我国发展C化工的战略

最新 精品 Word 欢迎下载 可修改我国发展C1化工的战略陈庆龄 胡云光 白尔铮（中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，202208）摘要：世界能源需求和结构状况的矛盾迫使人们开发石油替代品及其衍生物。天然气和煤经合成气等C1化工过程合成燃料和衍生产品是解决供需矛盾的重要措施之一。文章评述了C1化工过程生产燃料和化工产品的发展趋势，并对我国发展C1化工的战略提出了建议。关键词：C1化工 发展 战略“C1化学”一词最早来源于Monsanto公司，系指由甲醇合成乙酸工艺，即从合成气制得甲醇，通过铑-碘络合物催化剂体系反应生成乙酸1。广义上讲，凡含一个碳原子的化合物，如甲烷、CO、CO2、HCN、甲醇等参与的反应化学，都可定义为C1化学。20世纪80年代，日本催化学会C1化学委员会将C1化工技术定义为两部分组成：即制造CO、H2或者CO/H2(合成气)的技术和利用CO及合成气制造化学品、燃料的技术2。本文所指C1化工包括以合成气（天然气、煤层气、煤、重质油等转化而得）和甲烷（来自天然气或煤层气等）为原料，合成碳数为2或2个以上化合物的化学及工艺。C1化工合成体系的主要途径如图1所示。图1 合成气化学体系简图1 C1化工发展趋势1.1 基础有机原料与能源结构密切相关基础有机原料是化学工业的基础。回顾世界基础有机原料发展过程，无不与当时的主要能源构成有关。19世纪，木材是最主要的能源之一，有机化工原料只能来自于农副产品，如粮食发酵制酒精、丙酮及丁醇，蜜糖发酵制酒精，动植物油制甘油，农作物的皮、壳、杆水解制糠醛等。19世纪末到20世纪初，煤炭是最主要的能源，随着钢铁工业的发展，煤炭炼焦业兴起，推动了煤化工的发展，煤的焦化、气化和制造电石，为有机化学工业提供了丰富的粗苯、焦油、焦炉气、合成气和乙炔，使以煤为原料的有机化学工业得到迅速的发展。20世纪40年代后，随着石油逐渐成为主要的能源，石油炼制工业不断发展，推动了石油化学工业的兴起，煤逐渐被石油所替代，使煤在有机化工原料中的比重逐年下降。到20世纪末，化学工业80%以上的基础原料来自石油化工。20世纪80年代以来，伴随着世界石油资源的增长降低，石油价格上涨；天然气资源不断开发，其供应量越来越大，天然气在能源结构中的比例不断增加，以天然气为原料生产基础有机原料越来越受到人们的关注。鉴于煤炭资源丰富，价格低廉，从长远考虑，在石油枯竭后，煤炭仍然将在能源结构中占据较大的比重，而液体燃料是各种形式的燃料中使用最方便的一类，其需求会保持较高的增长率，因此，以煤为原料生产液体燃料和化工产品，是若干年后能源及化工的必然方向。由于目前大多数情况下天然气和煤为原料均需要经合成气进一步合成，属于C1化工的范畴，因此，人们将天然气和煤为原料合成液体燃料的过程不是简单地看成为燃料生产过程，而看作典型的化工过程，并且认为是21世纪值得重视的化工过程。1.2 能源的资源结构促使C1化工的发展 能源是国民经济发展的基础。就目前主要的能源构成而言，石油的储采比为40，天然气为60，煤230。而目前的消费结构中，石油占40%以上，煤和天然气各占25%3。能源资源和需求的差异，迫使人们不得不接受一个现实，就是石油作为使用最方便的一种不可再生资源，随着开采量的增长，石油资源逐步减少，天然气和煤将逐步在能源结构中占据主要地位。石油作为一种重要的战略物资，是国计民生的基础,事关国家的安全和发展。20世纪70年代的两次石油危机致使发达国家相继制订了替代能源的发展计划。美国曾经提出一个高达880亿美元的合成燃料规划。联邦德国于1980年正式制订了“促进德意志联邦共和国C1化学发展纲领”，政府资助10亿马克。同年日本通产省工业技术院组织制订了“C1化学规划”，规定在7年间投资150亿日元，其中包括合成气制乙二醇、乙醇、乙酸、烯烃等基本有机化工产品的技术开发4。美国能源部对未来2030年美国机动车燃料的来源进行了预测,到2022年，约15%20%的机动车燃料将来自天然气和煤，而2030年将达到25%30%。1.3 环保要求刺激C1化工的发展 随着人们对环保的不断强化，传统的石油产品已经不能满足日趋严格的环保要求（主要是硫含量等）。而要使传统的石油产品升级到满足新规格的产品，加工费用会大幅度增加。这将大大缩小石油产品对C1化工产品的优势，甚至使C1化工产品具有竞争优势。