我國合成氣商業化運營業務市場容量預測與分析

唐嘉平 李光華

(上海寶鋼氣體有限公司，上海201203)

合成氣(Syngas)是以氫氣(H2)和一氧化碳(CO)為有效組分，供化工品生產合成用的工業氣體，是重要的基礎化工原料。合成氣業務是由氣體公司主導，在傳統工業氣體(氧氣、氮氣、氬氣等)業務基礎上發展起來的新興工業氣體業務，目前已成為多數氣體公司新的戰略發展方向。

1 合成氣商業化運營業務

1.1 大型合成氣商業化運營項目

合成氣商業化運營業務的特點為：由獨立氣體公司主導投資、建設和運營；與用戶簽訂長期供氣協議，通過供應合成氣產品收回項目投資；堅持用戶與產品多元化發展，持續開發周邊氣體市場。

經統計，截至2017年末我國已經實現運營的大型合成氣商業化運營項目有10個，總制氣規模超過1.5×106m3/h，項目總投資規模超過190億元(見表1)。以液化空氣集團(以下簡稱液化空氣)、空氣產品、盈德氣體、上海寶鋼氣體有限公司(以下簡稱寶鋼氣體)等為代表的專業氣體公司成功投運了以“第三方供氣”模式為特點的商業化運營項目，為用戶長期供應合成氣產品。

表1 已經和即將投運的大型合成氣商業化運營項目

續表1

1.2 市場容量預測方法

合成氣商業化運營的市場容量(Market Capacity)是指用戶愿意將合成氣總需求量中外包(Outsourcing)給氣體公司進行商業化投資和運營、并從氣體公司長期采購的合成氣量。市場容量代表了合成氣商業化運營業務未來的市場規模與前景，對氣體公司制定合成氣業務發展戰略意義重大。

合成氣屬于基礎化工中間品，上游原料來源多樣，下游產品鏈復雜，很難依據上下游產品關系進行市場細分。相對于傳統工業氣體空分項目，合成氣項目規模大、技術復雜、運行難度高。用戶的外包意愿不確定，氣體公司的投資決策也比較謹慎。這些因素給合成氣市場容量的統計預測增加了難度。

根據氣體公司的長期業務實踐，首先將合成氣市場進行合理的細分；其次分別預測各細分市場的合成氣制氣規模，預測依據為國家產業規劃與相關研究中合成氣原料的宏觀消費量；然后根據各細分市場的外包趨勢確定商業化運營率；最后將制氣規模與商業化運營率相乘，匯總得到合成氣商業化運營市場規模。

考慮到我國未來節能減排與環境生態保護趨勢的影響，為合成氣商業化運營業務設置了預測范圍：上限(基準情景)以我國“十三五”系列規劃中的發展目標為依據；下限(煤控情景)以2016年自然資源保護協會(NRDC)中國煤控項目《煤化工產業煤巖消費量控制及其政策研究》的結論為依據，反映生態資源、水資源和碳排放三大約束條件下的能耗水平。

2 合成氣細分市場的制氣規模

依據合成氣原料來源的不同，并結合氣體公司的業務劃分方法，將合成氣市場分為煤化工、煉廠制氫、尾氣綜合利用、天然氣化工和其他5個細分市場，對各細分市場的合成氣制氣規模進行統計與預測。因為預測以產業發展目標和約束條件為依據，所以制氣規模即為合成氣需求總量。

2.1 煤化工

煤化工行業主要以氣化煤為原料，以煤的氣化(Gasification)作為主要的碳轉化方式，通過氣化裝置大規模生產合成氣，再用于生產合成下游化工品。煤化工包括煤制合成氨/氮肥、甲醇、合成油、烯烴、芳烴和乙二醇等主要產品路線，是合成氣制氣規模最大的市場。

以國家能源局和石化產業聯合會發布的“十三五”系列專項規劃或指南為依據，預測了煤化工行業內以合成氣為原料的各主要煤化工產品在“十三五”末(2020年)的產能，并根據各產品的單位煤耗與合成氣裝置的平均比煤耗，預測了基準情景下我國煤化工行業內合成氣的總制氣規模(見表2)。

表2 2020年煤化工行業合成氣制氣規模(基準情景)

