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天然气化工技术的深度思考

2022-03-11

目前,随着大批天然气化工企业的成立和大批天然气采气田开采,我国生产出了一系列的天然气化工衍生品。当下,虽然我国天然气化工技术得到了进一步的发展,但是与国外相比还存在一定的差距,具体表现在工艺较落后、生产装置规模较小、产品附加值较低、能耗较高等多个方面,从而导致我国天然气化工产品市场竞争力和企业经济效益较低。为了使上述问题得到有效解决,就需要加大对天然气化工技术的研发力度,以期更好的满足时代发展需求。

 

1、天然气制合成气

 

1)天然气干重整转化技术。该技术主要是借助CH4和CO2进行干重整反应,并结合目标产品特点来对H2/CO比例关系进行调整,以确保该工艺流程能够按照市场变化对目标产品的规模和种类进行实时、动态调整,进而更好的满足大部分合成气下游合成需求,其反应方程式如下:

 

CH4+CO2=2CO+2H2

 

通常情况下,碳一化工技术是基于合成气为原料来进行相关产品的生产,如合成氨、天然气制甲醇、直接制还原铁、氢甲酰化制含氧化合物、沼气经羰基合成、费托合成尾气转化利用以及CO2减排等。例如,在进行合成气制甲醇过程中,选择了CO2/CH4干重整技术,并按氢平衡计算,其不仅可以使CO2减排量相当于70%甲醇产能,而且还可以使甲醇产量提高50%。通过CH4和CO2干重整转化技术来生产甲醇时,可以有效取代投资大、流程长的煤制甲醇,而且还可以有效降低CO2的排放量,进而有效提高企业效益。作为一种清洁能源,天然气制合成气还能够使我国能源紧张问题得到缓解,进而降低对传统化石能源的依赖,同时还可以实现对能源结构的优化,在降低环境污染的同时,使生态环境得到改善,进而满足绿色低碳发展需求。

 

2)天然气蒸汽转化技术。该技术是在一定压力、温度及催化剂作用下,促进天然气与水蒸汽进行化学反应,从而得到H2和CO的过程,且其属于强吸热过程,由转化炉辐射段提供所需热量。在催化剂床层作用下,所发生的化学反应如下:

 

CH4+H2O=CO+3H2

 

通常情况下,天然气蒸汽转化技术需要严格控制水碳比,以免出现蒸汽量不足问题。通过增加水碳比,还可以推动反应平衡向正向移动,进而使反应转化率得到明显提升,但是会增加催化剂氧化等副反应的发生概率。同时,水蒸汽的热容较大,当有大量水蒸汽进入转化炉时会提高加热反应物所需燃料气量,进而导致其能耗增加。此外,水碳比过低也会在催化剂表面使烃类结碳,进而导致催化剂失活,此时最好根据反应条件来合理确定水碳比。

 

如今,随着天然气合成甲醇、氨等技术的发展,极大的推动了烃类蒸汽转化制合成气技术,并且在催化剂性能、净化方法以及能量回收等方面也取得了比较明显的进步,进而使烃类蒸汽转化技术具有较高的可靠性和灵活性。

 

2、天然气制合成油

 

该技术主要是借助天然气来对煤油、汽油等液体燃料进行生产的过程。由于它不含氮氧化合物、硫等杂质,因此是一种洁净、无色、污染小、燃烧性佳的合成燃料,即所谓的“绿色燃料”。通常情况下,天然气制合成油技术主要涉及到生产合成气、合成费托(F-T)以及产品精制等流程,实际反应过程如下:

 

nCO+(2n+1)H2=CnH2n+2+nH2O

 

nCO+2nH2=CnH2n+2+nH2O

 

nCO+2nH2=CnH2n+2O+(n-1)H2O

 

天然气制合成油过程中,费托催化剂开发和利用属于比较关键的一项技术,既需要对反应温度进行有效控制,又需要选择高活性的催化剂,以此来降低装置投资成本,并有效提高装置生产能力。

