21世纪天然气化工发展

第1页共6页21世纪，天然气化工摘要：笔者通过阐述了天然气的分布情况、利用结构和在化工领域中的发展趋势。特别地介绍了国内外当代天然气化工技术进展。以便与以后的天然气化工的研究方向。指出了天然气化工发展的越来越受到人们的关注。关键字：天然气、21世纪、化工、化工利用、化学加工、应用。1.前言天然气组成以气态低分子烃为主(主要成分是甲烷，同时也含有非烃气体)。相对密度0.65。比空气轻。具有无色、无味(天然气公司皆遵照政府规定添加臭剂。例如四氢噻吩)、无毒、可燃的特性。天然气的爆炸极限为5％～15％。天然气燃烧后生成二氧化碳和水。产生的温室气体是煤炭燃烧的1／2。石油的2／3。由于天然气热值高，燃烧产物对环境污染少。是未来世界普遍采用的清洁能源。世界能源结构逐步发生变化。为此，各国政府也通过立法程序来传达这种趋势，发展天然气工业已经成为世界各国改善环境和维持经济可持续发展的最佳选择。世界天然气化工从2O世纪2O年代至今一直保持稳定发展，近2O多年发展速度加快，2O世纪7O年代世界约5％左右的天然气资源用作化工原料，2O世纪8O年代上升到约10％。近年由于天然气产量大幅增加。此比例重新回落至5％左右(不包括我国)，中东、东欧、拉丁美洲、东南亚等地区均在8％～l1％范围目前世界石油资源日趋紧缺。油价不断刷新高位价格记录．而天然气的储量和产量增长均超过石油。为此天然气化工利用受到许多国家和地区的重视。2.天然气发展现状2.121世纪世界能源现状世界上蕴藏着相当丰富的天然气资源，常规资源总量327.4×10123m，非常规资源总量849×10123m，总计约1176.4×10123m。截至2001年初，已探明储量149.48×10123m，待探明储量152.6×10123m，估计到2030年探明储量可达404×10123m。天然气资源尽管以极高的消费速度增长，世界范围内的天然第2页共6页气供应仍可保证100多年。因此，在未来20～30年里，世界范围内的能源结构将发生重大变化。专家预测到本世纪中叶，世界能源结构中天然气将从目前的25%增加到40%，而石油将由现在的34%下降到20%，煤炭基本保持在27%左右。抓住机遇，推动天然气化工及综合利用，是关系到解决未来能源的化工原料交替的战略任务，也是造福子孙后代的重大决策。2.2我国天然气的发展状况我国是天然气资源比较丰富的国家，地质资源总量约为38×1012～39×10123m，位居世界第十位，其中陆上为30×10123m，海上为9×1012m3。已探明储量约1.9×1012m3，仅占资源总量的5%左右，列世界第16位，天然气资源勘探潜力很大。近年来，我国天然气勘探取得重大突破，陆上已在川渝、陕甘宁、新疆和青海形成四大气区；海上气田以渤海、南海西部地区和东海西湖凹陷作为重点勘探和增加产量的地区。2001年我国天然气产量294×1083m。预计2005年和2010年我国的天然气产量分别将达到630×1083m和860×1083m，增长速度较快。随着国家对经济和社会可持续发展问题的日益重视，政府逐步开始制定和颁布鼓励天然气工业发展的政策，不仅把天然气工业作为能源基础建设列为国家投资重点和鼓励发展的产业，还明确鼓励外商到中国进行天然气勘探开发、管道、储运设施等领域的合资合作，并且将出台一系列鼓励天然气开发利用的政策法规，包括融资政策、价格政策和税收政策等。3.天然气化工以天然气为原料生产化学产品的工业，是燃料化工的组成部分。由于天然气与石油同属埋藏地下的烃类资源，有时且为共生矿藏，其加工工艺及产品相互有密切的关系，故也可将天然气化工归属于石油化工。