“双碳”背景下天然气化工技术发展及碳减排量预测探究

徐顺义

（贵州工业职业技术学院，贵州贵阳 550008）

天然气是一种高经济、绿色清洁的化石能源，相对于其他传统能源来说，碳排放量较低，是碳约束条件下需要着重开发利用的能源之一。随着人们节能环保意识不断提升，绿色、清洁的天然气受到世界范围的广泛认可，越来越多的国家采用借助天然气改善生态环境的措施，以此来兼顾经济发展及环境改善的双重需求。在这样的背景下，天然气化工技术将起到关键性作用，要想在碳约束条件下减轻碳排量，就必须不断优化和创新天然气化工技术，加快能源行业绿色化、低碳化方向转型，这样就能更好地实现“双碳”发展目标。

1 “双碳”背景下天然气的作用

1.1 有助于加快“双碳”进程

充分发挥天然气在“双碳”进程中的重要作用，相对于传统化石燃料来说，天然气的二氧化碳排放量远低于其他化石燃料。比如，在产生同样热值条件下，天然气的二氧化碳排放量仅为煤炭的59%，产生的污染气体明显低于煤炭。因此，通过充分开发利用天然气，可以加快煤炭替代速度，尽可能减少煤炭产生的含碳气体，为实现能源低碳转型奠定基础。从全球经济发展趋势来看，天然气的需求量将在2030—2040年前后达到峰值，我国的天然气消费达峰时间预计为2035—2040年前后。当天然气达到峰值后，能源行业将朝着天然气与可再生能源融合方向发展，通过可再生能源加速增长来达到降低化石能源消费量的目的。因此，通过增强天然气开发力度，可以在促进新能源开发利用过程中奠定基础，有效平衡和补充能源体系，促进能源行业低碳、绿色、经济发展。

1.2 有助于促进天然气低碳化利用

天然气既是能源又是化工原料，在现代化时代，化工技术成为人类生产和发展的重要技术，直接影响人类生活的方方面面。通过利用化工技术进行天然气开发利用，可以有效去除杂质和最大化利用天然气，提高天然气利用效率，达到低碳、高效应用目标。天然气主要成分是甲烷，通过进行化工处理可以生成一氧化碳、二氧化碳和氢气，再通过与其他物质可以生成甲醇、乙烯、乙炔、等产品，这些产品都具有较高的热值，可以提升天然气的开发利用效率，促进天然气低碳化发展。

2 分析天然气化工技术路线

甲烷是天然气的主要成分，具有稳定的正四面体结构，很难将其进行活化或定向转化，需要借助强烈的外场辅助达到相关活化目标。常见的天然气化工技术有7种，分别是合成氨、甲醇、氢气、乙炔、氢氰酸、乙烯、芳烃。具体如图1所示。

图1 天然气化工技术路线分析图

利用化工技术将天然气生成不同的物质，通过针对性应用来达到不同的生产目标，在提升天然气燃烧效率的同时降低生产成本。常见的转化法有两种，分别是直接转化法和间接转化法，通过不同的转化法得到不同物质。

2.1 间接转化法

2.1.1 转化成合成氨和甲醇

相对于直接转化法来说，间接转化法的工艺流程更为复杂，需要通过多项转化环节来达到转化目标。在这个过程中，需要将天然气转化成合成气，然后再通过相关流程使其转化成化工产品，需要较高的制备成本。常见的间接转化法为将天然气转化成合成氨和甲醇。氨是世界上产量最高的无机化合物之一，可以制作成氮肥、复合肥、炸药及其他化工原料，在国民经济及国家发展方面占据重要地位。相对于石油、煤炭等传统化石能源在合成氨方面的应用来说，天然气具有投资少、能耗低、生产技术成熟等优势，有着广泛的市场应用前景。根据相关调查，2021年利用天然气制作的合成氨占全球合成氨的80%以上，可见天然气在合成氨制作方面占主导地位。

