張德順,段偉明,孫吉水,張琦

(1.唐山明州科技有限公司,河北 唐山 063611;2.山東國(guó)金化工有限公司,山東 淄博 255100;3.青島特殊鋼鐵有限公司,山東 青島 266000)

甲醇是最基本化工原料之一,主要應(yīng)用于石油化工、精細(xì)化工、生物化工等領(lǐng)域,可用來(lái)制造甲胺[1]、MTBE(甲基叔丁基醚)等多種有機(jī)產(chǎn)品,也可以作為清洗去油劑、甲醇蛋白、分析試劑、生長(zhǎng)促進(jìn)劑等,其重要性在生活中得到了越來(lái)越多的體現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展,環(huán)境和能源之間的矛盾也日益突出,甲醇作為一種綠色、潔凈燃料,被應(yīng)用的需求越來(lái)越大。近10年來(lái),隨著工業(yè)集群化的發(fā)展,甲醇生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)大,工藝技術(shù)不斷提升優(yōu)化,日臻成熟,甲醇汽、柴油在日常生活中應(yīng)用廣泛,并產(chǎn)生了極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著甲醇應(yīng)用在越來(lái)越多的行業(yè)和領(lǐng)域,特別是作為一種性能優(yōu)良的能源和車用燃料,甲醇的需求量將大幅上升。

1 國(guó)內(nèi)研究綜述

1.1 甲醇的生產(chǎn)現(xiàn)狀

截至2022年底,全球甲醇產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò)1.89億t,同比增長(zhǎng)3.3%[2]。2018—2022年我國(guó)甲醇進(jìn)口整體上漲,平均增速達(dá)10%以上。2020年最初疫情影響全球貿(mào)易情況下,中國(guó)進(jìn)口量高達(dá)1 300萬(wàn)t歷史極值,2022年1—12月,我國(guó)甲醇進(jìn)口量累計(jì)值在1 219萬(wàn)t左右,環(huán)比去年增加100萬(wàn)t左右,增速大約8.9%。2018—2021 年全球甲醇產(chǎn)能保持穩(wěn)健增長(zhǎng)的趨勢(shì),得益于伊朗和歐美裝置的大規(guī)模集中投產(chǎn),全球產(chǎn)能增速較為明顯。2018—2019 年國(guó)際新增產(chǎn)能多在400萬(wàn)～450萬(wàn)t左右,而2020年降至300萬(wàn)t以內(nèi),2021 年略增至385萬(wàn)t,而2022年受國(guó)際天然氣價(jià)格大漲及弱需求雙重壓制影響,新增產(chǎn)能釋放量進(jìn)一步減少至50萬(wàn)t以內(nèi),截至目前僅有美國(guó)一套20萬(wàn)t甲醇裝置投產(chǎn)。

自21世紀(jì)初起,許多國(guó)家都開始投巨資,將其設(shè)備投放到擁有豐富的自然能源的中東、拉美、東亞等國(guó)家,旨在通過(guò)低廉的價(jià)格搶占市場(chǎng)份額。此外,這些國(guó)家的設(shè)備的規(guī)模也越來(lái)越大。這種全球性的甲醇生產(chǎn)方式改變了人們的消費(fèi)習(xí)慣。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的加快,美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的甲醇需求正在從原有的供應(yīng)模式不斷增長(zhǎng),而中國(guó)則正在迅速崛起,成為全球最大的甲醇供應(yīng)國(guó)。

