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AG真人 AG平台AG真人 AG平台原《天然气化工—C1化学与化工》，经国家新闻出版署批复更名为《低碳化学与化工》。
宋鹏飞，高级工程师，中海石油气电集团有限责任公司氢能技术专家。长期从事LNG接收站、甲烷化、氢能科研工作，参与大型LNG接收站工程设计及重大科研项目40余项，在20余个项目中担任经理、课题长或副课题长。申请专利20余项；发表论文70余篇，其中4篇SCI、3篇国际会议宣读；编著《煤制天然气》。荣获2022年度中国能源研究会能源创新奖优秀青年能源科技工作者。牵头开发了我国自主知识产权大型煤制天然气甲烷化成套技术，打破国外技术垄断，在新疆庆华煤制气项目应用；牵头研制了我国首套小型橇装天然气制氢装置，在佛山明城综合能源站应用；牵头中国海油氢能重大科技专项，在分布式制氢、有机物储氢与国际氢供应链、燃料电池供电、CO2化学转化与利用、加氢站等领域有深入研究，对氢气的制、储、运、用全产业链有深刻理解。
摘要：天然气在“双碳”进程中发挥重要“桥梁”作用。随着新能源快速崛起，预计中国天然气消费量将在2030—2040 年中后期达峰，随后进入下降通道。分析了在“双碳”进程不同阶段中天然气的不同作用，对天然气化工技术路线进行了梳理，对碳约束条件下天然气化工的发展空间及碳减排量进行了预测。分析认为，天然气消费量达峰后，消费结构发生改变，化工有望成为天然气利用的重要领域。悲观预测下，中国天然气利用政策稳中趋严，天然气化工在天然气消费结构中占比持续降低，2040 年将低至5%左右；中性预测下，天然气消费量达峰前，天然气化工在天然气消费结构中占比持续小幅降低，但天然气化工用气量逐年增加，天然气消费量达峰后，天然气化工发展空间增大；乐观预测下，天然气化工出现大幅度技术进步，朝着分子水平精细化、零碳化和深加工等适应于“碳中和”目标的方向转型发展，替代煤化工和石油化工，成为降低碳排放的重要手段之一。
2020 年 9 月，中国政府首次提出“双碳”目标，AG平台真人 真人AG 平台官网承诺“二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，行业加速向绿色、低碳方向转型，并加快与现代信息技术深度融合，呈现出新产业、新模式和新业态的新发展态势。能源消费结构优化是能源转型的重要抓手，以风电和光伏发电为主的非化石能源在能源消费总量中的比重将持续提升，加速替代传统化石能源。天然气是最清洁低碳的化石能源，能够在能源转型中发挥重要的“桥梁”作用，AG平台真人 真人AG 平台官网是实现“双碳”目标的重要力量，未来将呈现与新能源融合发展的新格局，既是保障中国能源战略安全的“压舱石”，也是未来高比例新能源新型电力系统下保障电力安全的“稳定器”。2020 年中国天然气消费量为 3280 × 10 8 m 3 ，在能源消费结构中占比 8.4%，中长期仍将保持上升趋势。
天然气也是一种十分重要的基础化工原料，而天然气化工是天然气消费和利用的重要方式之一。2020年全球天然气化工年消费天然气约1700 × 10 8 m 3 ，约占天然气消费总量的 5%，而中国天然气化工用气占天然气消费总量的 9% [1] 。未来“双碳”背景下，天然气化工有望替代煤化工和石油化工成为降低化工行业碳排放的重要手段之一，具有重大的经济意义和战略价值 [2-5] 。“双碳”背景下如何对天然气化工产业进行定位，预测碳约束条件下天然气化工的发展空间及发展方向，是关系天然气企业业务发展和转型的一项战略任务。
本文综述天然气化工的主要技术路线，分析天然气化工在“双碳”进程中的发展轨迹，结合产业政策和 2015 年以来天然气化工用气量的历史趋势，参考天然气消费量预测数据，分析预测碳约束条件下天然气化工的发展空间，并参照煤化工的碳排放量测算相对碳减排量。
