甲烷二氧化碳干重整：合成气负碳生产新路径助力化工低碳发展

石油石化 证券研究报告 2023年11月02日 投资评级 甲烷二氧化碳干重整：合成气负碳生产新路径助力化工低碳发展 甲烷二氧化碳干重整是合成气生产的负碳新路径 合成气是现代煤化工的基础，市场规模庞大：现代煤化工技术是以合成气化工技术为基础，进一步加工制取油气燃料和各种化工产品的煤炭洁净利用技 行业评级强于大市(维持评级) 上次评级强于大市 作者张樨樨分析师 SAC执业证书编号：S1110517120003 zhangxixi@tfzq.com 术，根据MordorIntelligence统计2023年全球合成气市场规模达到2.34亿 立方米/小时，至2028年有望达到4.03亿立方米/小时，2023-2028年复合增速达到11.45%。 行业走势图 石油石化沪深300 甲烷二氧化碳干重整是甲烷与CO2两种温室气体在催化剂及高温条件下反应生成合成气，该过程几乎不消耗水，可以大量利用CO2，降低能耗的同时并缓解温室气体减排压力；合成气中H2:CO≈1,且可以进行灵活调整，适合于羰基合成和F-T合成制化学品。抗积碳催化剂和专用反应器是该技术实现工业化的核心。 碳税价格及低价气源是甲烷二氧化碳干重整经济性的关键 碳排放优势：以甲醇的生产过程为例，IRENA数据显示，煤制甲醇碳排放为2.6-3.8吨CO2/吨甲醇；天然气制甲醇约0.5吨CO2/吨甲醇。而根据石勇等在《燃煤电厂百万吨级二氧化碳和甲烷干重整转化制合成气方案探讨》中的测算，年产283万吨甲醇的干重整项目可以吸收0.37吨二氧化碳/吨甲醇。 经济性评价：经过初步估算，在不考虑碳税情况下，秦皇岛港动力煤平仓价在1000元/吨时，煤制合成气的可变成本为0.87元/立方；LNG到港价为 3.5元/标方时，干重整可变成本约为1.31元/标方。考虑到干重整工艺的碳排放优势，经过我们测算，在碳税价格300-400元/吨时，干重整工艺的成本优势逐渐显现。 国内龙头纷纷布局，甲烷二氧化碳干重整技术前景广阔 天然气化工政策边际放松：2023年9月，国家能源局发布了《天然气利用政策（征求意见稿）》，将“新建或扩建以天然气为原料生产甲醇及甲醇生产下游产品装置；以天然气代煤制甲醇项目”从禁止类中提升到“限制类”中，天然气在化工中的应用范围有望扩大。 国内布局加速：根据不完全统计，国内已有7家企业进行相关布局，这些企业多依托于自身的资源禀赋或工艺条件，将低附加值的富碳天然气、工业副产气进行干重整，在现有的碳税价格下，仍有望获取成本优势。建议关注中海石油化学、荣盛石化等。 风险提示：技术进展不及预期风险；成本抬升风险；行业竞争加剧风险。 18% 14% 10% 6% 2% -2% -6% 2022-112023-032023-07 资料来源：聚源数据 相关报告 1《石油石化-行业专题研究:埃克森收购PXD，雪佛龙收购Hess，如何看待行业趋势？》2023-10-27 2《石油石化-行业专题研究:能源转型专题1：社会成本转嫁，伴随板块跑赢》 2023-09-12 3《石油石化-行业专题研究:中国是否会迎来“页岩油革命”？》2023-07-27 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明1 内容目录 1.合成气是化石能源与化工品的重要枢纽3 2.甲烷二氧化碳重整工艺在合成气领域具有重要潜力4 2.1.积碳问题是制约干重整工业化的核心难题6 3.甲烷二氧化碳干重整经济性评价7 4.甲烷干重整技术前景广阔，有望迎来快速发展期8 4.1.天然气利用政策出现边际放松8 4.2.原料气种类丰富，低价气源有望改写行业成本8 4.3.国内厂家进展9 5.风险提示9 图表目录 图1：合成气的生产与应用3 图2：合成气市场规模：Millionmetricnormalcubicmetersperhour(mmnm³/h)4 图3：中国甲醇产量及增速：万吨，%4 图4：中国合成氨产量及增速：万吨，%4 图5：中国冰醋酸产量及增速：万吨，%4 图6：甲烷间接转化常见的4种方法5 图7：不同原料来源的合成气组成5 图8：合成气制造成本对比：X轴元/标方；左侧Y轴元/标方；右侧Y轴元/吨7 图9：不同碳税下合成气可变成本对比：X轴，碳税元/吨；Y轴合成气可变成本+碳税.8 表1：国内正在开发的煤气化技术4 表2：甲烷干法重整中的积碳反应6 表3：甲醇不同工艺路径碳排放对比：吨二氧化碳/吨甲醇7 表4：甲烷二氧化碳干重整项目汇总9 1.