我國天然氣化工産業發展現狀及前景分析

摘 要：天然氣既是高效、低碳的化石能源，也是優質、高效的化工原料。因此在雙碳目标下，天然氣是我國實現低碳化能源轉型的重要力量，而天然氣化工是天然氣低碳化、深加工利用的必然選擇。首先從天然氣化工的資源保障、産業基礎、區域發展、技術創新和政策引導等方面，總結並分析認爲我國天然氣化工産業的發展現狀爲總體保持穩定發展态勢；然後從産業鏈優化、精細化開發、新材料轉型和新型能源拓展等方面，分析探讨瞭我國天然氣化工産業的發展路徑及發展前景，並根據2035—2040年我國天然氣消費量将要達峰的預測，對達峰以後天然氣化工産業的發展前景進行瞭展望。

關鍵詞：天然氣化工；天然氣消費；碳排放；雙碳

      天然氣是高效、低碳的化石能源。全球天然氣的商業化應用始於1821年美國一家天然氣照明公司，至今已有200餘年曆史。而天然氣的規模化應用從1916年發現的美國門羅氣田開始，至今已超過 100年。2022年全球天然氣産量爲4.04 × 10¹²m³， 消費量爲 3.94 × 10¹²m³，較 1920 年全球天然氣産量（2.28 × 10¹⁰ m³ ）增長瞭170多倍，天然氣在世界能源消費中的占比約爲25%，成爲全球第三大能源産品。天然氣産業獲得大發展的原因不僅在於熱值高，還有碳排放低。天然氣的标準熱值（38.97 MJ/kg）與石油标準熱值（41.87 MJ/kg）接近，是煤炭标準熱值 （20.93 MJ/kg）的1.86倍以上；根據CO₂排放因子計算，天然氣（0.0561 kg/MJ）的碳排放強度分别約爲石油（0.0733 kg/MJ）和煤炭（0.0946 kg/MJ）的77%和59%。在雙碳背景下，天然氣的低碳優勢更爲凸顯。

      除直接作爲化石能源，天然氣也是優質、高效的化工原料。天然氣的主要成分爲甲烷（CH₄），可通過化學轉化制得乙炔（HC≡CH）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）和氫氣（H₂）等産物，進而生産出各種衍生産品。天然氣化工主要涉及甲烷化學、合成氣化學和乙炔化學等。與煤和石油化工相比，天然氣化工具有原料更純淨、流程更短和加工過程更簡便等優勢。煤和石油主要爲有機長鏈大 分子，並且含硫、氧、氮、磷、砷和鉀等雜質，其化學轉化與淨化更加複雜。甲烷結構中的C和H通過4個sp³軌道成鍵，形成穩定的正四面體結構，爲實現甲烷活化或化學轉化，必須破壞穩定的α C-H鍵，該過程需要非常高的能量（約437.7 kJ/mol）。因此甲烷的選擇性活化和定向轉化是極具挑戰性的重大課題，甚至被譽爲化學領域的“聖杯”，吸引瞭大量研究人員的廣泛關注。

      全球天然氣化工始於 20 世紀 20 年代，以天然氣制炭黑爲開端，興起於天然氣制合成氨（德國BASF 公司）。到 20 世紀 70 年代，全球天然氣化工的年用氣量約占天然氣消費總量的5%。近年全球天然氣化工的年用氣量在天然氣消費總量中的占比也接近 5%，但絕對量已大幅上升至 1700 × 10⁸ m³。近年全球範圍内以天然氣爲原料生産的合成氨、甲醇和乙烯在對應産品總産量中的占比分别爲85%、90% 和 40%。除前述 3 種天然氣産品外，天然氣制氫、天然氣制乙炔及炔屬化學品等也占據瞭重要的市場地位，天然氣化工目前已成爲世界化學工業的主要支柱之一。

