淺談天然氣化工技術(shù)進(jìn)展及其分析

摘 要:本文通過敘述天然氣化工技術(shù)的現(xiàn)狀，說明了化工技術(shù)的進(jìn)展，并闡明發(fā)展過程中遇到的問題以及解決這些問題提出了合理的建議。

關(guān)鍵詞:天然氣化工技術(shù)技術(shù)進(jìn)展

中圖分類號(hào):TU995文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)02(c)-0049-02

我國(guó)有豐富的天然氣資源，與我國(guó)鄰近的俄羅斯、中亞、中東、亞太等地區(qū)是世界天然氣的主要產(chǎn)地和出口地，豐富的境內(nèi)外資源，為我國(guó)天然氣化工技術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊的前景。天然氣不僅是清潔、優(yōu)質(zhì)的能源，更是重要的化工原料。以天然氣為原料合成氨及化肥、甲醇、乙烯(丙烯)及其衍生品等等，具有原料和技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的雙重優(yōu)勢(shì)。世界上約80%的合成氨及化肥，90%的甲醇及甲醇化學(xué)品，80%的氫氣，40%的乙烯(丙烯)及衍生品都是用天然氣或天然氣凝析油制取的。

1 天然氣化工技術(shù)現(xiàn)狀

世界天然氣化工從20世紀(jì)20年代至今一直保持穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)，近年來隨著世界各國(guó)對(duì)天然氣的重視得到了較快發(fā)展。目前，全球天然氣化工年耗氣量約占世界消費(fèi)量的5%，天然氣化工一次加工品包括合成氨、甲醇、乙炔、甲烷氯化物、甲醛和醋酸乙烯等總產(chǎn)量在11.6億t以上[1]。我國(guó)中西部地區(qū)發(fā)展天然氣化工起步較早，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，這些地區(qū)主要是利用當(dāng)?shù)亓畠r(jià)的天然氣資源合成氨和化肥，甲醇及其衍生物，例如烏魯木齊化肥廠、蘭化公司、寧夏化肥廠以及四川、重慶、云南等地以天然氣為原料的大化肥裝置。發(fā)展的同時(shí)，我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到我國(guó)的天然氣化工與國(guó)外相比存在的差距，主要表現(xiàn)在多數(shù)生產(chǎn)裝置規(guī)模較小、工藝落后、能耗較高、產(chǎn)品附加值低，從而導(dǎo)致天然氣生產(chǎn)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力弱、效益差。雖然我國(guó)中西部地區(qū)開展天然氣化工技術(shù)時(shí)間較早，但主要停留在合成氨生產(chǎn)化肥階段，高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品占很小的比例。

2 天然氣化工技術(shù)進(jìn)展

2.1 天然氣直接轉(zhuǎn)化制甲醇、甲醛

天然氣經(jīng)合成氣制取甲醇工藝投資費(fèi)用高、工程設(shè)計(jì)復(fù)雜和生產(chǎn)成本高，因此，國(guó)內(nèi)外都在探索由天然氣一步合成甲醇的捷徑。目前研究開發(fā)的方法有均相氧化和多相催化氧化兩種方法，其中均相氧化工藝效果較好，甲烷轉(zhuǎn)化率可達(dá)4%～15%，甲醇選擇性為60%～90%[2]。我國(guó)西北大學(xué)研究人員以磷鎢酸為催化劑，醋酸為液相試劑，進(jìn)行了甲烷部分氧化制甲醇實(shí)驗(yàn)研究，在267℃～280℃、0.1MPa反應(yīng)條件下，甲烷轉(zhuǎn)化率為26.61%，產(chǎn)物選擇性為97.26%。UOP公司正在開發(fā)甲烷低溫低壓直接生產(chǎn)甲醇的新工藝，該工藝首先合成一種有機(jī)過氧化氫，然后使金屬催化劑活化，把甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇，與間接法相比，預(yù)計(jì)投資可減少58%，能耗減少60%，CO2排放量減少33%，甲醇生產(chǎn)成本可由每噸80美元降至58美元。

