油气田伴生轻质烷烃的综合利用的研究进展

　　

油气田伴生轻质烷烃的综合利用研究进展

聂国庆[1]

（西安万德能源化学股份有限公司， 西安 710075）

摘要：随着化石能源的日益减少，人们对于油气田伴生轻质烷烃的利用越来越重视。在以往在油气田的开采过程中，伴生轻质烷烃一般是排放到大气中，这样不但造成资源的浪费，还会污染环境。目前对轻质烷烃的利用方式主要有燃烧利用、气转液制备天然气合成油、作为液化石油气利用以及催化裂解制取烯烃。前几种利用方式都有各自的利弊，存在利用率不高、造成碳排放量过大等问题，最后一种方案将轻质烷烃催化裂解制取烯烃是目前对其利用价值最高的，目前主要的催化裂解工艺有Oleflex工艺和Catofin工艺。本文对油气田伴生轻质烷烃的利用进行了综合探讨。

关键词： 轻质烷烃 综合利用 合成油 催化裂解

在油气田的开采原油或天然气过程中，会有伴生气以及凝析油的共生，通常为低碳烷烃，以甲烷为主，并含有一定量的乙烷、丙烷、正异构丁烷，以及少量烯烃，油气田地理位置和地质层系不同，会导致伴生低碳烷烃组分的差异。碳四以下在常温常压呈气态，碳四到碳十的组分，在常温常压下呈液态^[1,2^]。以长庆油田的各产油区为例，伴生气以碳一到碳三的气态轻烃为主，占比例在72%~91%不等；碳四到碳七的液态轻烃组分占比例为7%~16%，其中又以碳四的正丁烷和异丁烷为主^[3]。

在油气田的开采过程中，伴生的轻质烷烃会在开采过程中逸入大气。这样既导致资源的浪费，又会造成环境污染。

据全球火炬消减计划评估，每年油田开采过程伴生气燃烧导致温室气体排放增量约4亿吨二氧化碳当量。据报道，2000年中国采油伴生轻质烷烃产量达到62亿立方米^[4]。另据报道，近年国内油气田每年放空伴生气量也高达10亿立方米^[5]。

从环境保护和资源节约利用的角度来看，目前已有一些国家或地区开始管制油田伴生轻质烷烃的排放。例如，加拿大阿尔伯塔省能源保护委员会（ERCB）规定，任一油气采集场站的伴生烷烃排放量不得超过50万立方米每年。

1、轻质烷烃的可利用方案

目前针对油气田伴生轻质烷烃的回收处理技术多种多样，究其原因，不同油气田伴生的轻质烷烃排放量规模差异巨大，日产量从几百立方米到几十万立方米不等。这种差异使得很难依靠单一技术或设备将所有类型及产量规模的伴生轻质烷烃进行回收处理。

为了使伴生轻质烷烃更具经济性，一般需这部分资源汇集起来处理，目前国内为了经济性，一般不单独铺设管道输送伴生气，而是将原油产出物进行混合增压输送^[5^]。油气混输技术的应用，不但提高了经济性，还可以降低井口回压，提高油井产量，从总体上提高油气采收率^[6]。

目前主要有以下几种处理方式：

1.1燃烧利用

将伴生轻质烷烃作为燃料，直接燃烧获取热量，是一种简单直接的利用方式^[7]。石油场站上一般直接给锅炉供气，用于加热原油或冬季取暖。

但这种处理方式存在的主要问题是夏季伴生气过剩，而且，其中经济价值更高的烷烃不能充分利用其价值。

1.2利用气转液技术（GTL）制备天然气合成油

上世纪70年代发生石油危机以来，以天然气为原料合成油品和化工产品的技术研究在西方国家已经开始研究，理论上，天然气合成油工艺技术原理包括合成气生产和费-托合成两个过程。合成气生产过程分为气相部分氧化法（POX）和甲烷蒸汽转化法（SMR），以及将POX和SMR合称为一个工艺进行的自热转化法（ATR），其优点是反应温度低、耗氧量少，适合于下一步的费-托合成。

图1 天然气合成油流程

GTL技术在国外发展较快，目前较为成熟的有壳牌公司采用SMDS工艺（壳牌综合蒸馏出物合成工艺）在马来西亚建立的中间馏分油装置，南非Sasol公司的SSPD工艺（浆态床馏出物合成工艺），埃克森公司的AGC-21工艺，Williams公司的GasCat工艺，Syntroleum公司的自热式ATR工艺。

使用GTL技术转化利用低碳烷烃，虽然有成熟的技术路线，并且具有可观的经济效益，但是，从环保的角度，仍有其不足之处。为了实现中国在《巴黎气候变化协定》承诺的“争取2060年前实现碳中和”目标，需逐年降低碳强度，并提升非化石能源的消耗占比。GTL技术虽然能综合利用油田伴生气，提高经济性，但是伴生气的最终归宿为二氧化碳，增加了碳排放量，这与中国的碳中和承诺目标相悖。