在电气化替代难度高的领域，天然气是低碳高效的燃料选择，在终端用能领域（如工业、建筑和交通等）、发电领域和制氢领域等具有比较优势，有望在能源转型中发挥重要作用，成为实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要支撑。在实现该目标的过程中，天然气在不同阶段有着不同的角色定位和作用。
2030 年碳达峰之前天然气加速替代煤炭，天然气需求量将在 2035—2040 年达峰。中国资源禀赋决定了煤炭在中长期一次能源结构中仍处于主导地位。降碳必须降煤，而降煤的重点是利用低碳的天然气、可再生能源和核能等替代高碳排放的煤炭。在大规模、低成本可再生能源和核能成为主力能源之前，天然气替代煤炭是最实际可行的降碳方式。天然气本身具有清洁、低碳、高效和稳定的能源属性，产生相同热值燃烧天然气的二氧化碳排放量仅为煤炭的 59% [6] ，而且在供应端和消费端具有独特的比较优势，是实现能源低碳转型的现实选择和重要抓手。提升天然气利用的比例，降低煤炭消费，将是中国未来减碳的重要方向。而降低煤炭消费，重点在于减少燃料煤和化工用煤的使用。随着消费端电气化进程加快以及生产端新能源的规模化应用等，天然气消费量增速逐渐放缓，预计需求量将在 2030—2040 年中后期达峰。中国天然气消费达峰相比全球稍晚，将在 2035—2040 年前后达到峰值 [7-9] ，年消费量约为 5000 × 10 8 ~7000 × 10 8 m 3[10-12] 。
2030 年碳达峰后天然气有望与可再生能源加速融合发展，2040 年后需求量快速下降，2060 年后大幅下降。天然气仍是含碳的化石能源，全产业链的碳足迹强度仍然不低。在可再生能源加速挤占需求增长空间、风电和光伏发电冲击燃气发电、以及电动车及氢燃料电池车挤压交通用气的大趋势下，天然气将为高比例可再生能源新型能源体系提供调峰、补充、平衡和保障，需求量进入下降通道 [13-14] 。绿色低碳的天然气化工技术创新和应用有望成为天然气消费量达峰后天然气消费和利用的重要方向，成为利用巨量且完善的天然气基础设施、降低能源转型的社会成本、促进天然气产业高质量发展、以及加速与新能源融合发展的重要趋势。
化工行业是人类生产生活和社会发展所需的最重要的行业之一，已经影响到人类的日常衣食住行等各个方面。合成氨、尿素和农药等化工产品更是与农业生产、粮食安全息息相关。中国化工行业的碳排放占工业领域总排放的 20%、占全国总排放的 13%，其能源和原料难以被电气化完全替代，降碳难度较大 [15] 。
天然气化工是化工行业的重要组成部分。煤炭和石油成分以烷烃、环烷烃和芳香烃有机长链大分子为主，还有少量的硫、氧、氮和微量的磷、砷、钾等元素，需要经历复杂的净化、分离、重整、裂解和加氢等利用步骤 [16] 。天然气的主要成分甲烷通过重整或裂解反应可生成CO、CO2 和H2 。通过天然气直接或间接生产低碳原子数有机化工产品具有天然的优势，相比煤化工和石油化工具有产业链短、低和碳排放少等明显优势。AG平台真人 真人AG 平台官网
通过化学方法，可利用天然气生产合成氨、甲醇及其加工产品（甲醛、醋酸等）、乙烯、乙炔、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳和硝基甲烷等产品。天然气化工与煤化工、石油化工共同为人类的衣食住行提供大量化工产品，如图 1 所示。目前全球约85%的合成氨、90%的甲醇和 40%的乙烯是以天然气为原料生产的，是世界化学工业的主要支柱之一 [17] 。
中国天然气化工始于 20 世纪 60 年代，主要为生产合成氨、甲醇和制氢，大部分工厂分布于西南和东北等天然气产区 [18] 。中国的天然气利用原则首先是保障民用，许多产业被限制使用天然气。2012 年发布的《天然气利用政策》大体沿袭了2007 年版的规定，对天然气化工的产品种类进行了限制，除天然气制氢被列入允许类外，限制天然气制化肥、天然气发电，禁止天然气制甲醇、乙炔及下游产品。受政策及成本限制，除原有装置和部分地区外，近年来天然气化工用气量整体呈下降趋势。2015—2021 年，天然气化工用气量占比从 15%下降至 8% [19] ，如图 2 所示。
