21世纪的天然气化工

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1、21 世纪的天然气化工摘 要: 在未来二三十年里,世界能源结构将发生重大变化,天然气将成为第一大能源,加强天然气化工新产品、新技术的开发,尤其是加强天然气出发合成 液体燃料和合成石油化工原料,具有重大的经济意义和战略意义。文章综述了国 内外天然气化工研究开发现状及目前天然气化工新领域的研究开发水平,并就 21 世纪天然气开发利用工作战略和 21 世纪需研究开发的重点技术提出了建议。关键词：天然气,能源,现状,利用,化工,研究开发。全球蕴藏有相当丰富的天然气资源,常规资源总量 327. 4 万亿 m3,非常规资源 总量 849 万亿 m3。截止 1999 年 1 月 1 日,剩余探明储量 145

2、. 6 万亿 m3,待探明 储量 132. 6 万亿 m3,探明程度 59. 6%,累积开采天然气量约 62 万亿 m3。天然 气在世界能源生产和能源消费中的比重不断提高, 1997 年产气量 22 997 亿 m3, 消费量达 22 964 亿 m3,占世界能源消费构成的 22. 91%; 1998 年产气量 23 430 亿 m3,需求量上升 2. 0%,消费量达 23 400 亿 m3(估计值);预计到 2030 年,世界 天然气的消费量要比 1996 年翻一番,达到 4 万亿 m3 以上,届时天然气将主导世 界能源市场,成为第一大能源。世界范围内能源结构将发生重大变化,天然气将 成为第

3、一大能源,石油将从现在的第一能源降为第二能源。由于能源生产结构的 变化必然导致能源利用和消费结构的变化。因此,强化天然气化工新产 品、新技术的研究开发,尤其是加强由天然气出发合成液体燃料和合成石油化工 原料的研究开发,具有重大的经济意义和战略意义。1天然气化工研究开发现状1.1 国外研究开发现状近年来,主要发达国家政府和大型化工公司都制定了发展利用天然气的国家计划 和跨国计划。日本从 1990 年开始实施为期 7 年的“天然气有效利用特别研究计 划”,总预算为 14 亿日元,该计划主要以甲烷合成汽油等液体燃料为目标,还包 括甲烷直接部分氧化制甲醇再合成汽油。加拿大国家矿物能源部和技术中心, 1

4、990 年制定了长期的天然气化学转化计划,有 8 家公司组成集团给予经济支持。 美国芝加哥天然气研究所联合大公司及大学组成联合体,规划并资助天然气转化 利用项目。美孚公司开发成功天然气经甲醇制取汽油技术,于 80 年代中期在新 西兰工业化。联碳公司首创开发了甲烷氧化偶联制取烯烃技术,但工业化尚有距 离。阿科(Arco)公司领先开发了天然气制汽油技术(GTG)。荷兰壳牌公司用了 10 年时间开发成功天然气经合成气直接合成柴油和煤油技术(SMDS),并于 1993 年在马来西亚建成 45 万 t/a 的生产装置。法国石油研究所也增加了天然气化学 转化的研究项目。澳大利亚则在合作开发甲烷氧化偶联和乙

5、烷裂解制乙烯的联 合工艺及其他天然气转化项目。不难看出,国际上天然气化工利用研究的战略目 标是为 21 世纪全球能源和石油化工原料结构的转变做技术储备,研究重点是天 然气直接或间接转化生产液体燃料、烯烃、芳烃和含氧有机化学品四大领域。 天然气化工传统产品新技术的研究开发转向以节能为中心的技术开发,集中体现 在合成氨和甲醇的节能新工艺及装置大型化的开发上。为了加快研究开发步伐,加强成果交流,全世界每 3 年召开一次国际天然气转化会议,至今已举行 5 届,每 届都有近百篇研究论文交流。1.2 国内研究开发现状中国是世界上最早发现和利用天然气的国家之一,并在公元 13 世纪就开发了世 界上第一个气田

