北美天然氣制油產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展

北美天然氣制油產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展

原油是從采礦板巖中分離出來(lái)的天然氣后，剩余組分在冷卻、脫氮和去除co的過(guò)程中可以分離得出甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。北美絕大部分頁(yè)巖氣中甲烷的含量在85%(φ)以上,乙烷、丙烷和丁烷的含量依次遞減。2009年以來(lái),美國(guó)和加拿大的頁(yè)巖氣開(kāi)采呈爆炸式增長(zhǎng),給北美地區(qū)帶來(lái)了非常廉價(jià)的石油化工原料,因此該地區(qū)的基礎(chǔ)化工行業(yè)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇,其中,以甲烷為原料可進(jìn)行天然氣制甲醇(GTM)、天然氣制油(GTL)、天然氣制乙烯(OCM)工藝。全球的石化行業(yè)巨頭均計(jì)劃在北美新建各類裝置,以獲得廉價(jià)的甲醇、乙烯、丙烯和丁烯產(chǎn)品。本文分別從甲烷、乙烷、丙烷和丁烷4個(gè)方面詳細(xì)闡述北美頁(yè)巖氣化工產(chǎn)業(yè)鏈的最新進(jìn)展。低廉而穩(wěn)定的頁(yè)巖氣供應(yīng)將使北美地區(qū)未來(lái)在全球的甲醇、乙烯、丙烯和丁烯等基礎(chǔ)化工原料市場(chǎng)上占據(jù)絕對(duì)的成本優(yōu)勢(shì)。1甲醇產(chǎn)業(yè)鏈1.1美國(guó)甲醇和丙二醇甲醇2013年全球甲醇市場(chǎng)基本呈供不應(yīng)求的態(tài)勢(shì),尤其是亞洲地區(qū)2013年下半年甲醇價(jià)格一直處于高位,除了傳統(tǒng)的甲醛、醋酸、甲基叔丁基醚、甲基丙烯酸甲酯等產(chǎn)品的消費(fèi)量穩(wěn)步上升以外,甲醇制汽油、甲醇摻混汽油、甲醇制烯烴(MTO)、二甲醚等非傳統(tǒng)產(chǎn)品逐漸成為甲醇消耗的新增長(zhǎng)點(diǎn),并且未來(lái)這些領(lǐng)域的需求量將快速增長(zhǎng)。受美國(guó)環(huán)保和產(chǎn)業(yè)政策的影響,北美地區(qū)未來(lái)發(fā)展甲醇非傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性很小,而中國(guó)非傳統(tǒng)領(lǐng)域的消費(fèi)量則會(huì)有很大的增幅。據(jù)統(tǒng)計(jì),2013年中國(guó)甲醇總產(chǎn)量約為28.78Mt,平均開(kāi)工率約為60%,而同期消費(fèi)量約為30Mt。2013年中國(guó)機(jī)動(dòng)燃料對(duì)甲醇的需求已達(dá)到9Mt左右,未來(lái)3～5年內(nèi)需求量將超過(guò)傳統(tǒng)領(lǐng)域的消費(fèi)量。2016年前中國(guó)大陸僅MTO領(lǐng)域?qū)状嫉男略鲂枨髮⑦_(dá)到15Mt。未來(lái)甲醇制芳烴(MTA)也將進(jìn)一步增加中國(guó)對(duì)甲醇的需求。盡管中國(guó)大陸還有相當(dāng)一部分甲醇產(chǎn)能未釋放,但中國(guó)甲醇基本以煤為原料,在環(huán)保和生產(chǎn)成本的雙重壓力下,未來(lái)這部分產(chǎn)能很難得到真正釋放。北美地區(qū)各大甲醇生產(chǎn)商積極獲取廉價(jià)的天然氣資源,大量改擴(kuò)建或新建GTM裝置。2013—2017年北美新增的GTM裝置情況見(jiàn)表1。從表1可看出,2013—2017年,北美新增的GTM裝置產(chǎn)能高達(dá)12.24Mt,并且均集中在墨西哥灣地區(qū)。