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第 3期 张爱明 天然气化 工利用与发展趋势 6 9 天然气化工利用与发展趋势 张爱明 0 1 ． 四川大学化工学院 ， 四川 I成都 6 1 0 0 6 5 ； 2 ． 中国石化集团四川维尼纶厂 ， 重庆 4 0 1 2 5 4 摘要 介绍 了天然气 化工 的主要产 品和 天然气化工 的发展状况 ， 对天然气化工发展的趋势进行 分析 ， 提出 了关于我 国天然 气化工发展 的一些 建议 。 关键词 天然气 ； 天然气凝液 ； 化工利用 ； 现状 ； 发展趋 势 中图分类号 T Q 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 9 2 1 9 2 0 1 2 0 3 6 9 0 4 天然气是 目前仅次 于石油 、 煤炭 的世界第三大 能源 ， 具有使用安全 、 热值高 、 洁净等优点。近几 十 年来 ， 天然气工业发生 了根本性的变化 ， 工业发达 国家对 环境 和生态的关注 以及发展 中 国家渴望经 济增长的热情 ， 成为推动天然气勘探开发的两股强 劲 的力量 ，不仅天然气探明量和产量不 断增加 ， 预 测的可采资源量也大幅增加。目前全球探明的天然 气剩余可采储量约 1 8 7万亿 m 。 ， 而 日前美 国地质调 查局 的报告估计 全球 未探 明的技术 可采的常规天 然气量达 1 5 9万亿 m ，按 目前每年开采约 3万亿 m 3 的速度 ， 天然气可供人类使用 1 0 0年以上。 世界天然气 的利用 主要 是作 为工业 和 民用燃 料。此外 ， 天然气作为一种优质的化工原料 ， 在化学 工业 中占有重要地位【 】 - 3 ] 。 虽然天然气化工在其发展 过程 中随天然气供求变化和价格波动有起有伏 ， 但 一 直都相当受重视。近年 ， 非常规天然气的大量开 发 ， 改变 了世界天然气的供 求态势 ， 天然气化工在 一 些天然气丰富价廉的地区受关注程度正在提高。 天然气化工 泛指以天然气 生产和加工 中工程 中获得的产 品为原料 的化工生产过程 ， 主要包括利 用天然气 主要成分甲烷为主的化工过程 ， 利用天然 气凝液 主要 为乙烷 、 丙烷 、 丁烷 的化工过程 ， 以及 利用副产硫磺的化工过程等。 1 天然气化工深加工产 品 1 ． 1 甲烷化工主要产品 甲烷可通过直接或 间接转化 的方法 生产多种 化工产 品 ， 表 1列 出了 以甲烷为原料 ， 在现有技术 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 2 8 ； 作者简 介 张爱明 1 9 7 0 一 ， 男 ， 化工 高 级工程师 ， 四川大学工程硕士生 ， 现在 四川 维尼纶厂工作 ， 电 话 1 3 9 8 3 6 4 9 2 7 8 ， 电邮 c w z h a n g a i m i n g 1 6 3 ． c o rn。 条件下可生产的主要化工产 品【 4 J 。 表 1 甲烷化工主要产 品 Ta b l e 1 Ma i n p r o du c t s d e r i v e d f r o m me t h a n e 产品 衍生产品或用途 氨 甲醇 氢 乙炔 氢氰酸 二硫化碳 甲烷氯化物 炭黑 硝耩甲烷 二 甲醚 一 氧化碳 OX O合成气 合成油 燃料醇 单细胞蛋白 尿索，硝酸 ，硝酸铵、碳酸铵等无机铵盐，有机胺 及部分其他含氮有机产品等 甲醛、甲缩醛 、 MT B E 、醋酸、MMA、丙烯酸甲酯、 碳酸二甲酯 、甲烷氯化物、二甲醚、制氧、甲酸甲 酯、q 1 醇蛋白、乙烯、丙烯、燃料电池、甲硫醇、 硫酸二 甲酯 、甲醇汽油等 过氧化氯、炼油和石化产品加氯、有机产品合成加 氯、氯燃料 电池、保护气和还原气等 醋酸乙烯、P V A、V AE 、氯乙烯 、P VC 、三氯乙烯 、 四氯乙烯 、1 , 4 ． 