2022年6月在伦敦召开的天然气合成油（GTL）会议上，Syntroleum公司业务发展部的副总裁Weick先生分析认为，如果达到2022年对燃油的质量要求指标，硫含量要从目前的35010-6下降到1010-6,每桶油的加工成本将提高4美元以上，总成本将超过8美元，成本上升近100%，而合成油的成本不会增加，保持在约7美元/桶，加之C1化工的原料（天然气和煤炭）较原油价廉，使得C1化工的技术经济性能的竞争能力大大上升。刺激了人们对石油替代燃料的开发和利用。1.4 科技进步推动了C1化工的发展经过多年技术开发，已经有多种化工产品实现了工业化，如Monsanto的甲醇羰基化制乙酸、Eastman的甲醇制醋酐等。作为C1化工最重要的费托（FT）合成技术，随着技术的不断进步，制约其发展最重要的因素之一-投资较大的问题逐步解决，单位投资由10万美元/（桶日）以上已经下降到目前的2.5万美元/（桶日）。专家认为，如果投资能够进一步下降到2万美元/（桶日），而原油价格保持在18美元/桶以上，则FT合成油的竞争能力将超过石油产品。过去一些技术经济性能无法解决的衍生产品，经过30多年的技术开发，新的发展路线被开发出来。如果说20世纪70年代C1化工发展初期许多项目的研究方向带有一定探索性的话，那么经过20多年的技术开发目标就更为明确：C1化工的重点目标在于发展合成气路线合成液体燃料、开发以合成气为基础、可能与现有生产路线相竞争的基础化学品生产路线，探索天然气（甲烷）直接合成基础化学品等。2 我国发展C1化工的战略我国的一次能源构成中，从资源量考虑，煤炭、石油、天然气、煤层气分别占96%、2%、1%和1%。在探明的总储量中，煤炭、石油和天然气分别占98.4%,1.4%和0.2%;探明可开采的储量中，煤炭、石油、天然气分别占97.6%,1.9%和0.5%。目前的消费结构为82%，16%和2%。石油在我国的能源结构中的比例明显低于世界平均水平。随着我国家庭轿车发展和国民经济的发展，对液体燃料和基础化学品的需求越来越多。从1993年开始，中国已经由石油净出口国变为石油进口国，2000年，石油及油品净进口70 Mt以上。据有关专家预测，2022年和2022年，中国石油的需求量分别达到290 Mt和390 Mt，而同期产量可达到170 Mt和180 Mt，需要进口120 Mt和210 Mt。进口石油的依赖程度将由目前的30%上升到40%以上和50%以上5。石油大量依赖于进口，将对我国的经济和经济安全带来很大的风险。鉴于能源资源结构与我国相类似的美国在考虑开发石油替代品，我国进行石油替代品及石油衍生产品替代品的开发无论在战略上还是在实际经济发展方面均具有较重要的意义。为保障我国的石油安全，我国的不少专家和仁人志士均表现了极大的关心。其中，重要的措施之一就是发展石油替代品。而石油替代品的开发是一个具有全局战略关系的系统性课题，对于其发展战略，需要经过深入的调查研究。2.1 目标战略我们认为，FT合成燃料油技术是C1化工发展的主要途径。因为，如果美国能源部（DOE）的预测准确，到2030年，美国的石油替代品将达到机动车燃料的20%30%，其中，主要的途径为天然气和煤合成。以当时美国的石油消费当量计，约100200 Mt/a，而合成油技术在全球推广将形成每年数亿吨的规模，远远超过化工产品的总量。天然气和煤生产机动车燃料的主要途径有FT合成、生产二甲醚取代柴油以及生产燃料醇。途径的选择需要经过多方面的综合考虑。美国能源部进行的“超清洁机动车燃油项目”中，其要求是：（1）开发较目前石油产品更清洁的燃料；（2）可补充机动车对机动车燃料的不足；（3）需要可利用现有的机动车基础设施；（4）有助于机动车制造商减少排放废气。根据这些要求，我们认为，FT合成油技术是最理想的途径，而二甲醚和燃料醇均存在较大的不足，特别是二甲醚，如果作为柴油替代品，其所有的基础设施和燃料系统都需要改进。合成油技术发展很快。以煤为原料的合成油有两种方法，一种是直接法，即所谓煤直接液化加氢，另一种是间接法，即通过FT合成。这两种方法的特点比较见表1。直接法油收率较高，按照神华集团拟建的5 000 kt/a成品油装置，需耗煤15 000 kt，即3t煤1t油。但是直接法反应条件苛刻，对设备材质要求高，而且迄今为止国外尚未见大规模商业化工厂。而中科院山西煤化所拟建的间接法装置大约5t煤制1t油。所以目前国内发展间接法比较可行，风险较小。表1 煤炭直接法和间接法制合成油的工艺特点比较 项目 直接法 间接法煤种适应性 差 强反应及操作条件 温度：435445压力：1230 MPa反应条件苛刻 温度：270350压力：2.5 MPa反应条件适度油收率 较高一般设备材质要求 材料要求高部分设备要进口 材料要求低设备可全部国产化技术成熟程度小规模试验比较成熟工业化技术相当成熟商业化应用国内外均无商业化工厂, 只建有中小试验装置国外已建有大规模商业化工厂, 国内只有中试装置FT合成新工艺的开发降低了生产成本和投资费用，更重要的是下游产品的改质可生产润滑基础油、烷基苯原料，以及石化裂解原料石脑油等。