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改进后的工艺名称MTE,即甲醇转化为乙烯,最初为固定床反应器,后改为流化床反应器,乙烯和丙烯的选择性分别为45%和25%。
UOP开发的以SAPO-34为活性组分的MTO-100催化剂,其乙烯选择性明显优于ZSM-5,使MTO工艺取得突破性进展。
其乙烯和丙烯的选择性分别为43%~61.1%和27.4%~41.8%。
从近期国外发表的专利看,MTO研究开发的重点仍是催化剂的改进,以提高低碳烯烃的选择性。
将各种金属元素引入SAPO-34骨架上,得到称为MAPSO或ELPSO的分子筛,这是催化剂改型的重要手段之一。
金属离子的引入会引起分子筛酸性及孔口大小的变化,孔口变小限制了大分子的扩散,有利于小分子烯烃选择性的提高,形成中等强度的酸中心,也将有利于烯烃的生成。
MTO工艺技术介绍
目前国外具有代表性的MTO工艺技术主要是:
UOP/Hydro、ExxonMobil的技术,以及鲁奇(Lurgi)的MTP技术。
ExxonMobil和UOP/Hydro的工艺流程区别不大,均采用流化床反应器,甲醇在反应器中反应,生成的产物经分离和提纯后得到乙烯、丙烯和轻质燃料等。
目前UOP/Hydro工艺已在挪威国家石油公司的甲醇装置上进行运行,效果达到甲醇转化率99.8%,丙烯产率45%,乙烯产率34%,丁烯产率13%。
鲁奇公司则专注由甲醇制单一丙烯新工艺的开发,采用中间冷却的绝热固定床反应器,使用南方化学公司提供的专用沸石催化剂,丙烯的选择率很高。
据鲁奇公司称,日产1600吨丙烯生产装置的投资费用为1.8亿美元。
有消息称,鲁奇公司甲醇制丙烯技术将首次实现规模化生产,其在伊朗投建10万吨/年丙烯装置,有望在2009年正式投产。
从近期国外发表的专利看,MTO又做了一些新的改进。
MTO/MTP技术难点及前景!
从战略高度看我国MTO/MTP产业发展
伴随着愈演愈烈的甲醇项目建设热,甲醇的主要出路之一――甲醇制低碳烯(MTO/MTP)项目逐渐浮出水面,并成为众多煤化工项目产业链中的重要一环。
但必须看到,当前世界上尚无1套工业化的MTO/MTP生产装置,其技术的可靠性和经济性都有待检验。
一、市场需求与资源结构造就MTO/MTP热
●快速增长的石化产品市场
近10年来,我国以乙烯和丙烯为龙头的石化工业得到迅速发展,石化产品市场消费和需求增长速度居世界前列,并逐步发展成为世界乃至亚洲市场的中心。
2004年,我国乙烯、丙烯、合成树脂和合成橡胶的市场满足率仅为40%~60%,每年都需从周边国家和地区进口大量的石化产品。
市场的快速增长以及巨大的缺口促使国内掀起了新一轮乙烯项目建设热潮,国内外投资商纷纷投资扩建和新建乙烯项目。
2004年我国主要石化产品市场供求状况见表1。
●原油供求矛盾日益尖锐
由于我国经济持续快速增长,近年来原油供求矛盾日益尖锐。
2004年,我国原油产量为1.75亿t,进口量高达1.23亿t,进口依存度从1995年的12.65%增长到45.05%。
此外,我国轻烃和凝析油资源也极为有限,因此作为乙烯主要原料的石脑油、轻烃和凝析油的供应和来源成为我国乙烯发展的主要瓶颈之一。
避开资源相对短缺的原油,MTO/MTP项目受到投资者的极大青睐。
●资源结构特点使然
目前我国能源结构特点是“富煤、缺油、少气”,预计这一状况在今后相当长的时期内不会改变。
原料结构多元化已经成为我国石化行业发展的必然选择,利用我国相对丰富的煤炭资源发展石化产业,进而带动地方经济发展,已经成为富煤、缺油、少气地区的首选。
●结构调整与行业吸引力
从2003年开始的新一轮石化行业景气高峰形成的高盈利形势、原油价格的持续上涨和石油化工行业的高度垄断是促使煤化工快速发展的主要原因,煤炭行业的结构调整以及各地区发展石油化工积极性不断高涨又极大地刺激了MTO/MTP项目建设。
各地区都试图通过“煤炭-甲醇-低碳烯烃-石油化工成品”这一发展模式来带动本地区经济的发展。
