北美天然气制油产业链进展

北美天然气制油产业链进展

原油是从采矿板岩中分离出来的天然气后，剩余组分在冷却、脱氮和去除co的过程中可以分离得出甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。北美绝大部分页岩气中甲烷的含量在85%(φ)以上,乙烷、丙烷和丁烷的含量依次递减。2009年以来,美国和加拿大的页岩气开采呈爆炸式增长,给北美地区带来了非常廉价的石油化工原料,因此该地区的基础化工行业迎来了前所未有的发展机遇,其中,以甲烷为原料可进行天然气制甲醇(GTM)、天然气制油(GTL)、天然气制乙烯(OCM)工艺。全球的石化行业巨头均计划在北美新建各类装置,以获得廉价的甲醇、乙烯、丙烯和丁烯产品。本文分别从甲烷、乙烷、丙烷和丁烷4个方面详细阐述北美页岩气化工产业链的最新进展。低廉而稳定的页岩气供应将使北美地区未来在全球的甲醇、乙烯、丙烯和丁烯等基础化工原料市场上占据绝对的成本优势。1甲醇产业链1.1美国甲醇和丙二醇甲醇2013年全球甲醇市场基本呈供不应求的态势,尤其是亚洲地区2013年下半年甲醇价格一直处于高位,除了传统的甲醛、醋酸、甲基叔丁基醚、甲基丙烯酸甲酯等产品的消费量稳步上升以外,甲醇制汽油、甲醇掺混汽油、甲醇制烯烃(MTO)、二甲醚等非传统产品逐渐成为甲醇消耗的新增长点,并且未来这些领域的需求量将快速增长。受美国环保和产业政策的影响,北美地区未来发展甲醇非传统领域应用的可能性很小,而中国非传统领域的消费量则会有很大的增幅。据统计,2013年中国甲醇总产量约为28.78Mt,平均开工率约为60%,而同期消费量约为30Mt。2013年中国机动燃料对甲醇的需求已达到9Mt左右,未来3～5年内需求量将超过传统领域的消费量。2016年前中国大陆仅MTO领域对甲醇的新增需求将达到15Mt。未来甲醇制芳烃(MTA)也将进一步增加中国对甲醇的需求。尽管中国大陆还有相当一部分甲醇产能未释放,但中国甲醇基本以煤为原料,在环保和生产成本的双重压力下,未来这部分产能很难得到真正释放。北美地区各大甲醇生产商积极获取廉价的天然气资源,大量改扩建或新建GTM装置。2013—2017年北美新增的GTM装置情况见表1。从表1可看出,2013—2017年,北美新增的GTM装置产能高达12.24Mt,并且均集中在墨西哥湾地区。IHSChemical数据显示,美国2013年甲醇的消耗量仅为6.5Mt,而中国2014年甲醇消耗量预计将超过32Mt,并预计到2022年中国的甲醇消耗量将达到97Mt。由此可见,未来北美可能会继续有新的GTM装置开工建设。近年来中国沿海地区有多套MTO和MTA装置在建或已建成,为了可长期获得廉价甲醇,这些企业也积极寻求在北美地区自行建设GTM装置,如NWIW公司计划在美国西北海岸分别新建2套5kt/d的GTM装置,预计2018年前实现满负荷运行。这2套装置生产的甲醇将运到中国大连作为MTO和MTA装置的原料。1.2美国gtl装置GTL工艺可将天然气转换成液体燃料。能商业化运行此工艺的只有Sasol,Shell,Velocys公司。Sasol和Shell公司专注大型的GTL装置,而Velocys公司专注小型模块化的GTL装置。近几年来GTL工艺在催化剂寿命、催化剂效率及费托合成反应器设计能力方面都有了较大的提升,因此在北美地区逐渐引起关注。Sasol公司计划在美国和加拿大分别建GTL装置,其中,美国的GTL装置产能为4Mt/a汽油和柴油,日产量96000桶,该装置将是继Shell公司GTL装置后世界第二大装置,总投资预计为110～140亿$。加拿大的装置分两期,一期日产52000桶,二期产能翻倍。Shell公司2013年9月曾宣布将在美国建设一套GTL装置,但由于装置总投资上升至200亿$,该计划被放弃。大型GTL装置存在很多制约因素,如投资很高、需要长期稳定的廉价天然气供应等。Shell公司在卡塔尔的GTL装置所需的天然气原料几乎为免费供应,但在美国未必能获得长久的天然气稳定供应。此外,GTL装置的碳排放量很大,卡塔尔GTL装置的碳排放比普通的石油基液体燃料高20%～25%。美国未来有可能因为碳排放问题阻止GTL装置在其国内的应用。小型GTL装置由于投资低、机动性强、维护费用低廉,故拥有该技术的专利商众多,但目前真正能商业化运行的只有Velocys公司。