基準情景下，2020年末我國氣化煤消費量估算為307.8 Mt標煤。按照“十三五”規劃，到2020年末我國煤炭消費總量發展目標為4 100 Mt(折合約為2 900 Mt標煤)。因此，到2020年氣化煤消費占比將達到10.6%。而根據NRDC的研究結論，在我國煤炭消費達到峰值的2013年，我國煤化工行業(不含冶金和焦煤)煤耗占比僅為6.42%。可見，在我國“十三五”期間鞏固深化供給側改革和產業轉型升級的大背景下，煤化工將向現代煤化工方向穩定發展，氣化煤消費占比與合成氣制氣規模都將明顯提升。

在煤控情景下，2020年我國煤化工行業內的氣化煤消費量為257.5 Mt標煤。與基準情景相比，煤化工行業在煤控情景下的生產負荷水平達到84%，較目前煤化工行業的實際產能利用率有明顯提升。這也預示了我國供氣側改革和產業升級的必然結果。

因此，2020年我國煤化工行業中氣化煤消費量將為257.5～307.7 Mt標煤，按照600 g/m3(H2+CO)的干基比煤耗、15%的收到基含水率和0.786的折標因子計算，將形成5.8×107～6.9×107m3/h的合成氣制氣規模。按氣化爐單臺投煤量1 500 t/d折算，需要裝備規模化的氣化爐為650～780臺(不含備爐)。

2.2 煉廠制氫

未來我國煉廠原油重質/劣質化趨勢提高，國家對油品質量標準提高(含硫量降低)、市場對輕質油品需求增大。這些因素導致了加氫裝置數量增加，成為煉廠氫氣需求激增的主要推動力。

煉廠消耗的氫氣主要通過非制氫裝置和制氫裝置兩個途徑獲得。非制氫裝置通過回收煉廠內部的副產氫、廢氫獲得氫源；而制氫裝置則以干氣、輕油、石油焦、天然氣、煤等原料直接制取純氫以獲得補充氫源。考慮到非制氫裝置屬煉化一體化內部裝置，且須由一體化項目統一管理調配，故僅有制氫裝置可能獨立外包并實現商業化運營。獨立制氫裝置將是煉廠制氫領域內合成氣商業化運營業務的發展重點。

千萬噸級加工能力的煉廠平均氫氣耗量占原油加工量的0.7%～1%[1]。考慮到未來原油品質變差、加氫要求較高以及下游化工耗氫等因素，大型現代化煉化一體化項目的氫氣耗量會更高，將占到原油加工量的0.8%～2.7%[2]。例如，中海油惠州煉化有限公司一體化項目兩期原油加工能力共22 Mt/a，氫氣耗量約400 kt/a，占原油加工量的1.8%。其中，制氫裝置供應的補充氫源為220 kt/a，占比達到55%，占原油加工量的1%。

煉廠制氫裝置目前以天然氣/輕油為原料的SMR裝置和以煤為原料的煤制氫(POX)裝置為主。POX裝置的原料范圍廣泛，除了煤炭外，還可以使用石油焦和重油，其經濟性與靈活可靠性已得到廣泛認可。根據亞化咨詢的研究，我國目前擬建和在建的15個煉化一體化項目中已確定采用煤制氫的項目有11個。

到2020年，我國石油消費水平的發展目標為590 Mt/a，煤控情景下要控制到583 Mt/a水平。按照煉廠制氫裝置規模為原油加工量的1%計算，我國煉廠補充氫源的需求量為5.83～5.90 Mt/a，折合制氫規模為7.70×106～7.79×106m3/h(見表3)。

表3 2020年煉廠制氫市場的制氣規模

2.3 尾氣綜合利用

以富含合成氣有效組分(H2+CO)的焦爐氣、鋼廠煤氣、乙炔尾氣等工業尾氣為原料，通過膜分離、變壓吸附、冷凍分離等方法對有效組分進行分離凈化，可以獲得合成氣并生產下游化工品。

2.3.1 焦爐氣

焦炭用煤在我國煤炭消費總量中占比很高，即使對我國現行焦化行業進行嚴格的產能削減與技術升級，2020年我國焦炭消費量仍將保持在400 Mt左右。根據NRDC的研究，2020年我國煤控情景和基準情景下的焦炭耗煤量分別為234，336 Mt標煤，將產生8×1010～11×1010m3的焦爐氣。