天然气化工一般包括天然气的净化分离、化学加工（所含甲烷、乙烷、丙烷等烷烃的加工利用）。3.1天然气的净化分离净化分离包括从地下采出的天然气，在气井现场，经脱水、脱砂与分离凝析油后，根据气体组成情况进行进一步的净化分离加工。富含硫化物的天然气，必须经过脱硫处理，以达到输送要求，副产品的硫磺作为硫资源，用以生产硫酸、第3页共6页二硫化碳等一系列硫化物；脱硫后，天然气经过深冷分离），可得到液化天然气；若天然气富含稀有气体氦，可同时得到氦气；若天然气是富含乙烷以上烷烃的湿气,则可同时得到天然气凝析液,后者常采用精馏的方法，以回收乙烷、丙烷、丁烷，并且还有一部分凝析油。3.2化学加工包括在高温下进行的天然气热裂解，主要生产乙炔和炭黑；天然气蒸汽转化或天然气的部分氧化，可制得合成气；天然气经过氯化、硫化、硝化、氨化氧化、氧化可制得甲烷的各种衍生物；湿性天然气中的乙烷、丙烷、丁烷和天然气凝析液等，经蒸汽裂解或热裂解可生产乙烯、丙烯和丁二烯；丁烷脱氢或氧化可生产丁二烯或醋酸、甲基乙基酮、顺丁烯二酸酐等。4天然气的利用天然气化工比较发达的国家有美国、苏联、加拿大等。美国发展天然气化工最早，产品品种和产量目前仍居首位。消耗于化学工业的天然气，占该国化工行业所消耗原料和燃料总量的一半以上。20世纪70年代中期苏联调整了化学工业政策，加速发展天然气化工生产。在西伯利亚天然气产区新建生产装置，大规模应用于合成氨、甲醇和乙烯、二硫化碳。目前，其天然气化工产品产量仅次于美国。加拿大有丰富的天然气资源，用于合成氨、尿素、甲醇和乙烯的生产。主要产品方向1980年世界主要国家的天然气化工产品产量超过150Mt。年产10Mt以上的产品有合成氨、尿素、甲醇、甲醛和乙烯。在世界合成氨产量中，约80％以天然气为原料。中国天然气化工始于20世纪60年代初，现已初具规模，主要分布于四川、黑龙江、辽宁、山东、台湾省等地。中国天然气主要用于生产氮肥，其次是生产甲醇、甲醛、乙炔、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷、氢氰酸和炭黑以及提取氦气。70年代以来，已兴建多座天然气和油田伴生气为原料的大型合成氨厂，以及一批中、小型合成氨厂，使全国合成氨生产原料结构中，天然气所占的比例约达到30％；同时还兴建了天然气制乙炔工厂，以制造维尼纶和醋酸乙烯酯，乙炔尾气用于生产甲醇。采用天然气热氯化法生产二氯甲烷以供感光材料工业作溶剂。目前，中国的天然气一次化学加工产品总产量约为70年代初期的14倍。前第4页共6页景随着世界对能源需要的增长，北海、中东、北非、南美和苏联的天然气和石油伴生气资源正在加速开发利用，世界天然气产量稳定增长，为天然气化工蓬勃发展提供充足的原料和能源。4当代天然气化工的技术进展4.1甲烷氧化偶联制乙烯(OCM)自从1982年美国UCC公司发表了甲烷可直接氧化偶联制得乙烯的第一篇报告以来，世界上40多个国家的实验室对2000种催化剂进行筛选，使用了除周期表中零族以外的全部元素，其中以碱金属、碱土金属和稀有金属氧化物的催化活性较好。目前甲烷转化率20%～40%，C2+选择性50%～80%，C2+烃收率在14%～25%之间。由于反应属于表面引发气相自由基与气固相反应相结合的机理，而且乙烷的氧化脱氢能力又大于甲烷，因而甲烷转化率与C2+选择性之和难超过100%，即C2+收率不易突破25%，因此其经济效益还不能与石油制乙烯相比。