天然气制合成油(GTL)技术经济分析及展望.pdf

第2 6 卷第2 期大庆师范学院学报 V 0 1 2 6 N o 2 2 Q Q 鱼生垒旦 Q 望垦堡垒坠Q 望垒Q 丛堡盟Q 垦丛垒坠堕堕 Y 垦曼曼 垒巳巫 兰 堕堕 天然气制合成油 G T L 技术经济分析及展望 冯艳辉1 孙彦波1 侯志峰2 1 大庆华科股份有限公司 黑龙江大庆1 6 3 7 1 4 2 大庆油田开普化7 有限公司 黑龙江大庆1 6 3 1 5 7 摘要 本文详细介绍了天然气制合成油的工艺技术和合成油的特性 对我国合成油建设进行了经济分析和论证 阐明了几点看法 明确了今后天然气制合成汽油的发展趋势 关键词 G T L 技术 综述 经济分析 可行性分析 作者简介 冯艳辉 1 9 7 3 一 女 大庆华科股份有限公司工程师 经济师 主要从事石油化工产品 天然气化工产品 和精细化工产品的市场研究和开发工作 中图分类号 T P 2 0 6 文献标识码 A文章编号 1 0 0 6 2 1 6 5 2 0 0 6 0 2 0 0 6 8 0 5 收稿日期 2 0 0 5 一1 1 2 0 l 引言 清洁能源 标兵 天然气制油 G T L 全称为 G a st oL i q u i d 是无味 透明的液体 由于不含硫 也就 没有普通柴油的黄色 是新时代清洁能源的一大 标兵 天然气制合成油 G T L 最近几年一直是业内广为关注的焦点 目前世界天然气探明储量达1 3 8 4 7 X1 0 1 1 3 3 还有潜在储量2 5 2X1 0 m 若以年消耗天然气2X1 0 n i 3 计 目前的探明储量够用7 0 年 潜在 储量够用1 2 6 年 二者合计够用1 9 6 年 J 此外 世界上还有大量的煤层气可供利用 用天然气合成石油 按照目前的技术 l 9 0 0 M 3 天然气可合成1 吨汽油 按照目前掌握的探明储量家潜在储量可以生产上千亿 吨的合成石油 而且合成石油的质量远高于天然石油 为生产清洁汽油 柴油提供了合适的原料 合成油最重要的优点是不含硫 氮 镍杂质和芳烃等非理想组分 属于清洁燃料 完全符合现代发动机 的严格要求和提议可可的环境法规 例如 欧盟柴油含硫量将从目前3 5 0X1 0 逐渐减小 到2 0 0 5 年为 5 0X1 0 2 0 0 8 年为3 0X1 0 美国柴油含硫也将从现在的5 0 0X1 0 逐渐减小 到2 0 0 6 年为1 5X1 0 通过费一托法工艺将天然气转化成合成油的燃料含硫小于lX1 0 芳烃含量小于l 体积百分数 十 六烷值大于7 0 口j 为生产清洁燃料开辟了一条新途径 但目前G T L 工业化产能仍然进展不大 迄今为止全世界投用的G T L 项目产能仅约为2 4 0 0 k t a 虽然 业内人士始终对G T L 未来前景保持乐观 认为未来1 0 年G T L 项目将有较大发展 但是也存在一些制约 G T L 项目发展的因素 主要有 1 G T L 装置投资大 成本高 2 工艺不成熟 3 天然气价格高 2 国外天然气制合成油情况综述 天然气制合成油 G T L 始于2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初 现有三套装置 新西兰蒙特尼6 5 0 k t a 装 置建于1 9 8 5 年 采用美孚公司技术 由甲醇通过分子筛催化剂生产汽油 南非莫塞尔湾1 2 4 0 k t a 装置和 马来西亚民都鲁5 4 0 k t a 装置 均采用费一托合成技术 建于1 9 9 3 年 分别采用萨索尔和壳牌公司工艺 三套装置的单位生产能力投资分别为每天1 0 2 1 2 7 和1 2 5 万美元 桶 据统计 全世界正在建设和拟建的G T L 装置已经有1 0 套之多 2 0 0 5 年前 将有7 套G T L 装置投产 总生产能力将超过8 8 