天然气需求增长强劲催生煤制气产业发展
□ 中国化工信息中心 桑建新
核准项目达10个
20世纪70年代，在油气价格持续攀升的推动下，美国、德国等加快了煤制天然气技术的研发；国外一些公司就已对煤制天然气进行过试验，德国、南非、美国等相继建成了试验工厂，并取得了可喜的试验成果，但由于油价降低到无法维持生产，陆续被迫关停。
目前，世界煤制天然气唯一的生产企业是美国的大平原公司。该厂于1984年7月生产出煤制天然气，1988年成为Basin电力公司的子公司，目前公司员工700多名，该厂除利用煤生产天然气外，还生产煤焦油、苯酚和石脑油等液体产品；合成氨、液氨和硫酸铵等化肥类产品。
2012年中国建成大唐克旗一期13.5亿立方米和新疆庆华一期13.5亿立方米两个项目，合计产能约为27亿立方米。目前世界煤制天然气产能达39亿立方米，中国在建拟建项目众多。
截至目前国家发改委核准的煤制天然气获批项目已达10个，总产能935亿立方米，见表1。其中进展最快的是大唐赤峰和新疆庆华2个项目。截至2012年12月，中国建成大唐克旗一期13.5亿立方米/年和新疆庆华一期13.5亿立方米2个项目，产能达27亿立方米。大唐克旗项目一期已于2012年7月底打通全部流程，二期在建，计划于2014年初向北京供气。新疆庆华55亿立方米煤制天然气项目一期13.5亿立方米2012年底全部机械竣工，2013年6月试产生产出合格天然气，8月20日产出的煤制天然气进入西气东输管网，计划2013年底实现达标达产。
未来5年将是中国煤制天然气快速发展期。除国家核准项目外，当前各地上马煤制天然气项目的热情很高，未批先建项目众多。截至2012年底，据不完全统计，我国煤制天然气项目(包括已建、在建、获批和待审批的)共计40多个，总产能已达1902.5亿立方米，除核准项目外，内蒙古呼伦贝尔华能伊敏煤电公司60亿立方米项目、新汶矿业集团（伊犁）20亿立方米等项目也在开工建设，项目主要分布在新疆和内蒙古。其中，新疆作为我国煤制天然气发展的重要地区，正在建设和规划中的煤制天然气项目近30个，产能超过1000亿立方米。内蒙古煤制天然气总规模达到400亿立方米，大部分项目已经上报国家发改委核准或者将申请开展前期工作的请示上报至国家发改委。
国家能源局煤制天然气发展布局规划显示：“十二五”期间，煤制天然气项目将主要分布在四个区域，即新疆、三西（山西、陕西、蒙西）、蒙东和云贵地区。在产业政策方面，中央给予新疆差别化的产业政策，中央新疆工作座谈会召开一年多以来，国家支持新疆发展的一系列重大政策陆续出台，尤其在煤化工方面，国家提出支持新疆重点发展煤制气，适时建设煤制油示范工程，稳步发展煤制醇醚燃料产业。国家发改委近期也明确表示，对新疆煤制气项目给予必要支持，尽最大可能实现资源就地转化，目前新疆正在建设和规划中的煤制天然气项目近30个，年产能超过1000亿立方米；内蒙古煤制天然气总规模达到400亿立方米。
根据国家规划和新建拟建煤制天然气项目进展情况，大唐克旗二期在建，计划于2013年底建成，预计2013年中国煤制天然气产能将达40.5亿立方米；辽宁大唐国际阜新煤制天然气一期13亿立方米项目和内蒙古汇能煤化工有限公司16亿立方米煤制天然气项目原计划2013年竣工，现在紧张建设之中，有望于2014年建成，预计2014年中国煤制天然气69.5亿立方米。国家《天然气发展“十二五”规划》计划2015年煤制天然气产量约150亿~180亿立方米。根据在建和拟建煤制天然气项目进度，预计2015年我国煤制天然气产能将达到650亿立方米，产量180亿立方米。2012~2015年中国煤制天然气生产情况及预测见表2。
表1 国家校准煤制天燃气项目情况
项目建设单位 拟建产能/ (亿m3/a) 建设地点 总投资/（亿元） 动工时间 预计投产时间
大唐国际发电股份有限公司
40 宁阜新 245.7 2010年3月 2013年