2.2 天然氣氧化偶聯(lián)制乙烯

近年來隨著全球化工市場(chǎng)的好轉(zhuǎn)，由甲烷氧化偶聯(lián)(OCM)制乙烯的研究受到重視。目前有40多個(gè)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室對(duì)2000多種催化劑進(jìn)行過試驗(yàn)，開發(fā)出了很多新工藝。但是，由于甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯反應(yīng)屬于表面引發(fā)氣相自由基與氣固相反應(yīng)相結(jié)合的機(jī)理，大量氣相氧的存在使得自由基反應(yīng)難于控制，在制乙烯過程中，甲烷轉(zhuǎn)化率低(小于25%)，C2烴單程收率低(小于25%)，產(chǎn)物中乙烯含量約4.9%，丙烯約0.4%，產(chǎn)品分離也較為困難。因此，盡管采用甲烷直接制低碳烯烴被認(rèn)為是最佳工藝路線，但至今與石腦油裂解相比，經(jīng)濟(jì)上仍不具競(jìng)爭(zhēng)力，難以滿足工業(yè)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求，因此尋找高活性、高選擇性及長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性的催化劑體系，仍是目前該技術(shù)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

2.3 天然氣直接制芳烴

甲烷直接催化轉(zhuǎn)化制芳烴有兩種方法:一種是氧化條件下的催化轉(zhuǎn)化，一種是無氧條件下的催化轉(zhuǎn)化。在氧化條件下，目前已有的研究結(jié)果表明甲烷合成芳烴的反應(yīng)難以控制，不但甲烷的轉(zhuǎn)化率低，同時(shí)芳烴選擇性及收率也難以達(dá)到有意義的開發(fā)前景。在甲烷無氧芳構(gòu)化研究方面，我國(guó)一直保持國(guó)際領(lǐng)先水平。大連化物所開發(fā)出的Mo(Ⅵ)/HZSM-5催化劑在連續(xù)進(jìn)料的固定床反應(yīng)裝置上、反應(yīng)溫度973K時(shí)，苯收率超過7%，且連續(xù)反應(yīng)3h催化劑活性不下降。由于產(chǎn)物芳烴與原料氣甲烷易于分離，因此，較低溫度下甲烷無氧芳構(gòu)化的研究已引起人們的關(guān)注[3]。

2.4 天然氣制合成氣

天然氣生產(chǎn)清潔燃料和有機(jī)化學(xué)品的過程由制備合成氣、產(chǎn)品合成和產(chǎn)品后處理三部分組成。其中合成氣制備約占總投資和總成本的60%，所以研究開發(fā)合成氣制備新工藝對(duì)于提高天然氣化工利用的經(jīng)濟(jì)效益具有決定性作用。工業(yè)制備合成氣主要采用天然氣水蒸汽轉(zhuǎn)化方法，天然氣和水蒸汽在催化劑作用下生成CO和H2，產(chǎn)物H2與CO的摩爾比約為3，適用于制合成氨和以H2為目的產(chǎn)物的生產(chǎn)工藝[4]。因此，該過程能耗較高。上世紀(jì)90年代以來，國(guó)外報(bào)道了天然氣純氧部分氧化制合成氣的新反應(yīng)過程:CH4+1/2 O2=CO+2H2該反應(yīng)過程和傳統(tǒng)的水蒸汽重整法相比，由于變強(qiáng)吸熱為溫和放熱，具有能耗低的顯著特點(diǎn)。但由于制備純氧時(shí)需要昂貴的空分設(shè)備投資和制氧成本，從而又明顯增加了合成氣的制造成本。

2.5 天然氣經(jīng)合成氣制烯烴

以甲醇或二甲醚為代表的含氧有機(jī)化合物是典型的碳一化合物，主要由煤基或天然氣基的合成氣生產(chǎn)。甲醇或二甲醚制烯烴路線是以石油化工原料制備乙烯和丙烯的替代路線，以煤或天然氣為主要原料，經(jīng)合成氣轉(zhuǎn)化為甲醇或二甲醚，然后再轉(zhuǎn)化為烯烴的路線。從資源的角度考慮，發(fā)展以煤或天然氣為主要原料制備低碳烯烴路線有著重要的戰(zhàn)略意義，從技術(shù)的角度講，潔凈煤氣化技術(shù)、天然氣開采技術(shù)、“大甲醇”技術(shù)正蓬勃發(fā)展，甲醇或二甲醚制烯烴技術(shù)不斷成熟，無論是催化劑還是工藝過程都有所改進(jìn)，相信隨著煤氣化技術(shù)的不斷發(fā)展天然氣價(jià)格的降低，由大規(guī)模甲醇裝置壟斷市場(chǎng)而導(dǎo)致的甲醇價(jià)格降低，由煤或天然氣經(jīng)合成氣、甲醇制備乙烯和丙烯路線的經(jīng)濟(jì)性會(huì)愈發(fā)顯著，會(huì)有很多人考慮建立甲醇制烯烴的聯(lián)合裝置。

