最新替代石油新能源的技術(shù)發(fā)展及趨勢研究

1、替代石油新能源的技術(shù)開展及趨勢研究1 .世界石油資源形勢及開展趨勢1.1 世界石油資源形勢20世紀(jì)的工業(yè)革命利用廣泛存在的化石資源推動了經(jīng)濟(jì)持續(xù)、高速地開展,但其引發(fā)的相關(guān)能源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)惡化等問題也日益加深,同時化石資源的分布不均勻性導(dǎo)致世界范圍內(nèi)的能源競爭,引發(fā)了一系列的國際政治問題.目前,全球可采石油儲量的38%以上分布于中東,17.3%和16.5%分布于前蘇聯(lián)和北美,歐洲缺乏4%見圖1.我國化石能源資源在世界已探明儲量中,石油僅占2.7%,天然氣0.9%,煤炭15%,呈現(xiàn)缺油、少氣、多煤的狀況,但其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的比例卻分別高達(dá)4.2%、1.5%和33.5%o高速開展的經(jīng)濟(jì)導(dǎo)

2、致石油大幅進(jìn)口,自1993年起我國成為石油凈進(jìn)口國,對外依存度高達(dá)40%,嚴(yán)重威脅著我國的能源平安.1.2 近年世界石油供需狀況1985-2005年,世界石油需求的年均增長率約為1.7%,目前,全球十大石油消費(fèi)國中有4個在亞太地區(qū),其中中國為世界第二石油消費(fèi)大國,日本第三,印度第六,韓國第七.未來20年內(nèi),世界石油消費(fèi)將以近2%的速度增長,高于過去20年的平均增長水平.未來石油需求呈現(xiàn)穩(wěn)定增長態(tài)勢,亞太地區(qū)需求增長最快,供需矛盾突生.進(jìn)入20世紀(jì)90年代,中國對石油進(jìn)口的依賴度越來越大,中國原油消費(fèi)量以年均5.77%的速度增加,而同期國內(nèi)原油供應(yīng)增速僅為1.67%,供需缺口逐年拉大.由表1可知

3、,我國石油消費(fèi)增長迅速,對石油進(jìn)口依賴度越來越大,這已成為我國的一個根本國性.I表1近5年中國原油生產(chǎn)、進(jìn)口及消費(fèi)概況年份消費(fèi)國M產(chǎn)1ft進(jìn)口晾油進(jìn)口占消費(fèi)總液的比例,外X.1年2.1()1.650.452L44)(12年22Q1.60(K703(X62003年2,43L5Lt>,9237H2004年-1#VTL75L1740J2005年3.00L821.183931.3 替代石油能源產(chǎn)業(yè)的開展現(xiàn)狀和政策導(dǎo)向石油屬于不可再生資源,同時以石油為代表的化石能源的生產(chǎn)和消費(fèi)引發(fā)的環(huán)境問題越來越嚴(yán)重,已成為制約人類實現(xiàn)可持續(xù)開展的主要障礙之一,加上石油的高價位等因素,迫使世界各國尋求石油替代產(chǎn)品

4、和新能源,大力推行能源多樣化,石油替代產(chǎn)品和新能源的開發(fā)利用.在推行能源多樣化方面,日本、法國、德國、美國、巴西等國走在世界前列.日本天然氣占能源消費(fèi)量的比例達(dá)13.8%、核電14.1%;法國核發(fā)電占其總發(fā)電量的70%以上；巴西可再生能源占能源消費(fèi)的比例高達(dá)41%.德國、丹麥、美國等國家還大力開展清潔能源來取代核能.生物柴油在興旺國家受到高度重視,2004年總產(chǎn)量已達(dá)193.34萬噸,歐盟方案于2021年生物柴油產(chǎn)量達(dá)8001000萬噸,使生物柴油在柴油市場中的份額達(dá)5.75%o美國生物柴油的開展也受到高度重視,2004年10月布什總統(tǒng)簽署了對生物柴油的稅收豉勵法案,大力支持生物柴油在美國的開

5、展.2005年初,巴西公布法律規(guī)定,在巴西銷售柴油中必須添加生物柴油.中國生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽能、水能等資源豐富,新能源建設(shè)的市場潛力很大.鑒于化石能源資源的有限性和全球環(huán)境壓力的增加,世界上許多國家都熟悉到了新能源與可再生能源的重要性,并從政治、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上采取行動,由臺了一系列有利于加快新能源與可再生能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的政策法規(guī)和舉措.全球至少48個國家制定了促進(jìn)可再生能源利用的政策.我國政府十分重視能源多源化問題,采取國家財政補(bǔ)貼等豉勵舉措,大力推廣燃料乙醇試點工作,已建成四大乙醇燃料生產(chǎn)基地,總產(chǎn)能超過了100萬噸/年.2005年2月28日,第十屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十四次