近几年北美很多小的油气田开发商计划利用Velocys公司的微通道反应器技术建设小规模的GTL装置。如Pinto能源公司准备利用该技术在俄亥俄州新建2800桶/d天然气合成油厂和更小型的GTL装置。Ventech公司也计划利用该技术新建1400桶/d的天然气合成油厂。1.3利用ocm催化剂生产乙烯OCM工艺为氧化耦合反应,由于OCM工艺的目的产物乙烯和乙烷的活性远高于甲烷的活性,因此要获得高的乙烯选择性,除了寻找更有效的催化体系外,更重要的是设计新的反应器,通过及时取走反应放出的强热,降低产品分离费用或开发无分离循环过程,降低纯氧价格,以达到工业化的经济可行性。Siluria技术公司在OCM工艺上取得了很大的突破,该公司利用高通量筛选确定了一种生物纳米催化剂,该催化剂活性比现有的催化体系高100倍,不但用量很少,而且寿命更长,反应温度降低200～300℃,产品基本只含乙烯和乙烷,后处理相对乙烷裂解更简单。该公司还对反应器做了全新设计。改进的催化体系与全新的反应器配合使用后,一套工业规模的OCM装置在固定投资和操作成本上将比石脑油裂解装置节省10亿$,比乙烷裂解节省2.5亿$。由于OCM工艺采用非常丰富的天然气为原料,因此适用范围比现有的乙烷裂解装置广泛。目前Siluria技术公司正和Braskem公司共同建设一个OCM商业化验证装置,乙烯设计产能为0.8t/d,预计2014年第4季度运行。如可行性研究顺利,Siluria技术公司将在2015年上半年开始建设34～68kt/a的工业化装置。OCM装置的乙烯产能目前还无法与传统乙烯装置相比,但可使中等以下规模的天然气供应商将甲烷转换成高附加值的乙烯,进而生产下游燃料或化工中间体,未来随工业装置的进一步放大,很有可能达到现有的乙烯装置规模。Siluria技术公司正在开发乙烯制燃料油技术,以期最终形成甲烷-乙烯-燃料油的天然气制汽柴油的新工艺,该工艺相比费托合成法的GTL工艺,投资成本节省25%～30%。2乙烷产业链2.1乙烷催化氧化脱氢传统的乙烷制乙烯技术需在高温(800℃以上)下裂解,原料为纯度很高的乙烷,能耗高,CO2排放量也较大。为减少温室气体排放、降低能耗、提高乙烯产品的选择性和转化率,Linde,AitherChemical,Lyondellbasell&BASFQtech&QuantiamTechnologies等公司均开始研究新的乙烷制乙烯工艺。Linde公司开发了以Mo-V-Te-Nb为催化体系的乙烷催化氧化脱氢工艺,该工艺在350～400℃下即可反应,乙烷选择性达95%以上,转化率达40%,温室气体排放大幅降低。AitherChemical公司开发的乙烷催化氧化脱氢工艺相比传统的高温裂解工艺能耗降低80%,温室气体排放减少90%,即使排放的CO2或CO也可直接作为纯净气回收用于其他化工产品的生产。Lyondellbasell&BASFQtech&QuantiamTechnologies公司准备开发的新一代乙烷催化裂解工艺基于BASFQtech公司早期的乙烷和石脑油混合催化裂解技术,该工艺可减少乙烷裂解装置的能源消耗和温室气体排放。总体来看,乙烷催化裂解和催化氧化脱氢未来必然是一个更具优势的乙烯生产工艺,但这些工艺即使实现工业化后,也很难在短期内达到现有乙烷裂解装置的生产规模,因此未来新建的乙烷制乙烯装置仍主要采用传统的高温裂解工艺。2.2美国页岩气矿区的乙烷原料2014—2020年北美新建和扩建的乙烷裂解装置情况分别见表2～3。从表2～3可看出,北美2014—2020年新增和扩建的乙烷裂解装置至少有20套,基本集中在美国页岩气矿区中乙烷含量最高的Marcellus和Eagleford两个页岩气矿区,乙烷含量(w)分别达到11.3%和13.8%。廉价且充足的乙烷原料不仅吸引美国本土的投资,全球其他公司也积极在北美独资或合资新建乙烷裂解装置。巴西Braskem公司和墨西哥Idesa公司于2012年开始在墨西哥新建一个1.05Mt/a的乙烷裂解装置,预计2015年中投产。该装置的乙烷原料由墨西哥Pemex气体公司管道输送,每天供应乙烷66000桶。其下游是2套高密度聚乙烯和1套低密度聚乙烯装置。2.3美国北可口可乐乙烷需求分析及丙烯成本分析2.3.1美乙烷过剩严重2012年,美国的乙烷产量为971000桶/d。2013—2015年,美国新增的乙烷需求约为137000桶/d。据预测,2014和2015年分别将有449000,545000桶/d的乙烷被浪费。