“双碳”目标下，天然气利用方式需要从传统的燃料燃烧的有碳排放方式，转换为化工和材料为主的零碳排放方式。天然气消费量达峰后，天然气生产端的供应能力过剩，而社会发展对化工和材料的需求更多、更高端，天然气化工有望成为后达峰时代天然气的重要利用方向，替代煤化工和石油化工成为化工领域降低碳排放的重要选择 [20-22] 。
天然气的主要成分甲烷具有稳定的正四面体结构，C—H键键能高达 414 kJ/mol，其选择活化和定向转化有较大难度。目前用于化工生产的甲烷活化方法包括采用强氧化剂或高温氧原子，或等离子体等强烈的外场辅助，存在效率低、选择性差等 问题。天然气化工可分为7条主要技术路线天然气间接转化
天然气通过重整制合成气后再进行化工利用是最成熟、工业应用最广泛的天然气化工技术路线] 。氨是世界上产量最高的无机化合物之一，在国民经济中占有非常重要的地位。约 80%的氨用于生产化学肥料，制造氮肥和复合肥料，如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，其他 20%用作化工原料。2021 年，全球合成氨产量约 1.8 × 10 8 t，超过 80%来自天然气制合成氨。天然气制合成氨与煤和石油制合成氨相比，技术更成熟，和能耗更低 [26] ，是天然气化工中的最大宗产品。中国是全球最大的合成氨生产国，产量约占全球的 1/3。
甲醇是天然气化工中仅次于合成氨的大宗产品，不仅是重要的化工产品和基础有机原料，广泛应用于甲醛、甲基叔丁基醚（MTBE）、醋酸、甲酸甲酯、氯甲烷、甲胺、硫酸二甲酯、丙烯酸甲酯、烯烃和二甲醚等有机化工产品的生产，还是优良的能源和车用燃料，消费量仅次于乙烯、丙烯和苯。中国是甲醇生产和消费大国，2021 年甲醇产量约 7816 × 10 4 t，产能多分布在西北、华北和华东地区，以煤制甲醇为主，消费量 7808 × 10 4 t [27] 。甲醇经氧化脱氢可得高分子化工的重要原料甲醛和乌洛托品。甲醛是甲醇下游产品的主要品类，约消耗甲醇产量的 1/3 [28] 。甲醇还可以生产乙烯、丙烯，而中国是乙烯、丙烯衍生产品消费大国，是世界上最大的聚合物进口国，乙烯对外依存度在 45%以上，甲醇制低碳烯烃（MTO）和甲醇制丙烯（MTP）路线具有极大的商业价值 [29-30] 。二甲醚在燃料、制药、农药、涂料和日用化学品领域有广泛应用，可用于制造高性能、低污染的柴油机燃料，被称为超清洁燃料。甲醇制取二甲醚分为气相法和液相法，技术也已经较为成熟 [31-32] 。另外，甲醇也可以用作制氢或直接作为燃料电池原料，作为一种理想的储能储氢介质，在交通领域得到应用 [33-34] 。
天然气也可以通过合成气经过费-托合成法生产液体燃料（GTL）和丙酮、醇等液态产品。GTL可以制备柴油、煤油、汽油、润滑油和石蜡等产品，其中重金属、硫、芳烃和多环芳烃等杂质含量极少，品质和环保性能大幅优于传统油品 [35] 。GTL可以与可再生能源深度融合发展，初步预计耦合风电制氢后的GTL产量可提高约 30%，同时降低 70%以上的碳排放 [36] 。
天然气氢碳比高，是理想的制氢原料。传统天然气制氢技术主要是蒸汽重整路线，需要CO变换、冷却分离和氢气提纯等过程，还需要蒸气发生系统等。天然气直接裂解制氢相比于传统技术路线大大简化，适合于制备对氢气品质要求较高的燃料电池汽车用氢，裂解产生的碳可以制取碳纳米管和炭黑等产品。天然气裂解制氢的技术路线包括高温裂解制氢、催化裂解制氢以及等离子体裂解制氢等。其中催化裂解技术最具发展前景，尤其是液态金属鼓泡床催化裂解，能够有效解决催化剂积炭和连续生产的难题，已经成为国内外研究的热点。其技术路线包括熔融金属单相和熔融金属/熔融盐两相两种技术路线，后者能够解决碳产品夹带金属的问题，解决了碳产品的分离和纯化难题，最有可能实现工业化应用。
