页岩气采用GTL技术制特色油品经济性分析

2014-09-10胡小夫马跃龙肖克勤张新

综合智慧能源 2014年5期

胡小夫，马跃龙，肖克勤，张新

(中国华电集团科学技术研究总院，北京 100077)

1 GTL背景及意义

未来石油资源的短缺将是一种不可逆转的趋势，这种情况在我国将更为突出。随着一次能源形势的变化，石油作为目前世界消费量最大的一次能源，其地位将在不久的将来被天然气所取代[1]。2012年5月，国际能源组织(IEA)预测，到2035年全球对天然气资源的需求量将达到2010年的1.5倍[2]。世界不仅拥有十分丰富的常规天然气资源，而且拥有丰富的天然气水合物等非常规天然气资源。页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。IEA预测，到2035年非常规天然气产量将占到全球天然气总产量的32%[2]。中国陆域页岩气地质资源潜力约为134.42万亿m3，可采资源潜力为25.08万亿m3(不含青藏区)，储量居世界前列。随着页岩气开发工作的推进，其在5年后可能成为我国重要的能源供应，缓解我国能源压力，改变我国能源消费结构。

全球大部分天然气主要以长输管道的形式供气给下游用户，同时约有30%的天然气以液化天然气(LNG)的形式输送[3]。目前，天然气下游利用主要有4个途径：城市燃气、工业燃料、天然气发电及天然气化工，如生产化肥、乙烯及丙烯、天然气合成油(GTL)等。天然气化工主要是将甲烷转化成合成气，然后再将合成气进一步转化成液态或气态化工产品[2]。前3种天然气利用途径主要是通过长输管道或LNG方式远距离输送，而第4种途径中的GTL项目可以在偏远地区直接将页岩气转化为便于运输的特色油品，其作为气田配套项目，对于地方财政也是有利的。

LNG是天然气经净化处理、在-162 ℃常压下液化形成的，体积约为通量气态天然气体积的1/600。LNG项目必须具有充足的探明天然气储量，以支持15～20年的液化能力，这意味着用于LNG的天然气只能来源于少数高产气井，而且LNG工厂规模庞大且造价高昂。中国华电集团公司目前已获得5个区块的页岩气探矿权，包括湖南花垣页岩气区块、湖南永顺页岩气区块、贵州绥阳页岩气区块、湖北来凤咸丰页岩气区块和湖北鹤峰页岩气区块。在这些相对偏远的区域，页岩气的利用可能会受到LNG气源条件、LNG投资和运输成本、管道输送成本以及市场供求关系等因素的制约[4]。据有关部门测算，长距离输送天然气的成本是输送油品成本的4倍[5]，综合考虑，在较难进行LNG或管道输送的地区，采用GTL技术将开发出的页岩气转变成比LNG更加便于销售和运输的合成油[6]，可能是在这些偏远页岩气区块利用页岩气的最好方式。

GTL技术于20世纪20年代由德国F.Fischer和H.Tropsch开发成功。近年来，世界各大石油公司为了占据世界石油市场的领先地位，针对GTL技术开展了大量工作，取得了较大的商业进展；同时，处于边远地区的天然气田因为远离市场或附近市场太小，而且缺少大量资金，不能采用LNG技术，加之环境保护的原因，也促进了GTL技术研究开发力度的增大[7]。美国能源部于1999年公布了石油天然气研究开发与推广计划，其中包括一项始于1998年，为期8年的GTL研究项目，该项目总投资约8 400万美元。GTL技术主要关注的是那些由于运输所需大量基础设施投入，而目前还不能进行经济开发的闲置天然气资源和偏僻地区的天然气资源[7]。

随着我国对城市大气污染治理力度的加大，以及航空和军工等项目的开展，高标准汽/柴油、航空煤油、高粘度指数润滑油基础油和石蜡的市场需求将进一步增大。而依靠石油路线制备清洁燃料和高端油品难度较大，采用天然气制上述特色油品则工艺简单、污染小、产品质量优异[8]。因此，采用页岩气制备超清洁燃料和高附加值特色油品符合未来产品发展的方向，而且产品方案灵活，适应市场变化的能力较强。