在甲醇制作方面，我国2022年的甲醇产量约为8 022.5万t，是一个名副其实的甲醇生产大国和消费大国。其中，天然气制甲醇占甲醇总量的6.3%，煤制甲醇占总量的84.7%，两者产量相差巨大。根据相关调查，应用煤炭等传统化石能源制造甲醇的碳排放量为30%～70%，利用天然气等绿色甲醇工艺的碳排放量仅为10%，远远低于传统生产工艺。因此在碳约束条件下，必须减少煤制甲醇的比重，提高天然气制甲醇产量，这样就可以在甲醇制造过程中降低碳排放，强化绿色甲醇工艺开发利用。可以通过促进天然气规模化甲醇生产和无循环液相甲醇生产来达到绿色甲醇制造目标，通过提升合成气转化率来降低碳排放，将更多合成气转化成甲醇，降低投资和提高经济收益。甲醇不仅自身有着极高的利用价值，可以制作成油品、工程塑料、电池材料、化工产品等，还可以转化为乙烯、丙烯、二甲醚、氢气等物质，可以用于生成各种聚合物产品。此外，甲醇还可以成为储能、储氢介质、燃料电池原料等，降低传统化石燃料使用数量，满足碳约束目标，实现碳排放大幅度降低。

2.1.2 转化成低碳烯烃

我国是乙烯、丙烯衍生产品消费大国，每年进口的乙烯数量占总量的45%，意味着我国近一半的乙烯需要依赖于从国外进口。不仅需要花费大量资金，还容易被其他国家所辖制。甲醇是生产乙烯、丙烯的重要原料，可以通过进行甲醇生成来提高我国乙烯、丙烯的产量，缩小进口比例。天然气是制造甲醇的重要燃料，通过对天然气进行多次转化，就能将天然气转变成合成气，再从合成气转变成甲醇，进而从甲醇转变成低碳烯烃（乙烯、丙烯）。在具体应用方面，我国主要采用的是MTO 工艺和MTP 工艺，两者具有将甲醇转化率提升到99%的作用。比如，在MTP 工艺中，通过以丙烯为原料进行烯烃生产，就能将甲醇转化成低碳烯烃等物质，提高丙烯选择性，减少副产品的生成，在材料利用率、甲醇转化率等方面都有着极高效率。

2.1.3 生成二甲醚

二甲醚是制作燃料、农药、涂料、药品、日用化学品等物品的常见原料，还有着超清洁燃料的称号，可用于制造高性能、低污染的柴油机燃料。相对于其他清洁燃料来说，二甲醚的环保性更佳。常见的二甲醚制作法为气相法和液相法。先是将天然气转化成合成气，再利用合成气进行甲醇提炼，然后通过甲醇脱水来生产二甲醚。目前，天然气生成二甲醚的技术已经较为成熟，有着较高的生产效率，被广泛应用在工业领域中。

2.2 直接转化法

2.2.1 天然气制氢

天然气的主要成分是甲烷，化学式为CH4,是含碳量最小含氢量最大的烃。在进行天然气转化过程中，会产生大量氢气，是理想的制氢原料。氢气是一种清洁能源，具有无色无味、难溶于水的特点，通过与氧气燃烧可以转化成水，不会产生其他污染物质。因此，通过将天然气转化成氢就能有效降低碳排放量和有害物质生成。常见的天然气制氢方式有3种，分别是催化裂解制氢、高温裂解制氢、等离子体裂解制氢。在天然气制氢过程中，通过将甲烷通过CO 变换、冷却分离和氢气提纯等方式制作氢气，制备成的氢气可以用到氢用燃料电池中，产生的碳可以制备成碳黑、碳纳米管等产品。

2.2.2 天然气制氢氰酸、乙烯和芳烃

芳烃氢氰酸、乙烯、氰酸是常见的精细化工原料，被广泛应用在杀虫剂、丙酮氰醇、丙烯酸树脂等制造。在直接转化法中，可以通过安氏法进行氢氰酸生成，满足社会上的草甘膦、蛋氨酸等应用需要，还可以通过天然气氧化偶联制乙烯、天然气直接制芳烃来得到乙烯和芳烃。需要注意的是，这两种方法存在转化率较差的问题，需要开发和探究更高效、优质的转化路径。

2.2.3 天然气直接制甲醇、乙炔

除了通过用合成气法制取甲醇外，还可以通过直接转化制取甲醇，比如可以通过均相氧化、多相催化氧化来进行甲醇制取。其中，通过均相氧化法可以让甲醇的选择性达到60%～90%，即能制取出60%～90%的甲醇。在乙炔直接转化中，可以通过部分氧化法、电弧法、等离子体法等工艺，直接实现天然气制取乙炔。