1.3转化为液化气及化工溶剂

在油气田伴生低碳烷烃中，分离出碳一的成分用作天然气，再分离出碳二、碳三的成分用作液化石油气（LPG），剩余碳四以上组分可通过精馏制取化工溶剂进行应用。

全球LPG供应量一直保持增长。需求增加集中在亚太地区，需求增量稳定在2.5%~3.5%。2018年，我国液化石油气消费量达5587万吨，同比增长7.0%，但之前5年平均增速为16.2%，增速有所下降，主要原因是液化石油气生产装置投产减缓。

1.4轻烃蒸汽催化裂解制取烯烃

烯烃是一类重要的化工原料，应用领域广泛，精细化工、医药工业、橡胶工业等领域都有需求，是国民经济中的重要组成部分。随着我国经济近些年的高速发展，不同领域对各类烯烃的需求迅速增长，但其产能增长较为缓慢，制约着各行业的发展。

1970年以来，烷烃脱氢技术作为一个重要的烯烃生产技术，引起关注，该领域的技术开始蓬勃发展。经过几十年的发展，霍尼韦尔、巴斯夫、壳牌等国外公司均在该烷烃制烯烃技术领域有所建树，我国的中国石化、西南化工研究设计院有限公司等公司也在该领域开展研究，形成自己的技术优势。

在目前工业生产中，低碳烯烃原料一方面来源于炼油加工所产的石脑油、加氢尾气、液化气等气液轻重物料，另一方面来自天然气加工所副产的乙烷、丙烷等轻质烷烃组分。石脑油等催化裂解产物主要为乙烯，其它烯烃产量难以满足市场要求。而我国油气田伴生气、凝析油等低碳烷烃资源丰富。如果能够充分利用此类资源形成烯烃工业化生产，不仅可以将废弃资源有效利用，而且能缓解我国工业对石油资源的高依赖度。2000年以来我国乙烯裂解料组成变化见表1。

表1 2000年以来我国乙烯裂解料组成变化

百分比

年份	轻柴油	石脑油	抽余油	加氢尾气	轻烃及其它	合计
2000	16.3	62.9	1.6	8.6	10.7	100.0
2005	10.7	65.4	1.4	11.0	11.4	100.0
2010	3.9	66.6	1.9	13.7	14.0	100.0
2011	2.6	63.5	2.4	15.0	16.4	100.0
2012	2.4	64.1	2.2	14.0	17.2	100.0
2013	4.7	60.9	1.7	15.1	17.7	100.0
2014	5.4	55.5	1.8	17.8	19.5	100.0
2015	7.5	56.6	2.2	15.0	18.7	100.0
2016	6.9	54.7	1.1	15.5	21.7	100.0
2019	6.1	53.0	1.6	17.4	21.9	100.0

从上表可以看出，我国乙烯产业在逐步优化原料结构，由原来原料以轻柴油、石脑油为主，经过近年的产业调整，将加氢尾油和轻质烷烃所占比例提高，但整体数据来看，重质原料占比依然较大。下一步仍需进一步调整乙烯产业原料结构，加大油气田伴生轻质烷烃的利用。

1.4.1低碳烷烃脱氢类型

低碳烷烃脱氢包括直接脱氢和氧化脱氢。直接脱氢反应条件为高温、低压，转化率受热力学平衡限制。该类反应一般应用的催化剂主要包括铬系催化剂以及铂系催化剂，这两种系列催化剂在应用中都会存在问题，高温条件下会导致碳键断裂，会使产物选择性降低，同时会使催化剂寿命降低。

氧化脱氢反应由于反应温度相对较低，不受反应热力学平衡限制，具有反应速率快、积碳少等优点。但由于催化剂表面官能团不是单一种类，较为复杂，所以引发副反应较多，会导致烯烃氧化生成大量氧化物。^[16]

目前已经投产和在建的脱氢装置仍以贵金属催化脱氢为主。

1.4.2目前烷烃脱氢的主要生产工艺

目前烷烃脱氢的主要生产工艺有UOP公司开发的Oleflex工艺和Lummus公司开发的Catofin工艺。根据市场情况，两种工艺在应用方面各有其优缺点^[17]。

Oleflex工艺主要采用铂催化剂，选择性好、转化率高，整套工艺操作平稳，但催化剂成本较高。

Catofin工艺采用铬-铝催化剂，优点是催化剂成本低，对原料要求低，不需额外处理。但存在缺点，催化剂需频繁更换。

此外，Linde公司开发的PDH工艺、Uhde公司开发的Star工艺及Snam公司开发的FBD-4工艺也实现了产业化。国内方面，大连石油化工研究院也开发了MPDH技术（丙烷脱氢制丙烯成套技术工艺包）。

