改善進行調查,其統計結果如表5所示,一般最受業者忽視的「減少壓縮空氣洩漏」節能改善措施,其節能潛力相當大。壓縮空氣需投入相當多的能源,但因其無色無味,促使業者對空壓系統的洩漏較不重視。一般而言,洩漏對空壓系統能源損耗影響大,會浪費空壓電能總輸出的20~30%。

表5、壓縮空氣系統採用節能改善措施之效益
可實施的節能措施 平均節能率(%) 最大節能率 平均投資回收年限(ROI)
1 減少壓縮空氣洩漏 26.3 % 59.3 % 0.9
2 降低系統壓力 2.0 % 10.6 % 1.3
3 安裝/調整空車控制系統 10.5 % 33.5 % 0.8
4 採用多機連鎖 7.6 % 33.6 % 2.7
5 減低總運轉時數 2.6 % 15.8 % 0.1
合計 43.7 % 65 % 0.8

說明:上述數據為美國能源部調查統計資料。
資料來源:工研院「壓縮空氣系統能源查核及節約能源案例手冊」

參考文獻

  • 1. SRI PEP Report 29, 29F, Ethylene.
  • 2. “Reference Document on Best Available Techniques in the Large Organic Chemical Industry ”, 2003 , European Commission.
  • 3. “Energy Technology Transitions for Industry”, IEA(2009)
  • 4. “Ethylene”, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, Inc., 2001
  • 5. 許長發等, 三輕更新計畫及其環保設計, 中工高雄會刊, 19卷(2011), 第2期, 52-60。