0 万吨 年 2 l 世纪已经迎来G T L 新的发展期 预计未来1 5 年内 G T L 装置的生产能力将增加到4 5 0 0 7 5 0 0 万 吨 目前 进行G T L 项目的还有S a s o l S y n t r o l e u m I v a n h o e E n e r g y R e n t e c h 和大陆菲利普斯公司 根据规 划 到2 0 1 0 年前将有il 个主要G T L 项目 若能全部实施 则总产能可达5 8 5 0 0 0 桶 日 3 天然气制合成油技术简介 6 8 万方数据 3 1G T L5 1 2 艺流程 鉴于第一代G T L 装置存在的投资较高问题 现正在开发第二代G T L 技术 G T L 装置主要由合成气生产 F T 合成 合成油处理 反应油处理 反应水处理四部分组成 其流程见 图1 3 2 合成气生产 在G T L 工艺中 合成气生产过程的装置投资约占总投资的6 0 其生产成本也约占总生产成本的 6 0 因而降低合成气生产过程的装置投资和生产成本 对于提高G T L 的经济效益具有决定性的作用 图lG T L 装置流程不恿图 合成气生产方法主要有蒸汽转化法 S M R 部分氧化法 P O X 和自热转化法 A T R 天然气水蒸气重整法制备合成气是强吸热反应 反应过程需要大量吸热 能耗高 该反应属慢速反应 生产装置规模大和投资高 反应所得合成H C O 比过高 一般大于1 3 无C O 回收时 不适合作合成油 的原料气 天然气纯氧催化剂部分氧化法为温和放热反应 反应可在极大空速下进行 所得合成气H C O 比一 般低于2 l 反应温度在1 2 0 0 1 5 0 0 0 C 自热转化法是将蒸汽转化法和部分氧化法结合在一步进行的合成气新工艺 它具有反应温度低 氧化 消耗少 H C O 比为2 1 组成适合于制备合成油等优点 在P O X 和A T R 法中 纯氧制备需要昂贵的空分 设备投资和增加制氧成本 S y r b t r o l e u m 公司改进的A T R 法使用空气代替氧气 避免了纯氧制备 由于系统是自身热平衡的 省去 了热转移系统 A T R 反应器更简单 小型化 水碳比低于传统的A T R 法 从而显著提高了其经济性 通过 选择合适的水碳比 氧碳比和反应温度 可获得理想的合成油原料气 不过由于尾气不能循环 天然气的 有效利用率不够高 A i rP r o d u c t s 公司开发的离子传递膜用于合成气的生产技术 简称I T MS y n g a s 在大于7 0 0 C 高温下 利用该技术 可以省去制氧厂以及合成气的其他流程 其特点在于氧气流量较高 用浆态反应器来合成液 态烃 使用该技术成本可降低2 5 生产的优质液体燃料可以与价格为2 0 美形桶或更低的原油竞争O 3 3F T 合成工艺 合成气在催化剂作用下转化为液体烃的方法 是由德过科学家F r a n c eF i s c h e r 和H a n sT o p s c h 于1 9 2 3 年发明的 简称F T 合成 世界各大石油公司均投入了巨大的人力物力开发F T 合成的催化剂和工 艺 并已取得了突破性进展 下面主要介绍萨索尔 S a s 0 1 壳牌 S h e l l 埃克森 E x x o n 合成油 S y n t r o l e u m R e n t e e h 公司 I n t e v e p 公司的相关工艺情况 3 3 1 埃克森 E x x o n 的A G C 一2 1 工艺 E x x o n 的A 1 v a n c e dG a sC o n v e r s i o nf o rt h e2 1 c e n t u r y 技术 简称A G C 一2 1 技术 E x x o n 在过去的2 0 多 年中花费了3 亿美元用于发展A G C 