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1、天然气制合成油的技术经济分析杨波（中国石油乌鲁木齐石化公司，830019）摘要：天然气制合成油（GTL）最近几年一直是业内广为关注的焦点，文章对世界各大石油公 司的GTL技术进行了比较分析，从技术经济角度论证了现阶段建设相应规模GTL装置的可行性。关键词：GTL天然气合成油技术经济分析天然气制合成油（GTL）最近几年一直是业内广为关注的焦点。目前世界天然气探明储 量达138.47x1（）12 m3,还有潜在储量252x1（）12若以年消耗天然气2xl（）i2 计，目前的探明储量够用70年，潜在储量够用126年，二者合计够用196年。此外，世界上还有大 量的煤层气可供利用。用天然气合成石油按照目
2、前的技术，1 900 m3天然气可合成1 t石油。 按照目前掌握的探明储量加潜在储量可以生产上千亿吨的合成石油，而且合成石油的质量远 高于天然石油，为生产清洁汽油以及柴油提供了合适的原料。合成油最重耍的优点是不含硫以及氮以及银杂质和芳煌等非理想组分，属于清洁燃料, 完全符合现代发动机的严格要求和日益苛刻的环境法规。例如，欧盟柴油含硫量将从目前 350x10-6逐渐减小,到2005年为50义106, 2008年为30义106；美国柴油含硫也将从现在 的500x10-6逐渐减小，到2006年为15x10-6。通过费一托法工艺将天然气转化成合成油的柴 油燃料含硫小于1x10-6,芳烧含量小于1% （
3、体积百分数），十六烷值大于70，为生产清 洁燃料开辟了一条新途径。但目前GTL工业化产能仍然进展不大，迄今为止全世界投用的GTL项目产能仅约为2 400 kt/ao虽然业内人士始终对GTL未来前景保持乐观，认为未来10年GTL项目将有较大 发展。但是也存在一些制约GTL项目发展的因素，主要有：（l）GTL装置投资大，成本 高；（2）工艺不成熟；（3）天然气价格高。下面我们就此作一详细分析探讨。1工艺技术分析1.1 GTL工艺流程天然气制合成油（GTL）始于20世纪80年代末90年代初。现有三套装置：新西兰 蒙特尼650 kt/a装置建于1985年，采用美孚公司技术（由甲醇通过分子筛催化剂生产汽
4、油）； 南非莫塞尔湾1 240kt/a装置和马来西亚民都鲁540kt/a装置（均采用费-托合成技术），建 于1993年，分别采用萨索尔和壳牌公司工艺。三套装置的单位生产能力投资分别为每天10.2 以及12.7和12.5万美元/桶。鉴于第一代GTL装置存在的投资较高问题，现正在开发第二代GTL技术。可提供技 术的公司见表lo表1世界各大石油公司的GTL技术一览表工艺技术公司完整GTL技术萨索尔（Sasol）以及壳牌（Shell）以及埃克森（Exxon）以及合成油（Syntroleum）合成气技术德士古（Texaco）以及鲁奇（Lurgi）以及克鲁帕/乌特（Krupp/Uhde）F-T合成技术Re
5、ntech公司以及Intevep公司GT L装置主要由合成气生产以及F-T合成以及合成油处理以及反应水处理四部分组 成，其流程见图lo石脑油煤油汽油润滑油:蜡图1 G T L装置流程不意图1.2 合成气生产在GTL工艺中，合成气生产过程的装置投资约占总投资的60%,其生产成本也约占总 生产成本的60%,因而降低合成气生产过程的装置投资和生产成本，对于提高GTL的经济 效益具有决定性的作用。合成气生产方法主要有蒸汽转化法(SMR)以及部分氧化法(POX)和自热转化法(ATR)。天然气水蒸汽重整法制备合成气是强吸热反应，反应过程需要大量吸热，能耗高，该反 应属慢速反应，生产装置规模大和投资高，反应
6、所得合成气H2/CO比过高，一般大于3/1 (无 CO2回收时)，不适合作合成油的原料气。天然气纯氧催化部分氧化法为温和放热反应，反应可在极大空速下进行，所得合成气 H2/CO比一般低于2/1,反应温度在1 2001 500 o自热转化法是将蒸汽转化法和部分氧化法结合在一步进行的合成气新工艺，它具有反应 温度低，氧气消耗少，H2/CO比为2/1,组成适合于制备合成油等优点。在POX和ATR法 中，纯氧制备需要昂贵的空分设备投资和增加制氧成本。Syntroleum公司改进的ATR法使用空气代替氧气，避免了纯氧制备。由于系统是自身 热平衡的，省去了热转移系统，ATR反应器更简单，小型化。水碳比低于
7、传统的ATR法， 从而显著提高了其经济性。通过选择合适的水碳比以及氧碳比和反应温度，可获得理想的合 成油原料气。不过由于尾气不能循环，天然气的有效利用率不够高。Air Products公司开发的离子传递膜用于合成气的生产技术(简称ITM Syngas),在大 于700 高温下利用该技术，可以省去制氧厂以及合成气的其他流程。其特点在于氧气流 量较高，用浆态反应器来合成液态烧。使用该技术成本可降低25%,生产的优质液体燃料 可以与价格为20美元/桶或更低的原油竞争。1.3 FT合成工艺合成气在催化剂作用下转化为液体煌的方法，是由德国科学家Frans Fischer和Hans Topsch于1923
