一、引言

2020年9月22日习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，强调中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和（简称“双碳”目标）。“双碳”目标事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体，将引领中国经济社会向资源高效利用和绿色低碳方向发展。

实现“双碳”目标需要从前端供给侧调整优化能源结构入手。煤炭作为高碳化石能源，未来在能源结构中的占比必将大幅减少。可再生能源由于基本没有大气污染而受到人们的广泛关注，预计到2060年70%以上的电能将来自风能、光伏和太阳能，但其存在着日间出力、季节出力差别较大的问题，大规模发展需要配套储能设备，故仍处于能源转型的早期阶段。在此背景下，天然气作为介于传统化石能源和可再生能源之间的低碳清洁能源，同样热值下相比煤炭可减少45%-55%二氧化碳的排放量，在能源系统转型中可起到“桥梁作用”，成为了2030年实现“碳达峰”目标最现实的选择。

二、天然气的发展机遇

随着中国经济发展，作为清洁能源的天然气生产与消费都迎来快速增长。但2020年天然气在中国一次能源消费中占比仅为8.6%，远低于全球平均水平24%，因此未来发展空间较大。此外，在《国务院关于促进天然气协调稳定发展的若干意见》指引下，中国天然气产供储销体系建设步入快车道，管网等基础设施建设逐步完善，西气东输三线、陕京四线、中俄东线（北段、中段）、中靖联络线、青宁线、天津深圳地区LNG外输管道等干线管道相继投产，基本实现干线管道“应联尽联”，气源孤岛“应通尽通”。在体制机制改革方面，管网体制改革取得里程碑式突破，国家石油天然气管网集团有限公司挂牌成立，天然气“管住中间、放开两头”改革目标初步落地。天然气价格市场化进程不断推进，实现了居民与非居民门站价格“并轨”。完全市场化定价的资源占比从2015年的不到10%提高到2020年的45%。

三、煤制天然气的发展现状

天然气作为一种清洁能源，其在中国一次能源消费结构中占据的地位日益重要，据统计2021年我国天然气表观消费量3728亿立方米，但自身生产能力仅为2053亿立方米，对外依存度接近45%，表明中国天然气储量和产量均不能满足经济的发展需求，严重危及到了国家的能源安全，故开拓天然气的来源成为必然选择。发展煤制合成天然气，利用中国较为丰富的煤炭资源来制造合成天然气，不仅可以降低对进口天然气资源的依赖，有效地压制中国天然气的进口价格，降低天然气用户的成本；而且将有助于中国优化能源消费结构和保障天然气供应安全。

目前已经工业应用的煤制气技术是将煤首先进行水蒸气气化产生合成气（CO+H2），合成气经变换、净化、分离后，再经CO加氢甲烷化反应生成CH4，已投产运行的总产能达到61.64亿方/年，其中包括2013年12月投产的大唐克旗一期13.3亿方/年和新疆庆华一期13.75亿方/年煤制气项目，2014年投产的内蒙古汇能4亿方/年煤制气项目，2017年新增的伊犁新天20.4亿方/年产能和2021年新增内蒙古汇能二期10.2亿立方米/年煤制气项目。截止2022年1月，又有中海油、同煤集团的40亿立方米/年煤制气项目和内蒙古华新新能源有限公司的40亿立方米/年煤制气项目环评获得了环保部批复。

新型煤制天然气工艺方面，新奥集团开发的煤催化气化制天然气技术是在多功能催化剂作用下，煤和气化介质在一个反应器内同时发生煤气化、变换和甲烷化三个反应，将放热反应和吸热反应结合起来，大幅提高甲烷产率和系统能效。该技术首次应用于内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗的新能能源有限公司20万吨/年稳定轻烃项目。2018年9月8日，日处理煤量1500吨规模的催化气化工业示范装置一次投料成功，打通了工艺全流程，产出合格的天然气产品。

从上述两种工艺天然气中甲烷的产生途径来看，均是先将煤气化产生合成气，合成气再通过甲烷化反应调控变换氢碳比后生成甲烷，此种路径中一氧化碳变换工段会带来大量二氧化碳的排放，不符合我国未来低碳化、无碳化的趋势。基于此人们又提出了一种加氢气化手段，即将煤中碳与氢气直接反应直接生成甲烷。此种途径由于缩短了甲烷的生成途径，与传统煤制气工艺相比，过程热效率提高了18%，故生产1mol甲烷的碳耗降低了35%，二氧化碳排放量也降低了42%。如中国科学院山西煤炭化学研究所研发团队开发出的煤催化加氢气化制天然气工艺，采用加压流化床反应器，使用Co-Ca复合催化剂可将烟煤加氢气化的碳转化率由45%提高至92%，同时转移至目标产物甲烷中碳的选择性达到84%，是极具发展潜力的煤制天然气技术，目前该技术已经完成了实验室小试验证。

四、未来煤制天然气的发展思路

《中国天然气发展报告(2021)》提出，“十四五”及未来一段时间，天然气行业要立足“双碳”目标和经济社会新形势，统筹发展和安全，不断完善产供储销体系，满足经济社会发展对清洁能源增量需求，推动天然气对传统高碳化石能源存量替代，构建现代能源体系下天然气与新能源融合发展新格局，实现行业高质量发展。

首先，在传统煤制天然气方面，气化单元是煤制天然气项目的核心装置，约占装置投资的20%。气化炉的稳定和高效运行，对于整个煤制气系统的“安稳长满优”具有重要意义。目前用于煤制气系统的气化炉主要有固定床、水煤浆气流床和干粉气流床，且多为单一使用。但随着采煤机械化程度的不断提高，粉煤在原煤中所占的比例越来越大。对于配套可以自身出产块煤和粉煤煤矿的煤制气项目，如果只采用固定床气化炉，粉煤在用于自备电厂燃煤锅炉之余，还有大量过剩；同时对于运输不便，粉煤价格较低的地区，还会造成资源浪费。因此，将固定床和气流床组合用于气化炉，以充分利用自有煤矿出产的块煤和粉煤资源，正在成为中国煤制天然气行业的新趋势。此外，针对传统技术二氧化碳排放量较高的问题，结合碳捕集、利用与封存（CCUS）等碳中和技术进步，积极探索和推动天然气等化石能源“集中利用+CCUS”的近零排放商业模式也日益受到了人们的广泛关注。

其次，在新型煤制天然气方面，将煤加氢气化过程与可再生能源制氢工艺耦合，通过天然气与新能源的融合发展，实现煤中碳的资源高效利用是未来的主要发展方向。

供稿人：曲旋 中国科学院山西煤炭化学研究所 副研究员