一2 1 技术 拥有该技术相关的4 0 0 个美国专利和1 5 0 0 个国际专利 1 9 9 0 一1 9 9 3 年在B a t o nR o u g eL A 炼厂的2 0 0 桶 天中试装置中 进行了3 年实验 现号称拥有设计能力 5 0 0 0 0 桶 天以上G T L 装置 其工艺过程是天然气 氧气和水蒸气在一个新型的催化部分氧化反应器中反应 生成H 2 C O 接近2 1 的合成气 然后在装有钴基催化剂的浆态反应器内经F T 反应 生成以蜡为主的烃类产物 经固定床加 氢异构改质为液态烃产品出售 3 3 2 壳牌 S h e l l 的S M D S 工艺 S h e l l 的S h e l lM i d d l eD i s t i l l a t eS y n t h e s i s 技术 简称S M D S 工艺 S h e l l 使用S M D S 工艺在马来西亚的民 都鲁 B i n t u l u 建设的G T L 工厂于1 9 9 3 年5 月投产 总投资8 5 亿美元 生产能力为1 2 5 0 0 桶 天 装置的 单位投资为每天6 8 万美形桶 S h e l l 通过大量的生产运行及建设经验 认为大规模G T L 装置 5 0 0 0 0 6 9 油 油 油 油 脑 滑 石 煤 汽 洱 蜡 f J I 一 万方数据 桶 天 的单位投资可降至每天2 6 万美元 桶 其过程是使用壳牌气化工艺将天然气 氧气和水蒸气在气化炉中反应 生产的合成气在装有钴基催化 剂的列管式固定床反应器内经F T 反应 生成重石蜡 再经加工氢裂化 分馏 生产不同液态烃产品出 售 3 3 3 萨索尔 S a s 0 1 的S S P D5 1 2 艺 南非萨索尔公司于1 9 5 5 年至今使用F T 合成工艺以煤为原料生产各种油品 公司拥有萨索I 萨索 I I 和萨索I I I 等三套装置 总建设费用约为6 0 亿美元 大规模生产合成油品和相关产品 目前每年生产出 7 1 0 0 7k t 油品和相关化学品 2 0 0 1 年销售额为5 3 9 9 亿美元 营业利润达到1 4 亿美元 S a s o lS l u n yP h a s eD i s t i l l a t e 技术 简称S S P D 工艺 它包括三个阶段 第一步天然气转化为合成气 第二 步在悬浮态反应器进行F T 合成获取石蜡烃 第三步中间馏分的分馏 萨索尔公司将其技术转让给南 非M o s s g a s 公司 简称1 2 4 0 k t a 装置 将海洋天然气转化为合成油 是目前世界上利用F T 技术的最大规 模的G T L 装置 3 3 4S y n t r o l e u m 工艺 合成油 S y n t r o l e u m 公司成立于1 9 8 4 年 建有2 桶 天的G T L 示范装置 S y n t r o l e u m 公司的合成气生 产采用自有的A T R 工艺 采用空气代替氧气自热转化生产含氮合成气 以得到F T 反应接近理想的H 2 C O 比率 然后将成器在大空速下无循环回路一次通过流化床反应器 于2 1 3 5 M p a 和1 9 0 2 3 2 2 条 件下 直接合成链长在一定范围的液体烃 避免了N 2 的聚集 减少了加氢裂解步骤 而且操作压力也较 低 S y n t r o l e u m 工艺反应器结构加纳按 开停车容易 投资较小 有助于成本的降低 该技术适合装置能 力5 0 0 0 桶 天 甚至可以低至2 5 0 0 桶 天 投资费用在每天1 2 万一2 7 万美形桶 3 3 5R e n t e c h R e n t e c h 公司自1 9 8 1 年以来一直开发F T 工艺 它采用悬浮态反应器和铁催化剂将天然气转化为液 态烃 1 9 2 年公司建成了一套2 5 0 桶 