8、年发明的，简称F-T合成。世界各大石油公司均投入了巨大的人力物力开发 F-T合成的催化剂和工艺，并已取得了突破性进展，下面主要介绍萨索尔(Sasol)以及壳牌 (Shell)以及埃克森(Exxon)以及合成油(Syntroleum)以及Rentech公司以及Intevep公司的相关 工艺情况。1.3.1 埃克森(Exxon)的AGC-21工艺Exxon 的 Advanced Gas Conversion for the 21sl century 技术,简称 AGC-21 技术。Exxon 在过去的20多年中花费了 3亿美元用于发展AGC-21技术，拥有该技术相关的400个美国 专利和1 500
9、个国际专利，1990-1993年在Baton Rouge LA炼厂的200桶/d中试装置中，进 行了 3年实验，现号称拥有设计能力50 000桶/d以上GTL装置。其工艺过程是天然气以及氧气和水蒸汽在一个新型的催化部分氧化反应器中反应，生成 H2/C0接近2/1的合成气，然后在装有钻基催化剂的浆态反应器内经F-T反应，生成以蜡为 主的烧类产物，经固定床加氢异构改质为液态燃产品出售。1.3.2 壳牌(Shell)的SMDS工艺Shell 的 Shell Middle Distillate Synthesis 技术，简称 SMDS 工艺。Shell 使用 SMDS 工艺 在马来西亚的民都鲁(Bin
10、tulu)建设的GTL工厂于1993年5月投产，总投资8.5亿美元, 生产能力为12 500桶/d,装置的单位投资为每天6.8万美元/桶。Shell通过大量的生产运行 及建设经验，认为大规模GTL装置(50 000桶/d)的单位投资可降至每天2.6万美元/桶。其过程是使用壳牌气化工艺将天然气以及氧气和水蒸汽在气化炉中反应，生成的合成气 在装有钻基催化剂的列管式固定床反应器内经F-T反应，生成重石蜡，再经加氢裂化以及分 微，生产不同液态燃产品出售。1.3.3 萨索尔(Sasol)的SSPD工艺南非萨索尔公司于1955年至今使用F-T合成工艺以煤为原料生产各种油品，公司拥有 萨索I以及萨索H和萨索
11、III等三套装置，总建设费用约为60亿美元，大规模生产合成油品 和相关产品，目前每年生产出7 100 kt油品和相关化学品。2001年销售额为53.99亿美元, 营业利润达到14亿美元。Sasol Slurry Phase Distillate技术，简称SSPD工艺，它包括三个阶段，第一步天然气转 化为合成气，第二步在悬浮态反应器进行F-T合成获取石蜡烧，第三步中间微分的分饰。萨 索尔公司将其技术转让给南非Mossgas公司，建成1 240 kt/a装置，将海洋天然气转化为合 成油，是目前世界上利用F-T技术的最大规模的GTL装置。1.3.4 Syntroleum 工艺合成油(Syntrole
12、um)公司成立于1984年，建有2桶/d的GTL示范装置。Syntroleum公 司的合成气生产采用自有的ATR工艺，采用空气代替氧气自热转化生产含氮合成气，以得 到F-T反应接近理想的H2/CO比率。然后将合成气在大空速下无循环回路一次通过流化床 反应器，于2.13.5MPa和190232 C条件下，直接合成链长在一定范围的液体烧，避免 了 N2的聚集，减少了加氢裂解步骤，而且操作压力也较低。Syntroleum工艺反应器结构简单，开停车容易，投资较小，有助于成本的降低。该技术 适合装置能力5 000桶/d,甚至可低至2 500桶/d,投资费用在每天1.2万2.7万美元/桶。 1.3.5 R
13、entech151Rentech公司自1981年以来一直开发F-T工艺，它采用悬浮态反应器和铁催化剂将天然 气转化为液体烽，1992年公司建成了一套25。桶/d的示范装置。目前Rentech准备将美国科 罗拉多州Commerce市一套75 kt/a甲醇装置改造为1 000桶/d的GTL装置，产品为柴油以 及石脑油和石蜡。1.3.6 IntevepIntevep公司自1991年开始开发F-T工艺，它采用独特的流化床反应器，兼有浆态反应 器和列管式固定床反应器的优点，反应物混合好，无返混。使用的催化剂粒径比浆态反应器 大，催化剂易于通过流化床床层上部的自由空间从产品石蜡中分离出来，在线装卸催化剂容
