我国天然气化工产业发展现状及前景分析

摘 要：天然气既是高效、低碳的化石能源，也是优质、高效的化工原料。因此在双碳目标下，天然气是我国实现低碳化能源转型的重要力量，而天然气化工是天然气低碳化、深加工利用的必然选择。首先从天然气化工的资源保障、产业基础、区域发展、技术创新和政策引导等方面，总结并分析认为我国天然气化工产业的发展现状为总体保持稳定发展态势；然后从产业链优化、精细化开发、新材料转型和新型能源拓展等方面，分析探讨了我国天然气化工产业的发展路径及发展前景，并根据2035—2040年我国天然气消费量将要达峰的预测，对达峰以后天然气化工产业的发展前景进行了展望。

关键词：天然气化工；天然气消费；碳排放；双碳

      天然气是高效、低碳的化石能源。全球天然气的商业化应用始于1821年美国一家天然气照明公司，至今已有200余年历史。而天然气的规模化应用从1916年发现的美国门罗气田开始，至今已超过 100年。2022年全球天然气产量为4.04 × 10¹²m³， 消费量为 3.94 × 10¹²m³，较 1920 年全球天然气产量（2.28 × 10¹⁰ m³ ）增长了170多倍，天然气在世界能源消费中的占比约为25%，成为全球第三大能源产品。天然气产业获得大发展的原因不仅在于热值高，还有碳排放低。天然气的标准热值（38.97 MJ/kg）与石油标准热值（41.87 MJ/kg）接近，是煤炭标准热值 （20.93 MJ/kg）的1.86倍以上；根据CO₂排放因子计算，天然气（0.0561 kg/MJ）的碳排放强度分别约为石油（0.0733 kg/MJ）和煤炭（0.0946 kg/MJ）的77%和59%。在双碳背景下，天然气的低碳优势更为凸显。

      除直接作为化石能源，天然气也是优质、高效的化工原料。天然气的主要成分为甲烷（CH₄），可通过化学转化制得乙炔（HC≡CH）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）等产物，进而生产出各种衍生产品。天然气化工主要涉及甲烷化学、合成气化学和乙炔化学等。与煤和石油化工相比，天然气化工具有原料更纯净、流程更短和加工过程更简便等优势。煤和石油主要为有机长链大 分子，并且含硫、氧、氮、磷、砷和钾等杂质，其化学转化与净化更加复杂。甲烷结构中的C和H通过4个sp³轨道成键，形成稳定的正四面体结构，为实现甲烷活化或化学转化，必须破坏稳定的α C-H键，该过程需要非常高的能量（约437.7 kJ/mol）。因此甲烷的选择性活化和定向转化是极具挑战性的重大课题，甚至被誉为化学领域的“圣杯”，吸引了大量研究人员的广泛关注。

      全球天然气化工始于 20 世纪 20 年代，以天然气制炭黑为开端，兴起于天然气制合成氨（德国BASF 公司）。到 20 世纪 70 年代，全球天然气化工的年用气量约占天然气消费总量的5%。近年全球天然气化工的年用气量在天然气消费总量中的占比也接近 5%，但绝对量已大幅上升至 1700 × 10⁸ m³。近年全球范围内以天然气为原料生产的合成氨、甲醇和乙烯在对应产品总产量中的占比分别为85%、90% 和 40%。除前述 3 种天然气产品外，天然气制氢、天然气制乙炔及炔属化学品等也占据了重要的市场地位，天然气化工目前已成为世界化学工业的主要支柱之一。

      我国的天然气化工兴起于 20 世纪 60 年代，曾一度是国内天然气的主要消费领域。1998 年国内天然气化工用气量（简称“用气量”）为89 × 10⁸m³，在天然气消费总量中的占比高达 43.5%，2003 年占 比 为 35.0%，2005 年 占 比 为 30.0%（用 气 量 为146 × 10⁸ m³），2017年占比为14.6%，2022年占比为8.0%（用气量增至约 300 × 10⁸m³）。天然气的化工利用，不仅可以获得比直接燃烧更高的经济价值，带动产业发展和就业，而且能够以化工产品的形式进行碳富集、碳固化，实现低碳乃至零碳利用，有利于双碳目标的实现。因此天然气化工的发展对于我国的经济、社会发展都具有重要意义。