表12004年我国主要石化产品供求状况单位万t
产量进口量出口量当量消费量市场满足率/%
乙烯626.606.762.231648.0038.05
丙烯623.4021.330.001113.6455.98
芳烃669.88269.786.76932.9071.81
合成树脂1791.002131.00108.703813.3046.96
合成橡胶147.80109.508.50248.7059.40
合成纤维1424.54178.3546.551556.3091.53二、技术渐趋成熟可靠性尚待检验
近年来,煤炭气化、天然气转化、甲醇合成和MTO/MTP催化剂技术的不断完善和发展,为C1路线制烯烃奠定了坚实的基础。
●煤气化技术
目前我国采用的煤气化技术主要包括无烟煤固定床间歇气化技术(中小合成氨企业)、德士古水煤浆加压气化技术(已有9家企业采用)、鲁奇气化技术(已有2家企业采用)、灰熔聚气化技术和恩德粉煤气化技术(Winkler气化炉),采用壳牌粉煤加压气化技术的一批项目(13家企业)正在建设之中,德国GSP气化技术正在推动之中。
德士古水煤浆加压气化技术、壳牌粉煤加压气化技术和德国GSP气化技术都是典型的洁净煤气技术,都已实现工业化,单炉能力可达1000~2000t/d(投煤量),广泛用于发电和化工生产。
鲁奇气化技术主要用于城市煤气生产,也可用于化工生产。
上述气化技术各有特点,都比较成熟,适于大规模煤化工生产装置,可根据煤种、灰熔点、装置规模、产品链设定和投资情况进行选择。
我国自主研发的灰熔聚气化技术和恩德粉煤气化技术(Winkler气化炉)适用于中小规模化工装置使用,在技术上有待进一步完善。
●天然气转化技术
目前工业上采用的天然气转化技术主要有3种:
即一段转化(SMR,有传统与补碳两种方案)、两段转化(POX)和自热式转化(ATR)。
上述技术都是各有特点的成熟技术,都已实现工业化生产。
SMR法适用于中小规模装置(≤1000t/d),具有工艺流程短、设备少、操作容易、技术可靠的特点;
POX工艺适于大型装置(1000~7500t/d),特点是工艺先进可靠,能量利用合理,经济上有竞争性,是目前国内外大型甲醇生产中广泛采用的工艺技术;
对于超大型装置(5000~7500t/d),可考虑采用ATR工艺技术,该工艺的特点是一次性投资较低、流程短、能耗低和竞争性强。
●甲醇合成技术
甲醇合成有高压(≥30MPa)、中压(10M~15MPa)和低压(5M~8MPa)3种工艺。
目前高压法工艺已被淘汰,中低压工艺成为甲醇合成主流技术。
甲醇生产的核心技术是反应器结构与形式、催化剂和热量的转移与利用。
目前广泛采用的甲醇合成塔有:
多段冷激式(ICI)、管壳式(鲁奇)、多段径向式(MRF、日本东洋公司)、绝热式(Topsoe)、轴径向混合流型和JW低压均温型(杭州林达公司)。
上述技术都是成熟的,且都有工业化装置在运行。
其中管壳式、绝热式和多段径向式技术主要用于大型和超大型甲醇生产装置。
鲁奇公司的MegaMethanol和德士古公司的甲醇合成技术,其装置规模已经达到5000~7500t/d。
●甲醇制烯烃(MTO)技术
甲醇制烯烃(MTO)主要工艺过程包括:
①甲醇生产;
②甲醇催化制烯烃;
③裂解产物分离与精制。
目前世界上从事MTO技术开发的公司主要有UOP/Hydro和美孚两家公司,其中UOP和Hydro公司联合开发的MTO技术已经实现工业化。
中科院大连化物所也正在进行该技术的开发。
目前,欧洲化学技术公司采用UOP/Hydro公司的MTO技术正在尼日利亚建设1套80万t/a(乙烯和丙烯各40万t/a)MTO装置,包括配套建设1套7500t/d天然气制甲醇装置(采用丹麦Topsoe技术),预计2007年建成投产。
UOP/Hydro公司开发的MTO技术具有以下特点:
①可采用粗甲醇作为原料,省去甲醇精馏设备,降低投资和成本;
②通过控制反应温度和催化剂组成结构,调整丙烯和乙烯的产出比(0.7~1.3);