3 碳约束条件下天然气的发展趋势及碳排放量预测

3.1 天然气发展趋势

全球能源转型大背景下，中国提出了“双碳”目标，在国际上得到极大响应。目前，太阳能、风能等可再生能源是全球能源转型的关键，尤其是在电力系统方面。根据相关调查，我国二氧化碳排放量的主要来源于一次能源，如在2022年的二氧化碳排放量中，有90%以上来自一次能源，足以看出一次能源是造成碳排放量过高的主要因素。在碳约束条件下，控制一次能源应用和优化能源行业结构具有重要意义。由于技术所限，当前我国未能形成大范围应用太阳能、风能的局面，最好的办法就是利用天然气代替其他化石能源，借助天然气的低碳高效优势达到“碳达峰”“碳中和”战略目标。随着国家越来越重视可再生能源应用，到2060年时，我国的煤炭使用率、石油使用率将大幅度下降，天然气则会出现先增后减的发展趋势，可再生能源将成为能源生产主体。根据相关行业人员预测，我国天然气在2035年前将处于持续增长状态，等到达到碳达峰后，则会开始下降，碳达峰时间为2035—2040年，2040年后天然气需求量将下降。如图2、图3所示。总体来说，在碳约束背景下，天然气将呈现先增后降的发展趋势，非化石能源将逐步占据主导地位，碳排放量将得到有效控制。

图2 “双碳”目标下中国能源消费结构趋势/%

图3 2025—2060年中国天然气消费量预测/108m3

3.2 碳排放量预测

在碳约束条件下，理想的碳排放量预测自然是碳排放量越来越少，想要达到该目标就必须进行能源结构调整，采用更清洁、绿色、环保的能源，加快非化石能源对传统能源的替代速度，从而就能实现碳减排目标。天然气应用是当前最佳的替代方式，相对于传统能源来说，天然气的单位产品碳排放量远低于煤炭、石油等能源，加大天然气的开发利用度，就能有效达到碳减排的目的。一般来说，天然气制取每吨氨产品的碳排放为3.10 t，煤炭制取每吨氨产品的碳排放为6.05 t，两者相差2.95 t，以此作为预测指标，则可估算出每千方天然气制合成氨替代煤制合成氨的减排数据。

鉴于各种影响因素，有学者对碳排放量分别进行悲观、中性、乐观预测，具体内容如下：

（1）悲观预测。由于受市场环境因素影响，当天然气需求量增大时，天然气市场就会出现供小于求的情况，天然气价格则会呈现走高趋势，这会造成天然气能源生产、使用成本增高，降低天然气化工的经济性和竞争力。当出现这种情况时，天然气化工消费将会降低，天然气化工用气量随着天然气消费总量的降低而降低，导致对整体碳约束效果不大。

（2）中性预测。在天然气消费量达峰前，天然气的化工用气量占比会出现小幅度降低，但会随着天然气的消费总量增加而增加。当天然气消费量达峰后，新能源会逐渐取代天然气，天然气的消费总量会呈现下降趋势。因此，在碳约束条件下，天然气的化工用气量会逐年降低，相对碳减排量也会下降。

（3）乐观预测。乐观预测指的是天然气化工技术将出现提升的情况，在化工用气量控制方面更加精细化、效率化，朝着零碳化、深加工等方向进行，可以生产出更多具有高附加值的高端化工品和材料，直接将天然气转化过程中产生的碳转变成固体碳材料，有效降低二氧化碳、一氧化碳等含碳气体产生，逐渐实现天然气零碳化利用。

4 结束语

综上所述，天然气是重要的清洁化工能源，有着较大的发展潜力，可以用来代替化石类化工能源，在促进经济增长的同时，改善周边环境。尤其是在碳约束环境下，必须加强天然气使用，并提高天然气化工技术，从而更好地保障天然气化工发展。可以从以下两个方面进行优化：

1）提高天然气利用安全性。我国对进口天然气依赖性较强，国际市场的价格、产量波动都会影响到我国天然气的使用效率。国家和政府必须要重视这方面，加强国际资源开发，寻求更多战略合作伙伴，尽可能减少单个国家市场对我国天然气的影响。

2）完善天然气化工体系。强化天然气产业链，强化上、中、下游协调发展，确保天然气输送安全。