      本文从我国天然气化工产业发展现状、发展路径及发展前景3方面进行总结分析，以期为当前及未来我国天然气化工的产业发展提供借鉴和参考。

1　我国天然气化工产业发展现状分析

1.1 资源保障较好，化工消费量保持稳定

      近年来，我国天然气产业快速发展，为天然气化工提供了资源保障。综合相关数据及最新统计总结了2015—2022年我国天然气的供应情况，结果见图 1。由图1可知，2015—2022年国产天然气供应量一直保持稳定增长 ，从2015年的1271 × 10⁸m³增长到 2022 年的 2201 × 10⁸m³，增量接近1000 × 10⁸m³，并自2016年起连续多年比上年增产超100 × 10⁸m³；进口液化天然气（LNG）量仅在2022年比上年有明显下降，其他年度均保持稳定增长；进口管道气量总体呈现稳定增长势头。

      我国天然气消费领域主要集中在城镇燃气、工业燃料、发电和化工等方面。2022年我国天然气消费量为 3646 × 10⁸m³，在一次能源消费中的占比为8.4%，其中城镇燃气在我国天然气消费量中的占比为33%，工业燃料占比为42%，发电占比为17%，化工占比为8%。综合相关数据及最新统计对近年来我国天然气的消费结构进行总结，结果见图2。

      由图2可知，2015—2022年我国天然气化工在天然气消费中的占比逐步下降，但用气量（天然气消费量）不降。根据重庆天然气交易中心的相关数据，2019—2022年我国天然气化工每年的用气量保持在 300.0 × 10⁸m³左右（表 1），表明天然气化工产业保持了稳定发展态势。

1.2 产业基础较好，产业链逐步延伸

      我国天然气化工产业基础较好，产品链较丰富，一次、二次加工产品可按转化方式（直接或间接）分为两大类：（1）天然气直接制炭黑、氢气、乙炔、氢氰酸、二硫化碳和卤代烷等，以及在研的天然气直接制烯烃、芳烃和甲醇等；（2）天然气经合成气间接转化制氢气、氨、甲醇、醋酸和合成油（GTL）等。从这些基础产品出发，在下游可加工获得上百种衍生产品，目前在向精细化工、医药、材料和新型能源等方向延伸、拓展（图3）。

1.3 区域发展集中，逐步形成产业集群

      我国天然气产业发展明显集中在产气资源地，已形成川渝、陕西和新疆等多个天然气化工基地。以川渝地区为例，现有气头甲醇、合成氨、BDO和氢氰酸等装置数十套[7]，气头产品产能在我国同类产品产能中的占比较高（表2），成为我国重要的天然气化工生产和研发基地。

      2022年末重庆连续发现两大新气田：中国石化集团公司发现的綦江页岩气田，资源量达1.2 × 10¹²m³；中国石油天然气集团公司在梁平吴家坪组发现的1#井，资源量也达到万亿立方米量级。两大新气田的发现进一步丰富了川渝天然气资源，将有力推进成渝双城经济圈建设天然气千亿立方米级产能基地和国家天然气综合开发利用示范区，打造中国“气大庆”，进一步做大强做强川渝天然气化工产业集群。

1.4 技术创新活跃，新技术不断涌现

      近年来，我国天然气化工领域技术创新比较活跃，涌现出不少新技术，实现了大量新突破，主要包括天然气制乙炔、羰基合成醋酸、天然气制氢，以及甲烷、合成气直接转化等技术。

1.4.1　天然气制乙炔技术

      在工业生产中，一般采用天然气部分氧化制乙炔技术，中国石化集团重庆川维化工有限公司（简称“川维化工”）通过不断升级，近年来在国内和“一带一路”沿线国家多次成功实现该技术的许可应用。另外，研究人员还实现了等离子体技术在乙炔合成中的应用，陶旭梅等开展了等离子体射流裂解天然气制乙炔研究，在250 kW的中试装置中，在等离子体输入功率为100 kW、甲烷进气量为10 m3/h的条件下，甲烷转化率可达 97%，乙炔产率可达90%。李天阳等开展了等离子体裂解甲烷制乙炔的数值模拟研究，尤其是等离子体物理模型与甲烷裂解化学反应模型的耦合，为理解热等离子体裂解相关过程提供了参考。尚书勇等开展了热等离子体同时裂解天然气和煤制乙炔乙烯的研究，获得的同时裂解效果与单独裂解效果大致相当。国内对等离子体裂解煤制乙炔研究较深入，并已放大到工业规模。国内同时还开展了等离子体裂解乙烷、丙烷制乙炔的研究，为甲烷等离子体裂解制乙炔技术的拓展提供了借鉴。