③采用SAPO-34催化剂,选择性好,乙烯、丙烯收率可达到33.93%,物理强度高,抗烧焦;
④反应条件温和,温度为400~500℃,压力为1~3Bar;
⑤MTO反应系统由流化床反应器和催化剂再生器组成,类似于流化催化裂化装置(FCC);
产品分离系统类似于石脑油蒸汽裂解制乙烯;
⑥可连续稳定操作。
对于UOP/Hydro公司MTO技术的可靠性和经济性,有待尼日利亚项目投产后的考查与验证。
●甲醇制丙烯技术(MTP)
甲醇制丙烯(MTP)主要工艺过程为:
②甲醇在高活性、高选择性催化剂存在下转化成水和二甲醚(DME);
③甲醇和DME催化合成烃类产物(主要为丙烯);
④烃类产物分离与精制。
目前世界上从事MTP技术开发的公司主要是鲁奇公司。
2002年1月,鲁奇公司在挪威建设了1套MTP模试装置,到2003年9月连续运行了8000h,该模式装置采用了德国Sud-ChemieAG公司的MTP催化剂,该催化剂具有低结焦性、丙烷生成量极低的特点,并已实现工业化生产。
目前MTP技术已经完成了工业化装置的工艺设计。
鲁奇公司MTP反应器有两种形式:
即固定床反应器(只生产丙烯)和流化床反应器(可联产乙烯/丙烯)。
3月份,鲁奇公司与伊朗Fanavaran石化公司正式签署MTP技术转让合同,装置规模为10万t/a。
鲁奇公司将与伊朗石化技术研究院共同向伊朗Fanavaran石化公司提供基础设计、技术使用许可证和主要设备。
该项目预计2009年建成投产,届时将成为世界上第1套MTP工业化生产装置。
对于鲁奇公司MTP技术的可靠性和经济性,也有待于伊朗项目投产后的考查与验证。
三、项目建设门槛高投资须全面考察
MTO/MTP项目建设的基本条件是产品市场、工艺技术和经济可行性。
其他还包括原料资源、水资源、环境容量、运输条件和资金实力。
笔者认为,投资者在决策和建设MTO/MTP项目时,对上述建设条件应进行重点研究和落实。
资源条件建设80万t/a的MTO/MTP装置,配套甲醇规模约为240万t/a,煤炭年需求量约为380万t,若项目寿命期按15年计算,则煤炭总需求量约为5700万t,或需天然气345亿m3;
同样建设1套规模为52万t/a的MTP装置,配套甲醇规模约为165万t/a,煤炭年需求量为260万t,项目寿命期内的煤炭总需求量为3900万t,或需天然气238亿m3。
是否有足够且稳定的煤炭或天然气供应是必须落实的条件。
经济竞争性MTO/MTP项目的经济性主要取决于原料价格,与传统蒸汽裂解烯烃的竞争主要取决于原油价格走向以及原油与煤炭、天然气的比价。
MTO/MTP技术开发的初衷之一是解决偏远地区丰富廉价天然气的出路问题。
而我国煤炭资源丰富,煤炭价格对MTO/MTP项目的经济性和竞争力具有至关重要的作用。
根据初步估算,以当前乙烯裂解原料国际市场价格为计算依据,煤价在150元/t以下或天然气价格在0.6元/m3以下时,在我国建设MTO/MTP项目,具有较强的竞争力。
但投资与决策者在项目实施前应进行详细和深入的技术经济比较分析。
运输条件对于煤基烯烃项目建设,原料煤炭和下游石化产品运输量都很大,必须具备足够的铁路运力和公路运力,否则原料进不来,产品出不去,将会对企业运营和经济效益带来巨大的影响。
水资源我国是中等缺水国家,各地区水资源日益紧张。
水资源已经成为我国煤化工发展的制约因素之一,尤其是在我国一些资源产地,水资源普遍比较紧张。
根据初步估算,建设1套规模为80万t/a的煤基MTO装置(包括配套甲醇装置),原水需要量约为4000~5000m3/h,用水量较大。
筹资能力MTO/MTP项目资金需求量较大。
80万t/a规模MTO项目约需配套240万t/a甲醇装置,50万t/aMTP项目约需配套165万t/a甲醇装置,总投资在120亿~150亿元,资金门槛较高,投资者须具备较强的筹资能力和商业信誉
人才与管理MTO/MTP生产技术难度较高,基础设施建设、物流配送和市场渠道等系统配套与集成较为复杂,对企业管理和生产管理要求较高,对各方面人才需求量大。
