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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。

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138.47×1012 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。

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的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。

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分析探讨。

1 工艺技术分析

1.1 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10.2、12.7和12.5万美元/桶。

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

工艺技术公司

完整GTL技术萨索尔(Sasol)、壳牌(Shell)、埃克森(Exxon)、合成油(Syntroleum)

合成气技术德士古（Texaco）、鲁奇（Lurgi）、克鲁帕/乌特（Krupp/Uhde）

F-T合成技术Rentech公司、Intevep公司

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。

图1 ＧＴＬ装置流程示意图

1.2 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（ATR）。

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 ℃。

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ATR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ATR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，ATR反应器更简单，小型化。水碳比低于传统的ATR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。

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可以与价格为20美元/桶或更低的原油竞争。

1.3 F－T合成工艺

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 Topsch于1923年发明的，简称F-T合成。世界各大石油公司均投入了巨大的人力物力开发F-T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(Syntroleum)、Rentech公司、Intevep公司的相关工艺情况。

1.3.1埃克森(Exxon)的AGC-21工艺[2]

Exxon的Advanced Gas Conversion for the 21st century 技术，简称AGC-21技术。Exxon 在过去的20多年中花费了3亿美元用于发展AGC-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。