“页岩气化工”的发展机遇来了吗？

2012-01-30唐宏青

化工设计通讯 2012年5期

关键词：煤制合成气页岩

唐宏青

（中科合成油工程有限公司，北京 101407）

近期，人们对非常规天然气之一页岩气倍加重视，大力发展页岩气化工的说法破土而出。本文试图讨论这个大家关心的问题。

1 非常规天然气

天然气可以分为常规天然气和非常规天然气。非常规天然气包括煤层气、深盆气、可燃冰和页岩气等。

非常规天然气是指那些难以用传统石油地质理论解释，在地下的赋存状态和聚集方式与常规天然气藏具有明显差异的天然气聚集。主要包括以下几种。

（1）煤层气

是储集在煤层中的自生自储式天然气，成因主要为热成因，生物成因。其内涵也包括人们常说的煤矿瓦斯气。

（2）深盆气

也称致密砂岩气藏，指储层为致密砂岩的气藏，具有孔隙度低（12%以下）、渗透率比较低（1 ×10－3μm2）、含气饱和度低（60%以下）、含水饱和度高（40%以上）、天然气在砂岩层中流动速度较为缓慢的特点。

（3）可燃冰

可燃冰即天然气水合物，它是一种天然气与水的类冰状固态化合物，主要成分是甲烷，因此也常称为 “甲烷水合物”。它是在特定的低温和高压条件下，甲烷等气体分子天然地被封闭在水分子的扩大晶格中，形成似冰状固态水合物。“可燃冰”外表上看像冰霜，从微观上看其分子结构就像一个 “笼子”，由若干水分子组成一个笼子，每个笼子里 “关”一个气体分子。可以认为化学式是CH4·xH2O，其中x一般为6～8。

可燃冰主要分布在东、西太平洋和大西洋西部边缘。目前可燃冰的勘探、研究程度尚较低，因为水合物的开发可能引起海啸、海底滑坡、海水毒化等，且面临开采的技术难题，尚不能进行大规模工业性开发，可燃冰至今仍原封不动地保存在海底和永久冻土层内。

2007年，我国在南海北部成功钻获的天然气水合物实物样品 “可燃冰”在广州亮相。我国是继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到可燃冰实物样品的国家。

2009年，我国在青海省祁连山南缘永久冻土带成功钻获可燃冰实物样品，这是世界上第一次在中低纬度冻土区发现的可燃冰。

（4）页岩气

页岩气是从页岩层中开采出来的天然气。页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50%）存在于裂缝、孔隙及其他储集空间，以吸附状态（大约50%）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中天然气中，也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中，为天然气生成之后，在源岩层内就近聚集，表现为典型的原地成藏模式，与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。

与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此，有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育环境。

页岩气发育具有广泛的地质意义，存在于几乎所有的盆地中，只是由于埋藏深度、含气饱和度等差别较大而具有不同的工业价值。

2 页岩气的储量

非常规天然气资源储量非常丰富。据估计，全球煤层气资源量可能超过260×1012m3。随着勘探的不断深入，常规石油天然气资源增储增产难度越来越大，开发非常规天然气资源显得尤为重要。

从全世界范围看，页岩气资源前景巨大。全球页岩气资源量为456.24×1012m3。主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、前苏联（表1）。

表1 世界主要地区页岩气储量表［1］ 1012 m3

中国非常规天然气资源丰富，预计是常规天然气的5倍以上。中国页岩气资源量高达（26～31）×1012m3，与美国页岩气储量28.3×1012m3大致相当。与美国不同的是，我国的页岩气开采难度更大，页岩气层深度比美国深得多。

非常规天然气属于化石能源中的清洁能源，全球非常规天然气的发展非常迅速，产量快速上升，2008年非常规天然气产量占天然气产量的18%。在过去10年里，美国页岩气得到快速发展。2000年，美国页岩气产量为122×108m3；2007年，美国页岩气产量366.2×108m3；2010年达到1 379.2×108m3，占美国当年天然气总产量6 400×108m3的21.5%。

与美国等发达国家相比，我国非常规天然气的勘探研究还处于起步阶段，开发潜力巨大。随着国际能源结构的改变，我国应对非常规天然气形成的地质条件，资源分布，以及储量进行研究，与国外非常规天然气对比分析，提出我国勘探开发的关键技术、发展战略与政策建议，为我国的能源战略决策和规划提供科学依据。

国际能源署（IEA）近日发布的《天然气黄金时代的黄金规则》报告认为，全球非常规天然气即将进入一个黄金发展时期，2035年全球以页岩气为主的非常规天然气产量可达到1.6× 1012m3，非常规天然气在天然气总产量中的份额将从目前的14%上升至32%。2035年全球非常规天然气产量构成情况是，页岩气56%、煤层气38%、致密气6%。在预测期内，非常规天然气最大的生产国是美国和中国，美国将超过俄罗斯成为全球最大的天然气生产国。报告提出，开发利用非常规天然气资源是推动天然气进入黄金发展时期的关键，但是迎来非常规天然气光明的未来仍有诸多障碍需要克服，必须成功解决非常规天然气开发过程中的土地、空气和水资源污染等环境问题，消除不良社会影响。

