中國天然氣化工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)日益受到重視，促進(jìn)了天然氣需求的快速增長。天然氣作為清潔環(huán)保的綠色能源和化工原料，加速了天然氣資源在化工領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。隨著世界天然氣產(chǎn)量穩(wěn)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(xué)工業(yè)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(chǎn)，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(fā)展空間。

我國堅(jiān)持走綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展道路，樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，在工業(yè)領(lǐng)域全面分析天然氣化工的發(fā)展現(xiàn)狀，科學(xué)合理的應(yīng)用天然氣，加強(qiáng)和發(fā)達(dá)國家的交流合作，不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)來提高我國天然氣化工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展。

1 天然氣化工技術(shù)現(xiàn)狀

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

圖1 天然氣化工行業(yè)主要產(chǎn)品

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

2 天然氣化工發(fā)展方向

2.1 天然氣制合成氣

2.1.1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù) 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成CO 和H2，這一過程為強(qiáng)吸熱過程，所需的熱量由轉(zhuǎn)化爐輻射段提供，在催化劑床層發(fā)生如下反應(yīng)：

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

隨著合成氨、甲醇等合成氣工業(yè)的飛速發(fā)展，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制合成氣技術(shù)有了長足的進(jìn)步。在催化劑性能、能量回收、凈化方法等方面均有重大改進(jìn)，使烴類蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)日臻成熟，可靠性、靈活性有了很大提高。主要體現(xiàn)在：低水碳比、高轉(zhuǎn)化溫度，以降低原料和燃料消耗；應(yīng)用現(xiàn)代節(jié)能技術(shù)，優(yōu)化余熱回收方案，以進(jìn)一步降低裝置能耗。

2.1.2 天然氣干重整轉(zhuǎn)化技術(shù) 天然氣干重整轉(zhuǎn)化技術(shù)是利用CO2和CH4進(jìn)行干重整反應(yīng)，可根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的不同來調(diào)整H2/CO 比例關(guān)系，使得該工藝流程可根據(jù)市場的變化來調(diào)整目標(biāo)產(chǎn)品的種類和規(guī)模，可以滿足絕大多數(shù)合成氣下游合成的應(yīng)用。

可以用于多種基于合成氣為原料的碳一化工利用技術(shù)路線，如合成氨、直接制還原鐵、天然氣制甲醇、費(fèi)托合成尾氣轉(zhuǎn)化利用、沼氣經(jīng)羰基合成/氫甲?；坪趸衔铩O2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(shù)，可以提高甲醇產(chǎn)量50 %，減排CO2量相當(dāng)于甲醇產(chǎn)能的70 %。CO2和CH4干重整制甲醇工藝路線能夠在一定規(guī)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(yè)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(tǒng)化石能源的依賴，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等具有十分重要的戰(zhàn)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(chǎn)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(zhì)，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(chǎn)、費(fèi)托（F-T）合成、產(chǎn)品精制。一些主要反應(yīng)如下：

其中最關(guān)鍵的技術(shù)是費(fèi)托催化劑的開發(fā)和利用，使用較高活性的催化劑，控制反應(yīng)溫度，提高裝置的生產(chǎn)能力，降低裝置的投資成本。

2.3 天然氣制精細(xì)化工產(chǎn)品

天然氣生產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品也有相當(dāng)好的經(jīng)濟(jì)效益，因此，天然氣化工技術(shù)的發(fā)展也在朝著精細(xì)化和深加工方向發(fā)展。如經(jīng)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(chǎn)氯乙烯和聚甲醛樹脂為例，介紹其生產(chǎn)技術(shù)及工藝過程。

2.3.1 天然氣乙炔法生產(chǎn)氯乙烯 以天然氣為原料生產(chǎn)乙炔的研究、開發(fā)和應(yīng)用都比較早，生產(chǎn)方法也很多，但工業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)生的熱量為甲烷裂解成乙炔創(chuàng)造條件[5]。主要反應(yīng)過程為：

乙炔與氯化氫反應(yīng)生產(chǎn)氯乙烯是原子經(jīng)濟(jì)型反應(yīng)：

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

2.3.2 天然氣生產(chǎn)聚甲醛樹脂 天然氣在催化劑的作用下，經(jīng)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(qiáng)酸催化劑的作用下通過共聚工藝生產(chǎn)聚甲醛。主要反應(yīng)過程為：

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

3 結(jié)語

天然氣作為一種清潔和優(yōu)質(zhì)的能源，具有很強(qiáng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)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(yīng)密切跟蹤世界天然氣先進(jìn)技術(shù)，加大天然氣工業(yè)自主開發(fā)創(chuàng)新力度。中國煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源也相當(dāng)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(yè)的命運(yùn)。因此，為推動我國經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，必須堅(jiān)持綠色化工的發(fā)展理念，加強(qiáng)重大技術(shù)攻關(guān)，提升天然氣化工的技術(shù)水平。