由表2～3可知,如到2018年所有计划新建和扩建的乙烷裂解装置正常运行,届时美国乙烯产能将至少新增10Mt,对应乙烷新增的需求量为670000桶/d,所以2018年以后美国的乙烷产能能否满足其国内新增乙烯装置的需求还是未知状态。北美以外的乙烯生产商,要想获得廉价的乙烷资源,必须在美国新建的乙烯装置投产之前锁定资源。Ineos公司2012年开始先后与SunocoLogisticPartners,RangeResourcesCorporation,Denmark’sEvergas,ConsolEnergy等公司协定从美国东海岸出口乙烷到其欧洲的乙烯装置。Versalis和Borealis公司也计划从美国进口乙烷。由于新增乙烯产能较少,而页岩气乙烷产能过大,因此2014—2016年北美乙烷过剩严重。但预计2017年后北美的乙烷供需基本上维持平衡,届时美国的乙烷是否会出口需考虑北美乙烷未来几年的新增量、出口设施以及船运能力等综合因素。2.3.2乙烯生产废水中东的乙烷是油田伴生气的副产品,非常廉价,因而其乙烯成本很低廉。北美页岩气开采量的暴涨也使北美乙烷裂解装置的乙烯成本大幅降低。2013年全球各地区不同路线乙烯的生产成本见图1。从图1可看出,2013年中东乙烯的生产成本仅为100$/t,美国和加拿大的乙烯成本基本维持在300$/t左右,而其他地区以LPG和石脑油为原料的乙烯成本均在900$/t以上。但据IHSChemical2014年全球乙烯市场分析报告称,未来中东地区的乙烷供应将逐渐紧张,众多的乙烯装置也将逐渐使用石脑油和LPG为原料,在中东乙烷资源优势逐渐减弱的情况下,未来美国乙烷为原料的乙烯成本将显示绝对的优势。3聚丙烷原料/减碳盐pdh装置乙烷不能作为一种稳定的能源供应,而且其出口设施和运输相对丙烷复杂。丙烷除了生产丙烯外,还可作为稳定的清洁能源供民用和工业使用。美国2011年和2015年丙烷的供求情况见图2。从图2可看出,美国大部分丙烷用于居民和商业、裂解原料,小部分用于出口和丙烷脱氢领域。近年来,一方面北美页岩气副产了大量的丙烷资源;另一方面,全球丙烯下游需求快速增长使得传统工艺的丙烯产能无法满足市场需求的增长。自2011年以来,中国和美国陆续有多套丙烷脱氢(PDH)装置开始新建。预计2015年底前中国投产的PDH产能约4Mt,对应的丙烷需求量为4.8Mt。中国石化近期与美国Phillips66公司签署了丙烷长期购销合同。汽油品质的提升使中国石化炼厂的丙烯产量日趋减少,因此不排除未来中国石化也会新建PDH装置。美国目前仅有一套运行的PDH装置。该装置采用Lummus公司的Catofin工艺,产能为658kt/a,未来可能至少有4～5个PDH装置会真正投产。Williams公司已宣布延迟其PDH装置的运行。2015—2016年北美计划新增的PDH装置见表4。从表4可看出,北美未来新增的PDH装置数量远没有乙烷裂解装置多,主要原因可能是:1)丙烷的用途相对丰富,可用作燃料供应或作为炼厂裂解装置原料。2)相比全球其他地区,未来美国丙烷的价格优势并不像乙烷那样明显,因此美国的PDH装置的成本优势不如乙烷裂解装置,美国更愿将丙烷直接出口到中国这样的目的市场。3)美国市场丙烯的缺口比中国小,2012年美国的丙烯缺口约为2.73Mt,而同期中国的缺口为5Mt。4丁烷产业链4.1正丁烷脱氢制丁二烯装置北美廉价的页岩气使大量的裂解装置原料由石脑油转换成乙烷,因此丁二烯产品收率大幅降低。2020年美国的丁二烯需求将达到2.4Mt/a,而同期其产能仅为1.9Mt/a。北美TPC集团的丁二烯专产装置技术为:页岩气分离的正丁烷先脱氢生产正丁烯,然后再氧化脱氢生产丁二烯,该装置产能为270kt/a,预计2016年末投产。尽管北美未来丁二烯短缺,但正丁烷脱氢或正丁烯脱氢制丁二烯成本都比较高昂。根据IHSChemical测算,当丁二烯价格保持在2500～3000$/t时,正丁烷脱氢制丁二烯装置才能有赢利。此外一套400kt/a的正丁烷脱氢装置的投资比相同规模的PDH装置高大约10亿$。而正丁烯脱氢制丁二烯装置的生产成本约为2000$/t。Lummus公司拥有最成熟的正丁烷一步法脱氢制丁二烯技术,但只在俄罗斯有2套该类装置运行,主要原因可能还是生产成本过高,未来美国是否会有新的正丁烷脱氢装置要看丁二烯价格的走势和全球的丁二烯供需情况