20世紀(jì)50年代,中國(guó)甲醇工業(yè)開啟了一段嶄新的歷史,當(dāng)時(shí)使用的高壓法鋅鉻催化劑制備甲醇,原材料來(lái)自蘇聯(lián),1957年,第一套裝置被吉林生化工業(yè)建成,每天可生產(chǎn)100 t甲醇,隨著時(shí)間的推移,蘭州、太原、西安等地也相繼建成了工業(yè)化生產(chǎn)線,使得中國(guó)甲醇工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。在20世紀(jì)60年代,上海吳涇化工廠利用當(dāng)?shù)氐拿禾抠Y源,成功地構(gòu)筑起甲醇生產(chǎn)線;而中國(guó)生化工業(yè)研究院則研究出一種新型的聯(lián)醇催化劑,這種催化劑產(chǎn)品的出現(xiàn),極大地促進(jìn)了合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇工業(yè)的進(jìn)步。近年來(lái),由于下游消費(fèi)者的大量購(gòu)買,以及生產(chǎn)成本的不斷攀升,中國(guó)的甲醇市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的階段。在這段時(shí)間內(nèi),甲醇的銷售量已經(jīng)達(dá)到100%,這也促進(jìn)了中國(guó)甲醇行業(yè)的快速發(fā)展,導(dǎo)致其年均產(chǎn)量大大增長(zhǎng)。近年來(lái),由于甲醇生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步提升,生產(chǎn)工藝日益完善,生產(chǎn)規(guī)模不斷增長(zhǎng),尤其是當(dāng)今的甲醇柴油和汽油的普及,使得它們不僅具有較低的價(jià)格,而且還能作為一種可靠的替代能源。

1.2 甲醇的生產(chǎn)量

在2002年,中國(guó)的甲醇生產(chǎn)量已經(jīng)增加了4.5 Mt,產(chǎn)量也增加了2.31 Mt,同時(shí),中國(guó)也從海外引入了1.8 Mt的甲醇,并將其出口至10 kt,表觀消費(fèi)量也增加了4.1 Mt,這一比例高于市場(chǎng)的總量。

在2003年,公司的年度生產(chǎn)量達(dá)到了5 Mt,年度產(chǎn)量達(dá)到了3 Mt,年度進(jìn)口量達(dá)到了1.4 Mt,年度出口量達(dá)到了50 kt,表觀消費(fèi)量達(dá)到了4.35 Mt,占據(jù)了市場(chǎng)的69%。

2004年,公司的生產(chǎn)能力提升至7 Mt,產(chǎn)量增至4.4 Mt,同時(shí),其對(duì)外貿(mào)易量也有所增加,其中對(duì)外貿(mào)易量大幅增加至30 kt,表觀消費(fèi)量也有所提升,其中對(duì)外貿(mào)易量的比重高達(dá)77%。

在2005年,公司的年度生產(chǎn)量高達(dá)10 t,年均產(chǎn)量高達(dá)5 t,年均進(jìn)口量高達(dá)1.15 Mt,年均表觀消費(fèi)量高達(dá)6.15 Mt,占全年市場(chǎng)總量的80%。

在2006年上半年,中國(guó)的甲醇總產(chǎn)量達(dá)到了3.4 Mt,這一數(shù)字相對(duì)于2005年同期上升了29.7%,而下半年,隨著2 Mt的新一代甲醇設(shè)備的逐步完成,中國(guó)的甲醇總產(chǎn)量也超過(guò)了7 Mt,相對(duì)于2005年的水平上升了2 t。2006年,中國(guó)的甲醇市場(chǎng)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大,其消費(fèi)量有望達(dá)到7 Mt,這一數(shù)字比去年更加突破,創(chuàng)下了歷史新高。此外,中國(guó)的甲醇出口商品(大部分出口商品到朝鮮)量更是突破了100 kt,使中國(guó)躍居全球第二位,而且,中國(guó)的甲醇生產(chǎn)規(guī)模還在繼續(xù)擴(kuò)大,未來(lái)的發(fā)展前景一片光明。

2008年產(chǎn)能達(dá)到2 338萬(wàn)t。

2009年,全國(guó)鋼鐵生產(chǎn)量大幅提升,超過(guò)379萬(wàn)t,實(shí)現(xiàn)了2 717萬(wàn)t的突破。

2010年,中國(guó)的甲醇生產(chǎn)規(guī)模出現(xiàn)了顯著的擴(kuò)張,其中38.26%的生產(chǎn)規(guī)模實(shí)現(xiàn)了1 575.26萬(wàn)t的突破,這一成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了1990年的63.97萬(wàn)t,相當(dāng)于24.62倍。在2010年,中國(guó)擁有超過(guò)200家甲醇制造商,年均產(chǎn)能達(dá)到3 756.5萬(wàn)t,年均產(chǎn)出達(dá)到1 575.26萬(wàn)t[3]。