IHSChemical數(shù)據(jù)顯示,美國(guó)2013年甲醇的消耗量?jī)H為6.5Mt,而中國(guó)2014年甲醇消耗量預(yù)計(jì)將超過(guò)32Mt,并預(yù)計(jì)到2022年中國(guó)的甲醇消耗量將達(dá)到97Mt。由此可見(jiàn),未來(lái)北美可能會(huì)繼續(xù)有新的GTM裝置開(kāi)工建設(shè)。近年來(lái)中國(guó)沿海地區(qū)有多套MTO和MTA裝置在建或已建成,為了可長(zhǎng)期獲得廉價(jià)甲醇,這些企業(yè)也積極尋求在北美地區(qū)自行建設(shè)GTM裝置,如NWIW公司計(jì)劃在美國(guó)西北海岸分別新建2套5kt/d的GTM裝置,預(yù)計(jì)2018年前實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行。這2套裝置生產(chǎn)的甲醇將運(yùn)到中國(guó)大連作為MTO和MTA裝置的原料。1.2美國(guó)gtl裝置GTL工藝可將天然氣轉(zhuǎn)換成液體燃料。能商業(yè)化運(yùn)行此工藝的只有Sasol,Shell,Velocys公司。Sasol和Shell公司專注大型的GTL裝置,而Velocys公司專注小型模塊化的GTL裝置。近幾年來(lái)GTL工藝在催化劑壽命、催化劑效率及費(fèi)托合成反應(yīng)器設(shè)計(jì)能力方面都有了較大的提升,因此在北美地區(qū)逐漸引起關(guān)注。Sasol公司計(jì)劃在美國(guó)和加拿大分別建GTL裝置,其中,美國(guó)的GTL裝置產(chǎn)能為4Mt/a汽油和柴油,日產(chǎn)量96000桶,該裝置將是繼Shell公司GTL裝置后世界第二大裝置,總投資預(yù)計(jì)為110～140億$。加拿大的裝置分兩期,一期日產(chǎn)52000桶,二期產(chǎn)能翻倍。Shell公司2013年9月曾宣布將在美國(guó)建設(shè)一套GTL裝置,但由于裝置總投資上升至200億$,該計(jì)劃被放棄。大型GTL裝置存在很多制約因素,如投資很高、需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的廉價(jià)天然氣供應(yīng)等。Shell公司在卡塔爾的GTL裝置所需的天然氣原料幾乎為免費(fèi)供應(yīng),但在美國(guó)未必能獲得長(zhǎng)久的天然氣穩(wěn)定供應(yīng)。此外,GTL裝置的碳排放量很大,卡塔爾GTL裝置的碳排放比普通的石油基液體燃料高20%～25%。美國(guó)未來(lái)有可能因?yàn)樘寂欧艈?wèn)題阻止GTL裝置在其國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。小型GTL裝置由于投資低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低廉,故擁有該技術(shù)的專利商眾多,但目前真正能商業(yè)化運(yùn)行的只有Velocys公司。近幾年北美很多小的油氣田開(kāi)發(fā)商計(jì)劃利用Velocys公司的微通道反應(yīng)器技術(shù)建設(shè)小規(guī)模的GTL裝置。如Pinto能源公司準(zhǔn)備利用該技術(shù)在俄亥俄州新建2800桶/d天然氣合成油廠和更小型的GTL裝置。Ventech公司也計(jì)劃利用該技術(shù)新建1400桶/d的天然氣合成油廠。1.3利用ocm催化劑生產(chǎn)乙烯OCM工藝為氧化耦合反應(yīng),由于OCM工藝的目的產(chǎn)物乙烯和乙烷的活性遠(yuǎn)高于甲烷的活性,因此要獲得高的乙烯選擇性,除了尋找更有效的催化體系外,更重要的是設(shè)計(jì)新的反應(yīng)器,通過(guò)及時(shí)取走反應(yīng)放出的強(qiáng)熱,降低產(chǎn)品分離費(fèi)用或開(kāi)發(fā)無(wú)分離循環(huán)過(guò)程,降低純氧價(jià)格,以達(dá)到工業(yè)化的經(jīng)濟(jì)可行性。