大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司
40（一期13.5） 内蒙古赤峰克什克腾旗 228 2009年5月 2013年底
内蒙古汇能煤化工有限公司
40（一期16） 内蒙古鄂尔多斯市 一期135.5 2010年8月 2013年
伊金霍洛旗
新蒙集团 40 内蒙鄂尔多斯 187 2011年10月 2014年10月
国电平庄煤业尼勒克能源化工有限公司
100（40一期，分2批次）
内蒙古兴安盟 650（一期268） 2011年6月 2015年（一期一批次）
中国电力投资集团新疆公司（简称中电投）
3×20 新疆霍城 263 2011年11月 2015年（40亿m3/
年投产）
新疆庆华煤化有限公司
55（一期13.5） 新疆伊犁哈萨克自治州 278 2009年 2012年（一期）
伊宁县
中国石化新疆能源化工有限公司
300（一期80） 新疆乌鲁木齐 -期700 2013年4月启动 2017年8月
中海油/同煤集团100（一期40） 山西大同 一期300 2009年6月 2014年
北京控股集团/中海油新能源
投资有限责任公司/河北省
建设投资集团公司
3×40 内蒙古鄂尔多斯 一期250 2013年7月 2015
合计 935（一期316） 3237.2
表2 2012~2015年中国煤制天然气生产情况及预测 亿立方米
年份 产能 产量 开工率/%
2012 27.0 - -
2013E 40.5 2 4.9
2014E 69.5 20 28.8
2015E 650.0 180 27.7
注：”E”代表Expected（预计）
消费需求增长强劲
随着天然气工业基础设施的逐渐完善和发展，近年来中国天然气市场消费量呈现爆炸式增长。1996年以前，由于工业基础设施不够完备，天然气消费量增长缓慢；1996年以后，随着大型长输天然气管道的陆续建成，天然气消费量迅速增长，至2006年，10年间增长了2倍。“十一五”期间增长尤其迅速，2007年以前中国天然气消费基本自给自足，随着工业基础设施的逐渐完善和发展，近年来中国天然气需求增长强劲，2007年中国天然气消费出现缺口，且缺口逐年增大。2010年中国天然气消费量首次突破1000亿立方米，达到1073亿立方米，年均增长18.1%。
2012年中国天然气表观消费量达1459亿立方米，而国内天然气生产所能提供的只有1067.1亿立方米，天然气供应缺口达391.9亿立方米。
2007~2012年中国天然气供需平衡见表3。
表3 2007~2012年中国天然气供需平衡状况 亿立方米
年份 产量 进口量 出口量 表观消费量 缺口 产量与表观消费量比率/%
2007 692.4 40.2 26.0 706.6 14.2 98.0
2008 803.0 46.0 32.4 816.6 13.6 98.3
2009 852.7 76.3 32.1 896.9 44.3 95.1
2010 948.5 164.9 40.3 1073.1 124.6 88.4
2011 1025.3 311.6 31.9 1305.0 279.7 78.6
2012 1067.1 420.8 28.9 1459.0 391.9 73.1
工艺成熟
天然气行业“十二五”发展目标已基本确立，天然气在能源生产和消费结构中的比重将翻一番，开展“分布式能源”利用项目将成为未来发展的重点。据悉，“十二五”期间，中国将继续提高天然气在一次能源消费中所占的比重，并加速天然气配套基础设施建设，尤其是分布式冷热电联供利用项目。预计，发电、车用两大市场的迅猛发展也将推动“十二五”期间天然气消费大幅攀升。预计“十二五”末期天然气占一次能源消费总量的比例将提高到8%。
煤制天然气的工艺流程前端与煤制甲醇及煤制合成氨的流程基本相同，都是在煤制气后经净化处理。不同之处是，后两者是净化气用于甲醇或氨合成，要求甲烷越低越好，而煤制天然气是净化气经过甲烷化处理，甲烷越高越好。
