非傳統油氣資源

 
2017/01/06 詹政訓 | 台灣中油股份有限公司     372
 
開始談非傳統油氣資源的影響前,先想像以下幾個場景:下大雨的早晨,趕著出門上班,您會選擇帶(a)油紙傘和沉重棕簑、(b)尼龍布雨傘和輕便的塑膠雨衣?時間已有點匆忙,可能會遲到,需要儘快抵達目的地,您會選擇(a)騎馬或(b)搭計程車?好不容易到了公司,剛坐下來就有同事遞了一份文件請您簽署,您會拿出(a)懷裡的文房四寶或(b)滑順的原子筆?

您的選擇是否都是(b)呢?

活在現代,已無法回到過去沒有石化產品的時代,我們對石油化學產品的依賴遠超過很多人的想像。但資源終究有限,雖然業界不斷改進製造方法,透過減少材料耗用量,增加材料耐久性,減少生產過程帶來的汙染並提升能源效率等方式,使有限資源的利用最佳化。然而,最終還是得面對油氣資源日漸減少的事實,也因此人們重新想起暫時存在地底的寶藏—非傳統油氣資源。

很多讀者可能早已忘卻或不了解傳統的石化原料製程,讓我們先說明以原油生產石化原料的方式。原油含有許多碳氫化合物及雜質,是成分非常複雜的液態混合物,其中更含有氯化物、碳酸鹽、硫酸鹽等雜質,須先經過脫水及脫鹽程序除去所含的雜質,以避免在煉製過程中對設備造成腐蝕或積垢等不良影響。

預處理完畢就送入蒸餾塔,利用混合物沸點不同的特性分離出不同的成分。其中5碳到12碳間的混合物稱作石油腦(naphtha),透過觸媒加氫裂解程序就可產出目前工業上常用的乙烯、丙烯、丁二烯與芳香烴原料,是一項十分成熟的技術。

2008年國際原油價格逼近每桶140美元的關卡,至2011年中維持在每桶100美元附近振盪。在國際市場原油價格居高不下及頁岩氣、油砂開採技術進步的加持下,與非傳統油氣有關的話題蔚為顯學,所有人都在談論頁岩氣,無論是國際或是國內媒體都琅琅上口,一時間頁岩氣彷彿成為石化市場的救世主,油頁岩更成為第一顆登上時代雜誌封面的石頭。

其實非傳統油氣資源並非新發明,其開發技術也老早就有了,但因探採成本過高,不符經濟效益,所以暫時讓它留在地底,沒有機會大鳴大放。雖然近期國際油市低迷,但油氣身兼民生及戰略物資兩種身分,在資源有限的前提下,非傳統油氣僅能算是暫時消沉,未來勢必仍有轉圜之機,了解非傳統油氣資源仍十分重要。以下就介紹幾種主要的非傳統油氣資源。

頁岩氣

頁岩氣形成原理類似石油,是古代微生物遺體沉積在頁岩上,頁岩層上不同時間沉積的有機物受重力或板塊運動擠壓,在高溫高壓下分解形成天然氣,藏於頁岩裂縫與孔隙中不易取出。

各位讀者是否以為頁岩氣的開發是這幾年的事情?其實不然,北美頁岩氣開發的歷史最早可回溯到1825年,威廉哈特(William Aaron Hart)  先生在美國東北部紐約州弗里多尼亞(Fredonia)開採了第一口頁岩氣井,但產量甚少,僅能用以點亮 36 座街燈。到了1857 年,普利斯頓‧巴爾摩(Preston Barmore)先生突發奇想地把炸藥丟到哈特先生的井裡,湧出大量氣體,成功提供當地 150 座街燈所需的燃料。但當時自砂岩中就可輕易得到大量燃氣及油,方便生產又便宜,頁岩氣只能先放在地底等等了。

這一放就放了一百餘年,直到上個世紀70年代,美國聯邦政府通過法案,訂下天然氣價格上限,造成業者不願生產。在市場對燃氣需求旺盛情況下,美國聯邦政府規劃投資數項計畫,想藉以增產頁岩氣來滿足市場對天然氣的需求,在聯邦資助下發明了大規模水力壓裂及水平鑽井技術。但受限於開採成本,至90年代末,頁岩氣還是地區性的不經濟產業,這些技術也僅能束之高閣。

一直要到2008年油價高漲,頁岩氣才重新受到注目。美國眾多依賴石油腦的傳統裂解廠結束生產,跨國業者為追逐低價原料的優勢,也移往美國設立乙烷脫氫工廠。

乙烷裂解最大的影響就是產品種類,因頁岩氣和原油最大的不同就是組成碳原子的數目,頁岩氣除燃料用途之外,可經過乙烷裂解生成乙烯、丙烯,在當地製成聚合物,減少低溫運送乙烯的不便與增加的成本,終端塑膠產品銷至中南美洲,也靠近市場。然而,輕組成的特性同時帶出其他問題,如無法生產苯及碳數較高的石化品(如汽、柴、燃油),連帶影響純對苯二甲酸等人纖原料的生產,可能需自其他地區輸入以補其不足。

油砂

加拿大重要的油砂產地亞伯達省在幾億年前覆蓋在海洋下,海中細小的生物死亡後屍體沉入海底,一層又一層不斷沉積並與海底淤泥混合,與外界空氣隔絕的生物遺體經過細菌分解和漫長的高溫高壓作用被分解成碳氫化合物,形成我們今天所了解的石油。洛磯山脈造山運動造成巨大的壓力,驅使著石油向東北方移動,滲透到大河沿途聚積的許多沙體中,固結後形成了油砂。