采用间接法也有合理选用原料问题。技术经济评价表明，采用复合原料，如天然气和煤，由于它们产生的合成气中H2/CO比更合理，设备投资费用较低。表2列举了天然气、煤以及以天然气/煤为原料的FT柴油制造价格比较。表2 各种原料生产FT柴油的制造价格比较 美元/桶 原料价格天然气煤ABCD0.15元/m30.30元/m320美元/t30美元/t美国海湾地区设备投资/百万美元1 3101 3101 3101 3101 1621 1621 1621 162制造价格26.7931.8031.8536.8825.2126.4428.0529.27等价原油价格18.7322.2422.2725.7917.6318.4919.6220.47与单独天然气比-1.58-0.35-3.75-2.53边远地区设备投资/百万美元1 7031 7031 7031 7031511151115111511制造价格31.7436.7436.8041.8329.6130.8232.4433.67等价原油价格22.2025.6925.7329.2520.7121.5522.6923.55与单独天然气比-2.13-0.92-4.30-3.70注：A，天然气价格为0.15元/m3，煤价格为20美元/t； B，天然气价格为0.15元/m3，煤价格为30美元/t；C，天然气价格为0.30元/m3，煤价格为20美元/t； D，天然气价格为0.30元/m3，煤价格为30美元/t。 我国天然气价格远高于0.5美元/MMBu（约相当于0.15元/m3），产地至少为0.60元/m3。而煤价格相对较低（约60120元/t）。经理论估算，采用天然气和煤混合使用的原料成本见表3。表3 天然气和煤炭混合使用的经济性能天然气H2/C每kg油耗天然气/m3每kg油耗煤/kg原料油价格/元.t-1ABCD70.241.9636641456065850.371.8138345762271140.501.6539549868176330.801.32438598824890天然气2.056151 0251 4351 435煤3.68552736920注：A，天然气价格为0.3元/m3，煤价格为150元/t； B，天然气价格为0.5元/m3，煤价格为150元/t；C，天然气价格为0.7元/m3，煤价格为200元/t； D，天然气价格为0.7元/m3，煤价格为250元/t。 C1化学的开发，对目前常规的基本有机原料生产可能构成革命性的变化。以天然气为起始原料进而生产基本有机原料的途径见图26。从图2可见，目前由石油烯烃生产的基本有机原料品种中的-烯烃、乙二醇、乙酸、醋酐、醋酸乙烯、乙醇等均可能受到挑战。特别使人感兴趣的是，以往乙酸是经过乙烯氧化为乙醛、再氧化为乙酸，或乙醇一步或两步合成乙酸，而图2显示了截然相反的过程。乙烯水合制乙醇被颠倒过来，过去被认为是落后的乙醇脱水制乙烯重新出现生机。这主要是由于天然气价廉、使得大规模合成甲醇的成本降到100美元/t以下所致。目前Eastman 化学公司等正在开发由乙酸生产乙醛、乙醇作燃料利用的工艺。C1化学的重点中间产品为甲醇。目前，世界规模的甲醇装置生产能力为2 500t/d。包括日本东洋工程、Lurgi AG、Kvaerner和ICI在内的公司正将甲醇能力翻番，使单套装置的生产规模达到5 000 t/d。甲醇装置的大型化是解决下游甲醇转换成烯烃（MTO）、甲醇转换成丙烯（MTP）等工艺产业化的基础。MTO和MTP取得了良好的进展。埃及将采用UOP/Norsk Hydro的MTO工艺建成天然气制烯烃工业化装置，项目原预定于2022年7月底完成初步规划时间表，于2021年1月初签定工程、采购和建设合同。建设工作定于2021年9月份开始，于2021年完工并启动。图2 合成气生产基本有机原料途径Lurgi在挪威 Tjeldbergodden地区Statoil公司的甲醇基地建一套MTP中试装置。该装置属于Lurgi公司，由Statoil提供原料并负责运行。该MTP工艺采用固定床反应器，选用了Sd-Chemie开发的高选择性丙烯专有催化剂，在蒸汽存在下将甲醇转化成丙烯。副产物包括液化石油气、汽油和燃料气。Lurgi称该工艺具有经济可行性，可从天然气出发制取丙烯，且反应中的丙烯选择性优于其它的甲醇制烯烃路线。