天然气制合成油的技术经济分析
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石 油 化 工 技 术 经 济 第 19 卷
天然气制合成油的技术经济分析
杨 波
(中国石油乌鲁木齐石化公司 ,830019)
摘要 : 天然气制合成油 ( GTL) 最近几年一直是业内广为关注的焦点 ,文章对世界各大石油公司的 GTL 技术进行了 比较分析 ,从技术经济角度论证了现阶段建设相应规模 GTL 装置的可行性 。
合成油 ( Syntroleum) 公司成立于 1984 年 ,建 有 2 桶/ d 的 GTL 示范装置 。Syntroleum 公司的 合成气生产采用自有的 A TR 工艺 ,采用空气代 替氧气自热转化生产含氮合成气 ,以得到 F2T 反 应接近理想的 H2/ CO 比率 。然后将合成气在大 空速下无循环回路一次通过流化床反应器 ,于 211～315 M Pa和 190～232 ℃条件下 ,直接合成 链长在一定范围的液体烃 ,避免了 N2 的聚集 ,减
Rentech 公司自 1981 年以来一直开发 F2T 工艺 ,它采用悬浮态反应器和铁催化剂将天然气 转化为液体烃 ,1992 年公司建成了一套 250 桶/ d 的示范装置 。目前 Rentech 准备将美国科罗拉多 州 Commerce 市 一 套 75 kt/ a 甲 醇 装 置 改 造 为 1 000 桶/ d的 GTL 装置 ,产品为柴油 、石脑油和 石蜡 。 11316 Intevep [5 ]
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图 1 Biblioteka BaiduGTL 装置流程示意图
112 合成气生产 在 GTL 工艺中 ,合成气生产过程的装置投资
约占总投资的 60 % ,其生产成本也约占总生产成 本的 60 % ,因而降低合成气生产过程的装置投资 和生产成本 ,对于提高 GTL 的经济效益具有决定 性的作用 。
合成气生产方法主要有蒸汽转化法 ( SMR) 、 部分氧化法 ( POX) 和自热转化法 (A TR) 。
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石 油 化 工 技 术 经 济 第 19 卷
可降至每天 216 万美元/ 桶 。 其过程是使用壳牌气化工艺将天然气 、氧气
和水蒸汽在气化炉中反应 ,生成的合成气在装有 钴基催化剂的列管式固定床反应器内经 F2T 反 应 ,生成重石蜡 ,再经加氢裂化 、分馏 ,生产不同液 态烃产品出售 。 11313 萨索尔 ( Sasol) 的 SSPD 工艺[4 ]
其工艺过程是天然气 、氧气和水蒸汽在一个
新型的催化部分氧化反应器中反应 ,生成 H2/ CO 接近 2/ 1 的合成气 ,然后在装有钴基催化剂的浆 态反应器内经 F2T 反应 ,生成以蜡为主的烃类产 物 ,经固定床加氢异构改质为液态烃产品出售 。 11312 壳牌 ( Shell) 的 SMDS 工艺[3 ]
分析探讨 。
1 工艺技术分析
111 GTL 工艺流程 天然气制合成油 ( GTL) 始于 20 世纪 80 年代
末 90 年代初 。现有三套装置 :新西兰蒙特尼 650 kt/ a 装置建于 1985 年 ,采用美孚公司技术 (由甲 醇通过分子筛催化剂生产汽油) ; 南非莫塞尔湾 1 240 kt/ a装置和马来西亚民都鲁 540 kt/ a 装置 (均采用费 - 托合成技术) ,建于 1993 年 ,分别采 用萨索尔和壳牌公司工艺 。三套装置的单位生产 能力 投 资 分 别 为 每 天 1012 、1217 和 1215 万 美 元/ 桶 。
Intevep 公司自 1991 年开始开发 F2T 工艺 , 它采用独特的流化床反应器 ,兼有浆态反应器和 列管式固定床反应器的优点 ,反应物混合好 ,无返 混 。使用的催化剂粒径比浆态反应器大 ,催化剂 易于通过流化床床层上部的自由空间从产品石蜡 中分离出来 ,在线装卸催化剂容易 。由于催化剂 颗粒被控制在流化床内 ,因而催化剂回收系统可 取消 。同时合成气一次通过反应器 ,不设气体回 收系统 。Intevep 预计在 2004 年可将其技术商业 化。