2016年,中國(guó)甲醇總產(chǎn)量是4 291萬(wàn)t,增幅達(dá)8.4%。

到2023年世界甲醇需求量將從2010年的4 900萬(wàn)t增長(zhǎng)至20 000萬(wàn)t。未來(lái)幾年,隨著MTO在中國(guó)的飛速發(fā)展,世界甲醇需求量仍然會(huì)保持穩(wěn)定快速增長(zhǎng)。

1.3 國(guó)內(nèi)學(xué)者研究現(xiàn)狀

馮亮杰等[5]強(qiáng)調(diào)了中國(guó)煤制甲醇的重大意義,并通過(guò)實(shí)際案例來(lái)探討各種煤制二甲醚的技術(shù)方案,從而評(píng)估其可行的生產(chǎn)效率、成本效益和社會(huì)效益。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用優(yōu)質(zhì)的燃燒石灰石作為燃料時(shí),使用水煤漿氣化工藝是效率和經(jīng)濟(jì)性更高的方法。

姜波[6]深入探討了如何選擇有效的煤炭生產(chǎn)方法,并將其與BGL、多噴嘴對(duì)置以及Shell等先進(jìn)的燃料生產(chǎn)方法相結(jié)合,以期獲得更加優(yōu)質(zhì)的煤炭生產(chǎn)方案。

穆建軍[7]以一種融會(huì)貫通的思路,運(yùn)用多種技術(shù)手段,深入探討晉煤集團(tuán)MTG工程項(xiàng)目建設(shè)的可能性,并從多個(gè)角度,全面考察其可能帶來(lái)的潛力,最終得出一個(gè)完整的MTG工程的發(fā)展趨勢(shì),從而為晉煤集團(tuán)的MTG工程建設(shè)提供有力的參考依據(jù)。通過(guò)對(duì)幾類可能對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)產(chǎn)生重大影響的因素分析,制定并實(shí)施了一系列有效的防范與管控策略。

劉于英等人[8]詳細(xì)闡述了甲醇制汽油的不同技術(shù)方法,包括固定床、流化床、多管式反應(yīng)器和一步法,他們還將這些技術(shù)方法之間的差異性和優(yōu)劣勢(shì)作出了詳細(xì)的分析。

楊華等人[9]開發(fā)了一種氯化芐二級(jí)連續(xù)水解反應(yīng)制備苯甲醇的新工藝,采用氯化芐經(jīng)一級(jí)常壓反應(yīng)和二級(jí)加壓水解反應(yīng)制苯甲醇,一級(jí)常壓、二級(jí)加壓連續(xù)攪拌水解反應(yīng)制苯甲醇工藝,克服了傳統(tǒng)間歇工藝和六釜串聯(lián)工藝中物料加入、產(chǎn)品轉(zhuǎn)出等造成的操作繁瑣、能量浪費(fèi)嚴(yán)重、產(chǎn)率低等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了物料和產(chǎn)品的連續(xù)進(jìn)出。

鄭清娟[10]利用Aspen Plus建立了20萬(wàn)t/a煤氣制甲醇工藝的全流程模型,并對(duì)模型中的各流程方案進(jìn)行了Technology- Economy -Environment分析。經(jīng)過(guò)技術(shù)-能耗-經(jīng)濟(jì)性能分析,新工藝中的關(guān)鍵參數(shù)氫氣循環(huán)率、反應(yīng)器冷卻劑溫度及未反應(yīng)氣循環(huán)率分別定為0.6、187 ℃及0.89。新工藝需要投資費(fèi)用2.319 M$,能實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放,甲醇增產(chǎn)16%,節(jié)約能量成本15.5%,新增收入23.485 M$/a。