丁二 二 醇、 ． 丁内酯、 NMP 、 四氧呋喃 、 聚四氢呋喃 P T ME G、乙炔黑、丙烯酸 酯、 乙炔焰等 氰化钠、氰化钾 、黄血盐、己二腈、己二胺、丙酮 氰醇、MMA、P MMA、甘氨酸、蛋氨酸、苯乙氰、 苯乙酸、肌氨酸、亚氨基二乙氰、草 IlJ‘ 膦、亚氩基 二乙酸、E D T A、氨川三乙酸、泛酸钙、羟基乙腈、 羟基乙酸、丙 二 酸 酯、氰乙酸酯、氰基乙醇 靛蓝、原甲酸三甲酯、原甲酸三乙酯等 粘胶纤维、玻璃纸、橡胶助剂、选矿药剂、■甲基 亚砜 、 甲 矾 【 、 甲硫醚、农业熏蒸剂等 溶剂、制冷剂、有机硅等 天然气半补强炭黑、新工艺炭黑、热裂黑，朋于橡 胶加工工业 、油墨等 有机合成原料，盐酸羟胺等。 L P G和柴油代用燃料，发l u，有机合成，气雾促进 剂等。 羰摹合成醋酸、D MF 、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、 碳酸二苯酯 、甲酸甲酯、甲酸、苯乙酸、丙二酸等 系列产品，合成光气 系列产品 T DI 、MDI 、H MD I 等异氰酸酯 ，氨基 甲酸、酯类农药，聚碳酸酯等 ， 合成 酸、毕酸酯、甲酸钠。 丁醇、丁醛、丁酸，辛醇、异千醇等 高 质柴油，石蜡，高碳 烯烃等。 汽油添加剂 配合饲料、食用营养出 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 天然气化工 C。 化学与化工 2 0 1 2年第 3 7卷 1 ． 2 天 然气凝 液 主要化 工产 品 天然气凝液 N GL s ， 是指从天然气 中回收的较 甲烷重的烃类 ， 主要为乙烷 、 丙烷 和丁烷或其混合 物。 N G L s 可作为燃料利用 ， 但用作化工原料价值更 高 ， 尤其是石油价格高企时用作化工原料更具吸引 力。表 2是利用 N G k 可生产的主要化工产品。 表 2 天然气凝液主要化 工产品 T a b l e2 Ch e mi c a l p r o d u c t sf r o m NGLs NG L成分 可牛产的化工产鼎 乙 烷 至 兰 乙 烯 、 氯 乙 烯 、 P V c 、 聚 乙 烯 、 环 氧 乙 烷 、 丙 烷 竺 丙 烯 、 环 氧 丙 烷 、 丙 二 醇 t 丙 烯 腈 、 腈 纶 、 一． MT B E 、顺酐、1 ， 4 - - j 醇、T r内酯、N MP 、四氢呋 ⋯ 。 喃、聚四氢呋喃 P T ME G等 1 ． 3天然气其他化工产品 天然气其他化工产品主要是天然气脱硫而生 成的副产品硫磺 ， 硫磺再进一步深加工生产硫酸及 其它硫化工产品。 目前工业上所用的氦气绝 大部分是从 天然气 中提取的嘲 。 2 天然气化工发展概况 2 ． 1 世界天然气化工发展状况 天然气化工起源于上世纪 2 0年代。早期的石 油 化 工 始 于 天 然 气 乙炔 工 业 和 天 然 气 凝 析 液 N G L s 制 乙烯工业的兴起 。 由天然气生产的乙炔曾 是世界化学工业中的“ 有机合成之母” 。廉价石油大 量开采和石油化工兴起之后 ， 天然气化工受到 了影 响，但天然气化工仍有不少具有竞争优势的领域 ， 虽然化学工业消费的天然气 占天然气 消费总量的 相对比例下降 ， 但是绝对消费量仍在增加。近期 ， 页 岩气等非常规天然气的大规模开发 ， 改变了整个世 界 的天然气供求态势 ， 拉大了一些国家石油与天然 气 的比价 ， 天然气的化工利用又重新引起 了较大兴 趣 。 世界上 不同程度发展 了天然气化工 的 国家有 5 O多个 ， 目前年消费天然气量 不含 N G L s 约 1 7 0 0 亿 m 。 ， 约占天然气消费总量的 5 ％。 