煤制天然气工艺路线为碎煤加压气化生产合成气，经过粗煤气变换冷却、低温甲醇洗净化、吸收制冷、甲烷化、干燥得到产品。生产副线包括酚、氨、硫的回收及废水残液等处理。主要工艺流程为煤气化生产合成气，合成气通过一氧化碳变换和净化后，经过甲烷化反应生产天然气。见图1。
煤制天然气的整个工艺在技术上是成熟的，现在世界有关学者和公司将研发重心放到了气化技术的革新和甲烷化。
煤的气化技术主要有蒸汽-纯氧气化（Steam- oxygen gasification）、加氢气化（Hydrogasification）和催化蒸汽气化（Catalytic steam gasification）3种工艺。蒸汽-纯氧气化工艺是传统的煤气化工艺，通常称为“两步法”，是目前最经济和最成熟的工艺，已经工业化应用，但热效率较低（61%）。世界唯一工业化的美国大平原煤制天然气项目就采用此工艺。加氢气化法和催化蒸汽气化法为“一步法”，具有较高的热效率，分别为79.6%和72.7%。这两种工艺的优点是不需要空分装置，因此节约许多能耗费用。并且，由于气化和甲烷化在低温下反应，成本很低，缺点是催化蒸汽气化需要在煤灰中分离催化剂和催化剂的失活问题。这两种工艺尚处于研发阶段，目前都没有商业化装置。
煤制天然气的另一核心技术是甲烷化工艺，目前中国还没有掌握大型合成气甲烷化工艺，主要技术要向国外公司购买。目前使用的甲烷化技术主要是丹麦托普索公司（Haldor Topsфe）推出的甲烷化循环工艺（TREMPTM）技术、Davy公司的甲烷化技术（CRG）和鲁奇公司的技术。
充分利用副产物
目前国家限制天然气化工发展，充分利用煤制天然气副产品向下游产业链发展不仅能提高项目的经济效益，也有利于环保；调峰期利用合成气发展化工有潜可挖，不受限制。
（1）充分利用煤制天然气副产品 由公开资料可知，大唐克旗40亿立方米煤制气项目的副产品见表4。充分利用这些副产品将提高项目的经济性。
煤焦油是一种十分复杂的混合物，其中的有机化合物估计有一万种以上，已被鉴定的约有500多种，可提取的约200种，目前有利用价值、可提取并经济合理的约50种。焦油加工所获得的轻油、酚、萘、洗油、蒽、咔唑、吲哚、沥青等系列产品是合成塑料、合成纤维、农药、染料、医药、涂料、助剂及精细化工产品的基础原料，也是冶金、合成、建设、纺织、造纸、交通等行业的基本原料，许多产品是石油化工中得不到的。
石脑油（petroleum naphtha ligroin）又称粗汽油，在常温、常压下为无色透明或微黄色液体，有特殊气味，不溶于水，密度在650～750千克/立方米。一般含烷烃55.4%、单环烷烃30.3%、双环烷烃2.4%、烷基苯11.7%、苯0.1%、茚满和萘满0.1%。
硫磺、粗酚、中油和硫铵都是优良的化工原料，可以加工利用。充分利用煤制天然气的副产品发展下游产业链和利用调峰期过剩的合成气（或天然气）生产化工产品对煤制天然气项目的成功至关重要。不仅提高项目的经济效益，还能满足越来越严格的环保要求，有助于保住当地的青山绿水。
（2）用天然气制精细化学品有潜可挖 由于天然气主要成分是甲烷，分子结构非常稳定，可开发的下游化工产品少。
天然气化工利用技术经几十年发展形成了两条技术路线:一是直接法：天然气直接转化制化工产品；二是间接法：天然气先转化为含H2和CO的合成气再加工生产化工产品。
天然气是清洁能源，是一种很好的化工原料，虽然目前因供应紧张限制其化工应用，但未来随着国内天然气供应量增加，政策也会相应而变，天然气产业链的发展值得关注。国内精细化学品技术门槛高，有些供不应求，是未来天然气可考虑的发展方向。
表4 大唐克旗40亿立方米/年煤制气项目的副产品 万吨
序号 产品名称 年产量
1 煤制天然气/亿立方米 40.0
2 焦油 16.2
3 中油 20.0
4 石脑油 5.7
5 粗酚 6.2
6 硫磺 16.5
7 硫铵 48.0