頁巖氣采用GTL技術制特色油品經濟性分析

胡小夫，馬躍龍，肖克勤，張新

(中國華電集團科學技術研究總院，北京 100077)

1 GTL背景及意義

未來石油資源的短缺將是一種不可逆轉的趨勢，這種情況在我國將更為突出。隨著一次能源形勢的變化，石油作為目前世界消費量最大的一次能源，其地位將在不久的將來被天然氣所取代[1]。2012年5月，國際能源組織(IEA)預測，到2035年全球對天然氣資源的需求量將達到2010年的1.5倍[2]。世界不僅擁有十分豐富的常規天然氣資源，而且擁有豐富的天然氣水合物等非常規天然氣資源。頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣，是一種重要的非常規天然氣資源。IEA預測，到2035年非常規天然氣產量將占到全球天然氣總產量的32%[2]。中國陸域頁巖氣地質資源潛力約為134.42萬億m3，可采資源潛力為25.08萬億m3(不含青藏區)，儲量居世界前列。隨著頁巖氣開發工作的推進，其在5年后可能成為我國重要的能源供應，緩解我國能源壓力，改變我國能源消費結構。

全球大部分天然氣主要以長輸管道的形式供氣給下游用戶，同時約有30%的天然氣以液化天然氣(LNG)的形式輸送[3]。目前，天然氣下游利用主要有4個途徑：城市燃氣、工業燃料、天然氣發電及天然氣化工，如生產化肥、乙烯及丙烯、天然氣合成油(GTL)等。天然氣化工主要是將甲烷轉化成合成氣，然后再將合成氣進一步轉化成液態或氣態化工產品[2]。前3種天然氣利用途徑主要是通過長輸管道或LNG方式遠距離輸送，而第4種途徑中的GTL項目可以在偏遠地區直接將頁巖氣轉化為便于運輸的特色油品，其作為氣田配套項目，對于地方財政也是有利的。

LNG是天然氣經凈化處理、在-162 ℃常壓下液化形成的，體積約為通量氣態天然氣體積的1/600。LNG項目必須具有充足的探明天然氣儲量，以支持15～20年的液化能力，這意味著用于LNG的天然氣只能來源于少數高產氣井，而且LNG工廠規模龐大且造價高昂。中國華電集團公司目前已獲得5個區塊的頁巖氣探礦權，包括湖南花垣頁巖氣區塊、湖南永順頁巖氣區塊、貴州綏陽頁巖氣區塊、湖北來鳳咸豐頁巖氣區塊和湖北鶴峰頁巖氣區塊。在這些相對偏遠的區域，頁巖氣的利用可能會受到LNG氣源條件、LNG投資和運輸成本、管道輸送成本以及市場供求關系等因素的制約[4]。據有關部門測算，長距離輸送天然氣的成本是輸送油品成本的4倍[5]，綜合考慮，在較難進行LNG或管道輸送的地區，采用GTL技術將開發出的頁巖氣轉變成比LNG更加便于銷售和運輸的合成油[6]，可能是在這些偏遠頁巖氣區塊利用頁巖氣的最好方式。

GTL技術于20世紀20年代由德國F.Fischer和H.Tropsch開發成功。近年來，世界各大石油公司為了占據世界石油市場的領先地位，針對GTL技術開展了大量工作，取得了較大的商業進展；同時，處于邊遠地區的天然氣田因為遠離市場或附近市場太小，而且缺少大量資金，不能采用LNG技術，加之環境保護的原因，也促進了GTL技術研究開發力度的增大[7]。美國能源部于1999年公布了石油天然氣研究開發與推廣計劃，其中包括一項始于1998年，為期8年的GTL研究項目，該項目總投資約8 400萬美元。GTL技術主要關注的是那些由于運輸所需大量基礎設施投入，而目前還不能進行經濟開發的閑置天然氣資源和偏僻地區的天然氣資源[7]。

隨著我國對城市大氣污染治理力度的加大，以及航空和軍工等項目的開展，高標準汽/柴油、航空煤油、高粘度指數潤滑油基礎油和石蠟的市場需求將進一步增大。而依靠石油路線制備清潔燃料和高端油品難度較大，采用天然氣制上述特色油品則工藝簡單、污染小、產品質量優異[8]。因此，采用頁巖氣制備超清潔燃料和高附加值特色油品符合未來產品發展的方向，而且產品方案靈活，適應市場變化的能力較強。