14、 易。由于催化剂颗粒被控制在流化床内，因而催化剂回收系统可取消。同时合成气一次通过 反应器，不设气体回收系统。Intevep预计在2004年可将其技术商业化。将上述6家公司的F-T合成工艺数据列表如下(见表2)。同时对上述6家公司从其经 济技术指标以及技术成熟度以及生产及小试等各方面进行评比排名，其结果见表3。表2世界各大石油公司F-T合成工艺一览表项目SasolShellExxonSyntroleumRentechIntevep方案1方案2方案1方案2方案1方案2方案1方案2方案1方案2方案1方案2天然气进料/1。80?也一15.551.715.551.715.551.715.551.715
15、.551.715.551.7石脑油/桶 cT1391013 1203 00010 0002 3077 6901 2244 060煤油/桶003 00010 000002 0004 037柴油/桶-d_,11 35037 8504 00020 0007 06523 670450915 757线状链烷煌/桶 d-10000001 2244 030石蜡/桶 cP00007 05023 6205 05016 153产品总量/桶dr15 79050 97017 24757 62217 00056 70012 00040 00016 47554 53015 29450 507输出电/MW166000001
16、003000000热效率（不含电）0.5610.5610.6260.6260.6160.6160.4760.4760.6140.6140.6670.667热效率（含输出电）0.5700.5700.4850.485合成气投资/百万美元119300235750FT投资/百万美元59165煌加工投资/百万美元40103其他工序投资/百万美元40103公用工程投资/百万美元5915370.6275界外投资费用/百万美元79206总投资/百万美元3961 03055010001800305.61 025操作费用/美元桶r5.663.75.364.96表3世界各大石油公司F-T合成工艺评价公司液收热效率经
17、验值投资内部回报率总体评价试验厂工业化方案1方案2方案1方案2方案1方案2ShellAAAABBABABExxonAAABBABABARentechAABCCCBCCCSasolBBAAAAAAAAIntevepBBC-AAAACCSyntroleumCCBcCCCCCC注：表中排名A为最高，B为较高，C为较低。方案1以及方案2分别指天然气进料为15.5xl（）8m3/a和51.7x1081n3/2的两种投资方案。1.4 产品分离与加氢合成油加工主要是对石蜡和其他合成油产品进行加氢处理，再进行产品分谓，以最终获 得市场需要的产品。合成油加工和普通油品加工工艺基本相同，是一个非常成熟的工艺。 I
18、FP（法国石油研究院）的F-T Hydrocracking工艺的主要指标见表4。表4 F-T Hydrocracking工艺的主要指标内容方案1万第2规模（天然气）/lOWa-115.551.7石蜡油进料/桶 cP4 80016 000耗氧量/n? .桶一 114.6714.72产品收率，%102.6102.5产量/桶 L4 92716 395产品分布干气，%2.962.31石脑油/桶5411 804柴油/桶 d-11 8425 200残油或润滑油/桶472 831概算总投资/百万美元20401.5 反应水处理水是F-T合成反应的一种副产物，水中还含有一些含氧碳氢化合物，如酸以及醇以及酮 和醛
19、等，在将反应水回用或排放前需将这些含氧碳氢化合物除去，以达到使用或排放要求。典型的处理方法是使用简单蒸馄系统从塔顶移去大部分含氧化合物（酸除外），酸则仍 残留在塔釜底液中。塔顶含氧化合物因为数量少，无回收价值，一般送入加热炉烧掉。塔釜 底液和装置中其他废水一起送入生化废水处理厂处理。2经济分析决定GTL项目可行性的因素包括天然气以及原油价格以及装置投资（界区内和界区外） 以及规模以及操作费用以及产品方向等。如果没有基础设施，其界区外基建投资可能达到总 投资的30%。一般而言，投资成本可粗略地划分为:合成气生产占60%,F-T合成25%30%, 产品分离与改质10%15%o2000年委内瑞拉国有
20、石油公司PDVSA以天然气进料4.247x106m3/d和14.16xl（）6 m3/d 规模为基准，对Sasol以及Shell以及Exxon以及Syntroleum以及Rentech以及Intevep公司 的技术进行评估叫 各GTL装置投资估算见表5。表5 GTL装置的经济评估内容ExxonShellSasolSyntroleumRentechIntevep方案A方案B方案A方案B方案A方案B方案A方案B方案A方案B方案A方案B天然气规模/ 106 m3-d-14.24714.163)4.24714.164.24714.164.24714.164.24714.164.24714.16基建总投
