煤制天然气

定义

煤制天然气指以煤为原料，先经气化制得含一氧化碳、氢气和二氧化碳的合成气，再通过甲烷化反应将其转化为以甲烷为主要成分的合成天然气(SNG)的过程^[1]。它属于煤炭清洁高效转化的技术路线，产品可替代常规天然气使用^[2]。

按全国科学技术名词审定委员会公布的化工名词，「煤制天然气工艺」指以煤为原料通过气化生成合成气、再经甲烷化反应生产天然气的过程。其产品在文献中常称合成天然气(SNG)或代用天然气^[2]。

原理

整个流程可概括为：原料煤与高纯氧气、中压蒸汽反应生成粗煤气；粗煤气经耐硫耐油变换、脱硫脱碳后得到净煤气；净煤气进入甲烷化装置合成甲烷，再经脱水等工序产出天然气。主工艺装置通常包括空分、碎煤加压气化炉、变换装置、气体净化装置、甲烷化合成装置和废水处理装置^[3]。

甲烷化是核心环节，即一氧化碳和二氧化碳在催化剂作用下与氢气反应生成甲烷。主要反应为 $\mathrm{CO+3H_2 \rightarrow CH_4+H_2O}$ 与 $\mathrm{CO_2+4H_2 \rightarrow CH_4+2H_2O}$，前者反应热约为 $-$206 kJ/mol，均为强放热且体积缩小的反应，低温高压有利于平衡向生成甲烷方向移动^[4]。

由于放热量大，合成气中一氧化碳含量每升高 1 个百分点，绝热温升可达约 70℃^[5]。工程上通过气体循环、多段串联反应器、加入水蒸汽稀释、或采用汽包移热的管壳式反应器来控制床层温度，避免催化剂超温失活与平衡左移^[5]。

变换工序用于调整氢碳比，使 $(\mathrm{H_2}-\mathrm{CO_2})/(\mathrm{CO}+\mathrm{CO_2})$ 略大于 3；净化则脱除硫化物等会使催化剂中毒的物质。产品气中甲烷含量可达 95% 以上，低位热值在 8300 kcal/Nm³ 以上^[2]。

发展历程

煤制天然气的工业化探索可追溯到 20 世纪 70 年代，德国鲁奇公司与南非萨索尔公司合作开发了合成气甲烷化制天然气技术。1994 年，美国北达科他州大平原合成燃料厂采用该技术建成世界第一套大型煤制天然气装置，生产能力为 354 万立方米/天^[6]。

中国煤制天然气项目起步于「十一五」期间。2009 年 8 月，内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气项目获国家发改委核准，成为首个大型煤制天然气示范项目；随后大唐辽宁阜新、汇能内蒙古鄂尔多斯和庆华新疆伊犁项目也陆续获批，4 个项目年产能共计 151 亿立方米^[7]。

2013 年 12 月起，新疆庆华、大唐克旗等项目先后产出合格天然气并进入管网^[8]。2013—2014 年，国家陆续批准 17 个煤制天然气项目开展前期工作，产能共计 722 亿立方米/年^[9]。

国产化方面，中科院大连化学物理研究所自 2008 年起研发完全甲烷化催化剂与多段循环甲烷化工艺，2011 年和 2013 年分别在河南、新疆完成工业气源条件下的中试^[2]。大唐化工技术研究院自主研发的合成气甲烷化催化剂也实现了进口替代应用。

2023 年中国煤制天然气产量为 65.14 亿立方米，占国内天然气产量的 2.84%；随着汇能二期、大唐克旗二期一系列等项目投产，当年已投产产能接近 70 亿立方米^[10]。

应用

煤制天然气的产品经净化、干燥和压缩后，可经长输管线输送，用作城市燃气、工业窑炉燃料和车用燃料，也被视为城市燃气调峰的一种方式。部分项目将天然气液化后以 LNG 形式外运销售，如内蒙古汇能项目^[7]。

在区域供应上，大唐克旗项目主要目标市场为北京，产品直接进入输气管道；新疆庆华项目一期于 2013 年 12 月产出合格天然气并接入西气东输管网^[8]。

煤制天然气也被用于航天发射燃料供应，2023 年 12 月内蒙古汇能煤化工有限公司生产的煤制天然气为蓝箭航天液氧甲烷运载火箭的发射提供了燃料保障。

局限

煤制天然气是强放热过程，反应热的高效回收与移出直接决定工艺设计和能效。一氧化碳与二氧化碳含量过高会造成反应器温升过大，若不能及时移热，既可能使催化剂失活，也会因平衡左移降低出口甲烷浓度^[5]。

甲烷化催化剂是限制整套系统自主化的关键环节，其改进一直是研究重点^[3]。催化剂对硫化物等毒物敏感，需要在净化环节精脱硫并设置保护床以延长使用寿命^[11]。

该工艺水耗较高，且项目多布局于内蒙古、新疆等煤炭主产区，这些地区水资源相对匮乏，环境承载与碳排放问题长期受到关注^[12]。

经济性受原料煤价、天然气管输条件和气价机制影响明显。2015 年前后，多家已投产项目因原料成本高、管网议价能力弱、下游气价下调而长期亏损，部分已获核准的项目处于观望状态^[8]。

产品结构相对单一，主要产品只有天然气，且管道气难以储存、需求季节性波动大，夏季市场对天然气的需求显著低于冬季，这在一定程度上制约了装置负荷与产能释放^[8]。

参见

• 煤气化 —— 煤制天然气的第一道工序，将煤转化为合成气。

• 甲烷化 —— 合成气中的一氧化碳、二氧化碳加氢生成甲烷的核心反应。

• 合成天然气 —— 煤制天然气工艺的目标产品。

• 煤化工 —— 煤制天然气所属的产业门类。

• 西气东输 —— 部分煤制天然气项目产品接入的长输天然气管道系统。