2 GTL特色油品的產品路線

GTL技術生產特色油品主要包括3個步驟。第1步是碳氫化合物(天然氣)部分氧化為氫氣和一氧化碳；第2步是合成氣發生接觸聚合反應生成長鏈石蠟烴、輕烯烴、高分子量蠟和水等，即費-托反應；第3步是蠟原料的異構加氫形成燃料油或潤滑劑基礎油等高附加值的特色油品[9]。以費-托合成油為原料，經加氫精制、加氫異構等工藝生產出特色油品。

目前，天然氣制備特色油品路線主要有以下2種。

(1)天然氣制備超清潔燃料油品。此類合成油基本上是由正構烷烴和支鏈烷烴組成，具有無硫、無氮、無金屬、無芳香烴或極少含芳香烴的特點。1992年世界上第1座天然氣合成油廠在南非莫塞爾灣投產，年生產能力約150萬t。隨著世界原油重質化、高硫化日趨顯著，為了改善環境，世界車用燃料不斷升級。從2009年起，美國、歐洲、日本將推進符合歐Ⅴ排放標準的超低硫(硫的質量分數小于0.01‰)柴油，今后還將限制柴油中芳香烴尤其是多環芳香烴的含量。常規煉油技術生產清潔燃料成本越來越高，許多煉油廠面臨著質量升級的壓力。而通過費-托合成路線的GTL技術生產的燃料，除了本身屬于超清潔燃料外，該技術自身又屬于清潔生產技術，符合環保要求，已成為研究熱點。

(2)天然氣制備高附加值特色油品，是通過輕度的加氫裂化和加氫異構化等工藝獲得高檔潤滑基礎油[10]、食品醫藥級白油、特種石蠟等高附加值產品。隨著社會經濟發展水平的提高，汽車、鋼鐵、電力等相關行業的發展以及環保要求的日益苛刻，對潤滑油基礎油也提出了更高的要求，如好的熱氧化安定性、低揮發度、高粘度指數、低硫/無硫、低粘度以及環境友好等。而采用GTL合成的潤滑基礎油具有純度高、不含硫、揮發性好和粘度特性優異等特點，可以滿足上述行業發展及環保法規的要求，是一種高檔的潤滑油基礎油。就目前的合成油工藝而言，其生產成本有的已經能與原油相競爭，所以從總的發展趨勢看，在今后20年或更長的一段時間內，合成油有可能部分替代現有的礦物油[7]。2011年，殼牌潤滑油公司已經使用Pearl GTL基礎油生產出優質的發動機油，這種Ⅲ類基礎油也是配制下一代油類的基礎，這類油可用以提高能效、延長設備使用壽命和降低維修費用。

3 GTL特色油品市場經濟性分析

3.1 環保溶劑油市場分析

隨著我國環保意識的增強以及人民生活水平的不斷提高，各種低芳香烴、低硫的環保型溶劑產品需求量及生產能力逐年增大。D系列溶劑油在我國市場又稱脫芳溶劑油，其名字來自于埃克森美孚的溶劑油D系列。它基本由環烷烴和烷烴組成，芳香烴質量分數被控制在0.10‰～0.15‰，對人基本無毒，對環境污染小，而且性能穩定[11]。D系列溶劑油主要應用于涂料、粘合劑、氣霧殺蟲劑、金屬加工潤滑、除油防銹、高檔衣服干洗劑、油墨、農藥、化妝品、香料和化工聚合等領域。1995年全國D系列溶劑油的需求量不到2萬t，2010年增加到58萬t，2011年增長7%左右，達到62萬～63萬t，預計2015年需求量將超過80萬t。

比較中國D系列溶劑油與芳香烴溶劑油下游應用行業的前景，芳香烴溶劑油因其對成品油市場的依賴性而面臨巨大危機，而環保帶動的中國D系列溶劑油需求潛力較大而使其具有更廣闊的發展潛力。目前，D系列溶劑油的需求量與產量存在較大缺口，主要依賴進口解決供應不足的問題。總而言之，國內D系列溶劑油屬于壟斷型資源，具有廣闊的發展前景。

