Hefei University
化工工艺学
课程论文
课程名称： 21世纪天然气化工的技术进展与发展机遇
专业班级： 13级化工卓越班 作者姓名： 联系方式： 电子邮箱：
完成时间： 2015年12月15日
【摘要】介绍了当代天然气化工的技术进展，并结合我国天然气资源形势和能源，指出21世纪我国天然气化工面临前所未有的良好发展机遇。最后，对我国发展天然气化工提出建议。
【关键词】天然气化工；技术进展；发展机遇
天然气供应量的增长为发展天然气化工创造了良好条件。世界上约有50多个国家不同程度地发展了天然气化工，年耗气量约为1400亿m3，约占世界总消费量的5％左右。全球天然气化工一次加 工品年总产量在1．6亿吨以上，包括合成氨(尿素)、 甲醇、乙烯(丙烯)、氢气和合成气(CO+H：)、乙炔、卤 代烷烃、氢氰酸、硝基烷烃、二硫化碳、炭黑等20多 种及大量衍生物。目前世界上76％的合成氨、80％的 甲醇由天然气为原料制取，天然气化工大有可为四。
1天然气化工的应用进展
天然气的化工利用按转化方式分类，可分为直接法和间接法两大类：直接转化法是天然气直接反应氧化制取乙烯、甲醇、芳烃等化工产品；间接转化法是天然气先制成合成气，由合成气再生产清洁油品、甲醇、低碳烯烃等化工产品直接转化法因生产流程短，有希望获得更好的经济效益，因此这方面是未来天然气化工的研究重点之一，主要方向有甲烷直接氧化制甲醇、甲醛、乙烯、芳烃等，但因副产物较多，反应不易控制，目的产物收率较低，目前还主要停留在实验室研究阶段。在间接转化法中，一般先将甲烷制成合成气( H：+CO)后，再制成液体燃料及其他化工产品，该技 术已成为目前天然气化工利用的主要技术路线。 1．1直接转化法
目前，直接转化法中主要有3种路线：一是天然气直接制甲醇和甲醛；二是天然气氧化偶联制乙烯；三是在无氧条件下天然气直接制芳烃。 1．1．1天然气直接转化制甲醇、甲醛
天然气经合成气制取甲醇工艺存在着投资费用高、工程设计复杂和生产成本高等缺点。因此。国内外都在探索由天然气一步合成甲醇的有效途径，并取得了一定进展。目前研究开发的方法有均相氧化和多相催化氧化两种方法，其中均相氧化工艺效 果较好，甲烷转化率可达4％-15％，甲醇选择性为 60％-90％。我国西北大学研究人员以磷钨酸为催化 剂，醋酸为液相试剂，进行了甲烷部分氧化
制甲醇 实验研究13j，在267℃-280'E、0．1MPa反应条件下， 甲烷转化率为26．61％，产物选择性为97．26％。UOP公司正在开发甲烷低温低压直接生产甲醇的新工艺，该工艺首先合成一种有机过氧化氢，然后使金属催化剂活化，把甲烷转化为甲醇，与间接法相比，预计投资可减少58％，能耗减少60％，CO：排放量减 少33％，甲醇生产成本可由80美元降至58美元／t。 1．1．2天然气氧化偶联制乙烯。
近年来随着全球化工市场的好转，由甲烷氧化 偶联(OCM)制乙烯的研究开发受到重视。目前已有 40多个国家的实验室对2000多种催化剂进行过试 验，开发出了很多新工艺。但是，由于甲烷氧化偶联 制乙烯反应属于表面引发气相自由基与气固相反 应相结合的机理，大量气相氧的存在使得自由基反 应难于控制，在制乙烯过程中，甲烷转化率低(小于 25％)，C：烃单程收率低(小于25％)，产物中乙烯含 量约4．9％，丙烯约0．4％，产品分离也较为困难【4】。因 此，尽管采用甲烷直接制低碳烯烃被认为是最佳工 艺路线，但至今与石脑油裂解相比，经济上仍不具 竞争力，难以满足工业化的技术经济要求，因此寻 找高活性、高选择性及长时间稳定性的催化剂体 系，仍是目前该技术研究的难点和热点。
1．1．3天然气直接制芳烃
甲烷直接催化转化制芳烃有两种方法：一种是氧化条件下的催化转化，一种是无氧条件下的催化 转化。在氧化条件下，目前已有的研究结果表明15-71， 甲烷合成芳烃的反应难以控制，不但甲烷的转化率 低，同时芳烃选择性及收率也难以达到有意义的开 发前景。在甲烷无氧芳构化研究方面，我国一直保 持国际领先水平。大连化物所开发出的Mo(VI)， HZSM．5催化剂18,91，在连续进料的固定床反应装置 上、反应温度973K时，苯收率超过7％，且连续反应 3h催化剂活性不下降。由于产物芳烃与原料气甲烷 易于分离，因此，较低温度下甲烷无氧芳构化的研 究已引起人们的关注。也就是说，无氧气氛下甲烷 在Mo／HZSM．5催化剂上的芳构化反应，为甲烷的直 接转化利用开辟了一条新途径。
1．2间接转化法
天然气问接转化是将天然气先转化成合成气，再进一步合成其它化工产品的技术路线，其中，合成气制备约占总投资和总成本的60％，所以研究开发合成气制备新工艺对于提高天然气化工利用的经济效益具有决定性作用。针对合成气造
