頁巖氣綜合系列專題【五】 應(yīng)用領(lǐng)域及其影響

Insigne

頁巖氣綜合利用

      頁巖氣的組成與常規(guī)天然氣相仿，主要成分是甲烷，并含有少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、氮?dú)狻ｍ搸r氣不僅能夠替代常規(guī)天然氣在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，而且在化工行業(yè)的應(yīng)用較常規(guī)天然氣更為廣泛。頁巖氣中分離出大量凝析液NGL，凝析液NGL的主要成分為乙烷、丙烷，分別經(jīng)裂解和脫氫后，即可分別獲得乙烯、丙烯。甲烷、乙烷、丙烷是頁巖氣化工的三種最基礎(chǔ)的原料，由此構(gòu)成了頁巖氣化工產(chǎn)業(yè)鏈。

1.頁巖氣發(fā)電

       隨著頁巖氣產(chǎn)業(yè)井噴式發(fā)展，天然氣價(jià)格大幅跳水，天然氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益越來越明顯。基于國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)和天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)情況，并結(jié)合我國能源緊缺和環(huán)保壓力極大的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，可看出，我國頁巖氣地理分布與電力負(fù)荷中心分布的吻合度較高。

      在我國經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的電力負(fù)荷中心利用頁巖氣就地發(fā)電，可切實(shí)減輕不斷增大的節(jié)能減排壓力。

2.提取裂解原料

      頁巖氣中含有的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷均屬于優(yōu)質(zhì)裂解原料， 乙烷裂解生產(chǎn)乙烯的收率高達(dá)80.5%，遠(yuǎn)高于亞洲傳統(tǒng)的石腦油制35%的乙烯收率。美國近幾年的頁巖氣開發(fā)有大量的濕氣資源，使乙烷和丙烷的供應(yīng)量大幅增加，乙烷裂解制乙烯已成為極具競爭力的工藝路線。

      目前，國外石化公司提出了多種從天然氣中回收C2+凝液（NGL）組分的工藝，如AdvancedExtrac-tionTechnologies的AETNGLrecovery、Technip的CRYOMAXMRE，ABBLummus的NGL－Pro、Black＆VeatchPritchard的PRICOLNG、Cono-coPhillips的optimizedcascadeLNGprocess。以上工藝的主要產(chǎn)品是液化天然氣，副產(chǎn)品是C2+凝液乙烷回收率均可達(dá)到90%以上。

3.頁巖氣制合成油

       頁巖氣組成與天然氣相似，將來也可用頁巖氣代替天然氣來制備合成油。天然氣制合成油（GTL）是天然氣高效利用的途徑之一，近幾年來一直是業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。天然氣生產(chǎn)的合成油屬于清潔燃料，其優(yōu)點(diǎn)在于不含硫、氮、鎳雜質(zhì)和芳烴等非理想組分，符合現(xiàn)代燃料的嚴(yán)格要求和日益苛刻的環(huán)境法規(guī)，從而為生產(chǎn)清潔能源開辟了一條新的途徑。目前，GTL技術(shù)已從試驗(yàn)階段發(fā)展到了工業(yè)應(yīng)用階段，并以較大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，受到了越來越多石油公司的關(guān)注。

       GTL工藝主要由合成氣生產(chǎn)、F－T合成、合成油加工、反應(yīng)水處理4部分組成。不同GTL生產(chǎn)工藝，其主要產(chǎn)品略有差別。GTL產(chǎn)品中，液化氣可用作燃料；GTL石腦油是非常優(yōu)質(zhì)的乙烯裝置原料，但不宜用作汽油調(diào)和組分，也不宜用作催化重整原料。GTL柴油含硫量接近零，十六烷值為70～80，相對密度為0.78，閃點(diǎn)為81℃，濁點(diǎn)為－12℃，遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)煉油廠生產(chǎn)的清潔柴油，也遠(yuǎn)優(yōu)于歐盟對超清潔柴油的規(guī)格要求。GTL潤滑油基礎(chǔ)油不含硫，不含芳烴，傾點(diǎn)低，揮發(fā)性低，黏度指數(shù)高，氧化安定性好，生物降解率高，其質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于目前煉油廠生產(chǎn)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類基礎(chǔ)油。石蠟的外觀不透明，白色，基本無味，具有高線性度和窄碳數(shù)分布，用于色料或香料中頗為理想。