Siluria技術(shù)公司在OCM工藝上取得了很大的突破,該公司利用高通量篩選確定了一種生物納米催化劑,該催化劑活性比現(xiàn)有的催化體系高100倍,不但用量很少,而且壽命更長(zhǎng),反應(yīng)溫度降低200～300℃,產(chǎn)品基本只含乙烯和乙烷,后處理相對(duì)乙烷裂解更簡(jiǎn)單。該公司還對(duì)反應(yīng)器做了全新設(shè)計(jì)。改進(jìn)的催化體系與全新的反應(yīng)器配合使用后,一套工業(yè)規(guī)模的OCM裝置在固定投資和操作成本上將比石腦油裂解裝置節(jié)省10億$,比乙烷裂解節(jié)省2.5億$。由于OCM工藝采用非常豐富的天然氣為原料,因此適用范圍比現(xiàn)有的乙烷裂解裝置廣泛。目前Siluria技術(shù)公司正和Braskem公司共同建設(shè)一個(gè)OCM商業(yè)化驗(yàn)證裝置,乙烯設(shè)計(jì)產(chǎn)能為0.8t/d,預(yù)計(jì)2014年第4季度運(yùn)行。如可行性研究順利,Siluria技術(shù)公司將在2015年上半年開(kāi)始建設(shè)34～68kt/a的工業(yè)化裝置。OCM裝置的乙烯產(chǎn)能目前還無(wú)法與傳統(tǒng)乙烯裝置相比,但可使中等以下規(guī)模的天然氣供應(yīng)商將甲烷轉(zhuǎn)換成高附加值的乙烯,進(jìn)而生產(chǎn)下游燃料或化工中間體,未來(lái)隨工業(yè)裝置的進(jìn)一步放大,很有可能達(dá)到現(xiàn)有的乙烯裝置規(guī)模。Siluria技術(shù)公司正在開(kāi)發(fā)乙烯制燃料油技術(shù),以期最終形成甲烷-乙烯-燃料油的天然氣制汽柴油的新工藝,該工藝相比費(fèi)托合成法的GTL工藝,投資成本節(jié)省25%～30%。2乙烷產(chǎn)業(yè)鏈2.1乙烷催化氧化脫氫傳統(tǒng)的乙烷制乙烯技術(shù)需在高溫(800℃以上)下裂解,原料為純度很高的乙烷,能耗高,CO2排放量也較大。為減少溫室氣體排放、降低能耗、提高乙烯產(chǎn)品的選擇性和轉(zhuǎn)化率,Linde,AitherChemical,Lyondellbasell&BASFQtech&QuantiamTechnologies等公司均開(kāi)始研究新的乙烷制乙烯工藝。Linde公司開(kāi)發(fā)了以Mo-V-Te-Nb為催化體系的乙烷催化氧化脫氫工藝,該工藝在350～400℃下即可反應(yīng),乙烷選擇性達(dá)95%以上,轉(zhuǎn)化率達(dá)40%,溫室氣體排放大幅降低。AitherChemical公司開(kāi)發(fā)的乙烷催化氧化脫氫工藝相比傳統(tǒng)的高溫裂解工藝能耗降低80%,溫室氣體排放減少90%,即使排放的CO2或CO也可直接作為純凈氣回收用于其他化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。Lyondellbasell&BASFQtech&QuantiamTechnologies公司準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)的新一代乙烷催化裂解工藝基于BASFQtech公司早期的乙烷和石腦油混合催化裂解技術(shù),該工藝可減少乙烷裂解裝置的能源消耗和溫室氣體排放?？傮w來(lái)看,乙烷催化裂解和催化氧化脫氫未來(lái)必然是一個(gè)更具優(yōu)勢(shì)的乙烯生產(chǎn)工藝,但這些工藝即使實(shí)現(xiàn)工業(yè)化后,也很難在短期內(nèi)達(dá)到現(xiàn)有乙烷裂解裝置的生產(chǎn)規(guī)模,因此未來(lái)新建的乙烷制乙烯裝置仍主要采用傳統(tǒng)的高溫裂解工藝。