21、资D/百万美元3951 0954551 3024681 3243731 050年投资收益/百万美元86.236777.529497.839894.1385内部回报率，%12.918.212.516.914.521.311.21513.919.416.623净现值2）/百万美元857557568610883933400110823156946总液收/桶 d-115 30050 90012 00040 00016 45054 90015 30050 900单位总投资（每天）/美元桶r29 00025 00030 00027 00025 80021 51037 92032 55028 45024 1
22、2024 38020 630注：方案A以及方案B分别表示天然气进料为4.247x106 m3/d和14.16xl06 m3/d的两种情况。1）总投资中包括催化剂及专利费。2）净现值按照10%折扣率计算。3）各公司天然气规模14.16x106 m3/d B寸，其建设均带润滑油装置。各家公司单位基建总投资（界区内和界区外）介于20 00038 000美元之间，在中间基 原油价格为20美元/桶时，GTL装置的资产回报率均高于ll%o对原油价格以及天然气价格 以及操作费用以及单位基建投资的敏感性分析表明:单位基建投资的影响最大,当单位投资从 20 000美元/桶增加到25 000美元/桶，内部回报率从
23、23%下降至16%；其次为原油价格， 当油价从15美元/桶上升到25美元/桶时，内部回报率从14%上升到23%；再次为天然气价， 当干气价格从0.01788美元/n?（折合人民币0.15元/nA 原文为0.5$/MMBTU,干气 lm3=3.577xl（）4BTU）上升到 0.0322 美元/n?（折合人民币 0.27 元/n?,原文为 0.9$/MMBTU） 时，内部回报率从19%下降至16%。3在中国建设GTL装置的可行性分析从技术上来说，GTL技术已经开始进入大规模工业化阶段，世界各大石油公司纷纷计 划建设GTL工厂，以有效利用天然气资源。从上面的分析可以看出，GTL技术在经济上也 是有
24、利可图的，但由于其经济分析均基于国际市场，针对中国具体情况，需要作一些修正。 将GTL基建总投资由1999年美国海湾地区（USGC）价格换算成中国市场价格，其换算因数 为0461 （见表6）。表6 1999年美国海湾地区价格换算成中国市场价格一览表1999USCG项目USGC金额/美元中国因数总投资/美元工艺设备国产比例，%10018 259 345200.72 556 308进口比例，%00801.014 607 476大宗材料国产比例，%10020 326 048800.7II 382 587进口比例，%00201.04 065 210人工费用22 828 2242 282 822工时/d
25、570 706570 706人工工资/美元404陆地运输费比例，%3I 157 662394 548海运费比例，%0101 502 082进口税比例，%0101 502 082地方税比例，%2.001 740 0002.00760 000工程建设费本国人工比例，%10022 244 79890889 790工时/d247 164222 448人工工资/美元904外籍人工比例，%0%10%222 448工时/cl24 716人工工资/美元90合计投资86 556 07739 865 353资料来源：见参考文献5。由表6得USGC转换成中国因数为39 865 3534-86 556 077=0.4
26、61表7列出了 1 750 kt/aGTL装置的各部分投资，总投资合计为1515.229百万美元，单位 基建总投资为每天33715美元/桶，并将其换算成国内投资，得国内总投资为1515.229x0.461 X8.23=5748.82百万元（美元汇率按8.23计算）。表7 1 750 kt/a GTL装置一览表序号装置名称投资（1999, USGC） /百万美元定员/人1空分制氧(12 600 t/d)427.68952POX 制合成气(128.29 义 104 m3/h)438.766203SMR 制合成气(6.8 X 104 m3/h)36.25544F-T 合成(6 292 t/d)276
27、.67543582回收25.29516脱水14.17727油分离43.26128H2回收24.75129F-T石蜡加氢裂解71.4711010F-T储份油加氢29.079411F-T石脑油加氢9.774412催化重整49.2561013C4异构化7.158414C5/C6异构化11.230415C3/C4/C5烷基化41.2241016燃气/液化气装置9.1684合计1 515.229129根据表7计算出该GTL装置的生产成本见表8,每吨合成油产品的销售收入见表9。表8 1 750 kt/aGTL装置产品成本估算结果（以吨产品计）内容消耗定额吨产品成本/元备注制造成本1771.91天然气(0.