1.4.2　羰基合成醋酸技术

      国内开展的甲醇与CO羰基合成醋酸研究一直以铑碘催化体系为主，近年来相继有上海华谊控股集团有限公司、中国石油化工股份有限公司北京化工研究院、上海浦景化工技术股份有限公司和北京泽华化学工程有限公司等在铱钌催化体系方面取得技术突破，形成自主知识产权，具备工业转化条件。

1.4.3　天然气制氢技术

      LUK 等针对传统的蒸汽甲烷重整集中制氢技术存在的交付和储存方面的困难，开展了天然气分布式制氢技术经济分析，认为天然气的现场蒸汽重整具有较短的回收期和较高的回收率。中国科学院金红光院士团队实现了甲烷温和条件制氢，将反应温度从传统的800~1000 ℃降到400 ℃，将99%的甲烷转化为高纯H₂和高纯CO₂，并使制氢和脱碳总能耗降低 20%~40%。2022 年广东佛山某能源站建成投用国内首套撬装天然气制氢装置，可用4.8 m³ 天然气制取 11.0 m³ 氢气，制氢产能达到1500 kg/d，氢气纯度为99.999%（体积分数），可实现直接从天然气管道取气制氢。

1.4.4　甲烷直接转化技术

      中国科学院包信和院士团队通过构建晶格限域的单中心铁催化剂，实现了甲烷无氧条件下一步法制乙烯、芳烃和氢气。OCM制烯烃也是国内的研究热点，如张伟清利用甲烷偶联成功制得了芳烃；LIU等对Ru单原子催化甲烷直接转化制甲醇技术开展了研究。

1.4.5　合成气直接转化技术

      中国科学院大连化学物理研究所经过创新开发获得的“煤基合成气直接制烯烃”成果入选了科技部评选的2016年度“中国科学十大进展”，其低碳烯烃（碳原子数为 2~4）的单程选择性超过 80%，而基于传统费托合成方法的理论最高单程选择性仅为58%。中国科学院上海高等研究院、中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院（简称“中石化上海院”）等开展了合成气直接制烯烃（STO）研究，其中中石化上海院已完成中试研究，催化剂通过了 1000 h 的稳定性运行测试。以上研究可为天然气经合成气制烯烃技术路线的设计提供参考。

1.5 天然气政策修订，化工利用有所调整

      2012年国家发展和改革委员会发布《天然气利用政策（2012）》。政策规定化工利用以可中断用户的天然气制氢为优先类，其他天然气制氢为允许类，化工利用项目总体上为限制类或禁止类。2023年9月国家能源局网站发布《天然气利用政策（征求意见稿）》，将《天然气利用政策（2012）》中“禁止类”的新建或扩建以天然气制甲醇及下游产品装置、天然气代煤制甲醇项目等提升到“限制类”，“禁止类”中仅有一项“天然气常压间歇转化工艺制合成氨”。这一调整表明新修订的天然气政策试图扩大天然气的使用范围，将有利于天然气化工产业发展。

      当然，对天然气化工企业而言，最重要的是在天然气价格逐年上升的情况下，实现天然气用得起、用得好，获得更高的经济价值和社会效益，从而争取更大的政策支持，获得更多的天然气资源，赢得更好的发展机会。这就需要企业探寻适宜的发展道路，以开创更好的发展前景。为此，本文针对我国天然气化工产业的发展路径和前景进行了分析，希望能为相关企业提供一些思路和参考。

2 我国天然气化工产业发展路径及前景分析

      我国天然气化工产业发展有多条路径可走，并且道路宽阔，前景看好。以下分别从产业链优化、精细化开发、新材料转型和新型能源拓展等发展路径，对天然气化工产业的发展前景进行了分析，并针对双碳目标下天然气消费量将要达峰的预测，展望了达峰以后未来天然气化工产业的发展前景。

