中國天然氣化工技術現狀及發展方向

潘珍燕，石 勇

（中國石化南京工程有限公司，江蘇南京 211100）

隨著中國經濟的快速發展，環境保護日益受到重視，促進了天然氣需求的快速增長。天然氣作為清潔環保的綠色能源和化工原料，加速了天然氣資源在化工領域的蓬勃發展。隨著世界天然氣產量穩定增長，為天然氣化工提供充足的原料和能源。天然氣化工已成為世界化學工業的主要支柱，世界上80 %的合成氨，90 %的甲醇用天然氣為原料，在美國75 %以上的乙炔以天然氣為原料生產，而我國分別還不到20 %[1]，可見我國天然氣化工利用有著很大的發展空間。

我國堅持走綠色低碳的可持續發展道路，樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，在工業領域全面分析天然氣化工的發展現狀，科學合理的應用天然氣，加強和發達國家的交流合作，不斷學習先進技術來提高我國天然氣化工技術，實現經濟和社會的可持續發展。

1 天然氣化工技術現狀

中國天然氣生產和利用已進入到了一個快速發展階段。中國天然氣主要用于合成氨、制氫、生產甲醇、OXO 合成氣、乙炔、氫氰酸系列產品、二硫化碳生產等領域。以天然氣為原料的主要產品（見圖1）。

圖1 天然氣化工行業主要產品

從天然氣化工發展趨勢來看，合成氨、甲醇及其下游產品仍將持續增長，但產品結構會向高技術含量和高附加值方向調整。天然氣化工的發展具有下述特點：從天然氣出發的大宗化工產品，如氮肥、甲醇及其加工產品（甲醛、醋酸等）發展速度較快；以節能為中心的研究開發工作十分活躍；新工藝相繼出現，特別是以合成氣為基礎的碳一化學更為突出[2，3]。

2 天然氣化工發展方向

2.1 天然氣制合成氣

2.1.1 天然氣蒸汽轉化技術 天然氣蒸汽轉化是在一定的溫度、壓力及有催化劑存在的條件下，天然氣與水蒸汽發生化學反應，生成CO 和H2，這一過程為強吸熱過程，所需的熱量由轉化爐輻射段提供，在催化劑床層發生如下反應：

天然氣蒸汽轉化要求在操作中必須嚴格控制水碳比，防止蒸汽量不足，增加水碳比有利于反應平衡向正向移動，有利于提高反應轉化率，但是發生催化劑氧化等副反應的幾率增加；同時由于水蒸汽的熱容較大，過多的水蒸汽進入轉化爐，會使加熱反應物所消耗的燃料氣量增大，能耗增加。水碳比過低，會導致烴類在催化劑表面結碳，使催化劑失活，因而必須根據反應條件選擇合適的水碳比。

隨著合成氨、甲醇等合成氣工業的飛速發展，烴類蒸汽轉化制合成氣技術有了長足的進步。在催化劑性能、能量回收、凈化方法等方面均有重大改進，使烴類蒸汽轉化技術日臻成熟，可靠性、靈活性有了很大提高。主要體現在：低水碳比、高轉化溫度，以降低原料和燃料消耗；應用現代節能技術，優化余熱回收方案，以進一步降低裝置能耗。

2.1.2 天然氣干重整轉化技術 天然氣干重整轉化技術是利用CO2和CH4進行干重整反應，可根據目標產品的不同來調整H2/CO 比例關系，使得該工藝流程可根據市場的變化來調整目標產品的種類和規模，可以滿足絕大多數合成氣下游合成的應用。

可以用于多種基于合成氣為原料的碳一化工利用技術路線，如合成氨、直接制還原鐵、天然氣制甲醇、費托合成尾氣轉化利用、沼氣經羰基合成/氫甲酰化制含氧化合物、CO2減排與高值利用等。

以合成氣制甲醇為例，按氫平衡計算，采用CO2/CH4干重整技術，可以提高甲醇產量50 %，減排CO2量相當于甲醇產能的70 %。CO2和CH4干重整制甲醇工藝路線能夠在一定規模上替代流程長投資大的煤制甲醇，同時減少CO2排放，提高企業效益。

天然氣作為清潔能源用于制合成氣對于緩解我國能源緊張，減輕對傳統化石能源的依賴，優化能源結構，減少環境污染，改善生態環境，實現可持續發展等具有十分重要的戰略意義。

2.2 天然氣制合成油（GTL）

天然氣制合成油（GTL）是利用天然氣生產的汽油和煤油等液體燃料，由于它不含硫、氮氧化合物等雜質，是一種燃燒性佳、污染小、潔凈、無色的合成燃料，因此也被稱作是“綠色燃料”[4]。

天然氣制合成油工藝主要包括合成氣生產、費托（F-T）合成、產品精制。一些主要反應如下：

其中最關鍵的技術是費托催化劑的開發和利用，使用較高活性的催化劑，控制反應溫度，提高裝置的生產能力，降低裝置的投資成本。

2.3 天然氣制精細化工產品

天然氣生產精細化工產品也有相當好的經濟效益，因此，天然氣化工技術的發展也在朝著精細化和深加工方向發展。如經天然氣合成的乙炔、甲醛、聚甲醛樹脂、聚氯乙烯（PVC）、醋酸甲酯等等，下面以天然氣生產氯乙烯和聚甲醛樹脂為例，介紹其生產技術及工藝過程。

2.3.1 天然氣乙炔法生產氯乙烯 以天然氣為原料生產乙炔的研究、開發和應用都比較早，生產方法也很多，但工業化生產方法只有3 種：部分氧化法、電弧法和等離子法。其中部分氧化法為天然氣制乙炔的主要方法，利用部分天然氣燃燒形成的高溫和產生的熱量為甲烷裂解成乙炔創造條件[5]。主要反應過程為：

乙炔與氯化氫反應生產氯乙烯是原子經濟型反應：

整個工藝過程包括原料氣混合、氯乙烯合成和產品精制。氯乙烯98 %以上用來生產聚氯乙烯（PVC），還可以與其他單體生產共聚物。

2.3.2 天然氣生產聚甲醛樹脂 天然氣在催化劑的作用下，經合成氣制得甲醇，然后甲醇在氧化催化劑的作用下得到甲醛，甲醛水溶液在強酸催化劑的作用下通過共聚工藝生產聚甲醛。主要反應過程為：

整個工藝路線包括甲醛生產、甲醛濃縮、三聚甲醛生產、萃取精制、單體聚合等過程。

3 結語

天然氣作為一種清潔和優質的能源，具有很強的技術和經濟優勢。未來中國天然氣需求增長速度將明顯超過煤炭和石油。我國應密切跟蹤世界天然氣先進技術，加大天然氣工業自主開發創新力度。中國煤層氣、頁巖氣等非常規天然氣資源也相當豐富，未來不僅會深刻影響天然氣市場格局，而且將改變一些高能耗的化工行業的命運。因此，為推動我國經濟和社會的可持續發展，必須堅持綠色化工的發展理念，加強重大技術攻關，提升天然氣化工的技術水平。