2 GTL特色油品的产品路线

GTL技术生产特色油品主要包括3个步骤。第1步是碳氢化合物(天然气)部分氧化为氢气和一氧化碳；第2步是合成气发生接触聚合反应生成长链石蜡烃、轻烯烃、高分子量蜡和水等，即费-托反应；第3步是蜡原料的异构加氢形成燃料油或润滑剂基础油等高附加值的特色油品[9]。以费-托合成油为原料，经加氢精制、加氢异构等工艺生产出特色油品。

目前，天然气制备特色油品路线主要有以下2种。

(1)天然气制备超清洁燃料油品。此类合成油基本上是由正构烷烃和支链烷烃组成，具有无硫、无氮、无金属、无芳香烃或极少含芳香烃的特点。1992年世界上第1座天然气合成油厂在南非莫塞尔湾投产，年生产能力约150万t。随着世界原油重质化、高硫化日趋显著，为了改善环境，世界车用燃料不断升级。从2009年起，美国、欧洲、日本将推进符合欧Ⅴ排放标准的超低硫(硫的质量分数小于0.01‰)柴油，今后还将限制柴油中芳香烃尤其是多环芳香烃的含量。常规炼油技术生产清洁燃料成本越来越高，许多炼油厂面临着质量升级的压力。而通过费-托合成路线的GTL技术生产的燃料，除了本身属于超清洁燃料外，该技术自身又属于清洁生产技术，符合环保要求，已成为研究热点。

(2)天然气制备高附加值特色油品，是通过轻度的加氢裂化和加氢异构化等工艺获得高档润滑基础油[10]、食品医药级白油、特种石蜡等高附加值产品。随着社会经济发展水平的提高，汽车、钢铁、电力等相关行业的发展以及环保要求的日益苛刻，对润滑油基础油也提出了更高的要求，如好的热氧化安定性、低挥发度、高粘度指数、低硫/无硫、低粘度以及环境友好等。而采用GTL合成的润滑基础油具有纯度高、不含硫、挥发性好和粘度特性优异等特点，可以满足上述行业发展及环保法规的要求，是一种高档的润滑油基础油。就目前的合成油工艺而言，其生产成本有的已经能与原油相竞争，所以从总的发展趋势看，在今后20年或更长的一段时间内，合成油有可能部分替代现有的矿物油[7]。2011年，壳牌润滑油公司已经使用Pearl GTL基础油生产出优质的发动机油，这种Ⅲ类基础油也是配制下一代油类的基础，这类油可用以提高能效、延长设备使用寿命和降低维修费用。

3 GTL特色油品市场经济性分析

3.1 环保溶剂油市场分析

随着我国环保意识的增强以及人民生活水平的不断提高，各种低芳香烃、低硫的环保型溶剂产品需求量及生产能力逐年增大。D系列溶剂油在我国市场又称脱芳溶剂油，其名字来自于埃克森美孚的溶剂油D系列。它基本由环烷烃和烷烃组成，芳香烃质量分数被控制在0.10‰～0.15‰，对人基本无毒，对环境污染小，而且性能稳定[11]。D系列溶剂油主要应用于涂料、粘合剂、气雾杀虫剂、金属加工润滑、除油防锈、高档衣服干洗剂、油墨、农药、化妆品、香料和化工聚合等领域。1995年全国D系列溶剂油的需求量不到2万t，2010年增加到58万t，2011年增长7%左右，达到62万～63万t，预计2015年需求量将超过80万t。

比较中国D系列溶剂油与芳香烃溶剂油下游应用行业的前景，芳香烃溶剂油因其对成品油市场的依赖性而面临巨大危机，而环保带动的中国D系列溶剂油需求潜力较大而使其具有更广阔的发展潜力。目前，D系列溶剂油的需求量与产量存在较大缺口，主要依赖进口解决供应不足的问题。总而言之，国内D系列溶剂油属于垄断型资源，具有广阔的发展前景。