3 我国开发页岩气的规划

可以肯定地说，我国政府对页岩气极为重视！

政策扶持和技术创新是实现我国非常规天然气大规模开发利用的关键。国家已出台政策扶持和引导机制，确保非常规天然气开发利用有序健康发展。包括加强机制引导，政策扶持，重视非常规天然气领域工程技术前瞻性探索，鼓励自主创新，积极推动工程技术与设备配套发展等。

预计经过一段时间的努力，非常规天然气可以成为我国天然气工业发展的主体。预计2020年产量将占我国天然气总产量的一半，2030年将占总产量的三分之二左右，在保障国家能源安全和改善能源结构中具有十分重要的战略地位。

国民经济和社会发展 “十二五”规划明确要求 “推进页岩气等非常规油气资源开发利用”，为大力推动页岩气勘探开发，增加天然气资源供应，缓解我国天然气供需矛盾，调整能源结构，促进节能减排，国家有关部门特制定了页岩气发展规划（2011～2015年）。“十二五”期间将实现以下规划目标。

（1）基本完成全国页岩气资源潜力调查与评价，初步掌握全国的资源量及其分布，优选30～50个页岩气远景区和50～80个有利目标区。

（2）探明页岩气地质储量6 000×108m3，可采储量2 000×108m3。2015年页岩气产量65 ×108m3。

（3）形成适合我国地质条件的页岩气地质调查与资源评价技术方法，页岩气勘探开发关键技术及配套装备。

（4）形成我国页岩气调查与评价、资源储量、试验分析与测试、勘探开发、环境保护等多个领域的技术标准和规范。

4 页岩气化工是天然气化工的一部分

资料显示，我国天然气资源不多，可采储量排名世界第13位，见表2。如果考虑人口的因素，我国是天然气资源贫乏的国家。

表2 2010年世界天然气可采储量与产量［2］

我国天然气主要存在于中部和西部地区。除东海、渤海湾和海南莺歌海域有零星天然气矿外，气源主要集中在四川、陕甘宁、新疆塔里木、青海准噶尔、柴达木盆地等地。西部地区占全国总探明资源量的2／3左右。

近期，国内对页岩气的关注很高，事出有因。

长期以来，我国常规天然气资源不足，对化工的发展产生不利影响，不得不发展煤化工。由于煤化工的投资大、环境污染严重，不是理想的发展方向，人们总是希望能够得到一种可以代替常规天然气的气态原料。近期由于报道我国页岩气的资源丰富，可以用一百年以上，国家把页岩气定义为一个新矿种，再加上美国正在大规模开采页岩气等，这就给化学工业的发展展示了新的希望。实际上，国家对页岩气的勘探、开发研究一直在进行，只是现在备受重视，开始 “热”了，并不是天上新掉下一个馅饼。

由于页岩气的成分与常规天然气相仿，都是以甲烷为主、少量饱和低碳烃和惰性气体组成的可燃气体，因此，页岩气化工是天然气化工的一部分。天然气化工能够实现的技术，页岩气化工也一样能够实现。

天然气在化工上的主要用途是生产合成气，少量的用于制取乙炔，还可以将碳二以上物质进行裂解，另外还能得到稀有气体和硫化物，见图1。这些科目，页岩气也能做到。

图1 天然气化工简图

把页岩气作为化工原料，是众望所归。

5 与煤化工的关系

一个严峻的问题被提出：“页岩气化工的发展会不会使近年来热火朝天的煤化工全军覆没？”。这个问题要从以下两个方面来回答。

5.1 不受影响的一面

碳一化工的原料是煤、天然气、焦炉气、油田气、炼厂气、煤层气等可以经过加工生产合成气的气液固各种原料。

碳一化工的生产，按照工艺步骤可划分为三个工业化主流层次，见图2。

从上述划分可看到，合成气的生产是碳一化工的第一个层次，它是碳一化工原料进行加工的必要步骤，化工上统称为气化工艺。因此，我们有理由相信，合成气以后的第二和第三层次，是具有一定的通用性的，不一定非要与第一层次直接联系。研究天然气化工和煤化工的区别，只应该到合成气为止。

合成气中的H2与CO的比例、附属气体（H2O、CO2、H2S、N2、CH4等）的含量等工艺条件，都可以随着要求的具体化，通过补碳或净化方法来调整。就目前的合成氨、甲醇、氢、醋酸等独立的工业化大装置，绝大部分都要通过合成气这一步。

图2 碳一化工工艺三个工业化主流层次的划分

所以，新型煤化工的技术发展方向，如费托合成制油品（柴油、汽油、石脑油、LPG、石蜡等）、甲醇制烯烃（MTO、MTP、MTG、MTA等）、合成气制醇（甲醇、乙醇、低碳醇等），都是可为天然气化工技术所利用、借鉴和包容的。

