近日,上海寰球工程公司具有自主知识产权的天然气转化合成气制油(GTL)技术工艺通过行业专家评审,已具备工业化应用条件。这项技术为中国石油开拓天然气资源综合利用业务奠定了基础,标志着中国石油成功跻身壳牌等少数几家掌握这项技术的国际石油公司行列。
顾名思义,天然气制油就是利用天然气生产汽柴油等液体燃料。壳牌公司的行车试验表明,不采用过滤器时,使用GTL柴油比传统柴油减排氮氧化物16%,减排颗粒物质23%;采用过滤器时,氮氧化物减排20%,颗粒物质减排97%。且GTL不需要特殊的加油站,也不需要对汽车发动机进行改造,是一种优势非常明显的替代燃料。
近年来,为了使远离消费市场和港口、建长输管道又不经济的偏远气田的天然气发挥经济效益,减少油田伴生气放空燃烧造成的浪费,推动清洁燃料的生产与利用,许多大公司致力于GTL的技术创新。
就目前而言,GTL技术的分项技术,即气体深度净化、合成气制造、合成油生产、合成油加工等技术均已成熟。然而,GTL技术为何迟迟难以进行商业化推广?中国石油大学(北京)化学工程学院副教授余长春表示,GTL技术商业化生产的障碍多源自产品方案、天然气价格和高昂的投资费用。
余长春介绍,GTL的两头,即天然气制合成气,以及合成油的下游加工都需要大量投资。目前在卡塔尔实现商业化的奥里克斯(Oryx)项目是卡塔尔石油公司和萨索尔公司合资建设的天然气制合成油公司,拥有世界上最大的从天然气生产合成油的装置。奥里克斯项目3.4万桶/日的投资费用高达59亿美元,14万桶/日的投资费用高达190亿美元,大大超出初期估算的50亿美元。这一项目代表了当今最先进、规模最大的GTL技术。由此可以预见,中短期内GTL成本高的瓶颈难以突破。
尽管GTL成本高昂,但由于其优势众多,壳牌、埃克森美孚、雪佛龙、萨索尔等国际能源巨头纷纷参与GTL技术研发与项目建设。“简单来讲,GTL可以实现油品来源的多元化,保障能源安全。同时,通过这一过程生产的清洁油品可以生产一系列高值化学品,如润滑油基础油、钻井液、特种石蜡、α-烯烃等。”余长春说。
除了多元化的产品优势,原料来源广泛也是GTL的优势之一。根据《2013BP世界能源统计年鉴》,全球石油储采比为52.9,我国石油储采比为11.4;全球天然气储采比为55.7;我国天然气储采比为28.9。相对而言,天然气资源在储量上比石油更具优势。此外,天然气资源除了传统的气田气和油田伴生气之外,页岩气、煤层气、天然气水合物甚至生物天然气都可为GTL提供原料。
“具体来说,GTL涉及天然气制合成气和合成气制油两项关键技术,其中,天然气制合成气是所有天然气间接转化利用的核心技术,是天然气化工的龙头技术。合成气制油可以生产超清洁汽油、航煤、柴油、烯烃和高值化学品,是一项普适性很强的碳—化工技术,可以利用天然气、页岩气、煤炭甚至生物质等不同原料气化制取的合成气生产油品和化学品,实现合成油原料来源的多元化。”余长春介绍。
目前,全球现有大规模GTL装置主要有壳牌和萨索尔的5套基于低温费托合成的商业化生产装置,主要产品为超清洁航煤和柴油,副产高附加值的润滑油和石蜡等。余长春认为,借鉴国外较为成熟的项目经验,我国未来GTL的发展需要思考以下三个问题。
其一,从我国化石能源利用、天然气价格和国家政策等方面来讲,天然气制油在未来很长一段时间内都不可能在国内得到商业化应用。
其二,从原料来讲,我国天然气制油领域可能获得的突破是大型能源企业在海外拥有廉价且远离我国大陆的天然气产区,GTL技术在这些地区可能获得商业化应用并得到不断完善。