该工艺在略高于常压的压力下(0.130.16 MPa)和较低的温度(380480 )下操作，丙烯通过产品分离工序获得。20世纪70年代末和80年代初，受高油价的驱动，一些工业实验室研究工作的重点将煤衍生的“合成气”（H2和CO混合物）转化成乙酸、乙二醇和醋酸乙烯一类的化学品，但一直没有出现工业化技术，也没有开发出可使合成气直接高收率转化成化学品的催化剂。目前低成本天然气以及大规模生产合成气和甲醇新工艺技术的利用，使人们重新关注C1化学。美国联碳公司正在开发采用单个反应器和多组分催化剂体系使合成气转化成乙酸。美国DuPont公司于20世纪40年代就开发出由合成气经甲醛合成乙二醇的间接工艺，并投入工业化生产。由于此工艺的技术经济性问题，于1963年关闭。20世纪50年代DuPont开发合成气直接合成乙二醇工艺，然而在开发高性能催化剂及缓和反应条件的研究上受阻。自1971以来美国UCC公司披露了研究用铑催化剂由合成气制乙二醇技术，但压力较高(340 MPa)，而且催化剂活性低和稳定性差。80年代，该公司开发了两种催化剂：一种是用三烷基膦和胺改性的铑催化剂；另一种是用咪唑改性的钌催化剂，使乙二醇选择性提高到70%以上，但存在着催化剂的连续循环使用及与产品的分离问题，试验尚在进行之中。2.2 政策战略C1化工替代石油是一项关系到国家经济安全的全局性课题。需要国家大力支持。为了能源安全，世界上石油进口国在替代能源的开发上均开展了一些工作。美国DOE资助了合成油技术的开发，并预测2030年后，石油替代产品将达到20%30%。由于我国的原油资源有限，进口依赖度日益增高，国家需要以战略的高度，解决替代燃料的问题，将其纳入国家的事业发展规划。政府在石油替代产品的开发上应给予经费和政策上的支持，使其尽快产业化。生产中，在税收上给予补贴，以便替代能源能够具有竞争能力。2.3 技术开发战略由于国际油价的起伏波动导致了C1化工的开发工作时断时续。鉴于我国的能源中煤炭和天然气储量较石油丰富，应当发展符合我国国情的能源策略。在技术战略上，要以尽快实现产业化为目标，突出重点，特别要重视合成油成套技术的开发。根据中国能源的实际情况，为了充分利用能源，在进一步做好技术经济评价的基础上，决定是否采用煤气和天然气连用技术。C1化工，特别是合成油技术的开发和应用，是一个系统工程。应该充分利用各单位的技术基础，加速C1化工技术的产业化。3 结语C1化工是21世纪值得重视的能源和化工领域，它有可能改变目前的能源和化工结构。为此，我国应当从长远考虑出发，结合中国的具体实际，加强C1化工技术的产业化。在发展目标中，将重点放在合成油和大宗有机化工原料生产领域。联合国内的研究开发和工程设计单位，尽快使我国的C1化工技术水平达到国际当代水平。参 考 文 献Strategy of Developing C1 Chemical Industry in ChinaChen Qingling Hu Xunguang Bai Erzheng(SINOPEC Shanghai Petroleum and Chemical Research Institute, 202208)ABSTRACTThe contradiction of supply and demand structure of energy resources in the world compelled people to develop substitute of petroleum and its ramifications. It is one of the important measures of resolving the contradiction to synthesize fuels and ramifications from natural gas and coal through C1 synthesizing processes such as synthetic gas. This paper reviewed the developing trend of producing fuels and chemical products through C1 chemical processes, and raised some proposals on the strategies of developing C1 chemistry in China.Keywords: C1 chemical industry, development, strategy收稿日期：2021-04-01。作者简介：陈庆龄，男，1942年出生，大学，教授（博士生导师）。