石油替代物的研制

我国远期石油替代能源研究我国远期石油替代能源的研究•1世界和我国远期石油供需的预测•2运输燃料替代方案以及石油化工产品•的新原料和生产路线•3氢能运输燃料推广应用展望•4运输车辆与替代燃料的匹配和适应性•5符合我国国情的分析研究与初步建议世界和我国远期石油供需的预测•1.1原油资源和产能增长与下降预测•1.2世界和我国原油需求预测•1.3非常规石油接替程度预测原油资源和产能增长与下降预测•USGS于2000年公布资料单位10亿桶•原油天然气凝析油合计•待发现可采储量732207939•平均储量增长68842730•平均剩余探明可采储量89168959•累计开采量7107717•最终可采储量30213243345原油资源和产能增长与下降预测原油资源和产能增长与下降预测•根据USGS资料,若年增产1%,则2047年峰值产量57亿吨,若年增产2%,则2037年峰值产量73亿吨.•根据IEA2004年世界能源展望,2030年预测产量60亿吨(2004年至2030年平均年增长幅度1.6%)•另见下列年度间增长幅度表(2000年后为预测值),资料来自（IEAWEO２００２）•1971/20001990/200000/1010/2020/3030/4040/50•1.301.300.670.750.770.01-0.55原油资源和产能增长与下降预测•我国总资源量（地质储量）接近千亿吨•但最终可采约１５０亿吨•探明可采储量近７０亿吨•迄今已采出约４０亿吨•剩余探明储量不到３０亿吨，每年新增可采储量约３亿吨，剩余最终可采储量约有１１０亿吨。世界和我国原油需求预测•根据有关资料，２０３０年前供需可望平衡•从下图看出世界一次能源需求增长迅速但在２０４０年后石油所占份额将降到２０％以下世界和我国原油需求预测•发达国家仍追求更好的生活条件，从下表看出美国汽油消费将从２０００年的4亿吨增加到２０５０年的7.2亿吨。•美国运输燃料消费量（亿吨/年）•年度2000（实际）2010（预测）2020（预测）2025（预测）•轿车1.71.92.12.2•轻型卡车1.32.12.73.1•重型车1.01.71.81.9世界和我国原油需求预测•我国石油消费预测２０２０年达到４．５亿吨，其中依赖进口量２．７亿吨．•２０５０年一次能源消费估计为２０２０年的两倍，即约４０亿吨油当量．石油消费可能达到８亿吨（人均０．５吨，大大低于目前中等发达国家和地区人均２吨的水平）非常规石油的接替程度预测•ＩＥＡ关于非常规石油的定义•１页岩油•２基于油砂的合成原油和基于重油或超重油•衍生产品（如Ｏｒｉｍｕｌｓｉｏｎ）•３煤基合成油•４生物质基合成油•５天然气基合成油非常规石油接替程度预测•前述第１项•页岩油从油母页岩干馏得到．世界总资源为５６００亿ｍ３，其中经济可采者２５０亿ｍ３•分布于美国、中国、爱沙尼亚等地，由于开采、加工成本高，除个别国家曾经工业生产外，均未大规模利用。非常规石油接替程度预测•前述第２项•１油砂－加拿大总资源量～４０００亿ｍ３经济可采５００亿ｍ３（其中２７７已列入原油储量）已生产多年．当前油价高，计划扩大生产规模．一座将密度为１.０１重质沥青加工为密度０.８７合成原油（ＳＣＯ）年产量９００万吨的工厂投资约４２亿美元．•２超重油－－委内瑞拉Ｏｒｉｎｏｃｏ沥青带总资源量～１９００亿ｍ３经济可采４３０亿ｍ３，当前年产量约３０００万吨运输燃料替代方案以及石油化工产品的新原料和生产路线•１醇醚燃料•２生物柴油•３煤基合成油（CTL）天然气基合成油（GTL）•４煤制氢（CTH）或天然气（GTH）制氢，包含煤•的多联产技术•５生物质合成油（BTL）或制氢（BTH）•６利用风能、核能、太阳能多种途径制氢•７煤或天然气以及生物质生产石油化工基本原料•（例如CTO、GTO、BTC等）醇醚燃料•1乙醇---应用很久源于生物的内燃机燃料,现在巴西和美国已广泛采用,我国也已在几个省份试用,属于环境友好的燃料组分。