一、天然气化工行业分析
2020年9月，中国政府首次提出“双碳”目标，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，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”。国家能源局7月23日发布的《中国天然气发展报告（2024）》（以下简称《报告》）显示，2023年，我国天然气消费重回快速增长，消费规模再创新高。全年天然气消费量3945亿立方米，同比增长7.6%；天然气在一次能源消费总量中占比8.5%，较上年提高了0.1个百分点。
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。英国能源研究院（EI）今年发布的《世界能源统计年鉴》显示，2023年，全球天然气产量达到4.05万亿立方米，比2022年高0.3%；全球天然气总消费量达到4.01万亿立方米，较2022年增长10亿立方米，增幅为0.02%。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。“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。
二、天然气化工产业链
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。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、投资低和碳排放少等明显优势。
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。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。
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414kJ/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。
天然气化工产业链
（一）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1.8×108t，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，投资和能耗更低，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7816万吨，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7808万吨。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。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。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。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。
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。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。
（二）天然气直接转化
（1）天然气裂解制氢
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。
（2）天然气直接制甲醇、乙炔
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%。
（3）天然气制氢氰酸、乙烯和芳烃
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、丙酮氰醇和杀虫剂，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。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。
天然气化工将碳一化工品的形式，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，合成气制备约占总投资和总成本的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。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。
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