“雙碳”背景下天然氣化工技術發展及碳減排量預測探究

徐順義

（貴州工業職業技術學院，貴州貴陽 550008）

天然氣是一種高經濟、綠色清潔的化石能源，相對于其他傳統能源來說，碳排放量較低，是碳約束條件下需要著重開發利用的能源之一。隨著人們節能環保意識不斷提升，綠色、清潔的天然氣受到世界范圍的廣泛認可，越來越多的國家采用借助天然氣改善生態環境的措施，以此來兼顧經濟發展及環境改善的雙重需求。在這樣的背景下，天然氣化工技術將起到關鍵性作用，要想在碳約束條件下減輕碳排量，就必須不斷優化和創新天然氣化工技術，加快能源行業綠色化、低碳化方向轉型，這樣就能更好地實現“雙碳”發展目標。

1 “雙碳”背景下天然氣的作用

1.1 有助于加快“雙碳”進程

充分發揮天然氣在“雙碳”進程中的重要作用，相對于傳統化石燃料來說，天然氣的二氧化碳排放量遠低于其他化石燃料。比如，在產生同樣熱值條件下，天然氣的二氧化碳排放量僅為煤炭的59%，產生的污染氣體明顯低于煤炭。因此，通過充分開發利用天然氣，可以加快煤炭替代速度，盡可能減少煤炭產生的含碳氣體，為實現能源低碳轉型奠定基礎。從全球經濟發展趨勢來看，天然氣的需求量將在2030—2040年前后達到峰值，我國的天然氣消費達峰時間預計為2035—2040年前后。當天然氣達到峰值后，能源行業將朝著天然氣與可再生能源融合方向發展，通過可再生能源加速增長來達到降低化石能源消費量的目的。因此，通過增強天然氣開發力度，可以在促進新能源開發利用過程中奠定基礎，有效平衡和補充能源體系，促進能源行業低碳、綠色、經濟發展。

1.2 有助于促進天然氣低碳化利用

天然氣既是能源又是化工原料，在現代化時代，化工技術成為人類生產和發展的重要技術，直接影響人類生活的方方面面。通過利用化工技術進行天然氣開發利用，可以有效去除雜質和最大化利用天然氣，提高天然氣利用效率，達到低碳、高效應用目標。天然氣主要成分是甲烷，通過進行化工處理可以生成一氧化碳、二氧化碳和氫氣，再通過與其他物質可以生成甲醇、乙烯、乙炔、等產品，這些產品都具有較高的熱值，可以提升天然氣的開發利用效率，促進天然氣低碳化發展。

2 分析天然氣化工技術路線

甲烷是天然氣的主要成分，具有穩定的正四面體結構，很難將其進行活化或定向轉化，需要借助強烈的外場輔助達到相關活化目標。常見的天然氣化工技術有7種，分別是合成氨、甲醇、氫氣、乙炔、氫氰酸、乙烯、芳烴。具體如圖1所示。

圖1 天然氣化工技術路線分析圖

利用化工技術將天然氣生成不同的物質，通過針對性應用來達到不同的生產目標，在提升天然氣燃燒效率的同時降低生產成本。常見的轉化法有兩種，分別是直接轉化法和間接轉化法，通過不同的轉化法得到不同物質。

2.1 間接轉化法

2.1.1 轉化成合成氨和甲醇

相對于直接轉化法來說，間接轉化法的工藝流程更為復雜，需要通過多項轉化環節來達到轉化目標。在這個過程中，需要將天然氣轉化成合成氣，然后再通過相關流程使其轉化成化工產品，需要較高的制備成本。常見的間接轉化法為將天然氣轉化成合成氨和甲醇。氨是世界上產量最高的無機化合物之一，可以制作成氮肥、復合肥、炸藥及其他化工原料，在國民經濟及國家發展方面占據重要地位。相對于石油、煤炭等傳統化石能源在合成氨方面的應用來說，天然氣具有投資少、能耗低、生產技術成熟等優勢，有著廣泛的市場應用前景。根據相關調查，2021年利用天然氣制作的合成氨占全球合成氨的80%以上，可見天然氣在合成氨制作方面占主導地位。

