甲醇制汽油工艺分析及产业化进展

祁嘉昕

(阳煤晋华气体工程有限公司,山西 太原 030021)

引 言

成品油是人们日常生活和各行各业都必不可少的重要资源,是国民经济发展的基础。随着我国国民经济的发展和人们生活水平的提高,2000年以来以汽、柴、煤油为主的成品油消费呈现快速增长,对石油的依赖程度越来越大。2016年,我国成品油消耗量为3.15亿t,石油的对外依存度超过65%［1］。预计到2030年,中国石油消耗量的80%将需要依靠进口。我国富煤贫油,煤炭资源丰富,以煤为原料,经合成气合成甲醇,再通过甲醇制汽油(methanolto gasoline,MTG),将是缓解我国石油紧张的重要途径之一,能转变我国发展方式,调整产业结构［2］。MTG原料来源丰富,生产过程容易控制,技术风险较低,而生产的油品质量相对较高。

1 甲醇制汽油

MTG是指以甲醇为原料,在催化剂的作用下首先进行脱水生产二甲醚,然后经过低聚、异构等步骤反应转化得到汽油组分的过程(C11以下烃类油)。20世纪70年代,Mobil公司在其甲醇转化成芳烃的技术基础上,开发了 MTG工艺技术,总流程是以煤或天然气为原料首先生产合成气,再用合成气制得甲醇,最后将粗甲醇转化为高辛烷值汽油［3］。MTG工艺技术对原料甲醇的纯度要求相对低,可以直接使用粗甲醇进行转化,转化得到的汽油低硫、低苯,可以直接销售或者与常规的汽油相调和使用。

2 国内外的甲醇制汽油工艺

目前,MTG工艺主要有固定床MTG工艺、流化床MTG工艺、多管式MTG工艺、国内的一步法MTG工艺以及托普索的一体化汽油合成工艺(TUGAS)［3-4］。目前,有工业化应用业绩的技术主要是美孚的固定床工艺和国内的一步法工艺。

2.1 埃克森-美孚的固定床MTG工艺

1967年,美孚公司开发了固定床MTG工艺。在该工艺过程中,原料甲醇经预热器、蒸发器和过热器后,进入脱水反应器脱水生成二甲醚,在转化反应器中二甲醚、没有反应的甲醇和水通过ZSM-5催化剂转化为烃类的混合物,再经分离生产出汽油等产品。1986年,在新西兰该技术首次实现工业化,产能60万t/a。

2.2 流化床MTG工艺

在固定床MTG工艺的基础上,西德的URBK(联合褐煤)公司、伍德公司和美国Mobil公司,开发了流化床MTG工艺。在该工艺过程中,原料甲醇、水按一定比例进行汽化,过热到177℃后进入流化床反应器,从流化床反应器顶部出来的反应产物除去催化剂、冷却,然后分离为水、汽油等产品。该工艺操作中反应热易于移去,且反应热能够用来生产高压蒸汽,循环量要比固定床大大降低。1982年,在Wesseli的UK公司的联合石油化工厂利用该技术建成了20t/a的中试示范厂。

2.3 多管式MTG工艺

在固定床MTG工艺的基础上,美孚公司联合德国鲁奇公司,用一个多管式反应器将甲醇一步转化为烃类。该工艺的催化剂装填在多管式反应器管程,在壳程内的熔融盐能够不断循环带走反应热。在该工艺过程中,原料甲醇和循环气与反应器出来的气体进行热交换,将温度调整到所需要的反应温度。气体与甲醇的混合物从上部进入多管式反应器,通过管内装填的催化剂催化转化为烃,从多管式反应器出来的生成物通过热交换器冷却至常温。

2.4 国内一步法MTG工艺

2006年,中科院山西煤化所开发了一步法MTG工艺。该技术不需要再经过甲醇转化制二甲醚的步骤,原料甲醇在ZSM－5分子筛催化剂的作用下直接一步转化为汽油和少量LPG产品。该技术的优点是工艺流程短,汽油收率高,催化剂稳定性较好。2007年,云南解化集团有限公司利用该工艺建设的3 500t/a甲醇制汽油工业化装置一次投料试车成功。