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 、 氢氰酸 、 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 前世界上大部分 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化工产品等 ， 三 者 占总消费量的 9 8 ％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 l ％～ 1 ． 5 ％。 目前世界合成氨、甲醇年产量分别约为 1 ． 6亿 t ． 0 ． 5亿 t ， 其 中以天然气 为原料生产 的都为 7 5 ％左 右 ， 国外绝大部分采用天然气原料 ， 以煤为原料 的 主要在 中国。氢氰酸 、 二硫化碳 的生产也以天然气 原料为主。国外乙炔生产主要也采用天然气原料 ， 虽然发展停滞 ， 但仍保有多套生产装置 。天然气还 被广泛用于生产羰基合成气 ， 用于合成大量的化工 产品。天然气合成油 G T L 已建设有多套装置。 随着燃料规格 的 日趋严格和炼油原料的重质 化 ， 炼油厂加氢精制装置需要大量的氢气来生产低 硫清洁燃料 ， 正在刺激商品氢气供应需求的快速增 长 。 相当多的 N G I J s被用作化工原料。2 0 o 1 ～ 2 0 1 0 年世界 乙烯 裂解 原料 中 ，乙烷 需求 年均 增速 为 5 ． 4 ％， L P G需求年均增速为 3 ． 7 ％， 而石脑油需求年 均递减 6 ． 9 ％。 世界最大 的乙烯生产 国美国 ， 7 5 ％的乙烯生产 采用 N G L s 原料 其中乙烷原料为 6 4 ％ 。中东近年 N G L s 的化工利用发展很快 ， 主要是裂解制烯烃 ， 脱 氢芳构化制芳烃 ， 丁烷化工利用等。 乙烯原料的轻质化 ，使得副产丙烯量减少 ， 使 期相对较 乙烯紧缺 。近年来随着世界非常规天然资 源开发获得突破 ， 获得长期 、 稳定 、 相对低廉 的丙烷 资源成为可能 ， 从而使丙烷脱氢制丙烯项 目具有较 强的市场竞争力 ，并 由此引发业界巨头纷纷投资 ， 一 些项 目选址在廉价丙烷资源丰富的地区 如美 国 ，另有一些则选择在丙烯需求增长空间大的地 区 如中国 。 近年随着全球氦资源供应趋紧， 一些国家加强 了天然气氦资源的回收嘲 。 2 ． 2 我国天然气化工发展状况 我 国天然气化工发展 已有 4 0多年 的历史 ， 建 成了一批像云天化 、 榆天化、 川维厂 、 重庆扬子 乙酰 公司等一批竞 争力较强的综合型企业 ， 形成了一定 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 张爱 明 天然 气化 工利 用 与发展 趋 势 7 1 生产规模。目前全 国有十几个省 、 市 、 自治区发展 了 天然气化工 ， 建有 t 0 0多套天然气化工装置 ， 几乎 所有主要 的天然气 化工产品我国均可生产 ， 其 中主 导产品是合成氨 、 甲醇 、 氢气 ， 其次为天然气制 乙炔 及衍生 品、氢氰 酸系列产品和二硫化碳 系列产品 等。 我 国用做化工原料 的天然气 占天然气总消费 量的 比例虽然逐年下 降 ，但仍远高于世界平均水 平 ， 而绝对消费量也仍然有所增长。 近年我 国沿海 地区还布局了一些利用进 口的 天然气基 甲醇生产烯 烃和利用进 口的丙烷生产丙 烯的装置。 目前 国内发展 天然气化工的最 大障碍天然气 供应不足、 价格高 以及政策限制。 3 天然气化工发展趋势分析 未来世界天然气化工 的发展有以下几个趋势 1 天然气供应增加促进其化工利用的发展 世界天然气资源丰富， 勘探开采技术取得突破 将使天然气 的供应增加 ， 随着天然气与石 油价格 比 的降低 ， 加上天然气不便运输的特点 ， 天然气将会 更多地用于生产各种化工产品或合成油 。 2 进一 步向天然气资源丰富 、 价 格低廉 的地 区转移 西欧等一些传 统的天然气化工发达地区 ， 由于 天然气供应 紧张 ， 价格上涨 ， 许 多天然气化工装 置 已关闭 ， 而 中东等天然气丰富价廉 的地区则新建 了 大量 的天然气化工装置 。