6、會議通過了?中華人民共和國可再生能源法?,自2006年1月1日起已正式實施,?能源法?立法工作也正在抓緊啟動.2 .多元化替代石油能源的技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用目前,多元化能源替代技術(shù)開發(fā)主要集中在煤及天然氣合成油、生物柴油、燃料乙醇等領(lǐng)域.2.1 天然氣合成油GTL技術(shù)2.1.1 國外技術(shù)開發(fā)及工業(yè)化情況近幾年,各大石油公司都非常重視以天然氣為原料采用問接法合成油品的技術(shù)開發(fā),殼牌、薩索爾等公司均開發(fā)了具有特色的工藝技術(shù).薩索爾公司開發(fā)了采用鐵基催化劑和流化床反響器的F-T技術(shù),1993年在南非莫索灣建成一套以天然氣為原料的液體燃料規(guī)模為32000桶/日的裝置,生產(chǎn)高品質(zhì)的柴油、煤油和石腦油.薩索

7、爾公司與Topso必司聯(lián)合開發(fā)了以天然氣為原料采用漿態(tài)床工藝生產(chǎn)儲分油的GTL技術(shù)一一SSPD工藝.殼牌公司開發(fā)了中間微分油工藝,并采用茂金屬鉆基催化劑和湍流固定床反響器.1993年5月,在馬來西亞Bintulu建成GTL工業(yè)化裝置.?？松梨诠静捎免c基催化劑和漿態(tài)床工藝的AGC-21工藝,成功地運(yùn)行了一套200桶/日的中試裝置.Syntroleum公司開發(fā)了采用鈉基催化劑和流化床工藝的Syntroleum工藝,并建成2桶/日的GTL中試裝置.2.1.2 國內(nèi)GTL技術(shù)開發(fā)情況中國石化十分重視GTL技術(shù)開發(fā),目標(biāo)是開發(fā)由具有中國石化自主知識產(chǎn)權(quán)的成套GTL技術(shù).目前在F-T合成催化劑上已取得

8、了一定的進(jìn)展.1)大連化物所F-T合成催化劑.中國石化立項安排中科院大連化物所開發(fā)的適用于列管式固定床反響工藝的氧化硅負(fù)載的鈉基催化劑,具有合成直鏈高碳燒(蠟質(zhì)產(chǎn)品)的特點.目前開發(fā)的適用于漿態(tài)床反響工藝的活性炭負(fù)載的鈉基催化劑,具有較好的制取柴油微分的性能.液體產(chǎn)品中柴油組分較高,其中C10C20液體在產(chǎn)物中的比例為60%左右.2)F-T合成催化劑該催化劑是由中國石化股份石油化工科學(xué)研究院(RIPP)開發(fā)的,以氧化鋁為載體、金屬鉆為活性組分,一定程度上解決了F-T合成反響過程中在提升CO轉(zhuǎn)化率時,C+5選擇性下降的問題,大大提升了反響經(jīng)濟(jì)性和碳源利用效率,催化劑已根本定型.國內(nèi)其他企業(yè)F-T

9、合成技術(shù)開發(fā)情況：中科院山西煤化所先后開發(fā)了將傳統(tǒng)F-T合成與沸石分子篩相結(jié)合的固定床二段合成工藝和漿態(tài)床一固定床二段工藝,于2001年建成千噸級漿態(tài)床合成油試驗裝置和催化劑制備裝置,已進(jìn)行了屢次試驗,并得到合格產(chǎn)品.目前正方案建10萬噸級工業(yè)示范裝置.山東兗礦集團(tuán)公司2004年建成了5000噸/年漿態(tài)床低溫F-T合成油裝置,連續(xù)運(yùn)行4706小時.目前已完成百萬噸級煤制油工業(yè)示范裝置可行性研究報告.兗礦集團(tuán)在國內(nèi)合成油領(lǐng)域居領(lǐng)先地位,該集團(tuán)目前已擁有包括反響器和催化劑技術(shù)的F-T合成核心技術(shù).2.1.3 GTL產(chǎn)品對全球相關(guān)市場的影響近年來,GTL工業(yè)快速開展主要受資源、戰(zhàn)略、市場和環(huán)境等多方

