天然气化工发展现状及前景展望

天然气化工开展现状及前景展望王熙庭〔西南化工研究设计院全国天然气化与碳一化工信息中心，成都610225〕1天然气资源状况1.1全球状况表1世界各国天然气探明情况及储采比图1全球各大区天然气探明储量图2天然气探明储量分布情况全球天然气探明率已超过60%。表2世界各国天然气生产情况俄罗斯是最大的天然气生产国，2007年产量为6074亿立方米，占全球天然气产量的20.6%，其次为美国〔5459亿立方米〕和伊朗〔1119亿立方米〕。图3全球天然气分区域产量图4全球天然气储采比表3世界各国天然气消费量2007年世界天然气总消费量为29219亿立方米，其中头号消费大国美国为6529亿立方米，占世界天然气消费量的22.6%，其次俄罗斯为4388亿立方米，占世界天然气消费量的15%。1.2国内状况我国现代天然气产业虽然起步较晚，但也在迅速开展壮大。我国天然气资源量为54.54万亿m3，最终可采储量为14万～18万亿m3。累计探明储量6万多亿m3，探明程度仅百分之十几，远低于世界的超过60%的探明程度，因此有很大的勘探开发潜力。近年来，中国天然气可采储量平均年增长10％。2007年天然气新增探明地质储量6178亿m3，这是我国天然气探明地质储量第一次突破6000亿立方米。据有关专家预测，未来20年里，中国天然气年探明储量在5000亿m3以上。我国还具有丰富的非常规天然气资源—煤层气和天然气水合物。煤层气是一种与煤炭相伴生的以甲烷为主要成分的气体，也称为瓦斯。据有关部门预测，中国埋深2000m以浅的煤层气地质资源总量34万亿m3，居世界第三位。我国天然气生产和利用已进入到了一个快速开展阶段。但是生产总体无法满足增长更为迅速的需求。表4我国年天然气产量和增长率年份天然气产量(亿m3)与上一年相比的增长率1999234.3712.2％2000264.612.9％2001303.0211％2002328.148.29％2003341.484％20043564.3％2005499.521.9％2006585.519.2％2007693.123.1％20237609.7％注：2023年的数据是预测值。表5我国天然气产量与需求预测年份202320232023产量/亿m37659601100需求/亿m3112118502517注：从当前情况看，生产的开展可能会超过上表的预测值，但仍无法改变产缺乏需的状态。1.3与其他主要原料的比拟天然气与石油和煤炭等矿物燃料相比，储采比低于煤，但高于石油。能当量价格低于石油，高于煤。天然气是一种非常清洁的燃料和优良的化工原料。环境保护日益受重视促进了天然气需求的快速增长。丰富的储量、适中的价格，为利用天然气开展化工产品提供了保障。表6天然气与石油价格的比拟表7全球天然气、石油和煤探明储量和储采比的比拟〔2007〕项目天然气①/万亿m3石油②/亿吨煤③/亿吨探明储量177.3612379亿桶8474.88产量2.9439.05931.356〔油当量〕消费量2.921939.52831.775〔油当量〕储采比60.341.6133①较2006年，产量和消费量分别增长2.4%和3.1%；②较2006年，产量减少-0.2%，消费量〔包括燃料乙醇和生物柴油〕增长1.1%；③较2006年，产量和消费量分别增长3.3%和4.5%。表8中国天然气、石油和煤探明可采储量和储采比的比拟〔2007〕项目天然气①/亿m3石油②煤③/亿吨探明储量1.88×104155亿桶1145产量6931.867亿吨12.896〔油当量〕消费量6733.68亿吨13.114〔油当量〕储采比27.211.345①较2006年，天然气产量增长18.4%、消费量增长19.9%；②较2006年，产量和消费量〔消费包括燃料乙醇和生物柴油〕分别增长1.6%和4.1%；③较2006年，产量和消费量分别增长7%和7.9%，消费量占全球41.3%。