3.2 GTL柴油市场分析

3.2.1 产品性能分析

高品质的柴油需要具有良好的燃烧性能、适宜的流动性、优异的安定性、无腐蚀性和高清洁度等优点。柴油的十六烷值是衡量燃料在压燃式发动机中发火性能的重要指标。正构烷烃的十六烷值最高，异构烷烃次之，而芳香烃的十六烷值最低。柴油的低温流动性不仅关系到柴油机燃料供给系统在低温下能否正常供油，而且与柴油在低温下储存、运输等作业能否正常进行有密切的关系。柴油的低温流动性与其化学组成有关，其中正构烷烃的含量越高，则低温流动性越差，临氢异构降凝技术能降低柴油的凝点，改善其低温流动性。烯烃、芳香烃、硫化物、氮化物以及酚类等都是柴油中的不安定组分，它们能使发动机中沉积物的数量显著增加，影响汽油车尾气排放的颗粒物，也会使柴油汽车尾气排放物中氮氧化合物和颗粒物浓度偏高[12]。而采用GTL技术经蒸馏、临氢异构降凝、加氢精制等过程得到的柴油组分，其组成主要以异构烷烃为主，无芳香烃和不饱和烯烃，且无硫、无氮、无酚类等化合物，可直接用于生产高质量柴油，或作为国Ⅴ标准高端柴油的调和组分。目前，GTL产品中柴油馏分最高可达80%，GTL柴油十六烷值基本不低于70(大部分柴油的十六烷值为45～55)，硫的质量分数不大于0.005‰，芳香烃的质量分数小于0.001‰，多环芳香烃的质量分数小于0.005‰，具有低密度和良好的低温流动性等优点[2, 13]，其与现有炼厂的柴油馏分混合，可缓解炼厂柴油质量升级的压力。

GTL燃料的主要理化指标满足柴油机的使用要求。公交车用国Ⅱ、国Ⅲ柴油机台架试验用燃料分别为国Ⅱ、国Ⅲ柴油和纯GTL燃料3种，其主要理化指标见表1[13]。由表1可见，GTL燃料的主要理化指标满足柴油机的使用要求。与普通柴油相比，GTL柴油具有基本不含硫和芳香烃、十六烷值高、馏出温度低等优点。

表1 试验燃料主要理化指标[14]

3.2.2 国内外市场分析

随着全球经济的较快增长，在未来较长时间内石油消费量仍将快速增长。石油输出国组织(OPEC)对未来20年全球石油产品的需求情况进行了预测：液化石油气(LPG)、石脑油、汽油、煤油、柴油和其他石化产品(如润滑油基础油、石蜡等)的需求，在未来几十年里都会有不同幅度的增长，其中柴油的增长幅度最大，预计到2035年全球对柴油的需求量将比2010年增长44%[2]。

我国柴油供应主要来自传统的炼油行业，2011年我国已成为仅次于美国的全球第二大炼油国。据报道，我国近几年成品油供需总体平衡，汽油、煤油过剩，但柴油略偏紧。2011年国内柴油产量小于需求量41万t，仅占柴油消费量的0.25%；2012年国内柴油供需缺口比2011年进一步扩大。预计到2015年我国石油需求将达到5.4亿t，较2010年增长0.9亿t，年均增长3.8%，其中，柴油需求约2亿t。柴油供需趋紧和其他原因的共同作用，使国内近几年频频出现“柴油荒”，对多个行业及人民正常生活造成了不利影响。近10年来，随着需求的不断增长，柴油价格不断攀升，#0柴油已从2002年的约2 200元/t涨至8 000多元/t，平均每年上涨11.5%。GTL柴油具有不含硫、低芳香烃、无色、无味、十六烷值高等优点，既可作为国Ⅴ标准高端柴油的调和组分，又可直接用作燃料，其市场前景较好。

3.3 高端白油的市场分析

我国白油分为工业级、化妆级、食品级和医药级4个类别，每类按粘度又分为不同的牌号。随着国民经济的持续发展，以及百姓生活水平的不断提高，化妆品级、食品级和医药级白油的市场需求越来越大；同时，很多原先工业级白油的市场和用户也因为产品升级等原因改用更高档的产品。此外，由于产品认证等因素的限制，一些特殊规格的进口白油尚未国产化。这种状况表明，国内白油市场上附加值、技术含量较高的高档白油市场缺口还有较大空间。

同其他石化产品相比，高档化妆品级以上白油产品具有品种多、用途分散、市场差别化程度大等特点，目前主要应用于聚苯乙烯(PS)、化妆品和医药产品等行业。对行业而言，白油在聚苯乙烯透苯(GPPS)和聚苯乙烯改苯(HIPS)生产过程中，主要用作聚合反应时的内部润滑剂，改善PS在挤压成型时的流动性。据美国《化学周刊》报道，全球2010年PS产能为1 800万t，实际产量1 245万t，到2015年预计为1 350万t。