焦炭產能中約有73.3%的產能為獨立焦化企業所有[3]，其余產能在鋼鐵聯合企業內。考慮到鋼鐵聯合企業內的焦爐氣大部分已在廠內平衡，則可供綜合利用并實現商業化運營的是獨立焦化企業內部的富余焦爐氣。獨立焦化企業內焦爐氣的50%作為燃料被用于焦爐加熱，另外50%則用于發展焦爐氣的綜合利用。每年可供綜合利用的焦爐氣量為3×1010～4×1010m3。

焦爐煤氣中含有大量的合成氣有效組分，其中H2體積分數為55%～60%、CO體積分數為5%～8%。另外甲烷(CH4)的體積分數達到23%～27%，也可以轉化為合成氣加以綜合利用。通過對富余焦爐氣的綜合利用，可以發展焦爐氣制氫、合成氨、(液化)天然氣、甲醇、還原冶鐵等下游產品。

按照綜合有效組分占比125%(考慮CH4全部轉換為H2)估算，預測焦爐氣制合成氣的制氣規模將達到3.9×106～5.6×106m3/h(表4)。

表4 2020年富余焦爐氣制合成氣的制氣規模

2.3.2 鋼廠煤氣

鋼廠副產煤氣包括焦爐煤氣(COG)、高爐煤氣(BFG)、轉爐煤氣(LDG)。回收煤氣主要用作鋼廠內部燃料，約占鋼廠自耗總能量的40%，剩余部分供自備電廠發電，再余下部分被放散。3種鋼廠尾氣中，COG在鋼廠尾氣中利用率最高、放散率最低，有效組分用作化工合成原料很少，在此不計算；BFG和LDG的放散率分別為8%，33%[5]，可以綜合利用制取合成氣。2017年我國生鐵和粗鋼的產量分別為710，830 Mt，產生的可供綜合利用的BFG和LDG合計超過1.2×1011m3。考慮到我國鋼鐵產業發展已進入成熟階段，未來產能增速不快，故以目前情況預測2020年情景。預測鋼廠尾氣制合成氣的制氣規模約為3.85×106m3/h(表5)。

表5 2020年鋼廠尾氣制合成氣的制氣規模(基準情景)

續表5

2.3.3 電石尾氣

2015年全國電石產量24.82 Mt，全國每年有約90%的電石尾氣被當作低熱值燃氣或放空。電石尾氣中含有豐富的合成氣有效組分，其中CO體積分數為65%～95%、H2體積分數為8%～15%[6]，可以加以綜合利用，分離提純合成氣。

考慮到我國電石產業目前已發展至成熟階段，未來產能格局變化不大，故以目前產量預測2020年規模。假設按照有效組分占比85%、尾氣綜合利用率50%(包含收率因素)考慮，預測電石尾氣制合成氣的制氣規模為6.0×105m3/h(表6)。

表6 2020年電石尾氣制合成氣的制氣規模(基準情景)

綜合表3～表5，到2020年，以富余工業尾氣為原料進行綜合利用、通過凈化分離制取合成氣的制氣規模預測為8.3×106～10.0×106m3/h。

2.4 天然氣化工

天然氣化工行業以天然氣為原料進行化工生產，其中絕大部分采用間接轉化途徑，即先用天然氣制合成氣，再利用合成氣生產合成氨、甲醇等下游化工品。

合成氨/氮肥是我國天然氣化工的主要產品，其次還有甲醇、甲醛、乙炔等。在我國合成氨生產原料結構中，天然氣所占比例約為30%[7]。由于我國《天然氣利用政策》鼓勵天然氣優先用于城市燃氣領域，對天然氣化工產業實施限制性政策，未來天然氣制合成氨的占比將被壓縮到20%以下，天然氣制合成氨/尿素的氫氮合成氣的制氣規模在3.50×106m3/h左右。

未來，天然氣化工項目主要在新疆、川渝等氣源地有所保留，在煉油、化工等領域，天然氣制氫因具備較高的價格承受力和環境友好性，將會保留一定的發展。例如，2015年投產的重慶巴斯夫MDI一體化項目中就建設了6.5×104m3/h天然氣SMR制氫及HYCO凈化裝置。