美 国页岩气 的大规模 开 发 ， 改变 了其天然气供求态势 ， 也吸引了大量的天 然气化工项 目投资。 3 传统的天然气化工产品仍 占主导 合成氨 、 合成 甲醇、 制氢 ， 包括 NG L 5用于石化 产 品生产 ， 优势明显 ， 仍 将是未来天然气化工 的主 要发展方向。 4 合成油 、 合成烯烃会有一定发展 天然气合成油 、 烯烃是利用边远地区天然气的一 条重要途径 ， 在石油价格高企时 ， 对天然气 丰富价 廉地 区有一定吸引力。 5 某些非常规天然气的化工利用可能会得到 一 定发展 某些非常规 的天然气 ， 如煤矿 甲烷 、 火炬气 ， 加 工成符合规格的天然气进入管 网等利用 比较 困难 ， 针对这部 分气体 已在开发一些适用 的化工利用技 术 如一步法合成甲醇[ 6 ] 和单 细胞蛋1 1 1 7 ] ， 今后有 可能促进其化工利用。 6 技术进步将推动天然气化工发展 天然气化工领域的大量研发投入 ， 将促进相关 工艺技术 的开发 ， 提高 天然气化工 的竞争力 ， 推动 天然气化工进一步发展。开发的热点技术有 天然 气直接转 化技术徊； 包括天然气二氧化碳重整I9 1 、 微 通道重整反应器【 l 明 、 膜反应 器等在 内的天然气重整 新技术 ； 天然气制轻烯烃新技术 如 MT O、 MT P ； 天 然气经乙炔液相加氢制乙烯新技术【 l 】 ； F T合成油新 技术 如应用微通道 反应器 的技术t O 1 ； 天然气经醋 酸加氢合成乙醇 【 ；各过程的新型高效催化剂 ， 等 等 。 4 我国天然气化工发展建议 4 ． 1 加快天然气勘探开发、为发展天然气化工提 供原 料 我 国石油资源紧缺 ， 需大量依赖进 口， 对外依 存度越来越大。除进 口原油外 ， 每年还从国外进 口 大量的石化产品。全球石油资源的争夺已引发许多 国际政治问题 。如何尽量减少对石油的依赖 ， 是必 须认真加以考虑 的问题 。替代能源有多种选择 ， 从 当前资源情况看 ， 煤和天然气是首选。但是 ， 煤的开 发利用投 资大 、 污染严重 ， 其产生的二氧化硫和二 氧化碳等污染远大于其他原料。目前重点应该首先 是加大对天然气 的开发利用。 当前制约我国天 然气 化工发展 的主要原 因是 天然气供应不足 ， 但这 主要不是资源 问题 ， 而是勘 探开发程度不够 。我国常规天然气远景储量 5 6万 亿 m 。 可采 2 2万亿 m 。 ， 非常规天然气 中煤层气储 量 3 6 ． 8 l 万亿 m 。 可采 1 0 ． 8 7万亿 m ， 页岩气储量 1 3 4万亿 m ’ 可采 2 5 ． 1万亿 m ， 此外天然气水合 物资源也相 当丰富。我 国必须加大天然气勘探开发 力度 ， 以便减少石油进 口， 优化能源结构 ， 同时为天 然气化工发展提供原料保障。待到天然气供应好转 时， 适 当放松 目前对天然气化工进行控制的权宜之 策。 4 ． 2 优化全国天然气化工布局 为了弥补石油资源的不 足 ， 我国今后应该适 当 促进天然气化工的发展。但天然气化工的发展应该 全 国一盘棋。东南部沿海地 区 海南除外 的天然气 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 天然气化工 c1 化学与化工 2 0 1 2年第 3 7卷 及进 口 L N G应主要用于制氢和 O X O合成气 ， 以满 足炼厂对氢气 日益增长的需求 ， 此外可 以适当布局 利用进 口的廉价天然气基 甲醇合成烯烃及进 口丙 烷通过脱氢合成丙烯 。由于西北边疆等地区距天然 气化工产品的主要消费市场较远 ，虽然气价便宜 ， 但普通的天然气化工产品合成 氨、 尿素 、 甲醇价值 较低 ， 其运抵消费市场的运费相对就很高 ， 故应利 用靠近消费市场的天然气 如西南等地的天然气 生产合成氨、 甲醇等单价相对较低的产 品。