从市场角度看，国内低黏度白油的供求已呈饱和状态，但高档白油依然供不应求[8]。根据各行业的发展现状，按照年递增8.5%～12.0%的消费增长率，预测未来几年各行业白油需求见表2。由表2可知，未来10年内在化妆品和食品加工领域对白油的需求量增长较快。

表2 重点行业白油需求预测

3.4 润滑油基础油的市场分析

3.4.1 润滑油基础油未来发展方向

润滑油产品的某些性质(蒸发损失、闪点、对添加剂的溶解性能等)完全取决于基础油的性质，基础油的粘点、粘温性能、倾点等则决定了可调配润滑油产品的品种，因而基础油的质量是润滑油产品质量的基础[15]。随着环保、节能压力逐渐加大和汽车、机械制造业水平的进步，润滑油的质量不断提高，产品更新速度加快，低磷、低硫、长换油期、多级低粘度、可生物降解油品成为未来的发展方向。传统的润滑油生产工艺已不能完全适应调制现代润滑油的要求，特别是新一代发动机油，已开始逐步转向以加氢裂化和异构脱蜡为代表的加氢处理工艺生产的Ⅱ，Ⅲ类基础油。从长远发展来看，以天然气为原料，利用费托合成油生产的Ⅲ类基础油的技术依然备受关注[16]。此外，中国润滑油市场需要的多元化、多层次化，也决定了对基础油需求的多元化、多层次化。产品规格的升级、产品差异化或性能的提升，对于APIⅡ，APIⅢ类基础油及合成油的需要比例在逐步加大。

3.4.2 国内市场分析

中国石油、中国石化基础油品占据了基础油生产的资源优势，2005年生产能力达到421万t，净进口量达到86.74万t。我国进口的基础油多为主流品质150SN，500SN和150BS，其中加氢Ⅱ，Ⅲ类油及合成油占相当比例。2008年中国基础油供应量为542万t，53%由中石油和中石化提供，中海油以及地方小厂提供22%，其他25%由进口弥补。2012年润滑油基础油市场大致呈现供大于求的局势。由于中石化旗下的茂名石化计划在2014年新上一套20万t/aⅡ类基础油装置，中海油泰州石化也将在2015年新投产一套60万t/aⅡ类基础油装置，因此，预计Ⅱ类润滑油基础油会在今后几年内保持供大于求的状况。

3.4.3 国外市场分析

我国润滑油基础油的进口地主要是新加坡(44%)、日本和韩国(40%，包括韩国的API III类基础油)、俄罗斯(7%)以及我国台湾地区(4%)。亚洲主要厂家的总产能约为379.5万t/a。根据《润滑油研究报告(2013)》，尽管2012年APIⅡ和APIⅢ类基础油需求增长大幅放缓，但新一轮炼油厂建设依然将很快出现。除了正在进行的项目，2020年年底还会有6个世界级规模的APIⅡ和APIⅢ炼油厂以及3个大型GTL炼油厂建成。预计到2020年年底，基础油组成将会变成APIⅠ类占40%、APIⅡ类占30% ，APIⅢ类占20%和环烷基基础油占10%的格局。

3.4.4 GTL基础油优势分析

GTL技术生产的润滑油基础油属于API Ⅲ+及Ⅳ类基础油，性能基本接近聚α烯烃(PAO)合成油，而生产成本比PAO合成油低7%～8%，且加工工序少，加工苛刻度低，其发展前景令人瞩目[13]。GTL润滑油基础油的性能比较见表3[17]。由于GTL基础油的结构几乎完全是异构烷烃组成，因此，它表现出优异的低温性能和抗氧化性能，并且具有很高的黏度指数，能够用于调和高档内燃机油、自动传动液，满足市场对高标准润滑油产品的需要[18]。正在制定或实施的内燃机油规格，需要较低的粘度以满足燃油经济性的标准。同时，环保法规要求减少重负荷柴油机颗粒污染物(PM)、氮氧化合物(NOx)的排放，以及低NOx内燃机设计所产生的额外烟炱。要提高重负荷柴油机油的操作性能，就必须使所有基础油的性能提高，避免发动机过早磨损。GTL基础油基于其几乎零硫、氮、芳香烃含量，以及几乎完全为异构烷烃的结构特点，表现出优异的氧化安定性、低温性能，较低的挥发损失，低温冷启动性能和高的黏度指数，能够满足市场对于更高性能基础油的增长要求。