2020年，天然氣消費將為3.0×1011～3.6×1011m3/a，其中天然氣化工的消費占比將下降到12%。扣除化工企業內部用作燃料和用于直接轉化原料的天然氣用量，用于制合成氣的天然氣原料占比約為50%。按照天然氣制氫產率(1 m3天然氣制氫2.4 m3)估算，并扣除煉廠制氫市場已統計的天然氣SMR制氫量約2.00×106m3/h，預測2020年我國天然氣制合成氣的制氣規模為3.1×106～4.2×106m3/h(表7)。

表7 2020年天然氣制合成氣的制氣規模

2.5 其他市場

其他市場中，甲醇裂解制氫、水電解制氫、氨分解制氫等用于中、小規模制氫，制氫規模在合成氣市場容量中占比不超過5%。預測到2020年，該部分的合成氣制氣規模為4.5×106m3/h。

3 商業化運營率

基于合成氣用戶的角度，合成氣項目分為自建自用項目(Captive)和外包項目(Outsourcing)兩類。商業化運營率是指合成氣外包項目的供應規模在總制氣規模中所占的比例。合成氣商業化運營項目的特征體現在：由專業氣體公司主導，直接或參與投資，獨立運營，基于與用戶簽訂的長期供氣合同向用戶供應合成氣，持續開發周邊工業氣體市場。

根據Strategic Analysis Inc.(SAI)公司對我國傳統工業氣體市場的調查結論，2015年我國現場制氣(On-site Supply)領域中外包模式市場占比為31%，2020年預計達到37%；在化工行業內外包模式市場占比將達到42%。也就是說，2020年我國傳統工業氣體業務的商業化運營率有望達到40%。

氣體公司的合成氣業務是在傳統工業氣體業務的基礎上發展起來的，沿用了氣體公司的商業模式，拓展了已有的市場客戶關系，發揮了氣體公司的技術與運營管理優勢。但是，合成氣商業化運營業務的起步較晚，發展時間不長，項目的投資規模大，裝置工藝技術和運行條件復雜，因此合成氣項目的商業化運營率近期內難以超越已發展成熟的傳統工業氣體業務。

商業化運營率反映了用戶和市場將合成氣業務委托給第三方運營的意愿與可能性，受到用戶主觀意愿、融資需求、技術水平、運營風險等多種因素的影響。對商業化運營率的預測比較困難，通常采用定性或半定量方式確定。對2020年合成氣商業化率的預測采用“高(35%)、較高(30%)、中(20%)、低(10%)”分別確定。

(1)煤化工：商業化運營率評價為較高(30%)。合成氣需求最大的領域，商業化運營業務的市場潛力可觀。氣體公司在該領域內已成功實現了大型空分裝置的商業化運營。例如，液化空氣為天津渤化永利的聯合化工裝置配套投運了2套6×104m3/h空分、空氣產品為陜煤化蒲城煤制甲醇裝置配套投運了3套8.4×104m3/h空分、普萊克斯為安徽華誼甲醇/乙酸項目配套投運單套8.7×104m3/h空分、盈德氣體為安陽中盈化肥配套投運的1套6×104m3/h空分等。這些為煤氣化裝置配套的空分項目都實現了長期運營，其安全性、穩定性和經濟性得到了煤化工用戶的普遍認可，奠定了發展大型合成氣業務的良好基礎。在空氣產品山西潞安和榆林兗礦項目、寶鋼氣體在華誼吳涇基地和中鹽昆山等項目中，氣體公司先是通過成功投運空分裝置與煤化工用戶建立了戰略合作關系，而后以此為契機將業務范圍拓展到煤氣化裝置，實現了大型合成氣項目的商業化運營。另一方面，煤制合成氣項目的投資規模大、工藝技術復雜、能源環保約束性強、國家政策監管嚴格，合成氣供需雙方的投資與合作步伐將會比較謹慎和漫長，商業化運營率短期內難以達到傳統工業氣體業務水平。