将上述 6 家公司的 F2T 合成工艺数据列表 如下 (见表 2) 。同时对上述 6 家公司从其经济技 术指标 、技术成熟度 、生产及小试等各方面进行评 比排名 ,其结果见表 3 。
Sasol Slurry Phase Distillate 技术 ,简称 SSPD 工艺 ,它包括三个阶段 ,第一步天然气转化为合成 气 ,第二步在悬浮态反应器进行 F2T 合成获取石 蜡烃 ,第三步中间馏分的分馏 。萨索尔公司将其 技术转让给南非 Mossgas 公司 ,建成 1 240 kt/ a 装置 ,将海洋天然气转化为合成油 ,是目前世界上 利用 F2T 技术的最大规模的 GTL 装置 。 11314 Synt roleum 工艺[5 ]
Exxon 的 Advanced Gas Conversion for t he 21st century 技术 ,简称 A GC221 技术 。Exxon 在 过去的 20 多年中花费了 3 亿美元用于发展 A GC2 21 技术 ,拥有该技术相关的 400 个美国专利和 1 500 个国际专利 , 1990 - 1993 年在 Baton Rouge LA 炼厂的 200 桶/ d 中试装置中 ,进行了 3 年实 验 ,现号称拥有设计能力 50 000 桶/ d 以上 GTL 装置 。
关键词 : GTL 天然气 合成油 技术经济分析
天然气制合成油 ( GTL) 最近几年一直是业内 广为 关 注 的 焦 点 。目 前 世 界 天 然 气 探 明 储 量 达 138147 ×1012 m3 ,还有潜在储量 252 ×1012 m3 。若 以年消耗天然气 2 ×1012 m3 计 ,目前的探明储量够 用 70 年 ,潜在储量够用 126 年 ,二者合计够用 196 年[1] 。此外 ,世界上还有大量的煤层气可供利用 。 用天然气合成石油按照目前的技术 ,1 900 m3 天然 气可合成 1 t 石油 。按照目前掌握的探明储量加潜 在储量可以生产上千亿吨的合成石油 ,而且合成石 油的质量远高于天然石油 ,为生产清洁汽油、柴油 提供了合适的原料 。
Air Products 公司开发的离子传递膜用于合 成气 的 生 产 技 术 ( 简 称 ITM Syngas) , 在 大 于 700 ℃高温下利用该技术 ,可以省去制氧厂以及 合成气的其他流程 。其特点在于氧气流量较高 , 用浆态反应器来合成液态烃 。使用该技术成本可
降低 25 % ,生产的优质液体燃料因成本低 ,可以 与价格为 20 美元/ 桶或更低的原油竞争 。 113 F2T 合成工艺
天然气水蒸汽重整法制备合成气是强吸热反 应 ,反应过程需要大量吸热 ,能耗高 ,该反应属慢 速反应 ,生产装置规模大和投资高 ,反应所得合成 气 H2/ CO 比 过 高 , 一 般 大 于 3/ 1 ( 无 CO2 回 收 时) ,不适合作合成油的原料气 。
天然气纯氧催化部分氧化法为温和放热反应 , 反应可在极大空速下进行 ,所得合成气 H2/ CO 比 一般低于 2/ 1 ,反应温度在 1 200～1 500 ℃。
Shell 的 Shell Middle Distillate Synt hesis 技 术 ,简称 SMDS 工艺 。Shell 使用 SMDS 工艺在马 来西亚的民都鲁 (Bintulu) 建设的 GTL 工 厂 于 1993 年 5 月投产 ,总投资 815 亿美元 ,生产能力 为 12 500 桶/ d ,装置的单位投资为每天 618 万美 元/ 桶 。Shell 通过大量的生产运行及建设经验 , 认为大规模 GTL 装置 (50 000 桶/ d) 的单位投资