3.2 GTL柴油市場分析

3.2.1 產品性能分析

高品質的柴油需要具有良好的燃燒性能、適宜的流動性、優異的安定性、無腐蝕性和高清潔度等優點。柴油的十六烷值是衡量燃料在壓燃式發動機中發火性能的重要指標。正構烷烴的十六烷值最高，異構烷烴次之，而芳香烴的十六烷值最低。柴油的低溫流動性不僅關系到柴油機燃料供給系統在低溫下能否正常供油，而且與柴油在低溫下儲存、運輸等作業能否正常進行有密切的關系。柴油的低溫流動性與其化學組成有關，其中正構烷烴的含量越高，則低溫流動性越差，臨氫異構降凝技術能降低柴油的凝點，改善其低溫流動性。烯烴、芳香烴、硫化物、氮化物以及酚類等都是柴油中的不安定組分，它們能使發動機中沉積物的數量顯著增加，影響汽油車尾氣排放的顆粒物，也會使柴油汽車尾氣排放物中氮氧化合物和顆粒物濃度偏高[12]。而采用GTL技術經蒸餾、臨氫異構降凝、加氫精制等過程得到的柴油組分，其組成主要以異構烷烴為主，無芳香烴和不飽和烯烴，且無硫、無氮、無酚類等化合物，可直接用于生產高質量柴油，或作為國Ⅴ標準高端柴油的調和組分。目前，GTL產品中柴油餾分最高可達80%，GTL柴油十六烷值基本不低于70(大部分柴油的十六烷值為45～55)，硫的質量分數不大于0.005‰，芳香烴的質量分數小于0.001‰，多環芳香烴的質量分數小于0.005‰，具有低密度和良好的低溫流動性等優點[2, 13]，其與現有煉廠的柴油餾分混合，可緩解煉廠柴油質量升級的壓力。

GTL燃料的主要理化指標滿足柴油機的使用要求。公交車用國Ⅱ、國Ⅲ柴油機臺架試驗用燃料分別為國Ⅱ、國Ⅲ柴油和純GTL燃料3種，其主要理化指標見表1[13]。由表1可見，GTL燃料的主要理化指標滿足柴油機的使用要求。與普通柴油相比，GTL柴油具有基本不含硫和芳香烴、十六烷值高、餾出溫度低等優點。

表1 試驗燃料主要理化指標[14]

3.2.2 國內外市場分析

隨著全球經濟的較快增長，在未來較長時間內石油消費量仍將快速增長。石油輸出國組織(OPEC)對未來20年全球石油產品的需求情況進行了預測：液化石油氣(LPG)、石腦油、汽油、煤油、柴油和其他石化產品(如潤滑油基礎油、石蠟等)的需求，在未來幾十年里都會有不同幅度的增長，其中柴油的增長幅度最大，預計到2035年全球對柴油的需求量將比2010年增長44%[2]。

我國柴油供應主要來自傳統的煉油行業，2011年我國已成為僅次于美國的全球第二大煉油國。據報道，我國近幾年成品油供需總體平衡，汽油、煤油過剩，但柴油略偏緊。2011年國內柴油產量小于需求量41萬t，僅占柴油消費量的0.25%；2012年國內柴油供需缺口比2011年進一步擴大。預計到2015年我國石油需求將達到5.4億t，較2010年增長0.9億t，年均增長3.8%，其中，柴油需求約2億t。柴油供需趨緊和其他原因的共同作用，使國內近幾年頻頻出現“柴油荒”，對多個行業及人民正常生活造成了不利影響。近10年來，隨著需求的不斷增長，柴油價格不斷攀升，#0柴油已從2002年的約2 200元/t漲至8 000多元/t，平均每年上漲11.5%。GTL柴油具有不含硫、低芳香烴、無色、無味、十六烷值高等優點，既可作為國Ⅴ標準高端柴油的調和組分，又可直接用作燃料，其市場前景較好。

3.3 高端白油的市場分析

我國白油分為工業級、化妝級、食品級和醫藥級4個類別，每類按粘度又分為不同的牌號。隨著國民經濟的持續發展，以及百姓生活水平的不斷提高，化妝品級、食品級和醫藥級白油的市場需求越來越大；同時，很多原先工業級白油的市場和用戶也因為產品升級等原因改用更高檔的產品。此外，由于產品認證等因素的限制，一些特殊規格的進口白油尚未國產化。這種狀況表明，國內白油市場上附加值、技術含量較高的高檔白油市場缺口還有較大空間。

同其他石化產品相比，高檔化妝品級以上白油產品具有品種多、用途分散、市場差別化程度大等特點，目前主要應用于聚苯乙烯(PS)、化妝品和醫藥產品等行業。對行業而言，白油在聚苯乙烯透苯(GPPS)和聚苯乙烯改苯(HIPS)生產過程中，主要用作聚合反應時的內部潤滑劑，改善PS在擠壓成型時的流動性。據美國《化學周刊》報道，全球2010年PS產能為1 800萬t，實際產量1 245萬t，到2015年預計為1 350萬t。

