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,、氮氣,。頁巖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，天然氣價格大幅跳水,，天然氣發(fā)電的經(jīng)濟環(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,。天然氣生產(chǎn)的合成油屬于清潔燃料,，其優(yōu)點在于不含硫、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,，閃點為81℃,，濁點為－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,，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)和強吸熱的甲烷水蒸氣重整反應(yīng),，因此反應(yīng)體系本身可實現(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,，進行了甲烷部分氧化制備甲醇的實驗研究。甲烷首先轉(zhuǎn)化生成醋酸甲醋,，醋酸甲醋進一步水解生成甲醇,。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地位。最近,，韓國LG化學(xué)公司正在進行甲烷生產(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,、頁巖氣價格逐漸增加，將不再具備經(jīng)濟上的優(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,，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，北美天然氣價格大幅降低,，甲醇的生產(chǎn)成本也大大下降,。EIA 預(yù)計，在2018年以前,，美國天然氣價格將保持在4美元/mmBtu左右（相當(dāng)于人民幣1元／立方米）,。在此原料價格下，甲醇的生產(chǎn)成本約220美元／噸,。同時,，甲醇制烯烴(MTO)／甲醇制丙烯(MTP)項目增多以及甲醇作為燃料的用途逐漸擴大。在此背景之下,，北美地區(qū)甲醇新建,、擴建項目及重啟現(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”形成實質(zhì)性競爭力威脅,。同時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),。

韓寒11

頁巖氣開發(fā)出來了，石油就會降價吧

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

只有快樂

賭一把,，這個開采完了下一個是什么

超精密

高熱巖