      我國的天然氣化工興起於 20 世紀 60 年代，曾一度是國内天然氣的主要消費領域。1998 年國内天然氣化工用氣量（簡稱“用氣量”）爲89 × 10⁸m³，在天然氣消費總量中的占比高達 43.5%，2003 年占 比 爲 35.0%，2005 年 占 比 爲 30.0%（用 氣 量 爲146 × 10⁸ m³），2017年占比爲14.6%，2022年占比爲8.0%（用氣量增至約 300 × 10⁸m³）。天然氣的化工利用，不僅可以獲得比直接燃燒更高的經濟價值，帶動産業發展和就業，而且能夠以化工産品的形式進行碳富集、碳固化，實現低碳乃至零碳利用，有利於雙碳目标的實現。因此天然氣化工的發展對於我國的經濟、社會發展都具有重要意義。

      本文從我國天然氣化工産(chǎn)業發展現狀、發展路徑及發展前景3方面進行總結分析，以期爲當前及未來我國天然氣化工的産(chǎn)業發展提供借鑒和參(cān)考。

1　我國天然氣化工産業發展現狀分析

1.1 資源保障較好，化工消費量保持穩定

      近年來，我國天然氣産業快速發展，爲天然氣化工提供瞭資源保障。綜合相關數據及最新統計總結瞭2015—2022年我國天然氣的供應情況，結果見圖 1。由圖1可知，2015—2022年國産天然氣供應量一直保持穩定增長 ，從2015年的1271 × 10⁸m³增長到 2022 年的 2201 × 10⁸m³，增量接近1000 × 10⁸m³，並自2016年起連續多年比上年增産超100 × 10⁸m³；進口液化天然氣（LNG）量僅在2022年比上年有明顯下降，其他年度均保持穩定增長；進口管道氣量總體呈現穩定增長勢頭。

      我國天然氣消費領域主要集中在城鎮燃氣、工業燃料、發電和化工等方面。2022年我國天然氣消費量爲 3646 × 10⁸m³，在一次能源消費中的占比爲8.4%，其中城鎮燃氣在我國天然氣消費量中的占比爲33%，工業燃料占比爲42%，發電占比爲17%，化工占比爲8%。綜合相關數據及最新統計對近年來我國天然氣的消費結構進行總結，結果見圖2。

      由圖2可知，2015—2022年我國天然氣化工在天然氣消費中的占比逐步下降，但用氣量（天然氣消費量）不降。根據重慶天然氣交易中心的相關數據，2019—2022年我國天然氣化工每年的用氣量保持在 300.0 × 10⁸m³左右（表 1），表明天然氣化工産業保持瞭穩定發展态勢。

1.2 産業基礎較好，産業鏈逐步延伸

      我國天然氣化工産(chǎn)業基礎(chǔ)較好，産(chǎn)品鏈較豐富，一次、二次加工産(chǎn)品可按轉化方式（直接或間接）分爲兩大類：（1）天然氣直接制炭黑、氫氣、乙炔、氫氰酸、二硫化碳和鹵代烷等，以及在研的天然氣直接制烯烴、芳烴和甲醇等；（2）天然氣經合成氣間接轉化制氫氣、氨、甲醇、醋酸和合成油（GTL）等。從這些基礎(chǔ)産(chǎn)品出發，在下遊可加工獲得上百種衍生産(chǎn)品，目前在向精細化工、醫藥、材料和新型能源等方向延伸、拓展（圖3）。

1.3 區域發展集中，逐步形成産業集群

      我國天然氣産(chǎn)業發(fā)展明顯集中在産(chǎn)氣資源地，已形成川渝、陝西和新疆等多個天然氣化工基地。以川渝地區爲例，現有氣頭甲醇、合成氨、BDO和氫氰酸等裝置數十套[7]，氣頭産(chǎn)品産(chǎn)能在我國同類産(chǎn)品産(chǎn)能中的占比較高（表2），成爲我國重要的天然氣化工生産(chǎn)和研發(fā)基地。