合成气 在 催 化 剂 作 用 下 转 化 为 液 体 烃 的 方 法 ,是由德国科学家 Frans Fischer 和 Hans Top2 sch 于 1923 年发明的 ,简称 F2T 合成 。世界各大 石油公司均投入了巨大的人力物力开发 F2T 合 成的催化剂和工艺 ,并已取得了突破性进展 ,下面 主要 介 绍 萨 索 尔 ( Sasol) 、壳 牌 ( Shell) 、埃 克 森 ( Exxon) 、合成油 ( Synt roleum) 、Rentech 公司 、In2 tevep 公司的相关工艺情况 。 11311 埃克森 ( Exxon) 的 A GC221 工艺[2 ]
GTL 装置主要由合成气生产 、F - T 合成 、合 成油处理 、反应水处理四部分组成 ,其流程见图 1 。
收稿日期 :2003 2 09 2 15 。 作者简介 : 杨波 ,男 ,1970 年出生 ,工程师 ,工程硕士 ,长期从 事石油化工生产和化工开发 。
第 1 期 (2004) 杨波 1 天然气制合成油的技术经济分析
自热转化法是将蒸汽转化法和部分氧化法结 合在一步进行的合成气新工艺 ,它具有反应温度 低 ,氧气消耗少 , H2/ CO 比为 2/ 1 ,组成适合于制 备合成油等优点 。在 POX 和 A TR 法中 ,纯氧制 备需要昂贵的空分设备投资和增加制氧成本 。
Syntroleum 公司改进的 A TR 法使用空气代 替氧气 ,避免了纯氧制备 。由于系统是自身热平 衡的 ,省去了热转移系统 ,A TR 反应器更简单 ,小 型化 。水碳比低于传统的 A TR 法 ,从而显著提 高了其经济性 。通过选择合适的水碳比 、氧碳比 和反应温度 ,可获得理想的合成油原料气 。不过 由于尾气不能循环 ,天然气的有效利用率不够高 。
鉴于第一代 GTL 装置存在的投资较高问题 , 现正在开发第二代 GTL 技术 。可提供技术的公 司见表 1 。
表 1 世界各大石油公司的 GTL 技术一览表
工艺技术 完整 GTL 技术 合成气技术
F2T 合成技术
公 司
萨 索 尔 ( Sasol ) 、壳 牌 ( Shell ) 、埃 克 森 ( Exxon) 、合成油 ( Syntroleum) 德士古 ( Texaco) 、鲁奇 (L urgi) 、克鲁帕/ 乌 特 ( Krupp/ Uhde) Rentech 公司 、Intevep 公司
合成油最重要的优点是不含硫 、氮 、镍杂质和 芳烃等非理想组分 ,属于清洁燃料 ,完全符合现代 发动机的严格要求和日益苛刻的环境法规。例如 , 欧盟柴油含硫量将从目前 350 ×10 - 6逐渐减小 ,到 2005 年为 50 ×10 - 6 ,2008 年为 30 ×10 - 6 ;美国柴 油含硫也将从现在 500 ×10 - 6逐渐减小 ,到 2006 年 为 15 ×10 - 6 。通过费 - 托法工艺将天然气转化成 合成油的柴油燃料含硫小于1 ×10 - 6 ,芳烃含量小 于 1 %(体积百分数) ,十六烷值大于 70[2] ,为生产 清洁燃料开辟了一条新途径 。
少了加氢裂解步骤 ,而且操作压力也较低 。 Syntroleum 工艺反应器结构简单 ,开停车容
易 ,投资较小 ,有助于成本的降低 。该技术适合装 置能力 5 000 桶/ d ,甚至可低至 2 500 桶/ d ,投资 费用在每天 112 万～217 万美元/ 桶 。 11315 Rentech[5 ]
南非萨索尔公司于 1955 年至今使用 F2T 合成 工艺以煤为原料生产各种油品 ,公司拥有萨索Ⅰ、萨 索Ⅱ和萨索 Ⅲ等三套装置 ,总建设费用约为 60 亿美 元 ,大规模生产合成油品和相关产品 ,目前每年生 产出 7 100 kt 油品和相关化学品 。2001 年销售额 为 53199 亿美元 ,营业利润达到 14 亿美元 。
但目前 GTL 工业化产能仍然进展不大 ,迄今 为止全世界投用的 GTL 项目产能仅约为 2 400 kt/ a 。虽然业内人士始终对 GTL 未来前景保持 乐观 ,认为未来 10 年 GTL 项目将有较大发展 。 但是也存在一些制约 GTL 项目发展的因素 ,主要 有 : ( 1) GTL 装置投资大 ,成本高 ; ( 2) 工艺不成 熟 ; ( 3 ) 天然气价格高 。下面我们就此作一详细