2 國(guó)外研究綜述

2.1 國(guó)外甲醇的生產(chǎn)狀況

甲醇在世界各國(guó)都很受歡迎,中國(guó)、歐洲、北美三個(gè)地區(qū)的消費(fèi)量幾乎占據(jù)了整個(gè)世界的3/4,而南美國(guó)家生產(chǎn)的甲醇則更多集中在北美,而中東國(guó)家的生產(chǎn)則更多集中在歐洲、東北亞,這些國(guó)家都成了世界上重要的甲醇供應(yīng)國(guó)。此外,東北亞也出口了一些甲醇,雖然這些國(guó)家的生產(chǎn)規(guī)模并不算太多。中東、南美是全球最大的出口市場(chǎng),而東亞、西歐、北美則是最大的進(jìn)口來(lái)源。

根據(jù)2022年的數(shù)據(jù),世界各國(guó)的甲醇總產(chǎn)量達(dá)到了18 900萬(wàn)t/a,中國(guó)的總產(chǎn)量達(dá)到了10 041萬(wàn)t/a,占到了世界總甲醇產(chǎn)量的53%。中國(guó)作為全球最大的制造商,其制造的甲醇大多數(shù)都通過(guò)外銷,而當(dāng)?shù)氐募状枷牧繀s非常小。除中國(guó)外國(guó)際產(chǎn)能還分布在伊朗、阿曼、美國(guó)、加拿大等多個(gè)國(guó)家,其中伊朗是除中國(guó)外產(chǎn)能最大的國(guó)家,其產(chǎn)能超過(guò)1 300萬(wàn)t。

中東地區(qū)由于其資源優(yōu)勢(shì),其產(chǎn)能占比高達(dá)24%,且其甲醇下游需求相對(duì)較少,多數(shù)成品以出口為主。中東地區(qū)伊朗和沙特的產(chǎn)能合計(jì)占到80%以上,卡塔爾、阿曼、巴林等占比為16%。近年來(lái)中東地區(qū)只有伊朗產(chǎn)能擴(kuò)張比較明顯,其他國(guó)家產(chǎn)能增長(zhǎng)基本停滯。

2.2 國(guó)外學(xué)者研究現(xiàn)狀

Bampaou等[11]提出了不同的操作圖和反應(yīng)器配置,從而提高氫的利用率,降低生產(chǎn)成本。研究了鋼鐵廠廢氣的混合物作為合成原料。首先,研究了傳統(tǒng)的單反應(yīng)器循環(huán)操作,而在第二部分中,提出了多反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以改善工藝性能。對(duì)關(guān)鍵操作變量進(jìn)行了優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)所研究反應(yīng)器裝置的最佳氫氣利用條件。結(jié)果表明,循環(huán)利用改善了單反應(yīng)器的性能,但對(duì)于多反應(yīng)器裝置沒(méi)有觀察到實(shí)質(zhì)性的改善?？傮w而言,四反應(yīng)器概念顯著提高了工藝效率,從而降低了相關(guān)生產(chǎn)成本:每生產(chǎn)一個(gè)甲醇裝置可降低13%的氫氣、30%的原料、27%的壓縮要求和更高的CO2轉(zhuǎn)化率(63%)。

Wang等[12]研究將質(zhì)子陶瓷電解池(PCEC)電解制氫和CO2回收制甲醇相結(jié)合,開發(fā)了一種新型反應(yīng)器模型。通過(guò)中間補(bǔ)入低溫氣體解決PCEC與甲醇合成溫度不匹配的問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)甲醇的一體化直接合成。在模型驗(yàn)證后,研究了關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)甲醇產(chǎn)量和溫度分布的影響。研究發(fā)現(xiàn),提高工作電壓和電解工作溫度,或降低補(bǔ)充氣體溫度均可提高甲醇產(chǎn)量。

Wang等[13]提出了由甲醛和甲醇合成PODEn的假定反應(yīng)途徑,表明疏水性的提高促進(jìn)了催化劑中局部水濃度的降低,從而促進(jìn)了碳陽(yáng)離子的穩(wěn)定。

