1.1　甲烷化與合成天然氣

天然氣（natural gas，NG），在廣義角度上，是指自然界中天然存在的一切氣體，包括大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈中各種自然過程形成的氣體，是有機物經(jīng)過長期復(fù)雜分解過程的結(jié)果。主要成分是甲烷（CH₄），無色、無味、無毒且無腐蝕性，也包括一定量的乙烷、丙烷和重質(zhì)烴類，還有少量的氮氣、氧氣、二氧化碳和硫化物。從能量角度出發(fā)的狹義定義，是指天然蘊藏于地層中的烴類和非烴類氣體的混合物，主要存在于油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣中。天然氣又可分為常規(guī)天然氣（包括致密氣）和非常規(guī)天然氣（包括煤層氣和頁巖氣）。人們通常所說的常規(guī)天然氣也稱礦產(chǎn)天然氣，來自于油田、氣田等。

合成天然氣（synthetic natural gas，SNG）也稱為替代天然氣、代用天然氣（substitute natural gas，SNG）或補充天然氣（supplemental natural gas，SNG），是以合成氣為原料，通過甲烷化反應(yīng)，制取的以甲烷為主要成分，符合天然氣熱值等標(biāo)準(zhǔn)的氣體。顯然甲烷化是合成天然氣的關(guān)鍵。

甲烷化（methanation）是指CO和CO₂在催化劑作用下加氫生成甲烷和水的反應(yīng)。甲烷化工藝包括直接法和間接法。直接法甲烷化工藝是指將合成氣的制備、變換和甲烷化反應(yīng)同時進(jìn)行。間接法甲烷化工藝是指固體原料氣化制取合成氣，合成氣先經(jīng)凈化、變換提高氫碳比（H₂/CO）后，再進(jìn)行甲烷化反應(yīng)。

甲烷化過程主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

　　（1-1）

　　（1-2）

　　（1-3）

　　（1-4）

　　（1-5）

合成氣（synthetic gas，SG），是指采用富碳的固體原料（煤、焦炭、油渣、生物質(zhì)等）、液體原料（重油、石腦油）和氣體原料（油田氣）通過不完全氧化還原反應(yīng)獲得的以CO和H₂為主的混合氣，經(jīng)變換反應(yīng)調(diào)整H₂和CO比例后，再通過凈化脫除二氧化碳、硫化氫等精制工序，用于合成天然氣、甲醇、氨、醇、醚、油、烯烴等產(chǎn)品的原料氣。合成氣通過氣化過程來制備，氣化反應(yīng)主要是原料中的碳與氣化劑中的氧、水蒸氣、二氧化碳和氫的反應(yīng)，也有碳與產(chǎn)物以及產(chǎn)物之間進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。煤氣化的總體反應(yīng)如下：

主要的化學(xué)反應(yīng)如下：

（1）部分氧化反應(yīng)

　　（1-6）

（2）氧化反應(yīng)

　　（1-7）

（3）CO₂還原反應(yīng)

　　（1-8）

（4）水煤氣反應(yīng)

　　（1-9）

（5）加氫氣化反應(yīng)

　　（1-10）

（6）水汽變換反應(yīng)

　　（1-11）

（7）非均相水煤氣反應(yīng)

　　（1-12）

（8）甲烷化反應(yīng)

　　（1-13）

（9）熱裂解反應(yīng)

　　（1-14）

由于制取合成氣原料的不同，合成天然氣又可以分為煤制合成天然氣、生物質(zhì)制合成天然氣（bio-based SNG）等。煤制合成天然氣（coal to SNG），通常被簡稱為煤制天然氣，或煤制氣，是指以煤炭為原料，制取的以甲烷為主要成分、符合天然氣熱值等標(biāo)準(zhǔn)的氣體。煤制合成天然氣也可稱為煤基合成天然氣（煤基替代天然氣、煤基代用天然氣、煤基補充天然氣，coal-based SNG），還包括以焦?fàn)t煤氣、蘭炭尾氣等為原料制取的合成天然氣。