在甲醇制作方面，我國2022年的甲醇產量約為8 022.5萬t，是一個名副其實的甲醇生產大國和消費大國。其中，天然氣制甲醇占甲醇總量的6.3%，煤制甲醇占總量的84.7%，兩者產量相差巨大。根據相關調查，應用煤炭等傳統化石能源制造甲醇的碳排放量為30%～70%，利用天然氣等綠色甲醇工藝的碳排放量僅為10%，遠遠低于傳統生產工藝。因此在碳約束條件下，必須減少煤制甲醇的比重，提高天然氣制甲醇產量，這樣就可以在甲醇制造過程中降低碳排放，強化綠色甲醇工藝開發利用?？梢酝ㄟ^促進天然氣規?；状忌a和無循環液相甲醇生產來達到綠色甲醇制造目標，通過提升合成氣轉化率來降低碳排放，將更多合成氣轉化成甲醇，降低投資和提高經濟收益。甲醇不僅自身有著極高的利用價值，可以制作成油品、工程塑料、電池材料、化工產品等，還可以轉化為乙烯、丙烯、二甲醚、氫氣等物質，可以用于生成各種聚合物產品。此外，甲醇還可以成為儲能、儲氫介質、燃料電池原料等，降低傳統化石燃料使用數量，滿足碳約束目標，實現碳排放大幅度降低。

2.1.2 轉化成低碳烯烴

我國是乙烯、丙烯衍生產品消費大國，每年進口的乙烯數量占總量的45%，意味著我國近一半的乙烯需要依賴于從國外進口。不僅需要花費大量資金，還容易被其他國家所轄制。甲醇是生產乙烯、丙烯的重要原料，可以通過進行甲醇生成來提高我國乙烯、丙烯的產量，縮小進口比例。天然氣是制造甲醇的重要燃料，通過對天然氣進行多次轉化，就能將天然氣轉變成合成氣，再從合成氣轉變成甲醇，進而從甲醇轉變成低碳烯烴（乙烯、丙烯）。在具體應用方面，我國主要采用的是MTO 工藝和MTP 工藝，兩者具有將甲醇轉化率提升到99%的作用。比如，在MTP 工藝中，通過以丙烯為原料進行烯烴生產，就能將甲醇轉化成低碳烯烴等物質，提高丙烯選擇性，減少副產品的生成，在材料利用率、甲醇轉化率等方面都有著極高效率。

2.1.3 生成二甲醚

二甲醚是制作燃料、農藥、涂料、藥品、日用化學品等物品的常見原料，還有著超清潔燃料的稱號，可用于制造高性能、低污染的柴油機燃料。相對于其他清潔燃料來說，二甲醚的環保性更佳。常見的二甲醚制作法為氣相法和液相法。先是將天然氣轉化成合成氣，再利用合成氣進行甲醇提煉，然后通過甲醇脫水來生產二甲醚。目前，天然氣生成二甲醚的技術已經較為成熟，有著較高的生產效率，被廣泛應用在工業領域中。

2.2 直接轉化法

2.2.1 天然氣制氫

天然氣的主要成分是甲烷，化學式為CH4,是含碳量最小含氫量最大的烴。在進行天然氣轉化過程中，會產生大量氫氣，是理想的制氫原料。氫氣是一種清潔能源，具有無色無味、難溶于水的特點，通過與氧氣燃燒可以轉化成水，不會產生其他污染物質。因此，通過將天然氣轉化成氫就能有效降低碳排放量和有害物質生成。常見的天然氣制氫方式有3種，分別是催化裂解制氫、高溫裂解制氫、等離子體裂解制氫。在天然氣制氫過程中，通過將甲烷通過CO 變換、冷卻分離和氫氣提純等方式制作氫氣，制備成的氫氣可以用到氫用燃料電池中，產生的碳可以制備成碳黑、碳納米管等產品。

2.2.2 天然氣制氫氰酸、乙烯和芳烴

芳烴氫氰酸、乙烯、氰酸是常見的精細化工原料，被廣泛應用在殺蟲劑、丙酮氰醇、丙烯酸樹脂等制造。在直接轉化法中，可以通過安氏法進行氫氰酸生成，滿足社會上的草甘膦、蛋氨酸等應用需要，還可以通過天然氣氧化偶聯制乙烯、天然氣直接制芳烴來得到乙烯和芳烴。需要注意的是，這兩種方法存在轉化率較差的問題，需要開發和探究更高效、優質的轉化路徑。

2.2.3 天然氣直接制甲醇、乙炔

除了通過用合成氣法制取甲醇外，還可以通過直接轉化制取甲醇，比如可以通過均相氧化、多相催化氧化來進行甲醇制取。其中，通過均相氧化法可以讓甲醇的選擇性達到60%～90%，即能制取出60%～90%的甲醇。在乙炔直接轉化中，可以通過部分氧化法、電弧法、等離子體法等工藝，直接實現天然氣制取乙炔。