•一般以10%的比例掺入汽油,因乙醇发热量较低,大约1吨乙醇可节约0.9吨汽油。•通常以玉米等粮食作物为原料经发酵过程生产。当汽油价位低时难与竞争，需政府补贴。•正在开发中的利用玉米秸秆的纤维素、半纤维素加酸或酶水解转化成葡萄糖然后发酵的工艺可免与粮食争原料，但成本偏高。•醇醚燃料•2甲醇---属于清洁型内燃机燃料,可掺入汽油或单独使用.不足之处是毒性大,普及应用时难以管理.•通常以天然气或煤炭为原料生产.其价格受原料和装置规模影响较大,受地区因素制约.•甲醇也可作为燃料电池的燃料.一是经过车载转化器转变为氢气,另一种是直接做为电池燃料(DMFC).两者都存在推广应用的若干问题.醇醚燃料•3二甲醚---曾经一度被宣传为清洁的柴油机燃料,但因多种原因迄今未得到应用。•它的原料和生产途径和甲醇类似，实际可由甲醇制成，或用合成气“一步法”制备。•有的专家曾推荐二甲醚作为替代液化天然气的能量载体，在天然气产地生产后便于用船长距离输送，并论证了经济性。但未能实现。•二甲醚作为民用液化石油气的替代品，在某些地区和一定条件下可行。生物柴油•1已在欧洲和美国等地使用多年，属于源于生物的环保型清洁燃料。•2原料为油菜籽油、大豆油、葵花籽油、棕榈油以及厨房回收油，将其与甲醇进行酯交换反应，得到脂肪酸甲酯（FAME）即生物柴油，并副产甘油。•3通常掺入柴油中的比例10%--20%，性能变化不大，如100%代替，则存在寒冷地区或季节流动性能不良和对橡胶材料侵蚀问题。生物柴油•4原料中含不饱和脂肪酸多时，所制得的•FAME氧化安定性差。•5生物柴油润滑性能好•6生物柴油成本视原料价格而有差异，一般比石油柴油高（除非原油价位高时），有些国家•对城市公交客车使用给以补贴。乙醇汽油和生物柴油的扩大应用•1从生物来源和清洁燃料的角度，生物柴油和乙醇汽油是很好的代用燃料。•2原料的来源与各国国情密切相关，要具体分析。•3乙醇的生产原料可扩大到多种含纤维素物料，比较容易得到。FAME原料仅限于油料作物，数量有限。•4专家估计在欧盟替代5%汽油，需占用5%耕地，替代5%柴油，需占用15%耕地；而在美国上述占用比例分别为8%和13%。•5美国目标是将生物源的替代运输燃料所占比例从目前的不足5%提高到2020年的10%和2030年的20%。煤基合成油和天然气基合成油•1直接法煤制油:•在高压和高温下借助催化剂和供氢剂将煤的有机物和氢气反应生成液体油品（从石脑油、中间馏分到重油和渣油）气体烃，还有水、氨、硫化氢等。•只有低灰分、岩相组成中镜质组多的煤才适合直接液化。液化油要进一步经过加氢精制和裂化才能获得目的产品。•国内外均开发了直接液化技术，神华公司正开始建设300万吨级大型工厂。煤基合成油和天然气基合成油•2间接法煤制油：•煤首先气化变成含CO和H2的合成气，在中压中温下靠专门催化剂进行费-托合成反应生成以直链烃为•主的气体烃、液体烃（从石脑油、中间馏分油到石蜡•）等产品。石蜡再进一步加氢裂化得到以优质柴油为主的油品。•国外已拥有成熟的生产技术，国内也在进行示范厂建设。煤基合成油和天然气基合成油•3天然气基合成油：•天然气部分氧化制造合成气，气体精制后作为费--托合成原料，以下步骤与煤的间接法合成油相同。•4综合评述：•不论煤基或天然气基合成油都要求低廉的原料价格，否则成本难与石油产品竞争。•煤基合成油工厂投资每年每吨油品约在8000--10000元，比天然气基高出近一倍。每产1吨油用煤3吨以上，耗新鲜水6吨以上。•煤直接液化设备和工艺远较间接法复杂，对煤种要求也高，建厂宜审慎。煤或天然气制氢与煤的多联产技术•1煤炭（煤水浆或干煤粉）在压力气化炉内通入氧气气化，然后经过精制、CO变换、脱CO2得到氢气。•传统的成熟工艺已广泛用于生产合成氨、甲醇等。•尽管各个工艺过程有不同专利技术，但总的来说投资偏大，能耗高，生产成本高。只有当煤价低廉的坑口附近建设较大规模的装置经济才是合理的。