此外在工程开发上，高温强放热反应使反应器设计困难，目前常用的反应器为薄层式两段反应器。普遍认为单靠改进催化剂来突破C2+25%的收率很困难，只有在整个系统优化的情况下，寻求最佳的技术经济方案，特别是一次通过不循环，直接利用稀乙烯的方案。产品气中乙烯、乙烷的分离复杂，无论是深冷分离法、膨胀机法、络合分离法、中冷油吸收法和吸附分离法，都有投资和成本偏大的问题。4.2甲烷直接合成芳烃甲烷无氧条件下催化脱氢芳构化(DHAM)制芳烃，是近年甲烷优化利用的新方法之一。迄今报道催化剂多以HZSM-5分子筛为载体负载过渡金属(Pd，Pt，Re，Mo等)氧化物，其中以改性Mo/HZSM-5最佳。在常压、800℃以上进行反应，转化率可达到20%左右，但高温下Mo易流失。国内厦门大学提出W-Zn-H2SO4/HZSM-5催化剂，稳定性有所提高，CH4转化率可达23%以上，苯选择性97%，未观察到W的流失，且3h结炭量仅0.02%，明显优于迄今国内外的报告。4.3甲烷直接部分氧化制甲醛/甲醇在压力4.9～9.8MPa、温度320～400℃、空速15000～25000h-1下甲烷直接氧化，其转化率可达10%，选择性可达60%～90%，收率可达4%。俄罗斯在均相氧化的基础上，开发了CPO工艺，在边远天然气气田使用。国内利用膜分离技术进行研究，也进行了多相催化剂的研究。第5页共6页4.4用等离子技术加工甲烷由于甲烷结构的稳定性，为了获取各种化合物，采用等离子技术是一种方法。早期用等离子体制乙炔和炭黑，近年来研究用非平衡等离子体使甲烷氧化制甲醛，CH4/O2比1.4左右，7×10-1mmHg真空下，甲烷转化率可达30%，甲醛选择性达80%，甲酸+甲醛总选择性97%。利用辉光放电等离子体法从甲烷制取类金刚石膜，采用频率为13.56MHz的射频电源，平行板电极，在功率为80～120W、电压为100～300V、真空度1～10Pa下，炭沉积速率达50～10.0nm/min。用冷等离子体使甲烷脱氢偶联制C2烃，转化率可以达到18%，生成C2烃（乙烷、乙炔、乙烯）选择性大于60%。4.4甲烷直接转化制甲醇美国加利福尼亚州的长塔利蒂卡新技术公司和丹麦技术大学都报告了甲烷有选择性地氧化甲醇的高效催化剂，这样的催化剂被美国著名权威刊物《Chemical&EngineeringNews》在1993年列为世界上催化剂研究的十大挑战难题。与现有的甲醇生产方法相比，直接法具有明显的优势：(1)反应条件更温和，压力2～4MPa，温度200℃；(2)原料天然气不需脱硫，单程转化率98%，原料气消耗低(720～750m3/t)；(3)建厂投资降低约30%。4.5其他处于探索阶段的技术包括甲烷无氧催化转化制高级烷烃、甲烷直接合成萘、甲烷羰基化、甲烷直接转化制乙醇、甲烷低温氧化制甲酸、甲烷催化分解制碳纤维等。5.结束语总之，现在越来越多的人意识到天然气化工的重要性，油气并举甚至以天然气为主的思想正逐渐被人们所接受。开发利用天然气是国民经济持续发展的重要动力。我国天然气资源比较丰富，具备较好的资源基础，潜力巨大，前景广阔。在天然气化工发展的初期，国家应综合平衡天然气的供气量、供气价格，使天然气用户能保本微利，以促进天然气化工企业的良性发展。参考文献第6页共6页【1】刘小鸿，等．渤中3—2边际小汕气田开发策略研究2010，30（1）。【2】余黎明。中国天然气化工产业资源利用的前景分析。中商情报网。【3】王春风。天然气利用现状及发展前景。管理观察。2010，6【4】周正明。碳一化学和天然气化工发展趋势和最新进展。西南化工研究设计院(成都610225)。