天的示范装置 目前R e n t e c h 准备将美国科罗拉多州C o m m e r c e 市一 套7 5 k t a 甲醇装置改造为1 0 0 0 桶 天的G T L 装置 产品为柴油 石脑油和石蜡 3 3 6I n t e v e p I n t e v e p 公司自1 9 9 1 年开发F T 工艺 它采用独特的流化床反应器 假案有浆态反应器和列管式固 定床反应器的优点 反应物混合好 无返混 使用的催化剂粒径比浆态反应器容易 由于催化剂颗粒被控 制在流化床床层上部的自由空间从产品石蜡中分离出来 在线装卸催化剂容易 由于催化剂颗粒被控制 在流化床内 因而催化剂回收系统可取消 同时合成气一次通过反应器 不设气体回收系统 I n t e v e p 预 计在2 0 0 4 年可将其技术商业化 3 4 产品分离与加氢 合成油加工主要是对石蜡和其他合成油产品进行加氢处理 再进行产品分馏 以最终获得市场需要的 产品 合成油加工和普通油品加工工艺基本相同 是一个非常成熟的工艺 3 5 反应水处理 水是F T 合成反应的一种副产物 水中含有一些含氧碳氢化合物 如酸 醇 酮和醛等 在将反应水 回用或排放前需家昂这些含氧碳氢化合物除去 以达到使用或排放要求 典型的处理方法是使用简单蒸馏系统从塔顶移去大部分含氧化合物 酸除外 酸则仍残留在塔底液 中 塔顶含氧化合物因为数量少 无回收价值 一般送人加热炉烧掉 塔釜底液和装置中其他废水一起送 人生化废水处理厂处理 4 经济分析 决定G T L 项目可行性的因素包括天然气 原油价格 装置投资 界区内和界区外 规模 操作费用 产 品方向等 如果没有基础设施 其界区外基建投资可能达到总投资的3 0 一般而言 投资成本可粗略 地划分为 合成气生产占6 0 F T 合成2 5 3 0 产品分离与改质1 0 1 5 2 0 0 0 年委内瑞拉国有石油公司P D V S A 以天然气进料4 2 4 7 1 0 6 m 3 d 和1 4 1 6 1 0 6 m 3 d 规模为基 准 对S a s o l S h e l l E x x o n S y n t r o l e u m R e n t e c h I n t e v e p 公司的技术进行评估 各家公司单位基建总投资 界区内和界区外 介于2 0 0 0 0 3 8 0 0 0 美元之间 在中间基原油价格为2 0 美元 桶时 G T L 装置的资产 报率均高于11 对原油价格 天然气价格 操作费用以及单位基建投资 的敏感性分析表明 单位基建投资的影响最大 当单位投资从2 0 0 0 0 美形桶增加到2 5 0 0 0 美影桶 内部 回报率从2 3 下降至1 6 其次为原油价格 当油价从1 5 美影同上升到2 5 美元 桶时 内部回报率从 7 0 万方数据 1 4 上升到2 3 再次为天然气价 当干气价格从0 0 1 7 8 8 美元 折合人民币0 1 5 元 m 原文为0 5 M M B T U 干气lm 3 3 5 7 7X1 0 4 B T U 上升到0 0 3 2 2 美元 折合人民币0 2 7 元 m 3 原文为0 9 M M B T U 时 内部回报率从1 9 下降至1 6 5 在中国建设G T L 装置的可行性分析 从技术上来说 G T L 技术已经开始进入大规模工业化阶段 世界各大石油公司纷纷计划建设G T L 工 厂 以有效利用天然气滋芽 从上面的分析可以看出 G T L 技术在经济上也是有利可图的 但由于其经济 分析均基于国际市场 针对中国具体情况 需要作一些修正 1 7 5 0 k t aG T L 装置的总投资合计为1 5 1 5 2 2 9 百万美元 单位基建总投资为每天3 3 7 1 5 美彤桶 并将 其换算成国内投资 得国内总投资为1 5 1 5 2 2 9X 0 4 6 1 8 2 3 5 