•无论是气化工艺，还是气体精制、氢气分离以至空气分离制氧的工艺技术都有改革或改进余地，突破性的研究开发工作已在开展中。煤或天然气制氢与煤的多联产技术•2天然气制氢也有一套成熟工艺，即通过高温水蒸汽转化或加氧部分氧化得到转化气，然后然后经过CO变换、变压吸附脱CO2得到氢气。•天然气成本对产品氢成本影响很大，制氢装置规模次之。•新技术如氢气分离以至空气分离制氧的工艺技术都有改革或改进余地，小型化的低成本分散制氢装置正在国外大力开发试验中。煤或天然气制氢与煤的多联产技术•3煤的多联产技术伴随着清洁煤技术提出多年，曾经有多种方案---在发电之外供热（或供冷）和生产多种化学品（甲醇、氢、合成油、二甲醚等），近年来美国在提出Vision21的基础上，具体安排FutureGen的新一代煤电联产氢的实施方案，综合热效率可达60%。•我国煤炭资源丰富，而且煤的价格低于美国，因此在产煤地区采用煤电联产氢的技术建设大型项目是可行的。生物质合成油或制氢•1生物质资源:•生物质资源既包括人们可食用的粮食和油料作物,还保括农村通常用为燃料的作物秸秆、林业生产和加工过程废弃物，还有城市产生的生物质垃圾。•美国每年可利用的生物质资源超过6亿吨，折合2.5亿吨油当量,将它们合理利用构成循环经济的一个重要环节。我国资源与美国接近，但分布较分散。•生物质的有效利用途径：（1）直接做燃料分散生产沼气或集中产生电力（2）去生物质精炼厂（Biorefinery）加工为运输燃料和高附加值的化工产品。生物质合成油或制氢•2生物质合成油（BTL）•生物质首先经过预处理和干燥等过程,然后在气化炉内通入氧和水蒸汽,绝大部分气化成为CO,CO2,H2,CH4等,进一步转变为合成气,采用费托法合成油品.•生物质也可先经过热分解得到生物油，生物焦炭和气体。这一步可在分散的小装置进行，然后将油和焦集中到大型装置加工得到BTL。生物质合成油或制氢•3生物质制氢（BTH）•生物质制氢两大途径：•热化学分解过程包括高温气化或中温热分解以及加水分解等，先得到含CO和H2的气体，进一步转化为氢气。大部过程和前述的生物质制油过程接近。•生物过程包括（1）厌氧发酵产生甲烷为主的气体然后加工为氢气；（2）利用某些微生物（如绿藻）的代谢功能，通过光化学分解反应产生氢。•热化学分解过程技术基本成熟，将实现工业生产。•生物过程（1）适合做民用燃料，大规模制氢不经济;（2）正处于基础研究阶段。利用风能、核能、太阳能制氢•1风能制氢•风能属可再生能源，世界拥有巨大潜在能量（陆地和近海）。风力发电技术已经成熟，正向建设大型化风电场的方向发展。•欧洲近年发展迅速，美国也急起直追，在开发大型风力机组和降低成本方面已有长期规划。•为克服风能供电的波动特点，除在蓄电和电网调度上努力外，利用电网峰谷差的多余电力通过电解水产生氢气，并将氢储存于风机的空心支柱内是一优化方案。因此努力改善电解水的工艺和设备是重要课题。利用风能、核能、太阳能制氢•2核能制氢•常规压水堆核电站的能量利用效率低于火力发电的大型超临界机组。为了有效利用反应堆的高温位能量，采用氦气为热载体的高温气冷堆，取出650--900°C热量供给烃的水蒸汽转化制氢，从而节省燃料烃气的消耗。估计每10MW热功率的反应堆每日可产氢8吨。•利用高温位核能的多种直接水分解和间接水分解以及与煤气化或铁矿石还原结合制氢或联产甲醇和电力的多种多样技术大多处于研究阶段。利用风能、核能、太阳能制氢•3太阳能制氢•直接利用太阳能将水分解制氢尚处于研究阶段，将太阳光能浓缩上千倍的技术已有成果。•探索中分解水的途径如下：•（1）极高温直接分解•（2）光电化学分解：用特殊半导体材料•（3）光热化学分解：用专门的化合物体系•间接利用太阳能制氢的主要途径是光伏发电然后电解水。技术成熟但经济成本过高。煤或天然气以及生物质生产石油化工基本原料•问题的提出：用于运输燃料的石油替代能源品种较多，长远目标宜采用可再生能源生产，使用中不排或少排温室气体。但当前广泛使用石油化工产品均来自烃，大部以低碳烯烃和单环芳烃为