2.6 天然氣制液體燃料

近年來，隨著環(huán)保要求的提高，清潔燃料和高檔潤(rùn)滑油的需求不斷增加。天然氣制合成油(GTL)的所有產(chǎn)品均可滿足目前和今后即將推出的全部環(huán)保要求，因此，為充分利用偏遠(yuǎn)地區(qū)天然氣和油田伴生氣資源，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和清潔燃料的生產(chǎn)使用，國(guó)外加快了GTL技術(shù)開發(fā)的步伐。GTL工藝一般由合成氣生產(chǎn)、費(fèi)托(F-T)合成、合成油加工三大部分組成，合成氣生產(chǎn)和費(fèi)托合成是核心部分，其中費(fèi)托合成是GTL的最核心技術(shù)。國(guó)外主要圍繞費(fèi)托合成部分不斷改進(jìn)GTL技術(shù)，以進(jìn)一步降低投資和操作費(fèi)用。發(fā)展GTL最大障礙是投資費(fèi)用較高，5年前GTL項(xiàng)目投資費(fèi)超過2.5萬美元/桶，現(xiàn)在已降至2萬美元/桶，技術(shù)進(jìn)步帶來的投資成本的逐漸降低和大幅上漲的油價(jià)使GTL技術(shù)面臨絕好的發(fā)展機(jī)會(huì)。

3 我國(guó)天然氣化工發(fā)展前景

3.1 天然氣化工發(fā)展前景分析

中國(guó)科學(xué)院院士戴金星說，用歷史的眼光看，近10年是中國(guó)天然氣高速發(fā)展的時(shí)期。從美國(guó)、俄羅斯等國(guó)天然氣發(fā)展的經(jīng)歷看，天然氣高速發(fā)展時(shí)期都達(dá)到20至30年，中國(guó)目前還只有10年的高速發(fā)展期，因此，我國(guó)天然氣發(fā)展還有相當(dāng)一段時(shí)間的高速發(fā)展期。首先，目前我國(guó)天然氣發(fā)展的前景廣闊，這是因?yàn)檎覛獾姆秶鷱V闊，今后天然氣發(fā)展的重要區(qū)塊比較多，而且潛力巨大。因此，從我國(guó)天然氣工業(yè)的發(fā)展前景看，它必定是一個(gè)成長(zhǎng)性的工程。其次，中國(guó)石油在天然氣業(yè)務(wù)的發(fā)展上，首先具有礦權(quán)優(yōu)勢(shì)，勘探區(qū)域廣闊；其次，對(duì)地質(zhì)和技術(shù)等方面的研究也比較深入，處于有利地位；其三，從下游看，天然氣管網(wǎng)比較完善，而且分布范圍廣，對(duì)下一步的發(fā)展很有利；第四，現(xiàn)有的天然氣探明資源量占天然氣探明總量的絕大部分，達(dá)到2/3以上，去年，中國(guó)石油的天然氣產(chǎn)量達(dá)到617億立方米，占全國(guó)總產(chǎn)量的80%，因此中國(guó)石油天然氣業(yè)務(wù)的發(fā)展前景將很廣闊。再次，我國(guó)天然氣年產(chǎn)量世界排名有望上升。據(jù)了解，我國(guó)將大力提高天然氣在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重。天然氣作為化石能源中污染最少的能源，熱值相應(yīng)高于煤炭與石油。在目前我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)里，煤炭占67％，石油占20％，而天然氣卻只占3.4％，遠(yuǎn)低于23.5％的世界平均水平。加大天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重，既有利于促進(jìn)節(jié)能減排，又能夠維持經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。最后，為促進(jìn)天然氣發(fā)展，我國(guó)將采取多項(xiàng)措施助推天然氣發(fā)展:第一，健全監(jiān)管體制，完善標(biāo)準(zhǔn)體系和管理辦法，為提高天然氣比重保駕護(hù)航。第二，依靠豐富的天然氣資源基礎(chǔ)，做好整體系統(tǒng)的規(guī)劃，加強(qiáng)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加大科研力度，提高我國(guó)天然氣生產(chǎn)開發(fā)技術(shù)，力求使我國(guó)天然氣市場(chǎng)上、中、下游的產(chǎn)、供、銷協(xié)調(diào)發(fā)展。第三，使天然氣價(jià)格逐步與國(guó)際價(jià)格接軌。