      2022年末重慶連續發現兩大新氣田：中國石化集團公司發現的綦江頁岩氣田，資源量達1.2 × 10¹²m³；中國石油天然氣集團公司在梁平吳家坪組發現的1#井，資源量也達到萬億立方米量級。兩大新氣田的發現進一步豐富瞭川渝天然氣資源，将有力推進成渝雙城經濟圈建設天然氣千億立方米級産能基地和國家天然氣綜合開發利用示範區，打造中國“氣大慶”，進一步做大強做強川渝天然氣化工産業集群。

1.4 技術創新活躍，新技術不斷湧現

      近年來，我國天然氣化工領域技術創(chuàng)新比較活躍，湧現出不少新技術，實現瞭(le)大量新突破，主要包括天然氣制乙炔、羰基合成醋酸、天然氣制氫，以及甲烷、合成氣直接轉化等技術。

1.4.1　天然氣(qì)制乙炔技術(shù)

      在工業生産中，一般採用天然氣部分氧化制乙炔技術，中國石化集團重慶川維化工有限公司（簡稱“川維化工”）通過不斷升級，近年來在國内和“一帶一路”沿線國家多次成功實現該技術的許可應用。另外，研究人員還實現瞭(le)等離子體技術在乙炔合成中的應用，陶旭梅等開展瞭(le)等離子體射流裂解天然氣制乙炔研究，在250 kW的中試裝置中，在等離子體輸入功率爲100 kW、甲烷進氣量爲10 m3/h的條件下，甲烷轉化率可達 97%，乙炔産率可達90%。李天陽等開展瞭(le)等離子體裂解甲烷制乙炔的數值模拟研究，尤其是等離子體物理模型與甲烷裂解化學反應模型的耦合，爲理解熱等離子體裂解相關過程提供瞭(le)參考。尚書勇等開展瞭(le)熱等離子體同時裂解天然氣和煤制乙炔乙烯的研究，獲得的同時裂解效果與單獨裂解效果大緻相當。國内對等離子體裂解煤制乙炔研究較深入，並(bìng)已放大到工業規模。國内同時還開展瞭(le)等離子體裂解乙烷、丙烷制乙炔的研究，爲甲烷等離子體裂解制乙炔技術的拓展提供瞭(le)借鑒。

1.4.2　羰基合成醋酸技術(shù)

      國内開展的甲醇與CO羰基合成醋酸研究一直以铑碘催化體系爲主，近年來相繼有上海華誼控股集團有限公司、中國石油化工股份有限公司北京化工研究院、上海浦景化工技術股份有限公司和北京澤華化學工程有限公司等在銥钌催化體系方面取得技術突破，形成自主知識産(chǎn)權，具備(bèi)工業轉化條件。

1.4.3　天然氣(qì)制氫(qīng)技術

      LUK 等針對傳統的蒸汽甲烷重整集中制氫技術存在的交付和儲存方面的困難，開展瞭天然氣分布式制氫技術經濟分析，認爲天然氣的現場蒸汽重整具有較短的回收期和較高的回收率。中國科學院金紅光院士團隊實現瞭甲烷溫和條件制氫，将反應溫度從傳統的800~1000 ℃降到400 ℃，将99%的甲烷轉化爲高純H₂和高純CO₂，並使制氫和脫碳總能耗降低 20%~40%。2022 年廣東佛山某能源站建成投用國内首套撬裝天然氣制氫裝置，可用4.8 m³ 天然氣制取 11.0 m³ 氫氣，制氫産能達到1500 kg/d，氫氣純度爲99.999%（體積分數），可實現直接從天然氣管道取氣制氫。

1.4.4　甲烷直接轉(zhuǎn)化技術(shù)

      中國科學院包信和院士團隊通過構建晶格限域的單(dān)中心鐵催化劑，實現瞭(le)甲烷無氧條件下一步法制乙烯、芳烴和氫氣。OCM制烯烴也是國内的研究熱點，如張偉清利用甲烷偶聯成功制得瞭(le)芳烴；LIU等對Ru單(dān)原子催化甲烷直接轉化制甲醇技術開展瞭(le)研究。

1.4.5　合成氣(qì)直接轉化技術(shù)