天然气一步合成甲醇是国内外研究的热点，主要有均相氧化法和多相催化氧化法，其中均相氧化法效果更佳，甲醇的选择性可达 60%~90%。乙炔是有机化工的重要基本原料，被称为“有机合成工业之母”，含有极活泼的叁键，能与许多物质发生取代反应和加成反应，衍生出聚氯乙烯、醋酸乙烯、氯丁橡胶、含氯有机溶剂及医药产品等一系列高价值产品。天然气直接制乙炔主要有部分氧化法、等离子体法和电弧法，其中部分氧化法是应用最多的工艺，成本比电石法低 40% [37-38] 。
氢氰酸是用途广泛的精细化工原料，可用于制造丙烯酸树脂、己二腈、丙酮氰醇和虫剂，也可用于有机合成、等离子蚀刻和金银铜电镀加工等。天然气制氢氰酸多通过安氏法。近年来草甘膦、蛋氨酸的需求旺盛，促进了天然气制氢氰酸的发展。乙烯是重要的工业原料，天然气直接制乙烯中，研究热点是天然气氧化偶联制乙烯路线，但存在甲烷转化率偏低（ 25%）、乙烯单程收率较低（ 25%）和产物分离困难等难题，需要开发更高选择性和活性的催化剂，离工业化还有距离 [39] 。天然气直接制芳烃分为有氧芳构化和无氧芳构化两种方法，存在甲烷转化率低，芳烃选择性差等难题，还不具备工业化条件 [40-41] 。
天然气化工将碳以化工品的形式，大量固化在塑料、纤维和橡胶等材料中，是碳富集、碳固化和碳封存的重要方式之一。如果考虑替代石油化工和煤化工的碳排放，碳减排效果则更加显著。天然气转化为合成气制备下游产品的路线属于间接生产过程，合成气制备约占总和总成本的 60%，虽然技术成熟，但存在路线长、能耗相对高等问题。未来天然气化工将转向直接有效、过程绿色的转化路线，朝着精细化、深加工和高附加值方向发展，如甲烷裂解制氢、甲烷氧化偶联制乙烯、甲烷转化制芳烃（苯、甲苯和二甲苯等）、天然气直接或间接转化生产液体燃料以及天然气制含氧有机化学品等 [42-45] 。天然气高效直接转化的难点在于甲烷的选择性活化和定向转化、以及催化剂的积炭失活与再生等。这些技术方向一旦取得关键性突破，可以为天然气的高效利用开辟全新的途径，将对全球石化工业和能源利用方式产生颠覆性影响。
“双碳”目标对天然气产业的发展设定了碳约束，对中国天然气化工的发展有深远影响。天然气化工产业整体发展前景的影响因素更趋复杂，包括产业政策、可再生能源发展速度与对传统能源的替代速度、碳减排的控制力度与阶段性强度、天然气整体及区域性的供需平衡与价格波动、新型天然气化工技术创新以及煤化工与石油化工的管控力度等。化工行业是提升人民生活质量不可缺少的重要支柱产业，同时也是耗能和温室气体排放大户。化工过程的温室气体排放包括燃料燃烧、生产工艺过程、电力和热力消耗等。按照制甲醇、合成氨、乙二醇、醋酸和烯烃，天然气化工与煤化工单位产品的碳排放量如图 4 所示 [46] 。由图 4 可知，生产各类产品天然气化工相比煤化工碳排放都大幅降低，尤其是烯烃产品，天然气制烯烃单位产品碳排放量仅为煤制烯烃的 18.8%。天然气化工替代煤化工能够显著降低碳排放强度。以合成氨为例，综合文献 [47-49]报道，用天然气和煤制取每吨氨产品的碳排放分别为 3.10 t和 6.05 t，根据每吨氨对应的天然气消耗量，粗算出每千方天然气制合成氨替代煤制合成氨可相对减排约 2.70 t二氧化碳，据此进行碳减排量的预测。
基于清华大学对中国 2025—2060 年天然气消费量的预测 [50-51] ，综合中国近年来天然气化工发展趋势，尝试对碳约束条件下天然气化工发展空间进行预测。悲观预测基于未来相当长一段时期中国天然气利用政策稳中趋严；中性预测基于基本保持历史占比趋势；乐观预测基于未来政策对天然气化工不再限制，天然气化工替代煤化工和石油化工成为降低碳排放的重要手段之一，天然气化工用气量在天然气消费中占比逆转近年来的降低趋势。
