甲醇制汽油工藝分析及產業化進展

祁嘉昕

(陽煤晉華氣體工程有限公司,山西 太原 030021)

引 言

成品油是人們日常生活和各行各業都必不可少的重要資源,是國民經濟發展的基礎。隨著我國國民經濟的發展和人們生活水平的提高,2000年以來以汽、柴、煤油為主的成品油消費呈現快速增長,對石油的依賴程度越來越大。2016年,我國成品油消耗量為3.15億t,石油的對外依存度超過65%［1］。預計到2030年,中國石油消耗量的80%將需要依靠進口。我國富煤貧油,煤炭資源豐富,以煤為原料,經合成氣合成甲醇,再通過甲醇制汽油(methanolto gasoline,MTG),將是緩解我國石油緊張的重要途徑之一,能轉變我國發展方式,調整產業結構［2］。MTG原料來源豐富,生產過程容易控制,技術風險較低,而生產的油品質量相對較高。

1 甲醇制汽油

MTG是指以甲醇為原料,在催化劑的作用下首先進行脫水生產二甲醚,然后經過低聚、異構等步驟反應轉化得到汽油組分的過程(C11以下烴類油)。20世紀70年代,Mobil公司在其甲醇轉化成芳烴的技術基礎上,開發了 MTG工藝技術,總流程是以煤或天然氣為原料首先生產合成氣,再用合成氣制得甲醇,最后將粗甲醇轉化為高辛烷值汽油［3］。MTG工藝技術對原料甲醇的純度要求相對低,可以直接使用粗甲醇進行轉化,轉化得到的汽油低硫、低苯,可以直接銷售或者與常規的汽油相調和使用。

2 國內外的甲醇制汽油工藝

目前,MTG工藝主要有固定床MTG工藝、流化床MTG工藝、多管式MTG工藝、國內的一步法MTG工藝以及托普索的一體化汽油合成工藝(TUGAS)［3-4］。目前,有工業化應用業績的技術主要是美孚的固定床工藝和國內的一步法工藝。

2.1 埃克森-美孚的固定床MTG工藝

1967年,美孚公司開發了固定床MTG工藝。在該工藝過程中,原料甲醇經預熱器、蒸發器和過熱器后,進入脫水反應器脫水生成二甲醚,在轉化反應器中二甲醚、沒有反應的甲醇和水通過ZSM-5催化劑轉化為烴類的混合物,再經分離生產出汽油等產品。1986年,在新西蘭該技術首次實現工業化,產能60萬t/a。

2.2 流化床MTG工藝

在固定床MTG工藝的基礎上,西德的URBK(聯合褐煤)公司、伍德公司和美國Mobil公司,開發了流化床MTG工藝。在該工藝過程中,原料甲醇、水按一定比例進行汽化,過熱到177℃后進入流化床反應器,從流化床反應器頂部出來的反應產物除去催化劑、冷卻,然后分離為水、汽油等產品。該工藝操作中反應熱易于移去,且反應熱能夠用來生產高壓蒸汽,循環量要比固定床大大降低。1982年,在Wesseli的UK公司的聯合石油化工廠利用該技術建成了20t/a的中試示范廠。

2.3 多管式MTG工藝

在固定床MTG工藝的基礎上,美孚公司聯合德國魯奇公司,用一個多管式反應器將甲醇一步轉化為烴類。該工藝的催化劑裝填在多管式反應器管程,在殼程內的熔融鹽能夠不斷循環帶走反應熱。在該工藝過程中,原料甲醇和循環氣與反應器出來的氣體進行熱交換,將溫度調整到所需要的反應溫度。氣體與甲醇的混合物從上部進入多管式反應器,通過管內裝填的催化劑催化轉化為烴,從多管式反應器出來的生成物通過熱交換器冷卻至常溫。

2.4 國內一步法MTG工藝

2006年,中科院山西煤化所開發了一步法MTG工藝。該技術不需要再經過甲醇轉化制二甲醚的步驟,原料甲醇在ZSM－5分子篩催化劑的作用下直接一步轉化為汽油和少量LPG產品。該技術的優點是工藝流程短,汽油收率高,催化劑穩定性較好。2007年,云南解化集團有限公司利用該工藝建設的3 500t/a甲醇制汽油工業化裝置一次投料試車成功。