從市場角度看，國內低黏度白油的供求已呈飽和狀態，但高檔白油依然供不應求[8]。根據各行業的發展現狀，按照年遞增8.5%～12.0%的消費增長率，預測未來幾年各行業白油需求見表2。由表2可知，未來10年內在化妝品和食品加工領域對白油的需求量增長較快。

表2 重點行業白油需求預測

3.4 潤滑油基礎油的市場分析

3.4.1 潤滑油基礎油未來發展方向

潤滑油產品的某些性質(蒸發損失、閃點、對添加劑的溶解性能等)完全取決于基礎油的性質，基礎油的粘點、粘溫性能、傾點等則決定了可調配潤滑油產品的品種，因而基礎油的質量是潤滑油產品質量的基礎[15]。隨著環保、節能壓力逐漸加大和汽車、機械制造業水平的進步，潤滑油的質量不斷提高，產品更新速度加快，低磷、低硫、長換油期、多級低粘度、可生物降解油品成為未來的發展方向。傳統的潤滑油生產工藝已不能完全適應調制現代潤滑油的要求，特別是新一代發動機油，已開始逐步轉向以加氫裂化和異構脫蠟為代表的加氫處理工藝生產的Ⅱ，Ⅲ類基礎油。從長遠發展來看，以天然氣為原料，利用費托合成油生產的Ⅲ類基礎油的技術依然備受關注[16]。此外，中國潤滑油市場需要的多元化、多層次化，也決定了對基礎油需求的多元化、多層次化。產品規格的升級、產品差異化或性能的提升，對于APIⅡ，APIⅢ類基礎油及合成油的需要比例在逐步加大。

3.4.2 國內市場分析

中國石油、中國石化基礎油品占據了基礎油生產的資源優勢，2005年生產能力達到421萬t，凈進口量達到86.74萬t。我國進口的基礎油多為主流品質150SN，500SN和150BS，其中加氫Ⅱ，Ⅲ類油及合成油占相當比例。2008年中國基礎油供應量為542萬t，53%由中石油和中石化提供，中海油以及地方小廠提供22%，其他25%由進口彌補。2012年潤滑油基礎油市場大致呈現供大于求的局勢。由于中石化旗下的茂名石化計劃在2014年新上一套20萬t/aⅡ類基礎油裝置，中海油泰州石化也將在2015年新投產一套60萬t/aⅡ類基礎油裝置，因此，預計Ⅱ類潤滑油基礎油會在今后幾年內保持供大于求的狀況。

3.4.3 國外市場分析

我國潤滑油基礎油的進口地主要是新加坡(44%)、日本和韓國(40%，包括韓國的API III類基礎油)、俄羅斯(7%)以及我國臺灣地區(4%)。亞洲主要廠家的總產能約為379.5萬t/a。根據《潤滑油研究報告(2013)》，盡管2012年APIⅡ和APIⅢ類基礎油需求增長大幅放緩，但新一輪煉油廠建設依然將很快出現。除了正在進行的項目，2020年年底還會有6個世界級規模的APIⅡ和APIⅢ煉油廠以及3個大型GTL煉油廠建成。預計到2020年年底，基礎油組成將會變成APIⅠ類占40%、APIⅡ類占30% ，APIⅢ類占20%和環烷基基礎油占10%的格局。

3.4.4 GTL基礎油優勢分析

GTL技術生產的潤滑油基礎油屬于API Ⅲ+及Ⅳ類基礎油，性能基本接近聚α烯烴(PAO)合成油，而生產成本比PAO合成油低7%～8%，且加工工序少，加工苛刻度低，其發展前景令人矚目[13]。GTL潤滑油基礎油的性能比較見表3[17]。由于GTL基礎油的結構幾乎完全是異構烷烴組成，因此，它表現出優異的低溫性能和抗氧化性能，并且具有很高的黏度指數，能夠用于調和高檔內燃機油、自動傳動液，滿足市場對高標準潤滑油產品的需要[18]。正在制定或實施的內燃機油規格，需要較低的粘度以滿足燃油經濟性的標準。同時，環保法規要求減少重負荷柴油機顆粒污染物(PM)、氮氧化合物(NOx)的排放，以及低NOx內燃機設計所產生的額外煙炱。要提高重負荷柴油機油的操作性能，就必須使所有基礎油的性能提高，避免發動機過早磨損。GTL基礎油基于其幾乎零硫、氮、芳香烴含量，以及幾乎完全為異構烷烴的結構特點，表現出優異的氧化安定性、低溫性能，較低的揮發損失，低溫冷啟動性能和高的黏度指數，能夠滿足市場對于更高性能基礎油的增長要求。