2.2美國(guó)頁(yè)巖氣礦區(qū)的乙烷原料2014—2020年北美新建和擴(kuò)建的乙烷裂解裝置情況分別見(jiàn)表2～3。從表2～3可看出,北美2014—2020年新增和擴(kuò)建的乙烷裂解裝置至少有20套,基本集中在美國(guó)頁(yè)巖氣礦區(qū)中乙烷含量最高的Marcellus和Eagleford兩個(gè)頁(yè)巖氣礦區(qū),乙烷含量(w)分別達(dá)到11.3%和13.8%。廉價(jià)且充足的乙烷原料不僅吸引美國(guó)本土的投資,全球其他公司也積極在北美獨(dú)資或合資新建乙烷裂解裝置。巴西Braskem公司和墨西哥Idesa公司于2012年開(kāi)始在墨西哥新建一個(gè)1.05Mt/a的乙烷裂解裝置,預(yù)計(jì)2015年中投產(chǎn)。該裝置的乙烷原料由墨西哥Pemex氣體公司管道輸送,每天供應(yīng)乙烷66000桶。其下游是2套高密度聚乙烯和1套低密度聚乙烯裝置。2.3美國(guó)北可口可樂(lè)乙烷需求分析及丙烯成本分析2.3.1美乙烷過(guò)剩嚴(yán)重2012年,美國(guó)的乙烷產(chǎn)量為971000桶/d。2013—2015年,美國(guó)新增的乙烷需求約為137000桶/d。據(jù)預(yù)測(cè),2014和2015年分別將有449000,545000桶/d的乙烷被浪費(fèi)。由表2～3可知,如到2018年所有計(jì)劃新建和擴(kuò)建的乙烷裂解裝置正常運(yùn)行,屆時(shí)美國(guó)乙烯產(chǎn)能將至少新增10Mt,對(duì)應(yīng)乙烷新增的需求量為670000桶/d,所以2018年以后美國(guó)的乙烷產(chǎn)能能否滿足其國(guó)內(nèi)新增乙烯裝置的需求還是未知狀態(tài)。北美以外的乙烯生產(chǎn)商,要想獲得廉價(jià)的乙烷資源,必須在美國(guó)新建的乙烯裝置投產(chǎn)之前鎖定資源。Ineos公司2012年開(kāi)始先后與SunocoLogisticPartners,RangeResourcesCorporation,Denmark’sEvergas,ConsolEnergy等公司協(xié)定從美國(guó)東海岸出口乙烷到其歐洲的乙烯裝置。Versalis和Borealis公司也計(jì)劃從美國(guó)進(jìn)口乙烷。由于新增乙烯產(chǎn)能較少,而頁(yè)巖氣乙烷產(chǎn)能過(guò)大,因此2014—2016年北美乙烷過(guò)剩嚴(yán)重。但預(yù)計(jì)2017年后北美的乙烷供需基本上維持平衡,屆時(shí)美國(guó)的乙烷是否會(huì)出口需考慮北美乙烷未來(lái)幾年的新增量、出口設(shè)施以及船運(yùn)能力等綜合因素。2.3.2乙烯生產(chǎn)廢水中東的乙烷是油田伴生氣的副產(chǎn)品,非常廉價(jià),因而其乙烯成本很低廉。北美頁(yè)巖氣開(kāi)采量的暴漲也使北美乙烷裂解裝置的乙烯成本大幅降低。2013年全球各地區(qū)不同路線乙烯的生產(chǎn)成本見(jiàn)圖1。從圖1可看出,2013年中東乙烯的生產(chǎn)成本僅為100$/t,美國(guó)和加拿大的乙烯成本基本維持在300$/t左右,而其他地區(qū)以LPG和石腦油為原料的乙烯成本均在900$/t以上。但據(jù)IHSChemical2014年全球乙烯市場(chǎng)分析報(bào)告稱,未來(lái)中東地區(qū)的乙烷供應(yīng)將逐漸緊張,眾多的乙烯裝置也將逐漸使用石腦油和LPG為原料,在中東乙烷資源優(yōu)勢(shì)逐漸減弱的情況下,未來(lái)美國(guó)乙烷為原料的乙烯成本將顯示絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。