1715年,哈德森灣公司總代理商詹姆斯奈特(James Knight)先生在他的筆記中記下「一種瀝青順河流下」一段文字,是現今可追溯最早關於油砂的記載。未純化的油砂就像是混合沙土的凝固體,在當時只是原住民發現的一項新奇玩意兒,沒有實用價值。

20世紀初加拿大人也僅把油砂做為路面表材,類似今日常見的柏油路面,而無其他能源用途。1923年,卡爾克拉克(Karl Clark)博士發明熱水分離法,利用瀝青遇高溫融化流動的特性分離油和砂土,油砂才開始運用在燃料用途上。13年後,阿巴砂石油公司(Abasand Oils Ltd)以這技術在馬河河畔建立一座油砂分離廠,每日可產2,500桶油。但這座分離廠於1945年遭逢祝融,世界因二戰肆虐而百廢待舉,對石油製品需求孔急,使石油煉製產業得以蓬勃發展,生產成本較高的油砂產業未能重啟爐灶,暫時蟄伏。

1950年代問世的離心分離術,使熔融油砂能以更有效率的方式分離。隨著科技發展,因超大型重機具的發明,有業者以地表挖掘法開採並漂洗取得油源。20世紀80年代,蒸氣輔助重力洩油(steam-assisted gravity drainage, SAGD)技術問世,把高溫蒸氣灌入地底取出重油的方式也能有效增加油砂的生產效率。

油砂對石化市場最重要的影響,是在高油價時期提供北美地區石化業者喘息的空間,國際油價每桶75美元以上時,油砂業者就有獲利空間。油砂除了開採難度高的缺點外,其能生產的產品類似原油,可煉產各種油品包含汽油、柴油、燃料油等,足夠供應車用及其他燃料之用,也可當作輕油裂解塔的進料生產石化原料,在頁岩氣熱潮前,也是美國燃料及石化原料的重要提供者之一。

煤化工

煤是人類最早使用的化石燃料之一,不需透過複雜的化學工業程序就可運用在日常生活中。工業革命前,人類燒煤取暖,工業革命後,利用煤礦燃燒出的熊熊火光產生蒸氣帶動生產設備與動力機械,開創了人類製造及移動的新紀元。

煤化工開始於18世紀後半葉,19世紀形成了完整的煤化工體系。進入20世紀,許多以農林產品為原料的有機化學品多改以煤為原料生產,煤化工成為化學工業的重要部分。第二次世界大戰以後,石油化工發展迅速,很多化學品的生產又從以煤為原料轉移到以石油、天然氣為原料,煤礦由於不易攜帶的特性,似乎僅剩下發電與煉鋼的用途。

雖然1990年代美國UOP公司與挪威Norsk Hydro公司就已發展甲醇製烯烴的技術,但一直到2013年才在南京設立第一座商業量產工廠。中國大陸大連化學物理研究所自行研發大連煤轉烯烴技術,於2010年商轉,目前已發展出第二代技術。另外中國石化公司也開發出中石化煤轉烯烴技術,號稱碳選擇率超過80%,都已獲得實務驗證。

中國大陸目前是世界製造業的中心,對於各項資源的需求十分旺盛,煤化工利用的幾項重要技術,分別是煤製烯烴、煤製油、煤製天然氣、煤製乙二醇、煤製芳香烴,可生產所需原料及各項燃料。在取得足夠水源的前提下,幾乎涵蓋傳統石油化學產業以石油腦為進料所能生產的所有產品,並可以降低對外依存度與成本,提升戰略安全。

現行各項煤化工技術都先把煤炭氣化後產製合成氣(一氧化碳及氫氣),再用特殊製程合成油或氣,石化品部分則是以合成氣製造甲醇,以甲醇為原料生產乙烯、丙烯、乙二醇或二甲醚等石油化學原料。雖步驟較石油法複雜,然而對於煤礦豐富的中國大陸而言,仍可以做為提供原料的替代方案。此外,中國大陸煤化工業者的本業是採礦,品質較佳的煤礦直接出售,僅品質不良的煤礦送往煤化工廠生產石化原料,因此成本很低,可能在市場上引發低價搶市的現象。

國際原油價格的起落,其成因十分複雜,涉及供需情況、各國就業率與經濟成長率、原料成本、戰略安全、地緣政治等要素,為減少風險,各國無不嘗試尋求其他替代方案吸引資金或減少對外依存度以取得平衡。

非傳統油氣資源對石化市場最立即且明顯的影響就是原料的價格,透過原料價格的削減,可有效吸引來自其他地區業者的資金進入該地區投資,帶動就業率並活絡當地經濟,對各國政府而言都是非常重要的經濟策略。如美國德州及路易斯安那州都因頁岩氣業的蓬勃發展,得到包括台塑集團在內的世界重要石化業者投資設廠。加拿大透過油砂產業,輸送油氣至北美市場而提振國內經濟。中國大陸則透過煤化工發展西北地區,減少沿海的負擔,以平衡各地的發展。

其次,美國及中國大陸透過頁岩氣及煤化工生產石化原料的手法,有助於增加其對外談判的籌碼及確保戰略安全,降低對產油國的依賴。

然而,凡事都是一體兩面。非傳統油氣資源雖帶來經濟成長等優點,但因其所能生產的石化原料比例不同,對石化製程的選用及產品結構有明顯影響,導致中下游製程改變,同時其所產生的環境影響,科學家們仍須積極設法解決。

石化資源如此珍貴,人類得集中所有技術與知識,並投入眾多智慧與體力才能從地底把它取出,再製成各種便利的製品。因此所有人都應妥善利用資源,並透過各種節約、回收方法減少不必要的浪費,如隨手關燈或者利用大眾運輸工具節省油、氣的使用量,隨身攜帶水瓶減少購買瓶裝水等,才能保有便利生活,並維持環境永續。