6、-自流井气田110。世纪的世界能源结构中,天然气将逐渐取 代石油而成为头等重要的能源,这种发展趋势已是国内外许多经济专家与石油地 质专家的共识10。因此,深入研究中国天然气资源潜力就显得极为重要。我国 天然气化工研究开发始于 50 年代末,先后组织 5 个中央和地方研究单位(西南化 工研究设计院、成都化工研究设计院、四川省精细化工研究设计院、四川省天 然气化工研究院、重庆天然气化工研究院)以及 3 个中科院下属研究所(中科院 成都有机化学研究所、中科院大连化学物理研究所、中科院长春应用化学研究 所),对天然气化工各领域进行了全面的科研开发,至 60 年代已取得一批科研成 果并逐步用于工业生产。

7、但由于长期忽视系统工程和材料工程的研究,加上综合 国力不强,致使许多科研项目的工程放大和大型工程受阻。中国科学院主持的天 然气综合利用项目取得了重要进展,总体水平与国外水平相近,个别项目居国际 先进水平,如天然气 (合成气)制取乙醇,C2 含氧化合物的时空收率达到 315 g /(kgh) 据原中国石油天然气总公司和中国海洋石油总公司对国内油气资源评 价,最新的评价结果显示,我国天然气资源量为 38 万亿衬,可开采资源量为 10. 5 万亿耐,已探明天然气地质储量为 2.53 万亿耐,但探明程度仅为 6%,与世界天 然气资源探明程度 42.6%相比,尚有巨大资源潜力。1999 年我国天然气产量

8、为 230 亿衬,预计 2X()5 年产量可达 363 亿时。丰富的资源,为我国 21 世纪开发利 用天然气提供了雄厚的物质基础11。从世界天然气发展情况看,由于勘探技术 提高,开发成本降低,天然气价格下降趋势明显,天然气产量逐年俱增,在能源供 应比例上已接近 l4/,折合原油的 3 乃。专家预测到 2040 年天然气比重将超过 原油,年产量达 65 亿(t 油当量),说明 21 世纪中期将进人以天然气为主的能源 时代,稳定发展时期可延续 40 一 50 年12。2 研究开发工作战略2.1 加强天然气综合利用研究开发的组织领导建议组建“国家天然气利用委员会”,由国家计委、经委、教委、中科院、国

9、家 石油化学工业局、中国石化集团公司、石油天然气总公司等组成,负责对天然气 利用的研究开发和生产建设组织领导,做到统一规划、统一领导、统一指挥、集 中人力财力、重点攻关,促进研究成果迅速转化为生产力。2.2 加强人才培养和专业研究开发队伍的建设要多快好省地获得研究开发成果,除了加强组织领导和必要的物质条件外,还应 该有一支强大的专业科技队伍。目前国内天然气化工科研队伍已经削弱,为适应 今后研究开发任务的需要,建议由原部级重点研究院和中科院组建天然气转化利 用工程研究院,承担战略性或大型研究项目,实施全方位的研究开发。2.3 加强研究开发科技领域里的法制建设要吸取国内以往的经验教训,加强科技领域

10、里的法制建设,依法管理研究开发项目,对严重失职者、弄虚作假者、造成重大经济损失者、违约者要给予纪律处分 或追究法律责任。2.4 建立新的“项目”管理体制对“规划”中的研究开发项目,建议由“委员会”实施招标、投标及中标的科学 管理方式,双方签订 “合同”,以法制形式明确责、权、利和最终目标,适时进 行监督检查,及时发现问题及时解决,以促进研究开发项目的适用性。对需要社 会其他部门和单位参与的研究开发项目也应实施招标制。2.5 扩大研究开发经费筹措渠道,建立统一的研究发展“基金”天然气综合利用的研究开发项目多数属战略上的研究课题,带有普遍指导意义, 不但费时,耗资也大。建议将国家拨款、科学基金和大

11、中型企业提留的科研经费 (部分)都捆在一起,建立研究发展“基金”,由“委员会”统一管理,集中使用。 研究成果属“委员会”和“成果开发者”共有,成果转让费部分上缴“委员会” 作发展“基金”,对大中型企业的技术转让实行优惠转让政策。2.6 结合国情制定优惠政策,给予扶持天然气化工新产品、新技术的研究开发,能否在经济上有竞争力,除了技术上的 先进程度外,关键还在于天然气的价格。我国现行天然气价格普遍高于国外,在 一定程度上影响了我国天然气化工的稳定和发展,也不利于城市煤气和工业应用 的推广使用,将会制约我国天然气工业的良性发展。建议国家应对不同用途作出 不同定价,对天然气化工新产品、新技术研究开发项

