1.1　甲烷化与合成天然气

天然气（natural gas，NG），在广义角度上，是指自然界中天然存在的一切气体，包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种自然过程形成的气体，是有机物经过长期复杂分解过程的结果。主要成分是甲烷（CH₄），无色、无味、无毒且无腐蚀性，也包括一定量的乙烷、丙烷和重质烃类，还有少量的氮气、氧气、二氧化碳和硫化物。从能量角度出发的狭义定义，是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物，主要存在于油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气中。天然气又可分为常规天然气（包括致密气）和非常规天然气（包括煤层气和页岩气）。人们通常所说的常规天然气也称矿产天然气，来自于油田、气田等。

合成天然气（synthetic natural gas，SNG）也称为替代天然气、代用天然气（substitute natural gas，SNG）或补充天然气（supplemental natural gas，SNG），是以合成气为原料，通过甲烷化反应，制取的以甲烷为主要成分，符合天然气热值等标准的气体。显然甲烷化是合成天然气的关键。

甲烷化（methanation）是指CO和CO₂在催化剂作用下加氢生成甲烷和水的反应。甲烷化工艺包括直接法和间接法。直接法甲烷化工艺是指将合成气的制备、变换和甲烷化反应同时进行。间接法甲烷化工艺是指固体原料气化制取合成气，合成气先经净化、变换提高氢碳比（H₂/CO）后，再进行甲烷化反应。

甲烷化过程主要发生的化学反应如下：

　　（1-1）

　　（1-2）

　　（1-3）

　　（1-4）

　　（1-5）

合成气（synthetic gas，SG），是指采用富碳的固体原料（煤、焦炭、油渣、生物质等）、液体原料（重油、石脑油）和气体原料（油田气）通过不完全氧化还原反应获得的以CO和H₂为主的混合气，经变换反应调整H₂和CO比例后，再通过净化脱除二氧化碳、硫化氢等精制工序，用于合成天然气、甲醇、氨、醇、醚、油、烯烃等产品的原料气。合成气通过气化过程来制备，气化反应主要是原料中的碳与气化剂中的氧、水蒸气、二氧化碳和氢的反应，也有碳与产物以及产物之间进行的化学反应。煤气化的总体反应如下：

主要的化学反应如下：

（1）部分氧化反应

　　（1-6）

（2）氧化反应

　　（1-7）

（3）CO₂还原反应

　　（1-8）

（4）水煤气反应

　　（1-9）

（5）加氢气化反应

　　（1-10）

（6）水汽变换反应

　　（1-11）

（7）非均相水煤气反应

　　（1-12）

（8）甲烷化反应

　　（1-13）

（9）热裂解反应

　　（1-14）

由于制取合成气原料的不同，合成天然气又可以分为煤制合成天然气、生物质制合成天然气（bio-based SNG）等。煤制合成天然气（coal to SNG），通常被简称为煤制天然气，或煤制气，是指以煤炭为原料，制取的以甲烷为主要成分、符合天然气热值等标准的气体。煤制合成天然气也可称为煤基合成天然气（煤基替代天然气、煤基代用天然气、煤基补充天然气，coal-based SNG），还包括以焦炉煤气、兰炭尾气等为原料制取的合成天然气。