      中國科學院大連化學物理研究所經過創新開發獲得的“煤基合成氣直接制烯烴”成果入選瞭(le)科技部評選的2016年度“中國科學十大進展”，其低碳烯烴（碳原子數爲 2~4）的單程選擇性超過 80%，而基於(yú)傳統費托合成方法的理論最高單程選擇性僅爲58%。中國科學院上海高等研究院、中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院（簡稱“中石化上海院”）等開展瞭(le)合成氣直接制烯烴（STO）研究，其中中石化上海院已完成中試研究，催化劑通過瞭(le) 1000 h 的穩定性運行測試。以上研究可爲天然氣經合成氣制烯烴技術路線的設計提供參考。

1.5 天然氣政策修訂，化工利用有所調整

      2012年國家發展和改革委員會發布《天然氣利用政策（2012）》。政策規定化工利用以可中斷用戶的天然氣制氫爲優先類，其他天然氣制氫爲允許類，化工利用項目總體上爲限制類或禁止類。2023年9月國家能源局網站發布《天然氣利用政策（征求意見稿）》，将《天然氣利用政策（2012）》中“禁止類”的新建或擴建以天然氣制甲醇及下遊産(chǎn)品裝置、天然氣代煤制甲醇項目等提升到“限制類”，“禁止類”中僅有一項“天然氣常壓間歇轉化工藝制合成氨”。這一調整表明新修訂的天然氣政策試圖擴大天然氣的使用範圍，将有利於(yú)天然氣化工産(chǎn)業發展。

      當然，對天然氣化工企業而言，最重要的是在天然氣價格逐年上升的情況下，實現天然氣用得起、用得好，獲得更高的經濟價值和社會效益，從而争取更大的政策支持，獲得更多的天然氣資源，赢得更好的發展機會。這就需要企業探尋适宜的發展道路，以開創更好的發展前景。爲此，本文針對我國天然氣化工産業的發展路徑和前景進行瞭(le)分析，希望能爲相關企業提供一些思路和參(cān)考。

2 我國天然氣化工産業發展路徑及前景分析

      我國天然氣化工産業發展有多條路徑可走，並(bìng)且道路寬闊，前景看好。以下分别從産業鏈優化、精細化開發、新材料轉型和新型能源拓展等發展路徑，對天然氣化工産業的發展前景進行瞭(le)分析，並(bìng)針對雙碳目标下天然氣消費量将要達峰的預測，展望瞭(le)達峰以後未來天然氣化工産業的發展前景。

2.1 産業鏈條通過強鏈補鏈做優做強，大有可爲

      以川維化工的産品鏈爲例，該公司現有“天然氣-乙炔-VAC-PVA-VAE-維綸-醋酸甲酯”和“合成氣-甲醇-醋酸（合資）-合成氨”兩條産品鏈，天然氣年加工量約爲15.5 × 10⁸ m（3 含合資企業），可實現年産值超100 × 10⁸ CNY，1 m³天然氣的産值超7 CNY。進一步，如果每年新增約 6.0 × 10⁸ m³的天然氣加工量，可新增“天然氣-乙炔-甲醛-BDO-醋酸-高純氫”産品鏈，每年可新增商品量近 100 × 10⁴ t，對應新增産值50 × 10⁸ CNY以上，1 m³天然氣的産值也可達 7 CNY 以上。企業原有的甲醇可全部轉化爲甲醛和醋酸，不再以危化品形式經三峽大壩運往華東市場；生産的BDO可在企業化工園區内就地消化，用於生産锂電池溶劑用NMP，或用於發展其他下遊産品鏈；高純氫則可用於發展氫能或氨能。由此可見，通過強鏈補鏈的方式可做優做強天然氣化工産業，並且前景較好、大有可爲。