10、面因素的推動,其中天然氣資源國積極利用偏遠(yuǎn)地區(qū)天然氣資源,國際油價居高不下成為主要的推動力之一.未來國際油價走勢將對GTL工業(yè)開展產(chǎn)生重要影響.據(jù)資料報道,預(yù)計2021年,世界GTL產(chǎn)能將達(dá)45萬桶/日,2021年將達(dá)100萬桶/日.F-T合成柴油是優(yōu)質(zhì)柴油組分,據(jù)估計2021年GTL柴油占中間微分油消耗量小于3%,不太可能對全球柴油市場有很大的影響,但在莫個區(qū)域,GTL柴油有可能占市場很大比例.目前,中國以煤炭為原料,采用直接液化或經(jīng)F-T合成制取液體燃料的在建、擬建工程已近800萬噸/年,一般在2021年左右建成,預(yù)計到2021年我國將完成總投資40005000億元,形成5000萬噸/年的

11、油品產(chǎn)能.中國煤炭儲量相對豐富,在特定區(qū)域,有一定的天然氣資源.隨著石油資源的日趨緊張、原油價格的不斷攀升,以煤炭、天然氣為原料制合成氣,經(jīng)F-T反響制液體燃料較有開展前途.2.2 生物柴油技術(shù)生物柴油是從天然動、植物油脂生產(chǎn)的柴油,化學(xué)組成為長鏈脂肪酸甲酯.生物柴油幾乎不含硫和芳燒,十六烷值高,潤滑性能好,并且儲運(yùn)方便平安,降解性能好,是一種優(yōu)質(zhì)清潔柴油.2.2.1 國外生物柴油技術(shù)目前,國外已工業(yè)化技術(shù)主要是液堿催化的生產(chǎn)工藝,所用的催化劑一般是氫氧化鈉、氫氧化鉀或甲醇鈉、甲醇鉀等.但這類技術(shù)對原料的酸值要求苛刻,必須通過脫酸處理,同時生物柴油粗產(chǎn)品也必須通過減壓蒸儲精制以到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求.國

12、外有很多商家掌握這個技術(shù),可適合各種規(guī)模的連續(xù)或間歇生產(chǎn).但產(chǎn)品減壓蒸儲精制能耗較大,對于原料品質(zhì)比擬高,只生產(chǎn)生物柴油時會增加生產(chǎn)本錢.德國魯奇公司在上述傳統(tǒng)工藝的根底上開發(fā)了兩級連續(xù)堿催化醇解工藝.德國斯科特公司也成功開發(fā)了連續(xù)脫甘油堿催化醇解工藝.這兩種技術(shù)在歐洲和美國均有大型工業(yè)化生產(chǎn)裝置.法國石油研究院成功開發(fā)了Esterfip-H工藝生產(chǎn)生物柴油.此工藝用尖晶石結(jié)構(gòu)的固體堿作為催化劑,采用多相催化反響來制備生物柴油.加拿大多倫多大學(xué)開發(fā)了生產(chǎn)生物柴油的BIOX工藝.方案投資2400萬美元,建約5萬噸/年生物柴油廠,2005年投產(chǎn).2.2.2 國內(nèi)生物柴油技術(shù)在生物柴油的開發(fā)和應(yīng)用方

13、面,國內(nèi)起步較晚,目前萬噸級企業(yè)主要有3家：海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源開展公司,并采用自主開發(fā)技術(shù).其中,四川古杉油脂化工公司的技術(shù)已申請專利公開號：CN1473907A,該技術(shù)利用植物油精煉過程中所產(chǎn)生的下腳料及食用回收油為原料,經(jīng)酸化除雜、連續(xù)脫水、酯化、回收甲醇、靜置、分由甘油相,然后連續(xù)蒸播得到成品.這種工藝反應(yīng)需6小時即可結(jié)束,酸值可降至1mgKOH/g以下,脂肪酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)93%以上.福建卓越新能源開展公司的技術(shù)也已申請專利公開號：CNl382762A,該技術(shù)利用廢動植物油生產(chǎn)生物柴油.從總體水平看,這些技術(shù)是針對廢棄地溝油開發(fā)的,原料利用率低,生產(chǎn)