3 甲醇行業(yè)研究綜述

為了實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展,甲醇行業(yè)正努力推進(jìn)園區(qū)化、集約化、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,并且積極探索新的增長(zhǎng)途徑,努力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)聚焦、資源共享、技術(shù)創(chuàng)新,最終實(shí)現(xiàn)2030年的碳達(dá)峰目標(biāo),即實(shí)現(xiàn)全國(guó)甲醇總產(chǎn)能15 000萬(wàn)t的里程碑,并且實(shí)現(xiàn)150～200家及以上的規(guī)模,形成30個(gè)擁有強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)力的特大型甲醇企業(yè)集團(tuán)公司。在這些公司里,超過(guò)75%的公司擁有超過(guò)50%的甲醇生產(chǎn)。使用加壓連續(xù)氣化技術(shù)的公司的生產(chǎn)率已經(jīng)從目前的50%增長(zhǎng)到了75%。另外,使用無(wú)煙煤作為原材料的公司的生產(chǎn)率已經(jīng)從目前的20%下降到了10%。使用天然氣作為原材料的公司的生產(chǎn)率已經(jīng)從目前的18.6%下降到了7.5%。此外,使用焦?fàn)t煤氣作為原材料的公司的生產(chǎn)率已經(jīng)從目前的16.2%增長(zhǎng)到了25%。

為了促進(jìn)甲醇行業(yè)的發(fā)展,政府將采取一系列措施,包括:加強(qiáng)總體規(guī)模管理,改進(jìn)能源利用效率,優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),加強(qiáng)準(zhǔn)入門檻,開展項(xiàng)目審核,支持企業(yè)合資合作,構(gòu)筑及完善落后產(chǎn)能的退出補(bǔ)償體系,最終將淘汰500萬(wàn)t以下的甲醇生產(chǎn)線。

為了更好地利用甲醇的潛在價(jià)值,必須在未來(lái)的幾年里,積極推進(jìn)甲醇的下游產(chǎn)品的研究和生產(chǎn),以及提升其對(duì)全球市場(chǎng)的影響。這樣,才能夠更好地利用甲醇的潛在價(jià)值,并使其成為一家實(shí)力雄厚的公司。

4 結(jié)論

隨著世界各地的經(jīng)濟(jì)融合,甲醇的使用量也逐漸增加,它已成為我國(guó)社會(huì)發(fā)展的主導(dǎo)力量。作為一種古老的化學(xué)物質(zhì),它的使用范圍極具廣泛性,而且由于石油價(jià)格的持續(xù)飆升,使得它的市場(chǎng)份額也迅速增長(zhǎng),從而引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

根據(jù)最新統(tǒng)計(jì),中國(guó)擁有80%的甲醇原料,而這些原料的大部分都通過(guò)煤炭的轉(zhuǎn)換而獲得。此外,根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì),中國(guó)目前擁有超過(guò)2 000億t的可開采的煤炭,這一比例超過(guò)了總體的90%。

甲醇汽油是一種重要的燃料,它可以通過(guò)多種方法制造。埃克森美孚公司的二步法MTG技術(shù)是一種常見的方法,但是中國(guó)科學(xué)院山西煤化所和化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計(jì)院聯(lián)合研發(fā)的一步法甲醇汽油制備技術(shù)也是一種有效的方法。國(guó)產(chǎn)技術(shù)擁有出色的汽油選擇性、簡(jiǎn)單的生產(chǎn)過(guò)程、更長(zhǎng)的使用壽命以及更穩(wěn)定的催化劑等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)相關(guān)研究,本研究對(duì)甲醇的概念進(jìn)行了深入探討,并對(duì)其國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)情況進(jìn)行了分析。此外,本研究還對(duì)其催化劑的使用和合成技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡釋,并指出其對(duì)于我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展和促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重大作用。除此之外,本文還探討了甲醇的未來(lái)走向,并建議政府采取措施來(lái)推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。