2.2 基礎化工向精細化工提質升級，前景廣闊

      以天然氣化工生産(chǎn)乙炔和 VAC 基礎化學品爲例，下遊走精細化、差異化、高端化路徑，前景十分廣闊。除可用於(yú)生産(chǎn) VAC、氯乙烯外，乙炔還可與丙酮作爲起始原料合成異植物醇，用作合成維生素E的中間體 ；與2-吡咯烷酮合成 NVP，進而制得PVP，用於(yú)醫藥、化妝品及食品添加劑等高附加值領域；與無水氫氟酸合成二氟乙烷、乙烯基三甲氧基矽烷等炔屬化學品；與叔碳酸合成功能性單體VeoVa10。由VAC制得的PVA、VAE等産(chǎn)品，屬於(yú)典型的精細化産(chǎn)品，國内現有上百個品種牌号，還可進一步開發多種共聚、改性或功能化産(chǎn)品，滿足中高端應用需求。VAC 還特别适合與 VeoVa10 進行共聚改性，顯著提高VAE的耐水、耐堿、耐候和耐老化等應用性能。由此可見，精細化開發是天然氣化工提質升級的重要舉措。

2.3 化工産品向高端材料轉型升級，市場期待

      近年來，化工新材料在市場上頗受重視，尤其是屬於(yú)“卡脖子”的關鍵高端材料。化工新材料将成爲天然氣化工轉型升級的重要方向。以 PVA 爲例，在傳統應用領域，PVA 主要用於(yú)粘合劑、漿料、内牆塗料和造紙施膠等。将 PVA 與丁醛縮合制成聚乙烯醇縮丁醛（PVB）樹脂，進而生産出的PVB膜材料，可作爲汽車和高層建築的安全玻璃膜，近年來 PVB 樹脂的應用又拓展到光伏材料、片式多層陶瓷電容器（MLCC）等新領域。PVA 具有優異的水溶性、成膜性和透明性等特性，可用於(yú)制備(bèi)洗衣凝珠膜等高附加值産品。PVA 還具有良好的生物相容性和可降解特性，可用於(yú)制造醫藥包衣、手術縫合線和醫用敷料等醫用高端材料。乙炔、BDO下遊也可發展高端材料，乙炔合成二氟乙烷進而制得聚偏二氟乙烯（PVDF），可用作工程塑料、密封材料、絕緣材料及離子交換膜材料；BDO下遊可發展PBT、PBAT及聚丁二酸-共-對苯二甲酸丁二醇酯（PBST）等生物降解材料，滿足市場對環保産品的需求。

2.4 傳統燃料向新型能源拓展應用，正當其時

      天然氣化工生産的甲醇、二甲醚（MDE）、碳酸二甲酯（DMC）和GTL等産品，均可作爲傳統燃料，與汽油摻混使用。雙碳目标下，傳統能源要向綠色低碳的新型能源轉型升級，快速發展、前景廣闊的氫能與天然氣化工密切相關。傳統的天然氣與水蒸氣重整制氫是工業氫的重要來源之一，過去以化工應用爲主，今後可轉向氫能應用，並通過溫和條件制氫、分布式制氫等方式降低制氫、運氫和用氫成本。天然氣化工裝置還能副産H₂，如甲醇與 CO羰基合成醋酸，先以天然氣與水蒸氣轉化生成CO和H₂，再将 CO 分離利用、H₂提純，可制得“藍氫”；天然氣部分氧化制乙炔要聯産合成氣，将合成氣中的 CO 分離利用、H₂提純，也可制得“藍氫”，用於發展氫能。2023 年川維化工利用天然氣化工裝置副産粗氫進行提純，制得高品質的燃料電池氫，建成西南地區首套氫能供氫裝置，實現瞭化工用氫氣向氫能的轉變 ，爲打造“成渝氫走廊”提供瞭助力。

      但同時也需要注意到，當前氫能的“制儲運用”成本較高，大規模應用還存在瓶頸和挑戰。在此情況下，氨能越來越受到關注和重視。天然氣化工企業可以很便捷地用氫氣和氮氣合成液氨，使其可作爲氨能應用。氨本身是一種富氫物質，也是一種氫能載體，其理論儲氫量（質量分數）爲17.6%，液氨在-33.3 ℃下的能量密度爲 3730 kW·h/m³，液氫在-253 ℃下的能量密度爲2350 kW·h/m³，液氨比液氫的能量密度高出 59%。液氨密度是液氫密度的8.5倍，氨合成能耗與氫液化能耗基本相當，但是液氫每日的儲存成本爲液氨的24倍，15 d儲存成本是液氨的36倍，182 d儲存成本是液氨的28倍。此外，液氨還有成熟完整的制儲運産業鏈體系。因此氨能已在國内外備受重視，在煤混氨燃料、氨動力運輸船和氨燃料電池等方面都具有較好的應用前景。