7 4 8 8 2 百万元 美元汇率按8 2 3 计算 由此可见 生产G T L 合成油 每吨获利2 9 9 7 2 1 8 8 7 0 8 1 11 0 1 2 元 计算内部回报率为I R R 3 3 7 9 是有大利可图的 G T L 装置产品中汽油产品研究法辛烷值9 0 6 马达法辛烷值8 5 2 雷特蒸汽压 3 8 6 k P a 苯含量0 4 芳烃3 3 5 柴油产品十六烷值7 5 凝点一3 5 q C 只俩昂均优于现有常规炼厂产 品 销售价格可高于市场常规产品 如果考虑生产润滑油的话 其效益将更好 6 未来展望 天然气制合成油 G T L 最近几年一直成为业内广为关注的热点 人们始终对G T L 未来前景保持乐 观 且认为未来1 0 年G T L 项目将有较大发展 但发展G T L 项目仍存在两大障碍 即工艺路线太复杂以及 天然气价格太高 国外在此方面已经有了成熟的技术 而我国到目前为止虽然也有一些大专院校在积极的开展这项研 究工作 但尚处于小试验研究阶段 没有试验生产装置 并且在研究过程中主要存在以下三方面的难点 1 天然气制合成的技术 2 降态床废托合成技术 3 新型催化剂的开发 清洁能源 标兵 天然气制油 G T L 是无味 透明的液体 由于不含硫 也就没有普通柴油的黄色 是 新时代清洁能源的一大 标兵 日前 和拉皇家壳牌石油公司宣布了其 气制油 G T L 的全球推广计 划 根据推广计划 该公司采取的第一步是通过全球各大城市巡回对比试车活动 让各大消费市场认识 并认可这种新型燃料 壳牌公司的G T L 产品目前已经登陆上海 这种清洁燃料将在上海的公交车推广 与液化石油气等其他替代燃料不同 其适用性较强 现有柴油机不必改造就可使用这种燃油 可与柴 油混合使用 也可单独使用 G T L 燃料不需要特殊的加油站 G T L 是一种性价比很高的替代燃料 可以直 接用于现有发动机 它在成本效益和环境保护上有优势 能减少排放有害化合物约2 0 此外 G T L 产品主要是中间分馏产品 而以往这块市场是以炼油产品为主 业内专家指出 在过去1 0 年内 世界市场对中间分馏产品的需求增长了2 5 其增长仍在继续 我国天然气的总储量有5 4 万亿吨 其中探明储量是3 5 万亿吨 目前 西气东输东段已经建成 今年 1 2 月底将会全线贯通 除了西气东输 目前我国还和俄罗斯有中俄天然气管道的合作 这两根管道的建 设将会缓解我国在8 年后遇到的天然气缺口 届时天然气制合成油将成为我国新时代清洁燃料的 宠 儿 同时也促进能源结构和产业结构的调整 7 结论及建设 目前天然气G T L 装置在技术经济上是可行的 也已经具备了一定的竞争力 中国建设G T L 装置主要 受两个问题制约 一是天然气价格较高 二是天然气产量少 供不应求 难以保证G T L 装置达到规模经济 的用气要求 但是 G T L 装置与现有的炼油装置有较强的互补性 可以利用现有的炼油设施 省去合成油加工部分 设施的建设投资 而且合成油最重要的优点是不含硫 氮 镍杂质等非理想成分 属于清洁燃料 完全符合 现代发动机的严格要求和日益苛刻的环境法规的挑战 从长远来看 随着环境法规的要求越来越严格 以 及G T L 技术进步 基建投资和操作费用大幅度降低 G T L 装置家昂更是有大利可图 在G T L 装置产品品种上 可以合成价格高 市场紧缺的产品 如微晶蜡 高性能柴油 润滑油等高附 加值和市场紧缺的商品 G T L 装置投资较大 考虑国内厂商的承受能力 建议依托现有炼厂设施 在大型合成氨 甲醇装置上增 加侧线 省去合成油加工和合成气的投资 形成合成油的附加生产线 形成 氨联油 醇联油 装置规模 不需太大 5 0 0 k t a 即可 这样只需增加F T 合成反应器投资 从而使投资大幅减少 7 1 万方数据 参考文献 1 C e d i g a z