石 油 化 工 技 术 经 济 第 19 卷
天然气制合成油的技术经济分析
杨 波
(中国石油乌鲁木齐石化公司 ,830019)
摘要 : 天然气制合成油 ( GTL) 最近几年一直是业内广为关注的焦点 ,文章对世界各大石油公司的 GTL 技术进行了 比较分析 ,从技术经济角度论证了现阶段建设相应规模 GTL 装置的可行性 。
合成油 ( Syntroleum) 公司成立于 1984 年 ,建 有 2 桶/ d 的 GTL 示范装置 。Syntroleum 公司的 合成气生产采用自有的 A TR 工艺 ,采用空气代 替氧气自热转化生产含氮合成气 ,以得到 F2T 反 应接近理想的 H2/ CO 比率 。然后将合成气在大 空速下无循环回路一次通过流化床反应器 ,于 211～315 M Pa和 190～232 ℃条件下 ,直接合成 链长在一定范围的液体烃 ,避免了 N2 的聚集 ,减
Rentech 公司自 1981 年以来一直开发 F2T 工艺 ,它采用悬浮态反应器和铁催化剂将天然气 转化为液体烃 ,1992 年公司建成了一套 250 桶/ d 的示范装置 。目前 Rentech 准备将美国科罗拉多 州 Commerce 市 一 套 75 kt/ a 甲 醇 装 置 改 造 为 1 000 桶/ d的 GTL 装置 ,产品为柴油 、石脑油和 石蜡 。 11316 Intevep [5 ]
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图 1 Biblioteka BaiduGTL 装置流程示意图
112 合成气生产 在 GTL 工艺中 ,合成气生产过程的装置投资
约占总投资的 60 % ,其生产成本也约占总生产成 本的 60 % ,因而降低合成气生产过程的装置投资 和生产成本 ,对于提高 GTL 的经济效益具有决定 性的作用 。
合成气生产方法主要有蒸汽转化法 ( SMR) 、 部分氧化法 ( POX) 和自热转化法 (A TR) 。
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石 油 化 工 技 术 经 济 第 19 卷
可降至每天 216 万美元/ 桶 。 其过程是使用壳牌气化工艺将天然气 、氧气
和水蒸汽在气化炉中反应 ,生成的合成气在装有 钴基催化剂的列管式固定床反应器内经 F2T 反 应 ,生成重石蜡 ,再经加氢裂化 、分馏 ,生产不同液 态烃产品出售 。 11313 萨索尔 ( Sasol) 的 SSPD 工艺[4 ]
其工艺过程是天然气 、氧气和水蒸汽在一个
新型的催化部分氧化反应器中反应 ,生成 H2/ CO 接近 2/ 1 的合成气 ,然后在装有钴基催化剂的浆 态反应器内经 F2T 反应 ,生成以蜡为主的烃类产 物 ,经固定床加氢异构改质为液态烃产品出售 。 11312 壳牌 ( Shell) 的 SMDS 工艺[3 ]
分析探讨 。
1 工艺技术分析
111 GTL 工艺流程 天然气制合成油 ( GTL) 始于 20 世纪 80 年代
末 90 年代初 。现有三套装置 :新西兰蒙特尼 650 kt/ a 装置建于 1985 年 ,采用美孚公司技术 (由甲 醇通过分子筛催化剂生产汽油) ; 南非莫塞尔湾 1 240 kt/ a装置和马来西亚民都鲁 540 kt/ a 装置 (均采用费 - 托合成技术) ,建于 1993 年 ,分别采 用萨索尔和壳牌公司工艺 。三套装置的单位生产 能力 投 资 分 别 为 每 天 1012 、1217 和 1215 万 美 元/ 桶 。
Intevep 公司自 1991 年开始开发 F2T 工艺 , 它采用独特的流化床反应器 ,兼有浆态反应器和 列管式固定床反应器的优点 ,反应物混合好 ,无返 混 。使用的催化剂粒径比浆态反应器大 ,催化剂 易于通过流化床床层上部的自由空间从产品石蜡 中分离出来 ,在线装卸催化剂容易 。由于催化剂 颗粒被控制在流化床内 ,因而催化剂回收系统可 取消 。同时合成气一次通过反应器 ,不设气体回 收系统 。Intevep 预计在 2004 年可将其技术商业 化。