这是从碳一化工原料生产醇、醚、油、烯烃等产品的阶段划分，说明页岩气化工对煤化工中的后续部分合成气加工没有影响。

5.2 受影响的一面

我们也看到，煤化工中煤制天然气（甲烷）和煤气化单元要受到影响。

（1）煤制天然气

煤制天然气是一个利民工程，作为13亿人口的大国，居民饮食和生活燃料问题十分重要。随着我国西气东输工程的实施，城市燃气管道化已经较普及。天然气、液化气、煤气、沼气等燃气管道网络在我国迅猛发展，无疑是一件好事，对于提高经济效益、减少城市大气污染、方便居民生活、减轻百姓的家务劳动等都有显著的好处。无疑，人民生活水平的提高，对环保、生活的舒适性要求越来越高，天然气肯定供不应求。让13亿人的饮食和生活燃料都用上甲烷（约需1 800×108m3／a），实现全国居民用燃料管道化，前景是相当诱人的！由于我国天然气储量不足，煤制天然气成为西北产煤区的主流产业。

现在的问题是，如果页岩气大量开发，在满足一定要求后，如有富裕气还可以向化工进军，这会产生什么后果？

煤制天然气是从煤经过合成气到甲烷，而页岩气化工要从甲烷经过合成气到产品，见图3。从地方利益来说，有的地方用煤制合成气再制甲烷，有的地方用甲烷制合成气再制其他产品。从国家的层面来看，这里蕴含着能量的浪费。

图3 煤制甲烷和页岩气化工的重叠

很显然，到一定的时候，即满足国内生活需要和一部分发电需要后，如果页岩气还有富裕，再加上全国天然气管网的建成，可以进入页岩气化工时代，现在的煤制天然气工业要压缩。

问题是这需要多长的时间？笔者估计大约在20年后，即2030～2035年期间启动。因此，我们需要确定目前全国煤制气的规模多少合适。

现在正大规模发展的煤制天然气工业，以新疆为例，“十二五”的规划为768×108m3／a，不仅规模巨大，投资更是惊人。原可研报告中40 ×108m3／a装置的总投资为250亿元，根据内蒙在建的装置，实际基础设计的投资都超过310亿元，原料煤热值下降、物价上升、自建长距离输气管道是投资大幅度上升的主因。

煤制天然气是一个微利或无利的 “公益”项目，如果大规模 “页岩气化工”启动时间距现在是20年，那么现在还没有开始建设的煤制天然气装置在建成后可能没有收回投资就要结业，这是一个值得行业内重视的问题。

（2）煤气化单元

目前我国有十几种煤气化技术在运行，其中水煤浆气化和干煤粉气化是主流。国内研究的“多喷嘴水煤浆气化技术”和 “航天炉粉煤气化技术”得到普遍赞同，可达到设计的年度指标。

尽管西方国家不主张发展煤化工，但是他们用于发电的煤气化技术还在不断地向中国推广，如E－gas、KBR气化等。

通常气化工艺（含空分）占单体化工全部装置费用的50%以上，所以煤气化是煤化工的投资主体。页岩气气化技术成熟、投资少、能耗低，环境污染小，一旦页岩气化工得到发展，煤气化的推广将会受挫。这也是一个值得重视的问题。

6 积极发展页岩气化工

能源是人类生存和发展的基本条件，作为世界三大支柱能源——石油、天然气、煤，在人类发展的历史进程中，起着不同的作用。随着天然气生产及利用技术的进步，在今后的20年里天然气将成为世界上增长速度最快的主要能源，发展前景和经济效应颇为乐观。国际上预计，21世纪天然气的开采、贸易、使用将要超过煤炭和石油而跃居世界能源首位。

我们应该研究这个结论是否适合中国。

我国天然气化工起步比较晚，始于上世纪50年代末。截止到60年代，我国的天然气使用已经取得一定的成果，并且逐步规模化。70年代初，我国引进多套天然气制氨装置，对天然气化工的发展起了引导作用。化工用天然气主要是作为制氨的原料和燃料，约占化工总用气量的80%。

目前，我国天然气化工的利用与国外存在着一定的差距，主要体现在装置规模较小、国产化工艺技术水平略差上。

长期以来，我们强调的是装备国产化，没有强调工艺技术国产化，因此，大规模装置设计的工艺技术基本上靠引进，例如，国内一些有几十年甲醇设计经验的大型化工设计院迄今不会做大型甲醇合成的工艺包，仍然靠不断地重复引进。如果我们现在大规模发展页岩气化工，我们的工艺技术就完全被西方公司控制。

所以，我国要发展页岩气化工，目前就要做工作，在二十年内不仅要实现装备国产化，更要实现工艺技术国产化，包括蒸汽转化、净化、甲醇合成等几个主要环节工艺技术国产化，否则，只会制造设备，不会设计工艺和设计设备，“自主知识产权”是一句空话。

目前，国内蒸汽转化的高温低水碳比催化剂（Z系列）和甲醇合成的催化剂（NXC98，C307等），在性能上已经达到国际水平，可以满足要求。