(2)煉廠制氫：商業化運營率評價為高(35%)。現代化煉化項目規模化、園區化、一體化趨勢明顯。煉化項目氫氣需求量大，獨立制氫裝置數量和規模將迅速增加。一體化項目內氫氣資源多而分散，需要統一集中管理，未來更會向“氫庫”方向發展。空氣產品為中國石油四川石化投資了SMR獨立供氫裝置、普萊克斯在中海油/殼牌惠州煉化項目先后投資了4套空分裝置。根據外資氣體公司資料，北美地區煉廠對制氫裝置與配套管道的商業化運營率已超過2/3，未來我國煉廠制氫裝置的外包趨勢也將迅速提升。

(3)尾氣綜合利用：商業化運營率評價為低(10%)。雖然可供綜合利用的工業尾氣規模很大，但氣源分散、單體氣量小、供應不穩定。尾氣綜合利用項目受制于用戶主體項目，獨立性不強，用戶更傾向于與主體項目統一協調管理而不是外包。

(4)天然氣化工：商業化運營率評價為低(10%)。傳統的天然氣化工項目的外包意愿不明顯，天然氣制合成氨/氮肥、制甲醇項目受到國家政策限制，項目規模增長緩慢。未來僅在中小規模天然氣SMR制氫裝置上存在一定的商業化運營機會。

(5)其他：商業化運營率評價為中(20%)。其他領域內，各種中小規模的現場制氫/制合成氣裝置的制氣規模不大但數量眾多。制氣裝置與用戶主營業務和主體項目劃分明顯，獨立性較強，更適合專業化管理，外包趨勢將逐步提高。

4 市場容量匯總

將以上各細分市場的統計和預測數據進行匯總，得到2020年煤控情景和基準情景下我國合成氣商業化運營市場容量(表8～9)。到2020年，我國合成氣的總制氣規模可以達到8.1×107～9.1×107m3/h，其中有望實現商業化運營的市場容量2.2×107～2.6×107m3/h，平均商業化運營率為27%～28%。其中，煤化工領域的商業化運營市場占比達到約80%，煉廠制氫的商業化運營市場占比為10%～12%。兩者的市場容量總和達到2.0×107～2.4×107m3/h，市場占比總和達到91%，是發展合成氣商業化運營業務的主要目標市場。

表8 2020年合成氣制氣規模與商業化運營市場容量(煤控情景)

表9 2020年合成氣制氣規模與商業化運營市場容量(基準情景)

5 結論

(1)市場容量預測分析對開展合成氣商業化運營業務具有重要意義。文章采用的市場容量預測方法對合成氣市場根據業務發展的實際需要進行了合理的劃分，綜合考慮國家產業規劃、政策約束和用戶意愿等幾個關鍵因素，參數較少且簡便可調，結論與我國產業發展趨勢與市場發展方向基本符合，可以作為分析工業氣體市場容量的一種簡單易行的方法，為氣體公司制定業務發展戰略提供決策支持。

(2)我國合成氣商業化運營市場還處在初期發展階段。2017年末合成氣市場商業化運營率不到10%，已投運的商業化運營項目的數量和總規模都不大，而傳統工業氣體業務超過30%的商業化運營率，未來我國合成氣商業化運營業務具備巨大的提升空間。

(3)煤化工和煉廠制氫是發展合成氣業務的主要核心領域，許多氣體公司在該領域內已經成功實現了配套大型空分裝置的商業化運營，具備良好的合成氣業務發展基礎，未來極有可能在此領域內出現突破性的發展。

(4)合成氣項目體量大、數量多，對公司整體業務拉升作用明顯，可以成為專業氣體公司的新興戰略發展方向。按單個項目平均供氣規模2×105m3/h合成氣折算，到2020年將存在約120個潛在的大型合成氣商業化運營項目的機會，而中小型項目數量將更多。在這些潛在的項目機會中，既包含了新建項目機會，也包括在用項目的重組收購和改造升級機會。

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ABSTRACT

The prediction analysis method for the market capacity of commercial operation business syngas is put forward, according to which there will be opportunities for 120 potential large-scale syngas commercialization projects in China by 2020, and small and medium-sized projects will be even more, which a broad space for development. The total market share of commercial operations in the fields of coal chemical and refinery hydrogen production is up to 91%, which is the main target market for the commercialization of syngas operations.

Keywords: syngas, industrial gas, commercial operation, market capacity