2.1 产业链条通过强链补链做优做强，大有可为

      以川维化工的产品链为例，该公司现有“天然气-乙炔-VAC-PVA-VAE-维纶-醋酸甲酯”和“合成气-甲醇-醋酸（合资）-合成氨”两条产品链，天然气年加工量约为15.5 × 10⁸ m（3 含合资企业），可实现年产值超100 × 10⁸ CNY，1 m³天然气的产值超7 CNY。进一步，如果每年新增约 6.0 × 10⁸ m³的天然气加工量，可新增“天然气-乙炔-甲醛-BDO-醋酸-高纯氢”产品链，每年可新增商品量近 100 × 10⁴ t，对应新增产值50 × 10⁸ CNY以上，1 m³天然气的产值也可达 7 CNY 以上。企业原有的甲醇可全部转化为甲醛和醋酸，不再以危化品形式经三峡大坝运往华东市场；生产的BDO可在企业化工园区内就地消化，用于生产锂电池溶剂用NMP，或用于发展其他下游产品链；高纯氢则可用于发展氢能或氨能。由此可见，通过强链补链的方式可做优做强天然气化工产业，并且前景较好、大有可为。

2.2 基础化工向精细化工提质升级，前景广阔

      以天然气化工生产乙炔和 VAC 基础化学品为例，下游走精细化、差异化、高端化路径，前景十分广阔。除可用于生产 VAC、氯乙烯外，乙炔还可与丙酮作为起始原料合成异植物醇，用作合成维生素E的中间体 ；与2-吡咯烷酮合成 NVP，进而制得PVP，用于医药、化妆品及食品添加剂等高附加值领域；与无水氢氟酸合成二氟乙烷、乙烯基三甲氧基硅烷等炔属化学品；与叔碳酸合成功能性单体VeoVa10。由VAC制得的PVA、VAE等产品，属于典型的精细化产品，国内现有上百个品种牌号，还可进一步开发多种共聚、改性或功能化产品，满足中高端应用需求。VAC 还特别适合与 VeoVa10 进行共聚改性，显著提高VAE的耐水、耐碱、耐候和耐老化等应用性能。由此可见，精细化开发是天然气化工提质升级的重要举措。

2.3 化工产品向高端材料转型升级，市场期待

      近年来，化工新材料在市场上颇受重视，尤其是属于“卡脖子”的关键高端材料。化工新材料将成为天然气化工转型升级的重要方向。以 PVA 为例，在传统应用领域，PVA 主要用于粘合剂、浆料、内墙涂料和造纸施胶等。将 PVA 与丁醛缩合制成聚乙烯醇缩丁醛（PVB）树脂，进而生产出的PVB膜材料，可作为汽车和高层建筑的安全玻璃膜，近年来 PVB 树脂的应用又拓展到光伏材料、片式多层陶瓷电容器（MLCC）等新领域。PVA 具有优异的水溶性、成膜性和透明性等特性，可用于制备洗衣凝珠膜等高附加值产品。PVA 还具有良好的生物相容性和可降解特性，可用于制造医药包衣、手术缝合线和医用敷料等医用高端材料。乙炔、BDO下游也可发展高端材料，乙炔合成二氟乙烷进而制得聚偏二氟乙烯（PVDF），可用作工程塑料、密封材料、绝缘材料及离子交换膜材料；BDO下游可发展PBT、PBAT及聚丁二酸-共-对苯二甲酸丁二醇酯（PBST）等生物降解材料，满足市场对环保产品的需求。

2.4 传统燃料向新型能源拓展应用，正当其时

      天然气化工生产的甲醇、二甲醚（MDE）、碳酸二甲酯（DMC）和GTL等产品，均可作为传统燃料，与汽油掺混使用。双碳目标下，传统能源要向绿色低碳的新型能源转型升级，快速发展、前景广阔的氢能与天然气化工密切相关。传统的天然气与水蒸气重整制氢是工业氢的重要来源之一，过去以化工应用为主，今后可转向氢能应用，并通过温和条件制氢、分布式制氢等方式降低制氢、运氢和用氢成本。天然气化工装置还能副产H₂，如甲醇与 CO羰基合成醋酸，先以天然气与水蒸气转化生成CO和H₂，再将 CO 分离利用、H₂提纯，可制得“蓝氢”；天然气部分氧化制乙炔要联产合成气，将合成气中的 CO 分离利用、H₂提纯，也可制得“蓝氢”，用于发展氢能。2023 年川维化工利用天然气化工装置副产粗氢进行提纯，制得高品质的燃料电池氢，建成西南地区首套氢能供氢装置，实现了化工用氢气向氢能的转变 ，为打造“成渝氢走廊”提供了助力。