新进入者和投资者必须对此有足够的认识。
四、发展建议
(1)发展MTO/MTP十分必要
首先我国拥有世界上最具发展潜力的石化产品市场,MTO/MTP产品有可靠的市场保证。
预计到2010年,国内乙烯的当量需求量约为2550万t,2015年将达到3570万t,届时国内乙烯自给率也仅为60%左右。
到2010年和2015年,我国丙烯市场需求量分别为1760万t和2460万t,发展前景较好;
其次我国缺油少气,适度发展MTO/MTP,实现低碳烯烃生产的原料多元化对减轻原油供应压力具有重要意义。
(2)MTO/MTP应择机建设
目前MTO技术专利商主要是UOP/Hydro公司,MTP专利商主要是鲁奇公司,截至目前世界上还没有实际运行的工业化装置,因此存在一定的技术风险。
建议国内MTO/MTP投资者应待欧洲化学公司尼日利亚项目和伊朗Fanavaran石化公司10万t/aMTP项目投产验证后再行决策,择机建设,但对于建设条件较好的项目可提前进行。
(3)MTO/MTP项目选择与风险
MTO/MTP项目技术难度高、资金需求量大,要求有稳定且足够廉价的原料资源,系统配套庞大,进入门槛较高,一般投资者难于运作。
对于条件较好的大投资者,在投资MTO/MTP项目之前必须明晰企业未来发展方向与定位以及企业抗风险能力(技术风险与经济风险)。
(4)上下游一体化
根据初步估算,甲醇生产成本为600~800元/t时,MTO/MTP才具有较强竞争力。
因此投资者必须拥有矿权、自发电和直供电,实现“煤-电-化”一体化生产,从而最大限度降低甲醇和MTO/MTP生产成本,这样才具备与石油路线产品和进口产品进行竞争的实力,也才能保证投资项目的经济效益。
(5)合资、合作建设方式
MTO/MTP项目建设牵涉到煤矿、电力、运输、技术与资金。
根据国外类似项目建设模式,大多采取财团和企业合作建设模式,以分散和最大程度降低投资风险。
因此,建议国内投资商采取与相关企业、专利商和金融机构等合作建设方式。
(6)技术来源与费用:
目前MTO/MTP专利商主要以转让技术为主,包括烯烃生产技术和催化剂供应。
由于技术的垄断性,目前MTO/MTP技术软件费用和催化剂费用较为昂贵,对烯烃生产成本和竞争力影响较大。
而国内技术正在开发之中,预计近期难于实现大规模工业化生产。
鉴于此,投资者宜与专利商进行合作建设或由国家统一对外谈判,以减少不必要的投资
我国发展煤制烯烃产业的必要性和可行性探讨
传统的乙烯、丙烯的制取路线主要是通过石脑油裂解生产,其缺点是过分依赖石油。
由甲醇制乙烯、丙烯等低碳烯烃是最有希望替代石脑油为原料制烯烃的工艺路线,目前已趋于成熟。
甲醇制烯烃技术的发展,开辟了由煤炭经气化生产基础有机化工原料的新工艺路线,有利于优化传统煤炭产业的产品格局,提高应对市场的竞争能力,是实现煤化工向石油化工延伸发展的有效途径,同时对缓解我国石油短缺的矛盾具有重要的战略和现实意义。
1 我国发展煤制烯烃产业的必要性
1.1 符合我国多煤少油的能源结构特点
近年来,随着国民经济的快速发展,我国对石油资源的需求日益增长,已经成为石油生产大国和消费大国。
自从1993年我国成为石油净进口国之后,进口石油的比重不断加大,2004年我国原油净进口量1.2亿t,对境外石油的依存度超过40%。
我国石油缺口逐年增大已是不可回避的严峻现实,并对能源的安全供应、国民经济的平稳运行以及全社会的可持续发展构成了严重威胁。
我国拥有的煤炭资源保有储量约1万亿t,一次能源结构的特点是富煤、贫油、少气,在化石能源总量中,95.6%为煤炭,3.2%为石油,1.2%为天然气。
目前,我国已成为世界上最大的煤炭生产国和消费国,能源消费以煤为主的状况在未来相当长的一段时间内不会有大的改变。
传统的石油化工需要消耗大量的石油资源,以规模100万t/a乙烯工厂为例,如果用石脑油作为裂解原料,每年需要石脑油至少300万t,而年产300万t石脑油就需要有1000万t/a的原油加工能力。