表3 粘度為4 mm2/s的四類基礎油性能比較[17]

目前，GTL基礎油的生產工藝已發展到能夠制備從2 mm2/s到大于9 mm2/s的較大跨度的粘度級別(100 ℃)，甚至可以生產高粘度級別的光亮油。突破了加氫工藝只能生產幾乎9 mm2/s以下級別的API Ⅱ/Ⅲ類基礎油的較窄范圍局限，也擴展了業界對高粘度級別高性能基礎油的需求，具有非常廣闊的應用前景。

3.5 特種石蠟的市場分析

3.5.1 特種石蠟的國內外現狀

美國、西歐、日本等國蠟制品總產量和銷售量中，特種石蠟一般占25%～35%。國外大型特種石蠟公司生產的特種蠟品種系列齊全，每個公司均有上百個產品，其產量一般在幾萬到10萬t。隨著我國油墨、涂料、橡膠、塑料、日化、電子、建材、汽車等工業技術水平的不斷發展與進步，國內很多企業已經認識到特種石蠟生產的重要性，我國特種石蠟產品必將進入一個飛速發展的時期[19]。

近年來，全球特種石蠟市場需求不斷增長，并以每年10%的幅度遞增。而國內經濟的快速發展，也帶動了特種蠟需求的逐年增加，并一度供不應求。“十一五”末，國內特種石蠟產品及高附加值產品供需缺口達48萬t/a。預計到2015年，國內特種石蠟產品及高附加值產品供需缺口將達95萬t/a，其中特種石蠟缺口76萬t/a。巨大的市場缺口給我國特種石蠟未來發展提供了較廣闊的需求空間和市場容量。

3.5.2 GTL石蠟市場分析及預測

GTL技術生產的石蠟由于品質高、熔點高，既可作為食品級石蠟原料，還可用于微晶蠟等特種石蠟領域。由于GTL微晶蠟具有熔點高、粘度低、硬度大等特點，在印刷油墨、粉末涂料、膠粘劑、聚合物成型等領域有廣泛應用，市場價格較普通石蠟高出很多，Shell生產的GTL微晶蠟PX-105的市價大約19 000元/t，附加值較高。目前，由于石油蠟占據了國內大部分蠟產品應用市場，合成蠟的生產受到抑制，因而產量相對較低。全球費-托蠟主要由南非Sasol公司的下屬蠟公司來提供。已實現工業化的費-托蠟生產工藝有2種：Sasol工藝和Shell中間餾分油合成工藝(SMDS)[20]。我國和美國都不生產費-托蠟，主要是受到昂貴的設備投資和技術成熟度等因素的限制。但隨著GTL技術在中國的成熟應用，費-托蠟的國產化前景越來越明朗。

4 結束語

頁巖氣是我國近幾十年重點發展的非常規天然氣資源，需要充分、合理、有效地利用頁巖氣資源。除了管道輸送和LNG技術外，GTL技術可能是在偏遠的頁巖氣區塊直接利用頁巖氣的最好方式。在利用頁巖氣過程中，采用GTL技術既可生產超清潔燃料油，又可生產高附加值的特色油品。但從經濟角度分析，建議重點發展GTL技術生產附加值高的特色油品路線，即將費-托合成油通過輕度的加氫裂化和加氫異構化等工藝過程獲得高檔潤滑基礎油、食品醫藥級白油、特種石蠟等高附加值產品的工藝路線。

GTL技術生產的特色油品由于具有低芳、無硫、無氮等優點，能夠滿足日益嚴格的環保法規的要求，且產品性能優異，因此具有十分廣闊的市場前景。GTL環保溶劑油可廣泛應用于涂料、油墨、粘合劑、氣霧殺蟲劑等領域，目前國內對于各種低芳、低硫的環保型溶劑產品的需求量及生產能力逐年增大；GTL潤滑油基礎油具有優異的氧化安定性、低溫性能，較低的揮發損失，低溫冷啟動性能和高的黏度指數，能夠滿足市場對于更高性能基礎油的增長要求；GTL高檔白油可廣泛應用于聚苯乙烯、化妝品、醫藥產品和食品加工等行業，目前國內市場缺口還具有較大空間；GTL微晶蠟具有熔點高、粘度低、硬度大、附加值高等優點，在印刷油墨、粉末涂料、膠粘劑、聚合物成型等領域有廣泛應用，其國產化前景越來越明朗。

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