3.2 存在問題及建議

我國(guó)天然氣化工存在的問題及建議主要有以下幾點(diǎn):(1)由于我國(guó)的天然氣資源主要分布在中西部，再就是氣礦較分散，豐度不足、埋藏較深、開采成本高，另外，上游天然氣生產(chǎn)企業(yè)和管輸企業(yè)高度壟斷，天然氣的價(jià)格與國(guó)外比偏高。如果用它來做傳統(tǒng)化工產(chǎn)品，其成本難以有競(jìng)爭(zhēng)力，因此我國(guó)天然氣化工利用所占比例不可能有大的突破。針對(duì)種種問題，我們可以在各個(gè)環(huán)節(jié)上引起注意，比如在氣田和管道的建設(shè)上，我們可以引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，降低天然氣的生產(chǎn)成本，行政管理部門要加強(qiáng)對(duì)天然氣用戶的管理和監(jiān)督，杜絕一切浪費(fèi)天然氣資源的現(xiàn)象。(2)產(chǎn)業(yè)規(guī)模偏小，下游產(chǎn)品發(fā)展速度較慢。例如黑龍江省的產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面，大慶兩套甲醇合計(jì)規(guī)模僅為20萬噸/年，而國(guó)際上甲醇的經(jīng)濟(jì)規(guī)模已達(dá)60-80萬噸/年，甚至100萬噸/年以上；以油田伴生氣為主的天然氣資源不足，影響了大慶天然氣化工的迅速發(fā)展。(3)天然氣化工產(chǎn)業(yè)鏈短，高附加值產(chǎn)品少，經(jīng)濟(jì)效益不高；甲醇和化肥均為初級(jí)天然氣化工產(chǎn)品，附加值較低。如甲醇的價(jià)格在1600-2000元/噸，加工成醋酸為3800-4000元/噸，醋酐約為5800元/噸，醋酸纖維絲束的價(jià)格高達(dá)3萬元/噸以上，隨著后加工的深入，產(chǎn)品附加值得到大幅提高。天然氣化工應(yīng)由甲醇及其下游產(chǎn)品、天然氣制烯烴(gto)、二甲醚、合成氨和尿素4大系列規(guī)劃為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。(4)積極鼓勵(lì)加快天然氣利用項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)，政策性的扶持也很重要，如對(duì)天然氣的價(jià)格適當(dāng)定位，實(shí)行價(jià)格優(yōu)惠，適當(dāng)調(diào)低部分新建大氮肥的天然氣價(jià)格，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，使天然氣化肥在我國(guó)能穩(wěn)定健康的發(fā)展。

4 結(jié)語

天然氣作為一種更清潔、更優(yōu)質(zhì)、更經(jīng)濟(jì)的清潔能源和化工原料，已被國(guó)際社會(huì)認(rèn)同，大力發(fā)展天然氣符合世界能源發(fā)展的趨勢(shì)。自20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)天然氣勘探不斷獲得重大突破，發(fā)現(xiàn)了一大批大中型氣田，儲(chǔ)量產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，同時(shí)相繼建成了一批天然氣長(zhǎng)輸管線，開拓了天然氣消費(fèi)市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了天然氣工業(yè)快速發(fā)展，展現(xiàn)了我國(guó)天然氣工業(yè)廣闊的發(fā)展前景。隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，控制溫室氣體排放和環(huán)境保護(hù)的壓力不斷加大，開發(fā)潔凈天然氣能源已成為我國(guó)能源發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)。我國(guó)是天然氣資源大國(guó)，發(fā)展天然氣是大勢(shì)所趨。

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