表9全球一次能源消费量和比例〔2007〕工程石油天然气煤炭核能水电合计油当量/百万吨3952.82637.73177.5622.0709.211099.3比例/%35.6123.7728.635.606.391002天然气在化工领域的利用状况2.1天然气化工主要产品天然气化工〔不包括天然气凝液为原料的化工产品〕主要产品包括合成氨〔尿素〕、甲醇〔二甲醚〕、合成油、氢气和羰基合成气、乙炔、卤代烷烃、氢氰酸、硝基烷烃、二硫化碳、炭黑等多种一次加工产品及大量衍生物。天然气〔甲烷〕是大规模制氢的最理想原料，目前世界上80%左右的氢气是以天然气为原料生产的。氢气的主要消费领域是石油化工产品的生产，包括合成氨、甲醇、石油炼制产品和其它石化产品等，三者占总消费量的98%以上，另外还在食用油脂、金属加工、电子、浮法玻璃、火箭等领域有较广泛的应用，但用户分散、用量小，约占总消费量的1%～1.5%。氢氰酸、二硫化碳的生产路线是以天然气原料为主，国外乙炔生产主要也采用天然气原料。国外天然气还被广泛用于生产羰基合成气。几条重要的天然气化工产品链如下：(1)合成氨产品链(2)氢氰酸产品链(3)乙炔化工产品链(4)甲醇产品链2.2全球状况目前，世界目前有50多个国家不同程度地开展了天然气化工〔参见表10〕，年耗天然气量约1600亿m3，约占世界天然气消费量的5%～6%，一次加工产品总产量在2亿t以上。主要产品包括合成氨〔尿素〕、甲醇〔二甲醚〕、合成油、氢气和羰基合成气、乙炔、卤代烷烃、氢氰酸、硝基烷烃、二硫化碳、炭黑等多种一次加工产品及大量衍生物。天然气是生产甲醇、合成氨、氢气的清洁原料，具有投资少、能耗低、污染小的优势。目前，国外80%以上的合成氨、90%以上的甲醇、80%以上的氢气以天然气为原料制取。据统计,世界合成氨产能已超过1.76亿吨/年,主要生产能力分布情况:美国1000万吨/年、加拿大520万吨/年、墨西哥291万吨/年、南美地区856万吨/年(其中特立尼达453万吨/年)、西欧1218万吨/年、东欧3333.4万吨/年、中东/非洲1560.2万吨/年、亚太地区8720万吨/年。近来生物燃料的开展促进对合成氨的需求增长。2007年全球合成氨产量1.544亿吨，比2006年增长4.5%，全球范围内合成氨生产企业的开工率平均达88%。不同地区化工用天然气的比例不同。天然气化工正在向天然气资源丰富且价格相对低廉的地区转移。表10局部国家化学工业消耗的天然气量〔亿立方米〕年份199019921994199619982000200220042005阿尔巴尼亚0.085阿尔及利亚13.4217.2118.24阿根廷2.5511.7311.5014.40澳大利亚10.0812.3712.8712.7213.4812.474.258.525.22奥地利6.755.712.405.955.974.363.934.337.03阿塞拜疆2.600.283.581.871.93巴林11.5511.6612.2411.5712.35巴基斯坦9.378.598.809.27孟加拉23.4421.77白俄罗斯14.1813.613.624.404.574.78比利时9.9922.9823.4521.1320.7721.3523.23荷兰40.7537.0433.3561.2759.0526.2123.3926.6825.10意大利和圣马力诺34.4047.2245.4436.8435.5336.3234.70罗马尼亚8.3024.7444.0515.5615.8620.7719.1318.85波兰1.391.1721.6624.8424.522.772.112.192.37匈牙利0.6112.578.8810.858.243.303.002.162.42阿联酋151.98173.91168.20167.60151.80147.30沙特阿拉伯70.0793.57112.96122.92130.92卡塔尔27.9529.3130.6832.0433.4041.6440.4628.2727.41科威特15.2216.8716.0317