而偏远 地区的天然气 可发展合成油 、烯烃及其深加工产 品、 乙炔系列产品、 氢氰酸衍生产 品等价值较高的 产品，在偏远地区就地生产这些产品然后外运 ， 比 直接将天然气输往 消费市场再 生产这些产 品或作 为燃料更为经济 。 4 ． 3鼓励对 目前利用低 效或难于利用的天然气进 行 化工 利用 我国有大量的油田伴生气 、 煤层气 、 沼气 、 垃圾 填埋气 、储量小开采价值低的常规天然气 田等资 源 ， 目前很多没有得到比较合理的利用。 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 ， 因而进人市场的办 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 ； L N G输送 ； C N G输送 ；天然气水合物输送 ； 以 电输送 ； 转化为液体燃料 G T L ； 转化为甲醇； 转化为 二 甲醚 D ME ； 转 化 为烯 烃 G T O ； 转 化 为丙 烯 G T P ； 转化为合成氨， 尿素 ； 转化为乙炔 系产品； 转 化为炭黑 ， 等等。 我国天然气产区大部分处于边远地 区， 管输投 资大 ， 费用高 ， 民用气数 量相对 比较少 ， 进户成本 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， 还是应该发展化工利用项 目。 以远离市场的中小气 田的天然气 、 火炬气等利 用 困难的天然气生产化工产品， 可能会成为未来我 国天然气化工具有发展潜力的路线。 4 ． 4 做好天然气化工产品的精细化深加工 在当前受原料供应 和国家政策限制 ， 单纯靠扩 大规模发展天然气化工 已比较 困难 ， 延长天然气初 级化工产品的产品链 ， 提升产 品的附加值必须 向天 然气精细化工发展。四川维尼纶厂的天然气乙炔产 品链 的开发是这方面做得较为成功的例子之一。 参考文献 [ 1 】 魏顺安． 天然气化工工艺学【 M】 ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 王熙庭． 一碳化工发展现状及展望[ M y ， 赵亚平， 姜俊， 张 景臣． 中国石 油和化工行业发展研究 报告． 郑 州 河南 科 学技术 出版社， 2 0 0 8 9 9 ． 1 1 4 ． 【 3 】 雍 瑞生， 谭斌， 王科． 天然气 化工的技术进展 与发展机 遇 【 J ] ． 天然气化S E C 1 化学与化工 ， 2 0 0 9 ， 3 4 4 7 4 7 9 ． [ 4 】 余黎明． 我国天然气化工产业资源利用的前景分析【 J 】 ． 泸天化科技， 2 0 0 8 ， 2 1 2 1 1 2 6 ． 【 5 】 王熙庭， 任庆生． 氦资源、 应用、 市场和提取技术【 J 】 ． 天然 气化- V C 1 化学与化工 ， 2 0 1 2 ， 3 7 1 7 3 - 7 8 ． 【 6 】 王熙庭． G a s T e c h n o甲烷一步制甲醇新工艺【 J 】 ． 天然气 化T C 1 化学与化工 ， 2 0 1 1 ， 3 6 6 3 1 ． 3 3 ． 【 7 】7 U N I B I O A ／ S ．Wo d d L e a d e r i n s i n g l e c e l l p r o t e i n t e c h n o l o g y [ E B ／ O L ] ． h t t p -．／ ／ w w w ． u n i b i o ． d k L 【 8 】 杨家新， 王熙庭， 郭保雨． 低碳烷烃直接转化技术进展【 J 】 ． 天然气化- r c 1 化学与化- r ， 2 0 0 3 ， 2 8 4 3 2 - 3 8 ． [ 9 】 美国碳科 学公 司宣布电厂减排二 氧化碳 的 G T L解决方 案【 J 】 ． 