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【轉自石化科普知識】第十四講 碳一的開發利用
發布時間:2018年05月28日   發布部門:區委辦   瀏覽次數:4969

  講完石油中的碳二到重油,回過頭我們再來看看一個碳的巨人。碳一中最重要的物質是甲烷,它主要存在于天然氣中,另外甲醇也是重要的碳一工業原料。


圖14-1 西氣東輸工程中輸氣管道

  對于天然氣,人們并不陌生。在我國的西部大開發中,  “西氣東輸”工程幾乎無人不曉;而廣東、福建等省每年進口約300萬噸的液化天然氣來改變能源結構的戰略目標也逐步實施。目前,天然氣已經廣泛深入到我國廣大地區和人民日常生活中。天然氣是一種由甲烷為主的氣態化石燃料,與石油一樣,是由沉積巖中的有機質轉化而來的。
  我國天然氣開采有著悠久的歷史。據《史記》記載,我國最早對天然氣進行開發利用可追溯到公元前3世紀。古代的勘探天然氣及鉆井技術給世界留下了寶貴的財富;而現代的開采鉆探則融入了人類發明的重力法、磁法、電聲法、放射性法等高新技術,大大拓寬了地層中天然氣的勘探和開采范圍。
  從歷史回到今天的現實,由于世界新探明天然氣的儲量呈逐年上升的趨勢,而石油的新探明儲量急劇下降,天然氣在世界能源結構中的比例將會逐年增大。我國擁有豐富的天然氣資源,天然氣燃燒后無廢渣、廢水產生,較煤炭、石油等能源有使用安全、熱值高、潔凈等優勢,它的利用一直為人們高度關注,相信在21世紀將迎來天然氣的能源時代(如圖14-2)。


圖14-2 天然氣利用

  隨著國家加強對天然氣資源的開發,如何有效利用天然氣資源成為了熱點。天然氣的化工利用可以分為直接法和間接法兩條基本途徑。天然氣可以直接作為燃料使用或轉化為有機化工產品。在我國天然氣雖然儲量豐富,但多位于偏遠地區,其直接作為動力燃料使用,面臨安全運輸和保存的問題,和汽油相比,在相關動力技術上存在不少弊端。將天然氣通過化學途徑轉化為易于運輸的液體燃料或高附加值的化工產品是目前研究的熱點之一。目前,甲炕直接轉化途徑主要包括:甲皖直接氧化制備碳一合氧化合物、甲烷氧化偶聯和甲烷無氧芳構化等其中甲烷直接氧化制備碳一含氧化合物被認為是最具工業化潛力的路線,同時也是研究較多的方向。但由于甲烷分子在結構上非常穩定,產物甲醇、甲醛和乙烯在這種反應條件下的氧化速度要比原料甲烷快得多,導致反應的選擇性較低,這是在利用方面要值得注意的地萬。
  目前,天然氣的化工利用主要通過間接轉化法,將天然氣轉化為合成氣這一中間產物,再通過費托(Fischer-Tropsch,簡稱F-T)法將合成氣轉化為液體燃料,或通過其他連徑合成甲醇、化肥等一系列的化工產品。其中制合成氣是天然氣間接轉化的關鍵步驟,“造氣”工序成本占全過程成本的50%-75%。因此,提高甲烷制合成氣工藝過程的效率是決定天然氣間接利用的關鍵。
  合成氣是合成大量化工產品的一種重要化工中間產物。目前,通過甲烷制合成氣的基本途徑有三個:①水蒸氣重整甲烷;②二氧化碳重整甲烷;甲烷部分氧化反應。水蒸氣重整甲烷是工業上制合成氣采用的最為普遍的方法,其相關技術已經非常成熟。
  碳一化工除了體現在天然氣化工外,其重要應用還體現在甲醇和二甲醚化工上。甲醇是最簡單的化學品之一,同時也是最重要的化工基礎原料和清潔液體燃料。甲醇最早由木材和木質素干餾制得。1923年巴斯夫公司用一氧化碳和氫氣催化合成甲醇,開創了工業合成甲醇的先河。此后隨著甲醇的生產工藝不斷完善,生產成本不斷下降,使得甲醇的消費市場越來越龐大,現已廣泛應用于有機合成、染料、醫藥、農藥、涂料、汽車和國防中。
  二甲醚簡稱甲醚,是甲醇重要的下游產品。它具有良好的易壓縮、冷凝、汽化特性,使得它在燃料、制藥、農藥等化學工業中有許多獨特的用連。二甲醚興起同氟氯烷的限制與禁止使用是緊密相連的。而它除了是氟利昂的理想代替品外,還是柴油發動機的理想代用燃料,與同為代用燃料的甲醇燃料相比,不存在汽車冷啟動問題而二甲醚由于與液化天然氣有相似的蒸氣壓,且儲遠、燃燒安全性,預混氣熱值和理論燃燒溫度等性能指標均優于石油液化氣,故而也可以作為民用燃料使用  由于石油資源短缺、煤炭資源豐富及人們環保意識的增強,二甲醚作為從煤轉化成的清潔燃料而日益受到重視,成為近年來國內外競相開發的性能優越的碳一化工產品(如圖14-3)。


圖14-3 天然氣能源化工廠區

  綜上所述,由于天然氣儲量豐富,并憑借其熱值高、安全、潔凈等優勢,發展天然氣化工是目前解決能源危機,改善環境污染的有效逢徑。除此之外,甲醇與二甲醚等碳一化工衍生產品也在能源領域表現各自的優越性,隨著人們對環境保護與可持續發展的日益重視,碳一化工技術的不斷完善與發展,碳一化工將在新時代的能源發展道路上,與石油路線相互補充,占有舉足輕重的地位。


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