4.頁巖氣制氫

       頁巖氣中的甲烷制備氫氣可通過2種工藝路線來實(shí)現(xiàn)：一種是通過制備合成氣（H2和CO的混合氣）從而得到氫氣；另一種是甲烷催化裂解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。這2種方法首先都要活化甲烷分子，但甲烷分子惰性很強(qiáng)，反應(yīng)條件苛刻。傳統(tǒng)的制氫方法較多，如水蒸氣甲烷重整（SRM）、甲烷部分氧化（POM）、甲烷自熱重整（ATR）等。SMR工藝的生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，但該過程會產(chǎn)生CO2，因此需要增加CO2捕獲和儲存裝置，這會使制氫的成本提高20%～50%。POM工藝過程能耗低，可采用大空速操作，無需外界供熱，可避免使用耐高溫的合金鋼管反應(yīng)器，采用極其廉價(jià)的耐火材料堆砌反應(yīng)器即可，裝置的固定投資明顯降低，但尚未見到該技術(shù)工業(yè)化的相關(guān)報(bào)道。ATR工藝是一種新型制氫方法，其基本原理是在反應(yīng)器中藕合了放熱的甲烷部分氧化反應(yīng)和強(qiáng)吸熱的甲烷水蒸氣重整反應(yīng)，因此反應(yīng)體系本身可實(shí)現(xiàn)自供熱。

5.頁巖氣制甲醇

       隨著甲醇制烯烴（MTO）工藝的大規(guī)模應(yīng)用，國內(nèi)外甲醇的需求量逐年增加。如將頁巖氣制成甲醇將有利于緩解國內(nèi)甲醇大量進(jìn)口的局面。經(jīng)合成氣制備甲醇是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)甲醇的主要方法，但直接利用甲烷為原料，一步合成甲醇一直是科研人員探索的課題，并取得一定的進(jìn)展。

       目前，直接合成甲醇的方法主要有甲烷部分氧化、水合甲醇等。甲烷直接部分氧化制備甲醇的關(guān)鍵技術(shù)是催化劑，常見的催化劑主要是過渡金屬的氧化物。如張小平等以SiO2為載體，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備甲醇的實(shí)驗(yàn)研究。甲烷首先轉(zhuǎn)化生成醋酸甲醋，醋酸甲醋進(jìn)一步水解生成甲醇。在壓力為0.1MPa，溫度為267～280℃條件下，甲烷轉(zhuǎn)化率為26.61%，甲醇選擇性為97.26%。甲烷和水直接合成甲醇和H2，具有天然氣資源和清潔氫能源綜合開發(fā)利用的應(yīng)用價(jià)值。桑麗霞等在固定床環(huán)隙反應(yīng)器中，在反應(yīng)溫度為150℃，MoO3－TiO2/SiO2催化劑作用下，甲烷和水合成了目的產(chǎn)物甲醇和H2，甲醇選擇性達(dá)87.3%。

6.頁巖氣制乙烯

       乙烯作為基礎(chǔ)工業(yè)原料，在石化工業(yè)中占有重要的地位。如頁巖氣中的甲烷轉(zhuǎn)化成乙烯，將會是頁巖氣化工利用的最有前景的路線之一。甲烷制乙烯的方法分為一步法、二步法、三步法。

       三步法分為甲醇路線、二甲醚路線、乙醇路線。即將甲烷制合成氣，經(jīng)催化反應(yīng)分別生成甲醇、二甲醚、乙醇，再生成乙烯。甲醇路線也就是MTO法，是目前廣泛應(yīng)用的新工藝。

       二步法主要有合成氣路線、氧化路線和氯化路線。合成氣路線，將甲烷經(jīng)合成氣直接生成乙烯；氧化路線，即將甲烷氧化生成甲醇，用MTO法制成乙烯；氯化路線，首先將甲烷轉(zhuǎn)化為一氯甲烷，再轉(zhuǎn)化為乙烯。二步法工藝正處于研究階段，未達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求。

       一步法包括氧化偶聯(lián)法、選擇性氧化法。經(jīng)過近10余年的努力，國內(nèi)蘭州化物所、成都有機(jī)所等在氧化偶聯(lián)法方面的研究成果比較顯著，其水平在國際上處于先進(jìn)地位。最近，韓國LG化學(xué)公司正在進(jìn)行甲烷生產(chǎn)乙烯的技術(shù)開發(fā)。

       由于二步法、三步法的工藝流程較長，隨著天然氣、頁巖氣價(jià)格逐漸增加，將不再具備經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。盡管一步法工藝尚不具備工業(yè)應(yīng)用條件，但該技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義巨大，工業(yè)化前景值得期待。