28、68 7E/m3)/m31 854.411 261.00含税价水(0.75 元/t)/t11.218.40丁烷(1.6 元/kg)/kg7.512催化剂等化学品-79.221.8百万美兀/a电(0.26 元/kWh)/kWh-102-26.52蒸汽（42元/t）九-1.34-56.28人工工资及附加1.353X 10470*129 A/1 750 kt维修及折旧492.76总投资义15%/1750 kt企管费70.871771.91*4%财务费用44.301771.91*2.5%总成本费用1887.08表9每吨GTL产品的组成与销售收入内容产品分布/t单价/元广销售收入/元液化气0.0262
29、25058.5汽油0.3683 2101 181.3柴油0.6062 9001 757.4合计1.02 997.2由此可见，生产GTL合成油，每吨获利2 99721 887.08=1 110.12 it,计算内部回报 率为IRR = 33.79%,是有大利可图的。另外GTL装置产品中汽油产品研究法辛烷值90.6, 马达法辛烷值85.2,雷特蒸汽压38.6 kPa,苯含量0.4%,芳煌33.5%。柴油产品十六烷值75, 凝点-35C。质量均优于现有常规炼厂产品，销售价格可高于市场常规产品。如果考虑生产 润滑油的话，其效益将更好。4结论及建议目前天然气GTL装置在技术经济上是可行的，也已经具备了一
30、定的竞争力。中国建设 GTL装置主要受两个问题制约，一是天然气价格较高，二是天然气产量少，供不应求，难 以保证GTL装置达到规模经济的用气要求。但是，GTL装置与现有的炼油装置有较强的互补性，可以利用现有的炼油设施，省去 合成油加工部分设施的建设投资。而且合成油最重要的优点是不含硫以及氮以及锲杂质等非 理想组分，属于清洁燃料，完全符合现代发动机的严格要求和日益苛刻的环境法规的挑战。 从长远来看，随着环境法规的要求越来越严格，以及GTL技术进步，基建投资和操作费用 大幅降低，GTL装置将更是有大利可图。在GTL装置产品品种上，可以合成价格高以及市场紧缺的产品，如微晶蜡以及高性 能柴油以及润滑油等
31、高附加值和市场紧缺的商品。GTL装置投资较大，考虑国内厂商的承受能力，建议依托现有炼厂设施，在大型合成 氨以及甲醇装置上增加侧线，省去合成油加工和合成气的投资，形成合成油的附加生产线, 形成“氨联油”以及“醇联油。装置规模不需太大，500kt/a即可，这样只需增加F-T合成 反应器投资，从而使投资大幅减少。参考文献1 .Dennis L.Yakobson and Arthur Tower. Fischer-Tropsch advancements for the refineri J (.World Refining, 1999,9(6)2 Cox XB,et al.The outlook f
32、or GTL and other high quality lube basestocksC.2001 NPRA Annal Meeting,20013 The Markets for Shell Middle Distillate Syntnesis Products. Peter Tijam of Shell at the Alternate Energy95 Conference in Vancouver,Canada,May24,19954 Thi Chang.New JV Markets One-stop GTL Package!J.Oil & Gas,2000,98(49):465
33、 Natural Gas to Liquids Conversion Project - 2000. Raytheon Engineers and Constructors, Inc6 Bechtel Baseline Design/Economics for Advanced Fischer-Tropsch Technology. Final Report, April, 19987唐宏青，张骏驰.合成油的开发与前景.化工设计，2000, 10 (5)Techno-Economic Analysis of the Process of Making Synthetic Oilfrom LNG
34、Yangbo(CNPC Urumqi Petrochemical Company, 830019)AbstractMaking synthetic oil from LNG has attracted widespread attention in the petrochemical industry in recent years. This paper compares and analyses GTL technologies developed by worlds major oil companies and techno-economically demonstrates the feasibility of building GTL plants of comparable sizes at the current stage.Keywords: GTL, Natural gas, Synthetic oil, Techno-economic analysis收稿日期:2003-09-15o作者简介：杨波，男，1970年出生，工程师，工程硕士，长期从事石油化工生产和化工开发。