刘红宇
（川化集团有限责任公司，四川 成都610301）
［摘 要］天然气的主要成分为甲烷，甲烷是最简单的碳氢化合物，也是最简单的有机分子，用甲烷作为原料去转化合成较少碳原子数的有机分子或化工品，比用石油或煤炭等作为原料具有更低的能耗和更少的CO2排放，更符合环保和清洁生产的原则，天然气化工在全球范围内具有良好的发展前景，我国适度发展天然气化工也很有必要。简述我国的能源和化工原料结构、天然气资源分布与利用状况、天然气化工目标产品的选择原则等，结合我国现行天然气利用政策及存在的问题，指出以天然气裂解制乙炔和CO/H2为龙头的产业链相对而言是较好的选择；并通过列举四种天然气化工产品方案——1,4-丁二醇、乙二醇、丙烯酸及甲基丙烯酸甲酯、甲烷氧化偶联制乙烯，进一步展示天然气化工在一些产品和细分领域的优势。
［关键词］天然气化工；碳一化工；能源结构；化工原料结构；天然气资源分布；天然气利用政策；目标产品选择；产品方案
［中图分类号］TE646 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）05-0007-03
0 引 言
天然气是一种矿物能源的总称，除了以气态形式在陆地或海底单独存在的常规天然气外，还包括煤层气、油田伴生气、页岩气以及可燃冰等非常规天然气。天然气的主要成分为甲烷，不过据种类和产地的不同还会含有乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气等组分。从化学反应的角度来说，由最简单的分子通过不同的组合生成目标分子的过程比用大分子分解成目标分子更容易实现，其收率和能耗也会更低；当然，不能试图去制取太大的分子，因为这需要很多的步骤，每一步叠加的损耗就会使这个过程失去意义。国际上对以含有1个碳原子的化合物为原料制取化工产品的化工工艺统称为“碳一化工”，具体而言，以CO、CO2、CH4、CH3OH、HCHO等含有1个碳原子的化合物为原料，通过催化剂的作用，合成较低碳原子数的化合物的化工过程称为“碳一化工”。常见的碳一化工过程有：天然气蒸汽转化制H2、CO、CO2；天然气裂解制乙炔；甲醇脱氢制甲醛；MTO制乙烯、丙烯等。常见的碳一化工产品有甲醇、甲醛、甲酸甲酯、醋酸、二甲醚、乙二醇等。此外，天然气制合成氨（或氮肥）在国际上比较普遍，在天然气化工产业中占比很大；我国以前天然气制合成氨的占比也较大，现阶段其占比仍不容忽视。
作为天然气主要成分的甲烷，其是最简单的碳氢化合物，也是最简单的有机分子，用甲烷作为原料去转化合成较少碳原子数的有机分子或化工品，比用石油或煤炭等作为原料具有更低的能耗和更少的CO2排放，更符合环保和清洁生产的原则，其适度发展很有必要。
1 我国的能源和化工原料结构
我国是一个化石能源总体缺乏和种类极不均衡的国家——缺油、少气、煤炭资源相对丰富。2020年，我国原油消费量和进口量分别为6.7×108 t和5.4×108 t，对外依存度达70%以上；天然气消费量和进口量分别为3 260×108 m3和1 370×108 m3，对外依存度约42%；煤炭消费量和进口量分别约41.5×108 t和3×108 t。可以看出，在我国的能源消费结构中煤占有绝对优势。但在化工产品的生产消费中，石油却是绝对的主力，不过近10 a来，由于煤气化技术的迅猛发展和我国具有的煤炭资源优势，煤制合成氨、煤制甲醇、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制油为代表的煤基路线占比逐渐提升；天然气在化工产品的生产消费中，由于政策限制及其价格攀升，除原有装置和部分地区外，整体上呈下降趋势。
2 天然气化工的优势
石油中的有机分子以长链大分子为主，还包括大量的芳香族化合物，石油加工通常需要分离、重整、裂解、加氢等单元操作步骤，过程复杂、设备众多、投资巨大。除我国以外，其他国家很少发展煤化工（国际上油气资源比较丰富，或当地原油、天然气价格较便宜），因为煤化工能耗高、污染严重、投资巨大，且会排放大量的CO2。天然气用于生产低碳原子数有机化工产品具有天然的优势，其主要成分甲烷只有1个碳原子和4个氢原子，极易反应生成CO、CO2和H2，投资省、生产成本低、碳排放少。
以醋酸生产为例，目前使用最广泛的工艺是甲醇羰基化法，原料为CH3OH和CO，醋酸合成反应方程式为CH3OH+CO====CH3COOH；醋酸生产所用原料——CH3OH是最重要的有机化工产品之一，也是最简单的一元醇，其生产原料为H2、CO或CO2，甲醇合成反应方程式为2H2+CO====CH3OH和3H2+CO2====CH3OH+H2O。对于醋酸生产的起始原料H2、CO或CO2，如果以石油或炼油过程中的副产物制取，工艺流程复杂、副产物多、成本高，污染问题也比较严重，因此国内以油为原料的制氢厂和合成氨厂基本上早就关停了；如果以煤为原料制取，由于煤中大部分都是单质碳，制取足够量的H2就需要排放多余的CO2，CO2排放量大，且污染物排放和能耗均会升高，随着碳达峰和碳中和概念的提出，现有的煤化工技术面临极大的挑战；而如果以天然气为原料制取，碳几乎可以得到完全利用，同时因为甲烷分子中含有4个氢原子，采用水蒸气转化工艺还会得到富余的H2，这部分H2可用作氢能或把更多的CO2转化为有用的物质，从而实现CO2的负增长，这对气候和环境是极为有利的。
3 我国天然气资源的分布与利用状况
我国常规天然气资源的分布极不均衡：陆上天然气主要分布在中部和西部地区，主要集中在四川、陕甘宁地区、塔里木盆地和青海等地；海上天然气主要集中在东海和南海，现阶段其产量的占比还较小。陆上天然气储量丰富的地区基本上属于经济欠发达地区，而东部沿海经济较发达的地区，现阶段除了临近东海、南海的部分天然气田外又没有其他的天然气资源。
东部地区的常住人口多，经济发达，天然气消费需求巨大；特别是长三角地区，作为我国经济总量最大和最活跃的板块，其民用和工业用天然气供应主要依靠西气东输和进口LNG保障。2019年的统计数据显示，华东地区全年天然气消费量约900×108 m3，占全国天然气消费总量的约30%；华北地区全年天然气消费量约600×108 m3，占全国天然气消费总量的约20%；西北地区全年天然气消费量约400×108 m3，占全国天然气消费总量的约13.3%；西南地区全年天然气消费量约380×108 m3，占全国天然气消费总量的约12.6%。天然气作为一种易于输送的清洁能源，虽然其相较于其他种类的能源优势巨大，但我国的利用原则首先是保障民用，其次是用于高附加值领域，工业应用特别是化工应用优先级很低，还有许多产业限制使用天然气。
4 我国现行天然气利用政策及问题
4.1 我国现行天然气利用政策
更多内容详见《中氮肥》2021年第5期