N a t u r a lG a si nt h eW o r h l 1 9 9 9S m e v 2 宋武成 1 国在2 l 世纪开发利用天然气的发展战略 J 天然气工业 1 9 9 9 1 9 7 9 5 9 7 3 严绪朝 杨景民编 为2 l 世纪中国加油 中国石油工业提升国际竞争力报告 M 北京 企业管理出版社 1 9 9 9 4 李海涛 浅谈天然气照付不议合同的有关条款 J 国际石油经济 2 0 0 0 8 5 5 l 一5 2 5 马松平 码兴 天然气价格形成机制极其相关环境条件 S P E 6 4 7 8 0 6 j 商寿柏 旧外天然气市场发展给我们的启示 J 国际石油经济 1 9 9 9 4 l 6 7 李l 伦 孙雷 黄瑜 一个新的三次方型状态在凝析油气体系相图计算中的应用 J 天然气工业 专刊 1 9 8 9 8 美 斯坦利 M 瓦拉斯著 韩世均等译 化工相平衡 M 北京 石油工业出版社 1 9 9 1 9 陶次学 凝析油气田储齄计算方法 M 北京 石油工业出版社 1 9 9 8 1 0 F O N 科罗塔耶夫 天然气和凝析油 M 北京 石油工业出版社 1 9 8 7 1 1 罗光擞 天然气加工过程原理与技术 M 哈尔滨 黑龙江科学技术出版社 1 9 9 0 1 2 徐充勋 精细有机化工原料及中间体手册 M 第一版 北京 化学工业出版社 1 9 9 8 3 1 2 6 1 2 7 1 3 李国成等 油气田轻烃回收技术 M 成都 四川科学技术出版社 1 9 9 8 1 4 雷车等编 化工热力学 M 重庆 重庆大学出版社 1 9 8 9 1 5 徐强 从天然气中回收液烃的工艺流程设计体会 J 天然气工业 1 9 9 0 5 1 6 C h iU 1 k o k u N a t u r a lG a sR e s e r v o i rE n g i n e e r i n g M J p h uW i l e y S O I L S 1 9 8 4 1 7 M T 阿巴索夫等 凝析气田开发及气水动力学 M 北京 石油工业出版社 1 9 9 3 T h eF i n a n d a lA n a l y s i sa n dF o r e c a s to ft h eG 嬲t oL i q u i d sT e e h n o l o g y F E N GY A N h u i l S U NY A N b 0 1 H O UZ H I f e n 9 2 1 D a q i n gH u a k eC o L t d D a q i n 9 1 6 3 7 1 4 2 D a q i n gO i l f i e l dK a i p uC h e m i c a lC o L t d D a q i n 9 16 315 7 A b s t r a c t T h et e c h n i q u eo fp r o d u c i n gs y n t h e t i co i lb yg a sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y n t h e t i co i la r ei n t r o d u c e di nd e t a i l si nt h ep a p e r T h e nt h ef i n a n c i a la n a l y s i s a n da r g u m e n t a t i o ns y n t h e t i co i la r eg i v e n F i n a l l y w e e x p o u n ds o m ep e r s p e c t i v ea n df o r e c a s tt h et r e n do fs y n