      但同时也需要注意到，当前氢能的“制储运用”成本较高，大规模应用还存在瓶颈和挑战。在此情况下，氨能越来越受到关注和重视。天然气化工企业可以很便捷地用氢气和氮气合成液氨，使其可作为氨能应用。氨本身是一种富氢物质，也是一种氢能载体，其理论储氢量（质量分数）为17.6%，液氨在-33.3 ℃下的能量密度为 3730 kW·h/m³，液氢在-253 ℃下的能量密度为2350 kW·h/m³，液氨比液氢的能量密度高出 59%。液氨密度是液氢密度的8.5倍，氨合成能耗与氢液化能耗基本相当，但是液氢每日的储存成本为液氨的24倍，15 d储存成本是液氨的36倍，182 d储存成本是液氨的28倍。此外，液氨还有成熟完整的制储运产业链体系。因此氨能已在国内外备受重视，在煤混氨燃料、氨动力运输船和氨燃料电池等方面都具有较好的应用前景。

      在未来可再生能源条件下，可利用“绿电”合成“绿氢”，“绿氢”再结合碳捕集、利用与封存（CCUS）技术实现绿色天然气应用（图4）。该路线可成为绿色低碳、循环利用的发展路径，实现“绿氢”与天然气化工（碳一化工）的绿色可持续发展。

2.5 双碳目标下天然气消费达峰，化工利用未来可期

      双碳目标约束对全球天然气消费有重要影响。国际能源署（IEA）、挪威船级社（DNV）和英国石油公司（BP）预测（图5），全球天然气需求在2030年前比较稳定，2030—2050 年将逐步下降，对于下降比例 ，IEA、DNV和BP的预测有所不同，分别为-58%、-49%和-36%，但均认为在2040年后会快速下降，2060年后大幅下降。这表明全球天然气消费量也将在一定时期后达到峰值，然后呈下降趋势，而且下降幅度还比较大。

      关于双碳目标下我国天然气的消费趋势 ，张希良等预测，我国能源消费总量应于2030年进入平台期，天然气消费量将在 2035 年左右达到峰值，峰值约为 8.3 × 10⁸ t 标煤，2060 年逐步降到约2.0 × 10⁸t标煤。王震等综合多位专家的预测，分析认为国内天然气消费量将在 2035—2040 年达到峰值 5500 × 10⁸~6000 × 10⁸ m³。宋鹏飞按照悲观、中性和乐观3种模式进行分析，预测天然气化工用气量将在2035年左右达峰，然后开始下降，并指出天然气化工与煤化工相比，每吨产品的碳排放量明显较低，尤其是烯烃产品的每吨产品碳排放量仅为煤制烯烃产品的18.8%（图6），因此看好天然气化工的未来前景。综上可以预判，我国在2035—2040年天然气消费量达峰以后，天然气化工用有望逐步成为天然气消费利用的最主要途径和领域。

3 结语与展望

      通过上述分析可见，我国天然气化工产业保持稳定发展，主要得益于持续增长的天然气资源量、良好的产业基础以及技术创新的共同推动。同时也应注意到，天然气化工产业总体规模还不够大，产业链还不够丰富和完善，部分关键技术还需加快突破和转化，产业链向中高端转型升级还面临很大挑战。从另一个角度来看，这些问题的存在也表明天然气化工未来还有广阔的发展空间。今后天然气化工产业可通过强链补链、精细化开发、高端材料转型和新型能源拓展等发展路径，获得更好的发展机遇和发展前景。

      展望未来，在双碳目标和高质量发展愿景的引领下，我国天然气产业还将持续快速发展。到2035年左右，我国天然气消费量将达到峰值，天然气化工用气量将从明显增长转变为显著增长，天然气化工仍是我国天然气消费的主要领域之一。天然气化工产业的历史积淀和今后的创新发展，都将为未来长远发展夯基铺路，实现更大发展。建议进一步强化天然气化工利用的政策引导，持续加强天然气化工产业的优化布局，大力推进该领域的技术创新与成果转化，不断提升天然气的深加工价值，促进天然气化工产业提质增效、转型升级，进而实现天然气化工产业的可持续、高质量发展。