 

3、天然气制合成二甲醚

 

在工业生产过程中,二甲醚是比较常用的化工原料,其一般在燃料、农药以及制药等方面得到广泛应用。同时,由于二甲醚具备优良的燃烧性能,因此可以用作柴油或液化石油气的替代品。实际上,二甲醚具有以下优点:产生的废气无毒、具有较好的可燃性,在常温下能够被压缩成液体,以方便其运输。二甲醚的传统生产方法一般是甲醇脱水法,但是以天然气为原料来对二甲醚进行制备时,一般是借助天然气空气催化部分氧化法来达到合成气制备的效果,该反应中采用了金属-酸性催化剂。如果对甲醇与甲醇脱水反应实施耦合处理,还可以使反应转化率得到提升。此外,由于合成气含有的惰性成分比较多,此时最好将反应温度控制在250℃左右,反应压力控制在6~8MPa左右。

 

4、天然气制合成精细化工产品

 

目前,我国主要用天然气来进行甲醇和化肥的生产,但是由于天然气价格较高,导致整体效益偏低。而利用天然气来进行精细化工产品生产时,可以取得比较理想的经济效益,这就推动天然气化工技术朝着精细化的方向发展,具体产品如下:

 

1)甲醛。在天然气合成甲醛过程中,一般涉及到金属氧化物催化工艺和银催化剂工艺两种路线,通常是先将天然气转化为甲醇,并以此作为原料来生产甲醛。通常情况下,在金属氧化物催化工艺中,选择了Fe/Mo氧化物作催化剂,该过程中甲醇消耗低,可以获得浓度和纯度较高的甲醛,且该工艺还具有无污染和催化剂寿命长的特点,因此得到推广应用。同时,该工艺一般要求在甲醇浓度低于爆炸极限和空气过量的情况下进行反应,大量空气可以确保甲醇的选择性和转化率。

 

2)乙炔。目前,乙炔常见的生产方法有电弧法、电石法和烃类部分氧化法等,借助天然气作为原料,通过部分氧化获取乙炔的工艺路线相对比较成熟。如今,世界上乙炔制备工艺技术最成熟、最可靠的公司是德国BASF,我国的四川维尼龙厂在1979年引进了德国BASF公司的专利,并组建了天然气乙炔装置。

 

3)天然气乙炔法生产氯乙烯。现阶段,以天然气为原料生产乙炔的方法较多,技术较为成熟,然而工业化生产方法只有电弧法、等离子法和部分氧化法,其中部分氧化法是比较成熟的天然气制乙炔方法,其主要是借助部分天然气燃烧过程中所产生的热量和高温来为甲烷裂解成乙炔提供保障,具体反应过程如下:

 

2CH4=C2H2+3H2

 

CH4+O2=CO+H2O+H2

 

CO+H2O=CO2+H2

 

C2H2=2C+H2

 

氯化氢与乙炔反应后将会得到氯乙烯,其反应式如下:

 

HC≡CH+HCl=CH2=CHCl

 

该工艺需要先按照要求对原料气进行混合处理,随后通过反应得到氯乙烯,最后进行产品精制。

 

4)聚甲醛。通常情况下,聚甲醛树脂主要是借助甲醛水溶液制备而成,一般涉及到共聚工艺和均聚工艺两种,而共聚工艺得到了广泛应用,该工艺是甲醛水溶液在强酸催化剂作用下转化为三聚甲醛单体,并通过溶剂萃取精制所得,随后继续在双螺旋杆反应器中实现不间断的单体聚合,最终所得到的后聚合体依次通过粉碎、过滤、干燥和挤出造粒处理后就能够获取聚甲醛成品。实际上,聚甲醛属于重要的工程塑料,其一般具有耐磨、耐冲击、自润滑、尺寸稳定、质轻、强度高、耐化学介质和电性能好等优势,与金属具有十分相似的性质,是性能优良的工程结构塑料。


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