12、目的工业推广实行优惠政策。3.展望我国是世界上最早开发利用天然气的国家之一。新中国成立后,我国的天然气工 业,无论在地质勘探、钻井、开发、储运、加工利用方面都有很大的发展,已成 为我国能源构成和化工原料的一个重要部分,为农业、化工纺织、医药等方面的 发展提供了可贵的原料。我国不但有丰富的石油、天然气资源,而且也有丰富的 煤藏(煤成气)。当今世界,化石能源仍然是一次能源,今后可预见的 2030 年内,化 石能源也仍将在能源生产和消费结构中占主要地位,在能源领域主要矛盾也还是 能源的可获得性、经济性和清洁性的统一问题。中国化石能源中,煤炭资源相对 丰富。储采比远高于石油、天然气,可获得性最高;而从

13、经济性看,按同等发热量 计算,煤炭的价格也远低于天然气、柴油和重油价格,仅约 1/3 左右。因此,以煤 炭为主的资源禀赋及其经济性,决定了煤在今后相当长的时间内仍是中国的主要 能源,预计到 2020 年,煤在一次能源中的占比仍高达 60%。煤为基础是中国能源 供给的基本格局。已经探明在 1 000以内的煤蕴藏量即达 6 400108。有 些专家估算煤成气资源约有 1.81085.41083。若把 2 000以内的远景 煤量 51012计算进去,我国煤成气资源约有 121041510123。即使去 掉一半无效地区,保存下来的聚煤气仍有 61047.510123。地质、石油 部门的专家们估计都在

14、111041910123 之间,少于前苏联,多于美国。较 之于煤和石油,天然气资源量丰富,考虑到未来天然气水合物的开发成功,天然气 水合物是由水和天然气在一定条件下结合形成的晶体状化合物,主要成分是甲烷 (4)。所以天然气水合物又被称为甲烷水合物()。自然界中发现的天然气水合物多呈白色,遇 热会迅速分解。故天然气水合物一般赋存于较低温度(0 10)和较高压力 (大于 10)的地层条件下。计算表明,在标准状态下,13 的天然气水合物 可分解出大约 1643 天然气和 0.83 水。据有关专家估计,27%的陆地面积和 大于 90%的海洋面积中都蕴藏着丰富的天然气水合物,储量十分巨大,世界上天 然气

15、水合物中的资源量估算为:陆地达 1.410133.410163,海域达 3.110153.410183。 (中国海域天然气水合物主要分布在南海和东海: 南海面积达 1801042,陆坡和陆隆地区面积约 1001042,可能存在 (600700)108油当量的天然气水合物。东海的冲绳海槽中也发现天然气水 合物。中国陆地冻土区主要分布在青藏高原和东北北部,分别为高原海拔和高纬 度冻土区,可能均具备形成天然气水合物的温度和压力条件,其中的有利地区为 含青藏高原羌塘盆地、东北北部海拉尔盆地和漠河盆地)。碳量大致相当于目前 已知的石油、煤炭和天然气资源的两倍。因此,天然气水合物作为一种非常规的 清洁能源

16、越来越引起人们的重视,被认为是潜在的常规能源的替代品。/比 值高,环境特性优异,能源利用效率高,用途广泛。我国能源结构的特点是多煤、 少油,天然气工业正处在大力发展之中。早在 30 年代,天然气水合物就在远东地 区的天然气输送管道内被发现,但直到 70 年代 初,前苏联学者论证了地壳中可能存在天然气水合物生成带,并可形成大型的商 业性气田,而后在陆地冻土带首先发现了第一个具有商业开采价值的天然气水合 物气田麦索亚哈气田之后,才引起世界各国科学家和政府的重视。后来在深海 钻探计划 ()和大洋钻探计划()中,在许多海域的海底(如鄂霍克 茨海、墨西哥湾、大西洋、北美太平洋一侧和拉丁美洲太平洋一侧的世界海域) 都采集到了天然气水合物样品4。80 年代以来,许多国家都在天然气水合物调 查研究方面给予了高度重视,并从能源储备战略角度考虑,作为政府行为,纷纷制 定了长远发展规划和实施计划,一个深入开展天然气水合物调查