天然气化- I -_ C 1 化学与化7 - ， 2 0 1 1 , 3 6 6 4 0 ． 【 1 0 ]使用微通道反应器技术 的天然气合成油示 范装置将在 巴西投运L 『 】 ． 天然气 化工 C 1化学与化工 ， 2 0 1 1 ， 3 6 2 3 1 ． 【 l 1 】 A b e d i A A．E c o n o mi c a n a l y s i s o f a n e w g a s t o e t h y l e n e t e c h n o l o g y [ D ] ． A u s t i n T e x a s A M U n i v ， 2 0 0 7 ． [ 1 2 】R o x b o r o u g h S ． C e l a n e s e to p r o d u c e e t h a n o l f r o m n a t u r a l g a s [ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ e n e r g y b o o m． c o m ／ b i o f u e l s ／ c e l a n e s e s e e k s - n a t u r a l - g as e t h a n o l s u b s i d i e s ． Ch e mi c a l u ti l i z a tio n a n d d e v e l o p me n t t r e n d o f n a t ur a l g a s Z HANG Ai mi ， 1 ． S c h o o l o f C h e mi c al En g i n e e r i n g ， S i e h u a n Un i v e r s i t y ， Ch e n g d u 61 0 0 6 5 ， Ch i n a ； 2 ． S i n o p e c S i c h u a n V i n y l o n Wo r k s ， C h o n g q i n g 4 0 1 2 5 4 A b s t r a c t T h e m a j o r c h e m i c al p r o d u c t s d e r i v e d f r o m n a t u r a l g a s a n d n a t u r al g a s l i q u i d s N G L s a n d t h e c u r r e n t s t a t u s o f n a t u r al g as c h e mi c al i n d u s t r y w e r ℃i n t r o d u c e d ．T h e f u t u r e d e v e l o p me n t t r e n d s o f n a t u r al g a s c h e mi c al i n d u s t r y w e r e a n aly z e d 。a n d s o me p r o p o s als i n t h e d e v e l o p me n t of Ch i n a n a t u r al g as c h e mi c al i n d u s t r y we r e p u t f o r w a r d ． Ke y wo r d s n a t u r a l g as； n a t u r al g a s l i q u i d s ； c h e mi c al u t i l i z a t i o n ； c u r r e n t s t a t u s ； d e v e l o p me n t t r e n d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m