      在未來可再生能源條件下，可利用“綠電(diàn)”合成“綠氫”，“綠氫”再結合碳捕集、利用與封存（CCUS）技術實現綠色天然氣應用（圖4）。該路線可成爲綠色低碳、循環利用的發(fā)展路徑，實現“綠氫”與天然氣化工（碳一化工）的綠色可持續發(fā)展。

2.5 雙碳目标下天然氣消費達峰，化工利用未來可期

      雙碳目标約束對全球天然氣消費有重要影響。國際能源署（IEA）、挪威船級社（DNV）和英國石油公司（BP）預測(cè)（圖5），全球天然氣需求在2030年前比較穩定，2030—2050 年将逐步下降，對於(yú)下降比例 ，IEA、DNV和BP的預測(cè)有所不同，分别爲-58%、-49%和-36%，但均認爲在2040年後會快速下降，2060年後大幅下降。這表明全球天然氣消費量也将在一定時期後達到峰值，然後呈下降趨勢，而且下降幅度還比較大。

      關於雙碳目标下我國天然氣的消費趨勢 ，張希良等預測，我國能源消費總量應於2030年進入平台期，天然氣消費量将在 2035 年左右達到峰值，峰值約爲 8.3 × 10⁸ t 标煤，2060 年逐步降到約2.0 × 10⁸t标煤。王震等綜合多位專家的預測，分析認爲國内天然氣消費量将在 2035—2040 年達到峰值 5500 × 10⁸~6000 × 10⁸ m³。宋鵬飛按照悲觀、中性和樂觀3種模式進行分析，預測天然氣化工用氣量将在2035年左右達峰，然後開始下降，並指出天然氣化工與煤化工相比，每噸産品的碳排放量明顯較低，尤其是烯烴産品的每噸産品碳排放量僅爲煤制烯烴産品的18.8%（圖6），因此看好天然氣化工的未來前景。綜上可以預判，我國在2035—2040年天然氣消費量達峰以後，天然氣化工用有望逐步成爲天然氣消費利用的最主要途徑和領域。

3 結語與展望

      通過上述分析可見，我國天然氣化工産業保持穩定發展，主要得益於(yú)持續增長的天然氣資源量、良好的産業基礎以及技術創新的共同推動。同時也應注意到，天然氣化工産業總體規模還不夠大，産業鏈還不夠豐富和完善，部分關鍵技術還需加快突破和轉化，産業鏈向中高端轉型升級還面臨很大挑戰。從另一個角度來看，這些問題的存在也表明天然氣化工未來還有廣闊的發展空間。今後天然氣化工産業可通過強鏈補(bǔ)鏈、精細化開發、高端材料轉型和新型能源拓展等發展路徑，獲得更好的發展機遇和發展前景。

      展望未來，在雙碳目标和高質量發展願景的引領下，我國天然氣産(chǎn)業還将持續快速發展。到2035年左右，我國天然氣消費量将達到峰值，天然氣化工用氣量将從明顯增長轉變(biàn)爲顯著增長，天然氣化工仍是我國天然氣消費的主要領域之一。天然氣化工産(chǎn)業的曆史積澱和今後的創新發展，都将爲未來長遠發展夯基鋪路，實現更大發展。建議進一步強化天然氣化工利用的政策引導，持續加強天然氣化工産(chǎn)業的優化布局，大力推進該領域的技術創新與成果轉化，不斷提升天然氣的深加工價值，促進天然氣化工産(chǎn)業提質增效、轉型升級，進而實現天然氣化工産(chǎn)業的可持續、高質量發展。