.4018.34伊朗56.4925.9624.8036.5436.59马来西亚14.1216.6619.5615.2416.40印度尼西亚67.0566.97日本5.6112.9115.217.427.186.978.349.31韩国5.16西班牙13.0116.438.6618.8721.3022.2323.8228.9133.58俄罗斯609.73172.63183.51195.83237.47206.8923.3529.55乌克兰7.277.36特立尼达和多巴哥55.0563.5475.1581.4085.50委内瑞拉51.3848.1840.5445.7138.9739.39墨西哥92.8892.7792.9263.9743.3632.6034.1432.47哥伦比亚4.064.034.864.835.047.597.978.77智利9.098.609.019.0716.7628.3728.6027.520.11巴西3.764.675.227.0011.9114.5118.9023.9025.02丹麦0.350.891.05捷克1.711.671.962.512.452.512.923.44保加利亚11.347.764.8314.9610.403.271.931.482.30克罗地亚1.376.336.825.806.901.011.771.54英国17.8132.5723.3154.2455.3344.1441.9737.7939.27德国75.5579.9586.8287.5581.6262.0059.4060.5763.20法国-摩纳哥25.9823.1822.4048.3450.6129.1626.0531.0032.09加拿大37.9537.4642.0193.7195.3539.5131.4730.9226.90美国546.78636.74580.89545.80504.19中国6489146来源:EnergyStatisticsDatabase|UnitedNationsStatisticsDivision〔中国除外〕2.3国内状况我国天然气化工已有40多年的历史，形成了—定的生产规模，是天然气化工大国。目前我国以天然气为原料生产的化工产品主要有合成氨、甲醇、氢气、乙炔、羰基合成化学品、光气、氰化物、甲烷氯化物、二硫化碳、炭黑等等。虽然我国化工生产目前消耗的天然气量不是很大，但其占国内天然气消费量的比例较高，目前仍达30%左右。虽然相对用气量逐年下降，但绝对用气量不断增加。天然气化工是我国天然气的主要消费领域，1998年在天然气消费结构中占43.5％(总耗气量89亿m3)，2003年占35%，2005年占30%〔总耗气量146亿m3〕，目前仍接近这一比例。在四川、重庆等天然气丰富和开发利用较早的地区天然气化工占化工行业的比重很大，化工用气占其天然气总消费量的40%～50%。然而就整体而言，我国合成氨和甲醇生产以天然气为原料的比例仅分别约为20%和25%，远低于国外的比例。2007年，国内合成氨产能已达5700万吨/年，产量5159万吨；甲醇产能1600万吨/年，产量为1078万吨。近年一批新的天然气合成氨、甲醇、制氢、氢氰酸、乙炔、二硫化碳等装置相继投产，同时仍有不少工程在建或正在筹建之中。3天然气化工开展前景展望虽然近十多年来，天然气化工的主要一次产品合成氨、甲醇的生产总体趋于增长，但是化学工业消耗的天然气量并没有相应增加，其原因可能是由于单位产品的生产能耗下降。从全球范围看，未来包括合成氨、甲醇、制氢等天然气的传统化工利用仍将会获得继续开展，合成油、二甲醚、烯烃等新的利用领域也可能会有一定程度的开展，但可能没有前些年预测的那样乐观，许多原来规划的工程并没有真正实施，因为LNG似乎更受青睐。未来全球天然气化工将继续向天然气资源丰富、价格相对低廉的地区转移。据IFA对2023年全球产能的调查，全球合成氨产能将从2007年的1.763亿吨NH3增加到2023年的2.103亿吨NH3。