将上述 6 家公司的 F2T 合成工艺数据列表 如下 (见表 2) 。同时对上述 6 家公司从其经济技 术指标 、技术成熟度 、生产及小试等各方面进行评 比排名 ,其结果见表 3 。
Sasol Slurry Phase Distillate 技术 ,简称 SSPD 工艺 ,它包括三个阶段 ,第一步天然气转化为合成 气 ,第二步在悬浮态反应器进行 F2T 合成获取石 蜡烃 ,第三步中间馏分的分馏 。萨索尔公司将其 技术转让给南非 Mossgas 公司 ,建成 1 240 kt/ a 装置 ,将海洋天然气转化为合成油 ,是目前世界上 利用 F2T 技术的最大规模的 GTL 装置 。 11314 Synt roleum 工艺[5 ]
Exxon 的 Advanced Gas Conversion for t he 21st century 技术 ,简称 A GC221 技术 。Exxon 在 过去的 20 多年中花费了 3 亿美元用于发展 A GC2 21 技术 ,拥有该技术相关的 400 个美国专利和 1 500 个国际专利 , 1990 - 1993 年在 Baton Rouge LA 炼厂的 200 桶/ d 中试装置中 ,进行了 3 年实 验 ,现号称拥有设计能力 50 000 桶/ d 以上 GTL 装置 。
关键词 : GTL 天然气 合成油 技术经济分析
天然气制合成油 ( GTL) 最近几年一直是业内 广为 关 注 的 焦 点 。目 前 世 界 天 然 气 探 明 储 量 达 138147 ×1012 m3 ,还有潜在储量 252 ×1012 m3 。若 以年消耗天然气 2 ×1012 m3 计 ,目前的探明储量够 用 70 年 ,潜在储量够用 126 年 ,二者合计够用 196 年[1] 。此外 ,世界上还有大量的煤层气可供利用 。 用天然气合成石油按照目前的技术 ,1 900 m3 天然 气可合成 1 t 石油 。按照目前掌握的探明储量加潜 在储量可以生产上千亿吨的合成石油 ,而且合成石 油的质量远高于天然石油 ,为生产清洁汽油、柴油 提供了合适的原料 。
Air Products 公司开发的离子传递膜用于合 成气 的 生 产 技 术 ( 简 称 ITM Syngas) , 在 大 于 700 ℃高温下利用该技术 ,可以省去制氧厂以及 合成气的其他流程 。其特点在于氧气流量较高 , 用浆态反应器来合成液态烃 。使用该技术成本可
降低 25 % ,生产的优质液体燃料因成本低 ,可以 与价格为 20 美元/ 桶或更低的原油竞争 。 113 F2T 合成工艺
天然气水蒸汽重整法制备合成气是强吸热反 应 ,反应过程需要大量吸热 ,能耗高 ,该反应属慢 速反应 ,生产装置规模大和投资高 ,反应所得合成 气 H2/ CO 比 过 高 , 一 般 大 于 3/ 1 ( 无 CO2 回 收 时) ,不适合作合成油的原料气 。
天然气纯氧催化部分氧化法为温和放热反应 , 反应可在极大空速下进行 ,所得合成气 H2/ CO 比 一般低于 2/ 1 ,反应温度在 1 200～1 500 ℃。
Shell 的 Shell Middle Distillate Synt hesis 技 术 ,简称 SMDS 工艺 。Shell 使用 SMDS 工艺在马 来西亚的民都鲁 (Bintulu) 建设的 GTL 工 厂 于 1993 年 5 月投产 ,总投资 815 亿美元 ,生产能力 为 12 500 桶/ d ,装置的单位投资为每天 618 万美 元/ 桶 。Shell 通过大量的生产运行及建设经验 , 认为大规模 GTL 装置 (50 000 桶/ d) 的单位投资