如果以煤炭为原料,一个100万t/a规模的乙烯工厂,每年所需的煤炭量为1000万t。
就我国煤炭和石油的储量对比关系来看,用煤炭为原料替代石油发展化工,可以扬长避短,能够满足未来相当长时间内的原料需求,同时可提高资源的合理、有效利用程度,在资源的有效利用方面具有明显的优势。
因此,发展煤制烯烃产业符合我国资源结构特点,具有可靠的资源保障,并有利于缓解石油资源紧缺的局面,是保障我国石油战略安全的一项有力举措。
1.2 能够替代进口,满足市场需求
近年来,虽然石油化工产业发展迅速,但国内市场自给率依然十分不足,大量依赖进口。
以聚烯烃产品为例:
2004年,我国聚乙烯产量441万t,进口量达479万t,国产满足率仅为47.8%;
聚丙烯产量474万t,进口量达291万t,国产满足率仅为61.9%。
随着现代煤化工技术的发展,以煤为原料经适当的工艺路线来生产聚乙烯和聚丙烯产品已经成为可能,因此,利用我国丰富的煤炭资源,采用先进的煤化工技术,大力发展煤制烯烃产业,在我国拥有广阔的市场前景。
1.3 可以调整煤炭企业产品结构,有效拓展发展空间
相对国际而言,我国煤炭市场价格低廉,煤炭企业的经济效益长期在低位徘徊。
发展煤化工产业,将低价值的煤转变为具有高附加值的化工产品,可以大大提高煤炭企业的经济效益。
以神华煤制烯烃项目为例:
5.5t煤可以生产1t聚烯烃产品,在煤矿坑口附近建设煤制烯烃工厂,1t煤的价格可以控制在100元以内,而目前国内聚烯烃产品的市场价格已经超过了1万元/t,按保守价格6000元/t计算,发展煤制烯烃项目可以实现10倍以上的增值。
此外,国内煤炭工业的发展长期存在着运力不足的问题,,在国内各主要煤炭消费市场,煤炭价格高昂,而在煤炭产地,煤炭价格低廉,因此煤炭企业为了实现产品的增值,不得不占用宝贵的运输资源,把大量的煤炭从坑口运出到消费市场。
比如2004年以来,东部沿海地区的煤炭价格一直维持在400元/t左右,而西部地区的煤炭因为运力限制不能外运,在当地的销售价格低于100元/t。
如果在煤炭产地发展煤化工,可以实现就地转化,将质量大、价值低的煤炭转变为质量轻、价值高的化工产品,既大大减少了运输压力,又实现了产品的增值。
因此,发展煤化工产业,是煤炭企业调整产业结构,实现可持续发展的重要途径。
1.4 有利于污染物的集中治理,改善环境保护
我国的能源消费结构中煤炭占67%左右,其中有80%以上采用的是效率低、污染严重的直接燃烧方式,大气中90%以上的S02、67%的NOx、82%的酸雨以及70%的粉尘是由燃煤引起的。
煤炭的低效利用还造成了C02温室气体的排放大大增加,严重地威胁到生态环境和人类健康。
目前,我国已成为世界上环境污染最严重的国抑?
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1.5 有利于带动区域经济的发展,是促进西部大开发的具体举措
我国的煤炭资源大多分布在西部地区,长期以来,煤炭工业的发展模式都是简单的采矿外运,而煤炭价格在煤炭产地又非常低廉,因此传统的煤炭工业对资源地区经济的发展贡献非常有限。
现代煤化工项目投资大,属资金、技术、人才密集型产业,如果在资源地区建设大型煤化工项目,可以把西部的发展潜力转化为现实生产力,把资源优势转换为经济优势,大大拉动当地经济的发展,为西部大开发作出贡献。
2 煤制烯烃工艺路线及技术可行性
2.1 煤制烯烃工艺路线
以煤为原料经甲醇制取低碳烯烃的工艺路线可以用图1示意,该工艺技术包括煤气化、合成气净化、甲醇合成及甲醇制烯烃四项核心技术。
工艺路线为煤在高温高压下通过纯氧部分氧化反应生成主要成份为CO和H2的粗合成气,粗合成气经过部分耐硫变换及净化然后合成甲醇,最后甲醇转化为低碳烯烃。
目前,煤气化、合成气净化和甲醇合成技术均已实现商业化,有多套大规模装置在运,甲醇制烯
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