悲观预测情形下，天然气价格逐渐走高，天然气化工的经济性和竞争力不足，以碳捕集的CO 2 与来自可再生能源的绿氢为原料的零碳化工技术快速进步。天然气化工用气量在天然气消费结构中占比延续 2015—2021 年来的下降趋势，进入每年0.1%~0.5%的持续下降通道，但随着天然气消费总量的增加，化工消费量也相应增加。2040 年降低至5.0%左右并在此水平维持，而天然气化工用气量随着天然气消费总量的降低而降低，如图 5 所示。假设 2030 年天然气化工用气量在天然气消费中占比6.8%，为 399 × 10 8 m 3 ，相对碳减排量与天然气化工用气量趋势一致，为 1.08 × 10 8 t；至 2060 年，天然气化工用气量占比 5.0%，仅为 71 × 10 8 m 3 ，相对碳减排量为 0.19 × 10 8 t。
中性预测情形下，受政策限制天然气消费量达峰前（2025—2035 年），天然气化工用气量在天然气消费结构中占比持续小幅降低，但随天然气消费总量增加而增加。在天然气消费量达峰后，天然气消费因被新能源替代持续降低，天然气化工能够填补一定的供需缺口。天然气化工用气量在天然气消费中占比出现小幅增加，但由于天然气消费总量降低，天然气化工用气量也逐年降低，如图 6 所示。假设 2035 年天然气化工用气量在天然气消费中占比7.5%，为498 × 10 8 m 3 ，则相对碳减排量为1.34 × 10 8 t；至 2060 年，天然气化工用气量占比虽然升至11.5%，但用气量萎缩至 163 × 10 8 m 3 ，相对减排量为 0.44 × 10 8 t。
乐观预测情形下，天然气化工出现大幅度技术进步，朝着分子水平精细化、零碳化和深加工等适应于“碳中和”时代的方向转型发展，生产高附加值的高端化工品和材料，并把过程中的碳富集到材料中或直接转化为固体碳材料。天然气化工成为天然气达峰后天然气零碳化利用的重要方式之一。但随着天然气消费量达峰后的逐年萎缩，天然气化工用气量也随之下降，如图 7 所示。假设 2035 年天然气化工用气量占天然气消费量的 11.5%，为763 × 10 8 m 3 ，则相对碳减排量为 2.06 × 10 8 t；至2060 年，天然气化工用气量占天然气消费量的19.5%，为 276 × 10 8 m 3 ，则相对碳减排量为 0.75 × 10 8 t。
天然气在能源低碳化转型中扮演重要角色，将在“双碳”进程中发挥关键“桥梁”作用。天然气化工是天然气下游产业的重要组成部分，相比煤化工和石油化工在能耗、环保、碳排放和工艺流程等方面具有优势，以天然气化工替代煤化工和石油化工，是保障化工产品供应的前提下降低碳排放的重要手段，同时天然气化工也是碳富集和碳固化的过程，把碳固定到塑料等材料中或直接生成固体碳材料。“双碳”背景下天然气化工将转向直接有效、过程绿色的转化路线，朝着低碳化、精细化、深加工和高附加值方向发展，与可再生能源和氢能加速融合发展。
按照悲观、中性和乐观 3 种模式预期了未来天然气化工的用气量和相对煤化工的碳减排量，可以看出天然气化工用气量和天然气消费总量的趋势基本一致，都是在 2035 年前后达到峰值，随后在可再生能源的冲击和替代下开始逐年降低。相对煤化工的碳减排量与天然气化工用气量变化趋势一致，随用气量在 2035 年前后达峰后进入下降通道。可以预期，未来人类经济和社会水平的提升会增加高端化工产品的需求，天然气化工结合二氧化碳和绿氢的零碳化工将成为化工行业的重要趋势，逐步替代煤化工和石油化工，或通过绿氢中和掉煤化工和石油化工的碳排放。
中国天然气供需形势已发生较大变化，建议政策层面可从对天然气化工整体限制过渡到对天然气低碳化、零碳化化工利用适当支持，鼓励这一领域的技术研发和创新。加快推进天然气催化裂解制氢的研究，探索新型熔融金属鼓泡床技术，解决催化剂积炭和连续生产的难题。推进天然气直接转化制化学品的研究和工业放大示范，探索匹配碳交易获取碳收益，提高技术成熟度和经济效益。
引用本文：宋鹏飞，张超，侯建国，等. 碳约束条件下天然气化工技术发展及碳减排量预测[J]. 低碳化学与化工, 2023, 48(2): 71-77.