7.頁巖氣制芳烴

       頁巖氣中的甲烷也可經(jīng)催化過程轉(zhuǎn)化為芳烴，將極大地增加產(chǎn)品的附加值。甲烷制芳烴方法分為部分氧化法、無氧脫氫法。部分氧化法的甲烷轉(zhuǎn)化率很低，芳烴選擇性和收率也很低，且產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w，在經(jīng)濟(jì)上不具備開發(fā)前景。1993年，國內(nèi)大連化物所在國際上首先報(bào)道了甲烷無氧脫氫芳構(gòu)化制芳烴的研究成果。目前，甲烷無氧脫氫芳構(gòu)化已經(jīng)成為甲烷利用研究中的一個(gè)重要分支，是目前甲烷直接轉(zhuǎn)化的主要研究內(nèi)容之一。

8.頁巖氣制納米碳材料

       頁巖氣不僅可以高效地轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)液體燃料和高附加值的化學(xué)品，也可用來制備碳納米管、納米碳纖維、納米碳顆粒等具有特殊性能的材料。以甲烷為碳源、過渡金屬為催化劑時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物主要是碳納米管、納米碳纖維或納米碳顆粒。用甲烷制得的碳納米管管徑很均勻，且純度很高，看不到雜質(zhì)。由甲烷制備納米碳材料具有原料價(jià)格優(yōu)勢，工業(yè)化應(yīng)用前景巨大。

產(chǎn)生的影響

       頁巖氣和頁巖油引領(lǐng)的非常規(guī)油氣資源開采量迅速增長，不僅導(dǎo)致天然氣價(jià)格相比煤而言極具競爭力。而且頁巖氣開發(fā)的濕氣組分包含乙烷、丙烷、丁烷等，可為下游行業(yè)提供豐富廉價(jià)的原料，將重塑世界化工格局，對全球能源及化工格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

       隨著北美頁巖氣的成功，北美天然氣價(jià)格大幅降低，甲醇的生產(chǎn)成本也大大下降。EIA 預(yù)計(jì)，在2018年以前，美國天然氣價(jià)格將保持在4美元/mmBtu左右（相當(dāng)于人民幣1元／立方米）。在此原料價(jià)格下，甲醇的生產(chǎn)成本約220美元／噸。同時(shí)，甲醇制烯烴(MTO)／甲醇制丙烯(MTP)項(xiàng)目增多以及甲醇作為燃料的用途逐漸擴(kuò)大。在此背景之下，北美地區(qū)甲醇新建、擴(kuò)建項(xiàng)目及重啟現(xiàn)象普遍。未來國際甲醇貿(mào)易格局將發(fā)生明顯改變。中國以前進(jìn)口甲醇主要來自中東和東南亞地區(qū)的國家，今后從北美地區(qū)進(jìn)口的甲醇量將會逐漸增加，有可能成為主要來源之一，美國將成為世界重要甲醇生產(chǎn)地和輸出地。

       受美國頁巖氣革命大獲成功所帶來充裕且具有成本優(yōu)勢原料的影響，乙烯、丙烯生產(chǎn)商的生產(chǎn)成本已處于非常有利的競爭地位。將拉大與以石腦油為原料的乙烯、丙烯等化工產(chǎn)品的成本差距，新建頁巖氣化工項(xiàng)目投產(chǎn)后，將加速美國石化產(chǎn)品出口來消化新增全部烯烴產(chǎn)能，對歐洲、亞洲尤其中國相關(guān)石化行業(yè)形成打壓，沖擊力不亞于中東。 未來幾年，全球烯烴產(chǎn)能格局將顯著改變，將集中轉(zhuǎn)向具有成本優(yōu)勢的中東和北美地區(qū)，將有更多數(shù)量的石化產(chǎn)品從北美、中東出口到亞洲地區(qū)。頁巖氣一甲醇一烯烴產(chǎn)業(yè)鏈的形成，未來與中國的煤制烯烴行業(yè)將形成正面的競爭。未來甲烷催化生產(chǎn)芳烴等技術(shù)的研究如取得突破并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，將開辟天然氣生產(chǎn)“三烯”、“三苯”的新路徑，對傳統(tǒng)煉化一體化制“三烯”、“三苯”形成實(shí)質(zhì)性競爭力威脅。同時(shí)國外石化公司已在研發(fā)天然氣制乙醇、天然氣制柴油的工業(yè)化技術(shù)，以天然氣為原料的多元化替代正成為業(yè)界積極探索的方向。

      本期頁巖氣中美差異分析就為大家介紹到這里，對此有任何想討論的，歡迎跟帖回復(fù)。

超精密

高熱巖

只有快樂

賭一把，這個(gè)開采完了下一個(gè)是什么

常大爺

我天，美國天然氣那么便宜，要是算上收入差距，美國人燒天然氣不是跟燒水一樣

韓寒11

頁巖氣開發(fā)出來了，石油就會降價(jià)吧