合成气 在 催 化 剂 作 用 下 转 化 为 液 体 烃 的 方 法 ,是由德国科学家 Frans Fischer 和 Hans Top2 sch 于 1923 年发明的 ,简称 F2T 合成 。世界各大 石油公司均投入了巨大的人力物力开发 F2T 合 成的催化剂和工艺 ,并已取得了突破性进展 ,下面 主要 介 绍 萨 索 尔 ( Sasol) 、壳 牌 ( Shell) 、埃 克 森 ( Exxon) 、合成油 ( Synt roleum) 、Rentech 公司 、In2 tevep 公司的相关工艺情况 。 11311 埃克森 ( Exxon) 的 A GC221 工艺[2 ]
GTL 装置主要由合成气生产 、F - T 合成 、合 成油处理 、反应水处理四部分组成 ,其流程见图 1 。
收稿日期 :2003 2 09 2 15 。 作者简介 : 杨波 ,男 ,1970 年出生 ,工程师 ,工程硕士 ,长期从 事石油化工生产和化工开发 。
第 1 期 (2004) 杨波 1 天然气制合成油的技术经济分析
自热转化法是将蒸汽转化法和部分氧化法结 合在一步进行的合成气新工艺 ,它具有反应温度 低 ,氧气消耗少 , H2/ CO 比为 2/ 1 ,组成适合于制 备合成油等优点 。在 POX 和 A TR 法中 ,纯氧制 备需要昂贵的空分设备投资和增加制氧成本 。
Syntroleum 公司改进的 A TR 法使用空气代 替氧气 ,避免了纯氧制备 。由于系统是自身热平 衡的 ,省去了热转移系统 ,A TR 反应器更简单 ,小 型化 。水碳比低于传统的 A TR 法 ,从而显著提 高了其经济性 。通过选择合适的水碳比 、氧碳比 和反应温度 ,可获得理想的合成油原料气 。不过 由于尾气不能循环 ,天然气的有效利用率不够高 。
鉴于第一代 GTL 装置存在的投资较高问题 , 现正在开发第二代 GTL 技术 。可提供技术的公 司见表 1 。
表 1 世界各大石油公司的 GTL 技术一览表
工艺技术 完整 GTL 技术 合成气技术
F2T 合成技术
公 司
萨 索 尔 ( Sasol ) 、壳 牌 ( Shell ) 、埃 克 森 ( Exxon) 、合成油 ( Syntroleum) 德士古 ( Texaco) 、鲁奇 (L urgi) 、克鲁帕/ 乌 特 ( Krupp/ Uhde) Rentech 公司 、Intevep 公司
合成油最重要的优点是不含硫 、氮 、镍杂质和 芳烃等非理想组分 ,属于清洁燃料 ,完全符合现代 发动机的严格要求和日益苛刻的环境法规。例如 , 欧盟柴油含硫量将从目前 350 ×10 - 6逐渐减小 ,到 2005 年为 50 ×10 - 6 ,2008 年为 30 ×10 - 6 ;美国柴 油含硫也将从现在 500 ×10 - 6逐渐减小 ,到 2006 年 为 15 ×10 - 6 。通过费 - 托法工艺将天然气转化成 合成油的柴油燃料含硫小于1 ×10 - 6 ,芳烃含量小 于 1 %(体积百分数) ,十六烷值大于 70[2] ,为生产 清洁燃料开辟了一条新途径 。
少了加氢裂解步骤 ,而且操作压力也较低 。 Syntroleum 工艺反应器结构简单 ,开停车容
易 ,投资较小 ,有助于成本的降低 。该技术适合装 置能力 5 000 桶/ d ,甚至可低至 2 500 桶/ d ,投资 费用在每天 112 万～217 万美元/ 桶 。 11315 Rentech[5 ]
南非萨索尔公司于 1955 年至今使用 F2T 合成 工艺以煤为原料生产各种油品 ,公司拥有萨索Ⅰ、萨 索Ⅱ和萨索 Ⅲ等三套装置 ,总建设费用约为 60 亿美 元 ,大规模生产合成油品和相关产品 ,目前每年生 产出 7 100 kt 油品和相关化学品 。2001 年销售额 为 53199 亿美元 ,营业利润达到 14 亿美元 。
但目前 GTL 工业化产能仍然进展不大 ,迄今 为止全世界投用的 GTL 项目产能仅约为 2 400 kt/ a 。虽然业内人士始终对 GTL 未来前景保持 乐观 ,认为未来 10 年 GTL 项目将有较大发展 。 但是也存在一些制约 GTL 项目发展的因素 ,主要 有 : ( 1) GTL 装置投资大 ,成本高 ; ( 2) 工艺不成 熟 ; ( 3 ) 天然气价格高 。下面我们就此作一详细