增加量的三分之一将通过产能改造实现，其余三分之二将通过全球范围内近50套生产装置的开车实现，其中有一半来自中国。国外多以天然气为原料，而国内以煤为主，也有一局部采用天然气。分地区来看，产能的净增长将来自于东亚〔主要是中国〕、西亚、东欧、中亚、非洲〔主要是埃及和阿尔及利亚〕和南亚〔主要是印度和巴基斯坦〕。2023年以前，世界合成氨产能增长短期内会出现在北美，欧洲和大洋洲将保持稳定。农用和工业需求的增长，使得未来几年合成氨产能剩余有限。2006年世界甲醇总产能为4695万吨/年。预计到2023年，世界甲醇生产能力将到达约6400万吨，2023年到达约7200万吨，供给能力大于市场需求，竞争将会加剧。进入本世纪以来，新建装置集中在中东、拉美和东亚等地天然气资源丰富的地区，谋求以本钱优势占领市场。装置的规模也呈现出大型化(5000～12000吨/天)的趋势。世界甲醇生产格局的变化导致消费格局发生重大变化。美国、欧洲、日本等兴旺国家和地区甲醇消费已由自给逐步转变为依靠进口。中国也成为世界甲醇生产商的目标市场。近十多年来，我国天然气化工开展相当迅速。合成氨、甲醇等主要的天然气化工产品今后需求仍将进一步增长。目前仍有多个在建和批准建设的天然气合成氨装置，但受政策限制今后新批天然气合成氨装置将放缓，重点开展煤基合成氨。2007年底，我国甲醇生产能力约为1600万吨。2023年，预计将到达2542万～3212万吨/年。我国甲醇生产原料以煤为主。但已建成、在建和已批准建设的甲醇装置也有一局部以天然气为原料。虽然天然气是生产甲醇最优良的原料，但受国家政策限制，今后新批天然气甲醇工程将很困难。据估计，到2023年我国甲醇消费量为2100万吨，甲醇产能将过剩。而这段时间同样也是世界上其他国家和地区新建甲醇装置的集中投产期。据预测，未来几年年中，而世界主要甲醇进口国家和地区—美国、日本和欧洲，进口总量仅净增277万吨，中东和中南美洲地区的甲醇市场容量有限，消费量极少。因此世界甲醇生产商必须寻找一个足够大的市场去消化上千万吨多余的产能，其目标市场首先就是亚洲，尤其是中国。将来甲醇市场将面临剧烈的竞争。虽然2007年我国出台了限制天然气用于生产合成氨和甲醇等的政策，但是随着在建和已批准建设的一批天然气化工工程建成投产，短期内天然气化工耗气量仍将快速增加。预计未来我国天然气化工的将会在制氢、氢氰酸系列产品、OXO合成气、二硫化碳生产等领域获得更多的开展。我国炼油、石化等行业的开展需要增加大量的氢气需求，天然气是制氢的理想原料。草甘膦、蛋氨酸、黄金生产等的开展那么会促进天然气制氢氰酸的开展。随着天然气供给的增加，石化厂将会利用天然气生产OXO合成气。一些化工产品的生产也可能会采用天然气生产其所需的氢气和CO。例如，巴斯夫方案在重庆建造一个二苯基甲烷二异氰酸酯〔MDI〕生产装置，年产达40万吨。利用远离市场的中小气田的天然气和火炬气生产化工产品，可能会成为未来我国天然气化工具有开展潜力的路线。天然气进人市场是一个复杂的问题，许多气田分散、偏远、规模大小参差不齐，因而进人市场的方法各异，采用哪种方法决定于经济、市场以及政治等因素。目前大致有以下一些途径可供选择：管道输送；LNG输送；CNG输送；天然气水合物输送；以电输送；转化为液体燃料(GTL)；转化为甲醇；转化为二甲醚〔DME〕；转化为烯烃〔MTO〕；转化为丙烯〔MTP〕；转化为合成氨/尿素；转化为乙炔系产品；转化为炭黑；等等。我国天然气产区大局部处于遥远地区，管输投资大，费用高，民用气数量相比照拟少，进户本钱高，将天然气液化后再运往市场的投资和费用更高。天然气发电,虽然有环保优势,但电力的输送也是大问题。对于没有建设长距离输气管道的气田,还是应该开展化工利用工程。适于中小气田开发利用的天然气化工工程推荐如下：〔1〕橇装式甲醇/二甲醚装置国内甲醇和二甲醚生产技术已相当成熟，装置建设投资不大，而国内甲醇/二甲醚市场却非常巨大。