3 碳約束條件下天然氣的發展趨勢及碳排放量預測

3.1 天然氣發展趨勢

全球能源轉型大背景下，中國提出了“雙碳”目標，在國際上得到極大響應。目前，太陽能、風能等可再生能源是全球能源轉型的關鍵，尤其是在電力系統方面。根據相關調查，我國二氧化碳排放量的主要來源于一次能源，如在2022年的二氧化碳排放量中，有90%以上來自一次能源，足以看出一次能源是造成碳排放量過高的主要因素。在碳約束條件下，控制一次能源應用和優化能源行業結構具有重要意義。由于技術所限，當前我國未能形成大范圍應用太陽能、風能的局面，最好的辦法就是利用天然氣代替其他化石能源，借助天然氣的低碳高效優勢達到“碳達峰”“碳中和”戰略目標。隨著國家越來越重視可再生能源應用，到2060年時，我國的煤炭使用率、石油使用率將大幅度下降，天然氣則會出現先增后減的發展趨勢，可再生能源將成為能源生產主體。根據相關行業人員預測，我國天然氣在2035年前將處于持續增長狀態，等到達到碳達峰后，則會開始下降，碳達峰時間為2035—2040年，2040年后天然氣需求量將下降。如圖2、圖3所示?？傮w來說，在碳約束背景下，天然氣將呈現先增后降的發展趨勢，非化石能源將逐步占據主導地位，碳排放量將得到有效控制。

圖2 “雙碳”目標下中國能源消費結構趨勢/%

圖3 2025—2060年中國天然氣消費量預測/108m3

3.2 碳排放量預測

在碳約束條件下，理想的碳排放量預測自然是碳排放量越來越少，想要達到該目標就必須進行能源結構調整，采用更清潔、綠色、環保的能源，加快非化石能源對傳統能源的替代速度，從而就能實現碳減排目標。天然氣應用是當前最佳的替代方式，相對于傳統能源來說，天然氣的單位產品碳排放量遠低于煤炭、石油等能源，加大天然氣的開發利用度，就能有效達到碳減排的目的。一般來說，天然氣制取每噸氨產品的碳排放為3.10 t，煤炭制取每噸氨產品的碳排放為6.05 t，兩者相差2.95 t，以此作為預測指標，則可估算出每千方天然氣制合成氨替代煤制合成氨的減排數據。

鑒于各種影響因素，有學者對碳排放量分別進行悲觀、中性、樂觀預測，具體內容如下：

（1）悲觀預測。由于受市場環境因素影響，當天然氣需求量增大時，天然氣市場就會出現供小于求的情況，天然氣價格則會呈現走高趨勢，這會造成天然氣能源生產、使用成本增高，降低天然氣化工的經濟性和競爭力。當出現這種情況時，天然氣化工消費將會降低，天然氣化工用氣量隨著天然氣消費總量的降低而降低，導致對整體碳約束效果不大。

（2）中性預測。在天然氣消費量達峰前，天然氣的化工用氣量占比會出現小幅度降低，但會隨著天然氣的消費總量增加而增加。當天然氣消費量達峰后，新能源會逐漸取代天然氣，天然氣的消費總量會呈現下降趨勢。因此，在碳約束條件下，天然氣的化工用氣量會逐年降低，相對碳減排量也會下降。

（3）樂觀預測。樂觀預測指的是天然氣化工技術將出現提升的情況，在化工用氣量控制方面更加精細化、效率化，朝著零碳化、深加工等方向進行，可以生產出更多具有高附加值的高端化工品和材料，直接將天然氣轉化過程中產生的碳轉變成固體碳材料，有效降低二氧化碳、一氧化碳等含碳氣體產生，逐漸實現天然氣零碳化利用。

4 結束語

綜上所述，天然氣是重要的清潔化工能源，有著較大的發展潛力，可以用來代替化石類化工能源，在促進經濟增長的同時，改善周邊環境。尤其是在碳約束環境下，必須加強天然氣使用，并提高天然氣化工技術，從而更好地保障天然氣化工發展?？梢詮囊韵聝蓚€方面進行優化：

1）提高天然氣利用安全性。我國對進口天然氣依賴性較強，國際市場的價格、產量波動都會影響到我國天然氣的使用效率。國家和政府必須要重視這方面，加強國際資源開發，尋求更多戰略合作伙伴，盡可能減少單個國家市場對我國天然氣的影響。

2）完善天然氣化工體系。強化天然氣產業鏈，強化上、中、下游協調發展，確保天然氣輸送安全。