表2 我国已投产和在建的烷烃脱氢装置情况

企业名称	项目	工艺	生产能力/kt˙a-1	投产年份
天津渤海化工集团	丙烷脱氢	Lummus-Catofin	600	2013
浙江卫星能源有限公司	丙烷脱氢	UOP-Oleflex	450	2014
宁波海越新材料有限公司	丙烷脱氢	Lummus-Catofin	600	2014
浙江绍兴三锦石化有限公司	丙烷脱氢	UOP-Oleflex	450	2014
山东玉泉化工有限公司	异丁烷脱氢	Lummus-Catofin	300	2014
张家港扬子江石化有限公司	丙烷脱氢	UOP-Oleflex	600	2015
烟台万华化学集团有限公司	丙烷脱氢	UOP-Oleflex	750	2015
山东京博石油化工有限公司	混合烷烃脱氢	UOP-Oleflex	250	2015
山东神驰石化有限公司	混合烷烃脱氢	UOP-Oleflex	415	2015
河北海伟集团	丙烷脱氢	Lummus-Catofin	500	2016
宁波福基石化有限公司	丙烷脱氢	UOP-Oleflex	660	2016
福建美得石化有限公司	丙烷脱氢	UOP-Oleflex	660	2020
山东汇丰石化集团	丙烷脱氢	UOP-Oleflex	250	在建
山东齐翔腾达化工有限公司	混合烷烃脱氢	UOP-Oleflex	450	在建
海鼎化工科技有限公司	丙烷脱氢	Lummus-Catofin	700	在建

2低碳烯烃产业链

乙烯、丙烯等为重要的化工基础原料，其中乙烯是制备聚乙烯、环氧乙烷、乙二醇、乙苯等化工原料的重要来源，其下游产品涉及医用品、工程塑料、建材、电子电器等方面。

丙烯主要用于生产聚丙烯、丙烯酸、丙烯腈、丁醇、辛醇、丙酮等化工业原材料，进入21世纪以来，国民经济对丙烯工业的发展需求增大，但国内丙烯供应仍存在较大缺口。

其中聚丙烯为重要的合成纤维原材料，而丙烯腈是合成纤维、合成橡胶以及塑料这三大合成材料的重要基本原料，在化工合成工业和生活日常用品中用途广泛。

丙烯酸是重要的有机合成原料及合成树脂单体，可分为酯化级（CAA）、聚合级（PAA）和高纯级（GAA），下游产品包括丙烯酸酯、高吸水性树脂（SAP）、丙烯酸橡胶、高阻尼材料、有机玻璃等，广泛应用于涂料、胶黏剂、纺织、化纤、合成橡胶、制药、建材、油田开采等多个领域。丙酮则为生产重要塑料产品聚碳酸酯的原料。

丁醇和辛醇可以在同一套装置中以丙烯为原料使用羰基合成的方法生产，故一般称为丁辛醇。丁辛醇是合成精细化工产品的重要原料，主要用于生产增塑剂、溶剂等，并用于油品添加剂的制造等。

其它低碳烯烃也在国民经济中具有举足轻重的地位。

3油气田伴生低碳烷烃的利用建议

根据目前化石能源以及新材料发展变化趋势来看，规模化的处理油气田伴生气凝析油的最佳方案是往新材料方向发展。

碳一（甲烷）是天然气成份，进去管网或者进行压缩或者液化利用。分理出碳二（乙烷），利用催化脱氢技术生产乙烯，下游可以转化为聚乙烯、环氧乙烷、乙二醇等多种化学品，下来可进一步转化为工业化原料；碳三及以上组分可采用蒸汽裂解工艺生产低碳烯烃，也可以分离出碳三单独采用催化脱氢生产丙烯，其余组分去蒸汽裂解，这主要取决于各组分构成比例，以及下游加工利用的不同目的产物。低碳烯烃可以聚合生产多种树脂，以及多种高附加值的衍生化工原料，广泛应用于合成塑料、合成纤维以及合成橡胶，附加值高，经济价值巨大。

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Advances in utilization of light alkanes associated with oil and gas fields

Nie Guoqing

（Xi’an wonder Energy and Chemicals Co.,Ltd Xi’an 710075）

Abstract：With dwindling of fossil energy, people are paying more and more attention to the use of Light alkanes associated with oil and gas fields. Past, the associated light alkanes were generally discharged into the atmosphere, which not only causes the waste of resources, but also pollutes the environment. At present, the main utilization methods of light alkanes are combustion, natural gas produce synthetic oil by GTL, utilization as liquefied petroleum gas, and catalytic cracking to produce olefins. The first several utilization methods have their own pros and cons, and there are problems such as low utilization and excessive carbon emissions. The last one is the most valuable for its utilization by catalytic cracking of light alkanes to produce olefins. The catalytic cracking process includes Oleflex Process and Catofin Process. This article comprehensively discusses the utilization of associated light alkanes.

Key word：Light alkanes, Comprehensive utilization, Synthetic oil, Catalytic cracking

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