其三,鉴于车用能源的多元化发展,混合动力逐渐用于汽车等交通工具,但GTL技术生产清洁汽油和柴油的可行性和经济性都不大。大规模GTL项目应以航空煤油为主要产品,小规模GTL项目则应主要生产高附加值化学品。
康菲公司在22个国家招聘了80多位专家,开发天然气催化部分氧化技术和低温悬浮床合成油技术,评价了5000多种催化剂,花费7500万美元建设了一套400桶/日中型试验装置进行试验,但其开发的技术至今尚未实现工业应用。
要有经济规模
壳牌公司认为,GTL厂的经济规模应达到7万桶/日,目的是实现上下游一体化生产,并使下游的GTL厂与LNG厂发挥协同作用,这样可以降低20%的总投资,GTL厂的投资就可以降到小于或等于2万美元/桶·日。
要有廉价稳定的气源
以目前的技术,每生产1立方米合成油要用1761立方米天然气。一座生产能力为3万桶/日(约150万吨/年)的GTL工厂,年用气量为31亿立方米,若生产25年就要用气770亿立方米。天然气价格必须在0.5美元/MBtu至1美元/MBtu之间,否则GTL厂就不能生存和发展。
发展GTL的思考与启示
近年来,随着天然气快速上产和北美页岩气开发引发的能源革命,天然气转化合成气制油技术开发备受石油公司重视。然而,考虑到GTL建厂面临的巨额投资及种种风险,借鉴壳牌、埃克森美孚、雪佛龙、萨索尔等国际能源巨头的经验,发展GTL需解决5个方面的问题。
产品方案要适应市场需求
目前大多数GTL厂是以生产市场需求量大的柴油和石脑油为主,而且70%是柴油,在市场有需求时才生产少量润滑油基础油或石蜡,主要原因在于润滑油基础油和石蜡的市场需求有限,而且各大公司占有的市场份额难以扩大。
合资建厂条件苛刻
GTL技术是相关大公司的核心技术,一般不进行转让。卡塔尔能与大公司以51∶49的比例合资建厂,主要原因是卡塔尔拥有丰富廉价的天然气资源,且气田均由相关公司开发经营。尼日利亚能对外合资建厂,也主要因为其Escravos油田由雪佛龙公司开发经营,尼日利亚与外方合资的比例为25∶75。
风险预测
技术风险
埃克森美孚开发的GTL整套技术只通过了200桶/日中型试验。虽然加工合成油的加氢异构化技术已有工业生产经验,但生产合成气的流化床自热转化技术和生产合成油的低温悬浮床合成技术要放大近100倍左右,生产装置顺利运转存在一定风险。
投资风险
新技术在工业应用工程放大过程中总会遇到一些预想不到的问题,不可避免地要增加10%至20%的投资。GTL厂生产能力扩大后,合成反应副产水的数量增多,3.4万桶/日的合成油工厂,副产水就多达5670吨/日。水资源的利用、处理就是一项复杂工程。
原料气价格和供应风险
卡塔尔的GTL厂用924万立方米/日天然气生产3.4万桶/日GTL,生产25年需要用天然气850亿立方米,由埃克森美孚与卡塔尔石油公司合资的RasLaffan气田供气,气价为0.5美元/MBtu至1美元/MBtu,由卡塔尔石油公司确保供气。
油品价格风险
在未来20年至30年内,GTL厂生产的柴油和石脑油将只占油品市场的一小部分,不可能对油品市场价格构成大的影响。原油价格决定油品市场价格。在目前的高油价时期,如果低气价不变,能够保证GTL工厂盈利。一旦气价大幅度上扬,即使油品价格随原油价格上调,也难以确保GTL厂盈利。
政治和安全风险
在评估建设GTL厂的商业和技术风险的同时,还必须考虑(甚至有时还必须优先考虑)政治风险。伊朗拥有仅次于俄罗斯的世界第二大未开发的天然气储量,但由于美国至今还限制在伊朗境内的大规模投资,这使其丰富的天然气资源难以变成财富。