2.5 托普索一体化汽油合成技术（TIGAS）

早在20世纪80年代初期,就开发了托普索一体化汽油合成技术（TIGAS）。该技术不同于传统甲醇制汽油工艺,TIGAS在新西兰的Motunui被验证可以延伸至上游实现一步法,直接在单条回路中将合成气转化为汽油,不需要对甲醇冷凝和后续再沸。2013年,美国Green Gasoline From Wood公司采用该技术建成的装置开车成功。

国内外主要的甲醇制汽油工艺参数如表1所示。从表1中可以看出,除了托普索一体化汽油合成技术（TIGAS）使用的是GSM催化剂外,固定床MTG工艺、流化床MTG工艺、多管式MTG工艺以及国内的一步法MTG工艺均采用的是ZSM－5催化剂；对比生产1t汽油甲醇的消耗量,固定床MTG工艺消耗甲醇量为2.9t,消耗量最大,流化床MTG工艺消耗甲醇量只有2.5t,消耗量最小；对比汽油的收率可以看出,一步法MTG工艺汽油的收率最高,可以达到38%,流化床MTG工艺汽油的收率最低,仅有26.1%；对比生成汽油的辛烷值可以看出,只有流化床MTG工艺汽油的辛烷值才能达到97,一步法MTG工艺汽油的辛烷值最小仅为84,最小。综合对比,一步法MTG工艺无论在甲醇消耗量还是在汽油收率上都占有优势。

3 甲醇制汽油技术的工业应用

国内已建成的MTG项目如表2［5－6］所示。从表2可以看出,已建成投产的大部分项目采用的是中科院山西煤化所的一步法MTG工艺,少部分采用埃克森－美孚的固定床 MTG工艺,说明国内一步法MTG工艺因其工艺过程短,流程简单,设备少,汽油收率高而备受青睐。从表2中还可以看出,从2007年开始,我国就有MTG项目投产；经过2010年到2012年的初步发展阶段,从2014年开始,我国多个MTG项目陆续投产,甲醇汽油产能迅猛增加,但2014年后,有些建设项目建设缓慢,甚至被搁置,建成投产项目明显减少；结合国际油价和石油路线成品油价格可以看到,受2014年以前原油价格持续高位运行的刺激,甲醇制汽油具有成本优势,产业发展较快,2014年下半年后,伴随国际油价暴跌,MTG热度消退。

表1 国内外甲醇制汽油工艺技术参数

表2 国内已建成的MTG项目

4 结束语

综上所述,国内外几种不同的MTG工艺没有本质的区别,但国内一步法MTG工艺汽油收率高,工艺过程短,流程简单,设备少,我国大部分项目均采用该工艺。基于我国富煤贫油的国情,MTG技术能调整产业结构,实现能源多元化,但受国际油价和石油路线成品油价格的影响,MTP技术只有进一步优化催化剂的性能,研究设计出更理想的反应器,降低成本,才能形成规模化发展,真正转变我国的发展方式。

参考文献：

［1］ 刘朝全,姜学峰.2016年国内外油气行业发展报告［M］.北京：石油工业出版社,2017.

［2］ 曹占欣,赵风云,张向京,等.甲醇制汽油工艺分析与改进［J］.现代化工,2017（2）：147－150.

［3］ 耿倩.山西煤化所与陕西宝氮集团合作项目试车成功甲醇制汽油再次推动煤化工产业［N］.科学导报.2016－03－01（1）.

［4］ 王毅.甲醇制汽油发展现状及前景分析［J］.洁净煤技术,2011,17（6）：39－42.

［5］ 王钰.我国甲醇制汽油的产业前景分析［J］.煤炭加工与综合利用,2014（10）：11－15.

［6］ 刘思明.“十三五”时期甲醇制汽油产业发展趋势研判［J］.中国石油和化工经济分析,2016,34（2）：47－51.