14、過程有污染,產(chǎn)品質(zhì)量按自訂的標(biāo)準(zhǔn)限制.但由于原料價格廉價,一般2600元/噸左右,生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益還是很好的.RIPP根據(jù)我國原料供給的特點、環(huán)保要求、產(chǎn)品增值的要求開發(fā)了以下兩種生產(chǎn)生物柴油新技術(shù),并申請了一批專利.1高溫醇解工藝高壓醇解法生物柴油生產(chǎn)技術(shù),可適應(yīng)不同原料油、產(chǎn)品方案和工廠規(guī)模,以及適應(yīng)原料收集、貯存和產(chǎn)品市場的物流狀況等需求.原料預(yù)處理簡單并適應(yīng)性強(qiáng),能加工高酸值、高水油料；采用多種原料時,切換容易；不使用催化劑,簡化了后處理工藝,無污水；聯(lián)產(chǎn)甘油濃度高.這些工藝根據(jù)規(guī)模大小,可為連續(xù)式或間歇式生產(chǎn).目前該技術(shù)的2000噸/年規(guī)模的中試裝置已建成,正在進(jìn)行中試試驗.該技術(shù)生產(chǎn)的

15、生物柴油產(chǎn)品質(zhì)量能到達(dá)德國的B100生物柴油含量100%產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).2反響別離耦合工藝本工藝是專門為生產(chǎn)生物柴油而開發(fā)的,適應(yīng)采用的原料如大豆油、雙低菜籽油、棉籽油、葵花籽油以及其他脂肪酸組成近似于上述原料的油脂,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量合格.反響別離耦合工藝的特點是在反響的同時,進(jìn)行甘油的連續(xù)別離,反響轉(zhuǎn)化完全,產(chǎn)物不需要蒸儲精制,減少能耗；進(jìn)料醇油比低,催化劑的消耗少,三廢排放少；簡化了工藝流程,有利于減少設(shè)備投資和降低操作本錢.此技術(shù)還處在小試階段.此外,脂肪酶催化的醇解工藝最近幾年在國內(nèi)研究比擬熱.北京化工大學(xué)、華南理工大學(xué)和清華大學(xué)都開展了大量工作,取得了較為突生的進(jìn)展.2.2.3 生物柴

16、油方面的建議首先,B100不可直接作柴油使用,只可作為柴油的一個組分,調(diào)入石油柴油里,目前國外比擬通用的是B5、B20、B2,2005年歐盟規(guī)定生物柴油的參加量不得超過5%B5oB100的標(biāo)準(zhǔn)國家已委托RIPP編制,并已通過國家評審,但對于B5、B20、B2的調(diào)合油性能國內(nèi)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),而且目前社會上生物柴油炒得很熱,產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊,參加的量也沒有統(tǒng)一的規(guī)定,這必將擾亂柴油市場.因此,建議國家制定B5、B2或B20生物柴油的標(biāo)準(zhǔn),并將生物柴油的銷售統(tǒng)一納入中國石化、中國石油的銷售系統(tǒng),中國石化、中國石油系統(tǒng)外的其他單位,只能生產(chǎn)Bi00的生物柴油組分,不可銷售B5、B20或B2的生物柴油

17、,以標(biāo)準(zhǔn)市場,保證生物柴油質(zhì)量.2.3 燃料乙醇技術(shù)2.3.1 燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)燃料乙醇通常由谷類、甘蔗和任何含淀粉或糖類的農(nóng)作物及其廢棄物為原料采用生物發(fā)醉方法制成,各國根據(jù)其實際情況選擇原料生產(chǎn)乙醇,如巴西選擇甘蔗、糖蜜,美國采用玉米,瑞典用林業(yè)剩余物及造紙廢液等.目前世界工業(yè)化生產(chǎn)燃料乙醇多采用淀粉類食物如玉米和高含糖農(nóng)作物如甘蔗、甜高梁等.已工業(yè)化的技術(shù)主要是采用淀粉質(zhì)和糖基的農(nóng)作物為原料,采用林業(yè)剩余物、農(nóng)作物廢棄物的技術(shù)正在開展工業(yè)放大階段.2.3.2 燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析以生物質(zhì)為原料的糖經(jīng)濟(jì)尚缺乏與石油經(jīng)濟(jì)競爭的實力.雖然生物質(zhì)原料本錢低,但加工轉(zhuǎn)化本錢高,只有實現(xiàn)技術(shù)上

18、的突破,才能形成完整的生物質(zhì)技術(shù)工程體系.在生產(chǎn)工藝確定后,燃料乙醇的價格主要取決于糧食價格,乙醇本錢與原料費(fèi)用線性相關(guān).我國現(xiàn)階段使用燃料乙醇的方式是將10%的乙醇與汽油調(diào)合成車用乙醇汽油,與普通汽油同升同價銷售.由表2可知,燃料乙醇的生產(chǎn)本錢一直高于汽油價格,我國確定的乙醇汽油價稅政策是,石油公司按汽油由廠價的91.11%接受燃料乙醇,燃料乙醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)由現(xiàn)的虧損由國家財政補(bǔ)貼.I表2某企業(yè)用玉米生產(chǎn)乙薛價格和市場汽油價格比擬元八屯年價3我爆科費(fèi)用出驚q.n岬年1)97351046S222S51996年11623718532624401998年13517455619282000年900288