采用橇装式的甲醇/二甲醚装置对分散的气井加以利用，是投资少、见效快、回收期短的好工程：①可以充分利用当地廉价的气源；②设备标准化，成套性强，投资低；③市场占据面广，可以很迅速的形成产业化辅射，尽快占领较多的资源地；④技术成熟，管理和运转人员充足，可以较好的利用当地人才；⑤对外界公用工程的依赖性小，可以充分利用天然气作为原料，燃料和发电；⑥运输甲醇/二甲醚较运输CNG、LNG简便。〔2〕合成油〔GTL〕天然气合成油〔GTL〕技术最早是在第二次世界大战期间研究出来的，过去一直因为太昂贵而无力与其他传统的天然气加工方法竞争。但是，过去几年间，在全世界环境要求日益严格的形势下，随着近年原油和天然气价格上涨，情况发生了改变。GTL工艺已经得到大量的关注，通过费－托法工艺将天然气转化成合成油的柴油燃料含硫量低于1ppm，芳烃含量低于1％，远远低于欧盟柴油含硫量2023年减少到30ppm以及美国柴油含硫量2006年减少到15ppm的目标。GTL所采用的费－托法的技术进步已使天然气合成油在价格上可与原油相竞争。GTL的投资和操作费用约为12美元/桶，消耗天然气约10MMBtu/桶。在油价已超过90美元/桶的高油价现状下，GTL的经济性主要取决于天然气的价格。尽管为了提高经济性，GTL一般要求建设比拟大规模的装置，但已有一些公司开发了适用于相对较小规模的GTL技术。例如美国合成石油公司的GTL装置的经济规模可低达9万吨／年，从而使世界上适用天然气合成油的气田规模可占气田总数的95％。日本国家石油公司〔JNOC〕也开发了新的天然气制合成油〔GTL〕工艺，可望为小型天然气田利用提供廉价的可行方法。该新的GTL工艺不需要O2别离单元用于合成气过程，其占合成气过程费用约35%，合成气过程占GTL装置费用约60%。另外，新的GTL工艺不需要CO2脱除单元或H2提纯单元。为此，对于5000~15000桶/天装置，与常规相同能力的GTL装置相比，总的投资费用预计可降低约20%。美国开发陶瓷膜制氧技术正在取得稳步进展，将来结合该技术将提高GTL的竞争力。〔3〕GTO和GTP石油价格高企，使得利用廉价天然气生产乙烯、丙烯更具吸引力。UOP-NorskHydro公司的GTO工艺是大型天然气制甲醇工艺与甲醇制烯烃(MTO)工艺的组合。在甲醇接近完全转化的情况下，生成乙烯和丙烯的选择性高达80%，乙烯和丙烯在气相产物中的体积分数高达97%，可简化聚合级烯烃的别离工艺。我国中国科学院大连化学物理研究所也开发了合成气经甲醇或二甲醚制烯烃的技术路线，并以完成了万吨级的工业示范，并将建设大型装置。Lurgi公司那么开发了采用绝热固定床反响器的甲醇选择性合成丙烯(MTP)技术，已完成中试，大型工业装置正在建设中。2007年10月18日，由中国化学工程集团公司、清华大学、安徽淮化集团合作开发的流化床甲醇制丙烯工业化试验工程在淮化集团开工建设。该工程规模为年处理甲醇3万t，年产丙烯近1万t，副产液化石油气800t，总投资约1.6亿元，方案2023年3月投料试车并运行。该工程是在清华大学小试研究工作的根底上，将小试成果放大到万t级规模，通过工业试验装置的运行、工艺参数优化、催化剂寿命和工艺设备的可靠性考核，最终使该万t级的工业试验装置技术和环境保护各项指标到达国内外先进水平，为下一步百万t级工业化装置建设提供技术依据和培训平台。GTP主要产品只有丙烯，而GTO同时制得乙烯和丙烯两种产品，因此GTP比GTO更适用于中小气田。〔4〕乙炔系化工产品乙炔曾是世界化学工业中“有机合成之母〞，早期的石油化工就始于天然气乙炔工业和天然气凝析液〔NGL〕制乙烯工业的兴起。天然气生产乙炔于1940年实现工业化，工业兴旺国家于20世纪60、70年代开展到顶峰。在经过廉价石油乙烯出现后的30多年竞争后，至今世界上仍有十多套天然气乙炔装置在运转，用于生产氯乙烯，醋酸乙烯，1,4-丁二醇等几种化工产品，占国外乙炔生产能力的50%左右。由于石油价格上涨，乙炔化工在一定程度上又重新受到重视。我国1978年引进BASF公司技术建设3万t/a的四川维