表3 粘度为4 mm2/s的四类基础油性能比较[17]

目前，GTL基础油的生产工艺已发展到能够制备从2 mm2/s到大于9 mm2/s的较大跨度的粘度级别(100 ℃)，甚至可以生产高粘度级别的光亮油。突破了加氢工艺只能生产几乎9 mm2/s以下级别的API Ⅱ/Ⅲ类基础油的较窄范围局限，也扩展了业界对高粘度级别高性能基础油的需求，具有非常广阔的应用前景。

3.5 特种石蜡的市场分析

3.5.1 特种石蜡的国内外现状

美国、西欧、日本等国蜡制品总产量和销售量中，特种石蜡一般占25%～35%。国外大型特种石蜡公司生产的特种蜡品种系列齐全，每个公司均有上百个产品，其产量一般在几万到10万t。随着我国油墨、涂料、橡胶、塑料、日化、电子、建材、汽车等工业技术水平的不断发展与进步，国内很多企业已经认识到特种石蜡生产的重要性，我国特种石蜡产品必将进入一个飞速发展的时期[19]。

近年来，全球特种石蜡市场需求不断增长，并以每年10%的幅度递增。而国内经济的快速发展，也带动了特种蜡需求的逐年增加，并一度供不应求。“十一五”末，国内特种石蜡产品及高附加值产品供需缺口达48万t/a。预计到2015年，国内特种石蜡产品及高附加值产品供需缺口将达95万t/a，其中特种石蜡缺口76万t/a。巨大的市场缺口给我国特种石蜡未来发展提供了较广阔的需求空间和市场容量。

3.5.2 GTL石蜡市场分析及预测

GTL技术生产的石蜡由于品质高、熔点高，既可作为食品级石蜡原料，还可用于微晶蜡等特种石蜡领域。由于GTL微晶蜡具有熔点高、粘度低、硬度大等特点，在印刷油墨、粉末涂料、胶粘剂、聚合物成型等领域有广泛应用，市场价格较普通石蜡高出很多，Shell生产的GTL微晶蜡PX-105的市价大约19 000元/t，附加值较高。目前，由于石油蜡占据了国内大部分蜡产品应用市场，合成蜡的生产受到抑制，因而产量相对较低。全球费-托蜡主要由南非Sasol公司的下属蜡公司来提供。已实现工业化的费-托蜡生产工艺有2种：Sasol工艺和Shell中间馏分油合成工艺(SMDS)[20]。我国和美国都不生产费-托蜡，主要是受到昂贵的设备投资和技术成熟度等因素的限制。但随着GTL技术在中国的成熟应用，费-托蜡的国产化前景越来越明朗。

4 结束语

页岩气是我国近几十年重点发展的非常规天然气资源，需要充分、合理、有效地利用页岩气资源。除了管道输送和LNG技术外，GTL技术可能是在偏远的页岩气区块直接利用页岩气的最好方式。在利用页岩气过程中，采用GTL技术既可生产超清洁燃料油，又可生产高附加值的特色油品。但从经济角度分析，建议重点发展GTL技术生产附加值高的特色油品路线，即将费-托合成油通过轻度的加氢裂化和加氢异构化等工艺过程获得高档润滑基础油、食品医药级白油、特种石蜡等高附加值产品的工艺路线。

GTL技术生产的特色油品由于具有低芳、无硫、无氮等优点，能够满足日益严格的环保法规的要求，且产品性能优异，因此具有十分广阔的市场前景。GTL环保溶剂油可广泛应用于涂料、油墨、粘合剂、气雾杀虫剂等领域，目前国内对于各种低芳、低硫的环保型溶剂产品的需求量及生产能力逐年增大；GTL润滑油基础油具有优异的氧化安定性、低温性能，较低的挥发损失，低温冷启动性能和高的黏度指数，能够满足市场对于更高性能基础油的增长要求；GTL高档白油可广泛应用于聚苯乙烯、化妆品、医药产品和食品加工等行业，目前国内市场缺口还具有较大空间；GTL微晶蜡具有熔点高、粘度低、硬度大、附加值高等优点，在印刷油墨、粉末涂料、胶粘剂、聚合物成型等领域有广泛应用，其国产化前景越来越明朗。

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