气过程的节能降耗和促进氢碳比灵活调节，研究者们开发了对于合成气的进一步利用，目前国内外开发的技术可分3个不同阶段处于成熟阶段的是天然气生产甲醇和合成氨／尿素；处于成长阶段的是天然气制液体燃料(GTL)；处于待工业化阶段的 是天然气制二甲醚和烯烃(MTO)。 1．2．1天然气制甲醇和合成氨天然气生产甲醇和合成氨是目前天然气化工利用的最重要途径，技术成熟，已大规模组织生产。目前国外单套甲醇装置规模普遍在50万t／a一85万t，a，规模为170万t／a的装置近年也已建成投产。最近，ICI公司推出绿色甲醇工艺，不仅可减少天然气用量，而且减少C0：排放，已在加拿大建优化设计 装置。该绿色甲醇工艺生产1t甲醇仅产出100 kgCOz，而现在大多数甲醇装置产出CO：为300 kg～700 kg。
目前，世界甲醇生产技术研发动向为：一是生产装置趋于大型化，单系列1．7Mt／a装置已经投产，更大规模的装置也在拟建；二是开发无循环液相甲 醇生产工艺，进一步提高合成气的转化率和甲醇的选择性，降低投资和操作费用；三是在超临界条件下进行甲醇合成，利用超临界的特殊性能，提高反应物的单程转化率。
天然气是比煤和石油更好的生产合成氨的原料，生产技术成熟，投资和能耗低。合成氨技术发展主要体现在催化剂、造气、能量利用三方面。世界上主要的天然气制合成氨技术包括：(1)美国Kellogg公司的MEAP节能工艺；(2)美国Brown公司的低能耗深冷净化工艺；(3)英国ICI公司的AMV节能工艺和德国UHDE公司的UDHE—ICI-AMV工艺；(4)丹麦Topsoe公司低能耗工艺。其中Kellogg技术在 世界上应用最广，有160余套，总产能占50％左右。 2对发展我国天然气化工的发展建议 2.1保护天然气安全，夯实资源基础
目前亚太地区天然气贸易占全球总进口贸易量的66．7％，中国的加入很有可能让亚太地区成为世界天然气贸易的新中心，这将对敏感的能源地缘政治带来影响。近年来美国和欧洲大量购进天然气，国际天然气市场将很快由买方市场转向卖方市场。在不久的将来，我国天然气安全将和石油安全一样成为的重要组成部分。开发国际资源，取得安全、充足、稳定的天然气供应，以及在政治、外交和军事上的配合是维护天然气安全的主要内容。
2.2建立上、中、下游一体化的天然气工业体系
天然气自身的特性决定了发展天然气工业必 须上、中、下游一体化协调发展。没有上游气田探明 的天然气储量，就谈不上中游的管网建设以及下游 的综合利用；没有中游管网的建设，下游的天然气 市场就不能合理拓展，上游的储量就长期得不到开 发和利用，投入的资金将无法回收，从而影响企业 天然气开发的经济效益。只有将气田开发、管道建 设和市场销售有机结合起来，才能保障天然气工业 实现良性循环，在我国经济和社会可持续发展中发挥重要作用。 2.3在中、西部靠近气源的地区继续发展化肥工业合成氨和尿素
中国是世界合成氨生产第一大国，已拥有15套30万如以天然气为原料的合成氨装置，但仅占全国生产能力的17．8％。与煤、渣油生产合成氨工艺相比，在靠近气源的中、西部地区发展天然气制肥工业不仅有明显的环保优势，而且也具备一定的技术经济优势。同时，一定程度上也可缓解西气“富余”问题，促进中、西部落后地区的经济建设。
2.4加快天然气化工利用技术的研究开发步伐
国外天然气间接转化新技术研究开发方兴未艾，有的技术已开始进入工业化生产阶段，而我国在这方面的研究差距还较大。我国应密切跟踪国际天然气化工利用新技术的开发动态，合理利用其成果，同时要加大国内科研开发的力度，有重点地突破较有希望的科研成果，尽快转化为现实生产力。对于国内已有一定科研基础或成果的技术，如蒸汽转化和部分氧化相结合的天然气制合成气、甲醇下游产品技术等，要努力通过产学研紧密结合，积极进行科技攻关，尽快形成具有自主知识产权的核心技术，争取早日实现工业化；对于一些前沿性技术，如天然气制合成油、制低碳烯烃、制二甲醚、制芳烃等，我国应将其列入国家重点科技攻关研究项目，集中力量，加快研究开发的步伐，争取早日开发出具有国际竞争力、拥有自主知识产权的核心技术，为我国天然气化工的发展做好技术储备。
参考文献
【l】 陈庆龄，钱伯章．天然气化工发展现状叨．现代化工，2002， 22(5)：I-4． 【2】 钱伯章．天然气化工的技术和经济分析m．化工技术经 济，2004，22(2)： 35-38．
【3】 ，陈立宇，张秀成，等．磷钨酸催化剂部分氧化甲烷 合成甲醇的探索性实验研究忉．天然气化工，2006，31(2)：44-48．
【4】 曹发海，范权，王升．由天然气制低碳烯烃的技术前景 叨．中氮肥，2001，6(1)：1-5．