3聚丙烷原料/減碳鹽pdh裝置乙烷不能作為一種穩(wěn)定的能源供應(yīng),而且其出口設(shè)施和運(yùn)輸相對(duì)丙烷復(fù)雜。丙烷除了生產(chǎn)丙烯外,還可作為穩(wěn)定的清潔能源供民用和工業(yè)使用。美國(guó)2011年和2015年丙烷的供求情況見(jiàn)圖2。從圖2可看出,美國(guó)大部分丙烷用于居民和商業(yè)、裂解原料,小部分用于出口和丙烷脫氫領(lǐng)域。近年來(lái),一方面北美頁(yè)巖氣副產(chǎn)了大量的丙烷資源;另一方面,全球丙烯下游需求快速增長(zhǎng)使得傳統(tǒng)工藝的丙烯產(chǎn)能無(wú)法滿足市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)。自2011年以來(lái),中國(guó)和美國(guó)陸續(xù)有多套丙烷脫氫(PDH)裝置開(kāi)始新建。預(yù)計(jì)2015年底前中國(guó)投產(chǎn)的PDH產(chǎn)能約4Mt,對(duì)應(yīng)的丙烷需求量為4.8Mt。中國(guó)石化近期與美國(guó)Phillips66公司簽署了丙烷長(zhǎng)期購(gòu)銷合同。汽油品質(zhì)的提升使中國(guó)石化煉廠的丙烯產(chǎn)量日趨減少,因此不排除未來(lái)中國(guó)石化也會(huì)新建PDH裝置。美國(guó)目前僅有一套運(yùn)行的PDH裝置。該裝置采用Lummus公司的Catofin工藝,產(chǎn)能為658kt/a,未來(lái)可能至少有4～5個(gè)PDH裝置會(huì)真正投產(chǎn)。Williams公司已宣布延遲其PDH裝置的運(yùn)行。2015—2016年北美計(jì)劃新增的PDH裝置見(jiàn)表4。從表4可看出,北美未來(lái)新增的PDH裝置數(shù)量遠(yuǎn)沒(méi)有乙烷裂解裝置多,主要原因可能是:1)丙烷的用途相對(duì)豐富,可用作燃料供應(yīng)或作為煉廠裂解裝置原料。2)相比全球其他地區(qū),未來(lái)美國(guó)丙烷的價(jià)格優(yōu)勢(shì)并不像乙烷那樣明顯,因此美國(guó)的PDH裝置的成本優(yōu)勢(shì)不如乙烷裂解裝置,美國(guó)更愿將丙烷直接出口到中國(guó)這樣的目的市場(chǎng)。3)美國(guó)市場(chǎng)丙烯的缺口比中國(guó)小,2012年美國(guó)的丙烯缺口約為2.73Mt,而同期中國(guó)的缺口為5Mt。4丁烷產(chǎn)業(yè)鏈4.1正丁烷脫氫制丁二烯裝置北美廉價(jià)的頁(yè)巖氣使大量的裂解裝置原料由石腦油轉(zhuǎn)換成乙烷,因此丁二烯產(chǎn)品收率大幅降低。2020年美國(guó)的丁二烯需求將達(dá)到2.4Mt/a,而同期其產(chǎn)能僅為1.9Mt/a。北美TPC集團(tuán)的丁二烯專產(chǎn)裝置技術(shù)為:頁(yè)巖氣分離的正丁烷先脫氫生產(chǎn)正丁烯,然后再氧化脫氫生產(chǎn)丁二烯,該裝置產(chǎn)能為270kt/a,預(yù)計(jì)2016年末投產(chǎn)。盡管北美未來(lái)丁二烯短缺,但正丁烷脫氫或正丁烯脫氫制丁二烯成本都比較高昂。根據(jù)IHSChemical測(cè)算,當(dāng)丁二烯價(jià)格保持在2500～3000$/t時(shí),正丁烷脫氫制丁二烯裝置才能有贏利。此外一套400kt/a的正丁烷脫氫裝置的投資比相同規(guī)模的PDH裝置高大約10億$。而正丁烯脫氫制丁二烯裝置的生產(chǎn)成本約為2000$/t。Lummus公司擁有最成熟的正丁烷一步法脫氫制丁二烯技術(shù),但只在俄羅斯有2套該類裝置運(yùn)行,主要原因可能還是生產(chǎn)成本過(guò)高,未來(lái)美國(guó)是否會(huì)有新的正丁烷脫氫裝置要看丁二烯價(jià)格的走勢(shì)和全球的丁二烯供需情況