19、0373533E2根據(jù)美國政府測算,推廣乙醇汽油可節(jié)省聯(lián)邦政府財政預(yù)算支由36億美元,其中,可增加農(nóng)民收入45億美元；減少政府對農(nóng)民的補(bǔ)貼；增加19.52萬個就業(yè)時機(jī)；增加個人所得稅收人5.32億美元；減少原油進(jìn)口,改良貿(mào)易平衡20億美元；降低汽車排放,改善環(huán)境質(zhì)量.社會、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益均十分顯著.2.3.3 國內(nèi)外燃料乙醇應(yīng)用情況據(jù)美國可再生燃料協(xié)會統(tǒng)計,截至2005年11月,全美生物燃料乙醇生產(chǎn)廠共有93家,產(chǎn)能達(dá)約1245萬噸/年,另有24個新廠正在建設(shè)中,預(yù)計全部建成后生物燃料乙醇產(chǎn)能將增加368萬噸/年,屆時全美生物燃料乙醇的產(chǎn)能將達(dá)1613萬噸/年.2004年,巴西乙醇的產(chǎn)量達(dá)11

20、52萬噸,其中970萬噸用于國內(nèi)消費(fèi),182萬噸用于由到印度、瑞典、南韓、日本、美國等國.2004-2005年向印度由口乙醇的比例最大.2005年,巴西的乙醇產(chǎn)量已達(dá)約1342萬噸,其國內(nèi)的需求量超過1250萬噸.2004年,歐盟國家共生產(chǎn)了42萬噸生物燃料乙醇,歐洲生物燃料乙醇的主要生產(chǎn)國是西班牙、法國、德國、瑞典和波蘭,此外,荷蘭、拉脫維亞、立陶宛、意大利也生產(chǎn)少量的生物燃料乙醇.目前,國內(nèi)生產(chǎn)燃料乙醇的主要原料是玉米、小麥、薯類、甘蔗、甜高梁等,國家認(rèn)可的燃料乙醇產(chǎn)能為102萬噸/年,其中河南天冠30萬噸/年,安徽豐原32萬噸/年,吉林天河30萬噸/年,黑龍江華潤金玉10萬噸/年.中國石

21、化入股河南和安徽的2套生產(chǎn)裝置,參股比例分別為20%和15%;吉林天河為中國石油控股.2001年6月-2006年2月,中國石化河南石油分公司擔(dān)負(fù)的河南、安徽全省及河北、山東、江蘇和湖北4個省的27個地市的乙醇汽油試點和推廣使用工作,總計銷售乙醇汽油乙醇含量10%436.88萬噸.2.4 生物質(zhì)乙烯技術(shù)開發(fā)隨著全球性的石油資源供求關(guān)系的日益緊張,傳統(tǒng)石油乙烯工業(yè)將面臨新挑戰(zhàn).如何突破資源短缺的瓶頸,利用可再生生物質(zhì)資源生產(chǎn)乙醇,再進(jìn)一步脫水成乙烯,從而替代傳統(tǒng)的石油乙烯路線成為當(dāng)前的研究熱點.1981年,巴西建成3套乙醇脫水制乙烯裝置,總產(chǎn)能74萬噸/年.近幾年,印度建成4套乙烯裝置.雖然其規(guī)模

22、遠(yuǎn)低于現(xiàn)代石油乙烯裝置,但其強(qiáng)大的生命力應(yīng)予重視.目前,國際上乙醇制乙烯工業(yè)裝置主要集中在巴西、印度、巴基斯坦、秘魯,最大規(guī)模為印度的6.4萬噸/年裝置.乙醇脫水制乙烯的技術(shù)開展趨勢,主要是裝置大型化、低能耗,以及進(jìn)一步提升催化劑的性能,降低催化劑本錢.3 .中國多元化能源替代石油開展思路和建議隨著未來經(jīng)濟(jì)的快速開展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,中國對石油的需求還會增大.在新的世紀(jì),必須從我國根本國情由發(fā),對能源、資源和環(huán)境進(jìn)行整體化的考慮和部署.國家中長期科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃綱要2006-2021年指由,今后15年能源開展思路：推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)多元化,增加能源供給.在提升油氣開發(fā)利用及水電技術(shù)水平的同時,大力開展核能技術(shù),形成核電系統(tǒng)技術(shù)自主