2.5 托普索一體化汽油合成技術（TIGAS）

早在20世紀80年代初期,就開發了托普索一體化汽油合成技術（TIGAS）。該技術不同于傳統甲醇制汽油工藝,TIGAS在新西蘭的Motunui被驗證可以延伸至上游實現一步法,直接在單條回路中將合成氣轉化為汽油,不需要對甲醇冷凝和后續再沸。2013年,美國Green Gasoline From Wood公司采用該技術建成的裝置開車成功。

國內外主要的甲醇制汽油工藝參數如表1所示。從表1中可以看出,除了托普索一體化汽油合成技術（TIGAS）使用的是GSM催化劑外,固定床MTG工藝、流化床MTG工藝、多管式MTG工藝以及國內的一步法MTG工藝均采用的是ZSM－5催化劑；對比生產1t汽油甲醇的消耗量,固定床MTG工藝消耗甲醇量為2.9t,消耗量最大,流化床MTG工藝消耗甲醇量只有2.5t,消耗量最?。粚Ρ绕偷氖章士梢钥闯?一步法MTG工藝汽油的收率最高,可以達到38%,流化床MTG工藝汽油的收率最低,僅有26.1%；對比生成汽油的辛烷值可以看出,只有流化床MTG工藝汽油的辛烷值才能達到97,一步法MTG工藝汽油的辛烷值最小僅為84,最小。綜合對比,一步法MTG工藝無論在甲醇消耗量還是在汽油收率上都占有優勢。

3 甲醇制汽油技術的工業應用

國內已建成的MTG項目如表2［5－6］所示。從表2可以看出,已建成投產的大部分項目采用的是中科院山西煤化所的一步法MTG工藝,少部分采用?？松梨诘墓潭ù?MTG工藝,說明國內一步法MTG工藝因其工藝過程短,流程簡單,設備少,汽油收率高而備受青睞。從表2中還可以看出,從2007年開始,我國就有MTG項目投產；經過2010年到2012年的初步發展階段,從2014年開始,我國多個MTG項目陸續投產,甲醇汽油產能迅猛增加,但2014年后,有些建設項目建設緩慢,甚至被擱置,建成投產項目明顯減少；結合國際油價和石油路線成品油價格可以看到,受2014年以前原油價格持續高位運行的刺激,甲醇制汽油具有成本優勢,產業發展較快,2014年下半年后,伴隨國際油價暴跌,MTG熱度消退。

表1 國內外甲醇制汽油工藝技術參數

表2 國內已建成的MTG項目

4 結束語

綜上所述,國內外幾種不同的MTG工藝沒有本質的區別,但國內一步法MTG工藝汽油收率高,工藝過程短,流程簡單,設備少,我國大部分項目均采用該工藝?；谖覈幻贺氂偷膰?MTG技術能調整產業結構,實現能源多元化,但受國際油價和石油路線成品油價格的影響,MTP技術只有進一步優化催化劑的性能,研究設計出更理想的反應器,降低成本,才能形成規?；l展,真正轉變我國的發展方式。

參考文獻：

［1］ 劉朝全,姜學峰.2016年國內外油氣行業發展報告［M］.北京：石油工業出版社,2017.

［2］ 曹占欣,趙風云,張向京,等.甲醇制汽油工藝分析與改進［J］.現代化工,2017（2）：147－150.

［3］ 耿倩.山西煤化所與陜西寶氮集團合作項目試車成功甲醇制汽油再次推動煤化工產業［N］.科學導報.2016－03－01（1）.

［4］ 王毅.甲醇制汽油發展現狀及前景分析［J］.潔凈煤技術,2011,17（6）：39－42.

［5］ 王鈺.我國甲醇制汽油的產業前景分析［J］.煤炭加工與綜合利用,2014（10）：11－15.

［6］ 劉思明.“十三五”時期甲醇制汽油產業發展趨勢研判［J］.中國石油和化工經濟分析,2016,34（2）：47－51.