合成气是化石能源与化工品的重要枢纽 合成气是一氧化碳CO和氢气H2的混合气，是有机合成的重要原料，也是CO和H2的重要来源，在化学工业中有着重要作用，其H2和CO摩尔比随原料和生产方法不同而有较大的波动范围，一般在1/2~3/1（H2/CO）。 合成气原料范围较广,既可由煤、焦炭或生物质等固体燃料产生,又可由天然气、煤层气、页岩气和石脑油等轻质烃类制取,还可由重油经部分氧化法生产，此外，农林废料、城市垃圾等均可用来制造合成气。 合成气应用途径广泛，主要工业化产品包括合成氨、甲醇、醋酸、合成天然气、汽柴油等；在新路径中，合成气直接制烯烃、合成低碳醇等多种方向也处于研究或工业化开发阶段。 图1：合成气的生产与应用 资料来源：《合成气化学》葛庆杰等，天风证券研究所 总之，合成气是连接天然气、石油、煤炭、生物质等上游资源和下游产品液体燃料、乙烯、丙烯、醋酸和芳烃等化工产品的重要枢纽，较普通化工品行业跨度更加广泛。 合成气市场规模庞大且增速较高：根据MordorIntelligence统计，2023年全球合成气市场规模达到2.34亿立方米/小时，至2028年有望达到4.03亿立方米/小时，2023-2028年复合增速达到11.45%。 我国是合成气消费大国，下游产品甲醇、合成氨、冰醋酸作为重要的大宗化学品，在过去几年经历了明显的扩张，2022年产量分别达到8122万吨、5212万吨、868万吨，仅三种产品产量合计近1.4亿吨。 合成气的生产投资和成本通常占下游产品成本的50%~60%，因此廉价合成气生产技术是成本竞争力的关键所在。 图2：合成气市场规模：Millionmetricnormalcubicmetersper hour(mmnm³/h) 图3：中国甲醇产量及增速：万吨，% 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 2018年 2019年 2020年 2021年 2022年 2023E 2024E 2025E 2026E 2027E 0 产量产量增速 15% 10% 5% 0% 资料来源：MordorIntelligenc，天风证券研究所资料来源：《中国石化市场预警报告》，天风证券研究所 图4：中国合成氨产量及增速：万吨，%图5：中国冰醋酸产量及增速：万吨，% 5500 5000 4500 4000 10% 8% 6% 4% 2% 0% 2018年 2019年 2020年 2021年 2022年 2023年E 2024年E 2025年E 2026年E 2027年E -2% 1,500 1,000 500 0 25% 20% 15% 10% 5% 0% 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年 2022年E 2023年E 2024年E 2025年E 2026年E -5% 产量产量增速 产量产量增速 资料来源：国家统计局、中华人民共和国海关总署，卓创资讯，天风证券研究所 资料来源：卓创资讯，天风证券研究所 2.甲烷二氧化碳重整工艺在合成气领域具有重要潜力 合成气生产路径多元化，主要有煤炭、天然气、重油或渣油等方式。煤气化是煤转化技术中最主要的应用领域，在连续式操作中，煤炭在高温下以水蒸气和氧气为气化剂，与煤反应生成CO和H2等气体。 煤气化工艺经过长期的开发，已经较多成熟的工艺，海外主要有Lurgi固定床、U-gas流化床、德士古气流床、恩德炉、Shell炉、GSP炉等，但由于石油和天然气技术的大规模应用，海外并未大规模应用煤气化技术，而我国由于富煤少油的资源禀赋，煤化工技术得到广泛的工业实践，世界上主流的煤气化技术我国几乎都有引进。而随着国家科技部的立项支持，国内的煤气化技术也取得了长足的进步，多种技术已经工业化试验或投产，主要包括：多喷嘴水煤浆气化技术、两段炉干煤粉气化技术、干煤粉气流床气化技术（航天炉）等。 表1：国内正在开发的煤气化技术 技术原料规模（投煤量t/d）开发单位 两段炉气化 干煤粉 2000/1000 西安热工研究院 干煤粉气流床气化 干煤粉 750-1500 航天部 非熔渣-熔渣分级气化 水煤浆 1000-1500 清华大学 多喷嘴气化 水煤浆 1000-3000 华东理工大学 多元料浆气化 水煤浆 500-1000 西北化工研究院 灰融聚流化床气化 碎煤 300 山西煤化所 资料来源：《现代煤化工新技术》唐宏青等，天风证券研究所 由于煤炭中氢的含量比较低，所以煤制合成气中H2/CO的比值较低。 表2：各种气化炉出口气体中的H2/CO 原料 气化炉形式 气化炉 H2/CO 干粉煤 气流床 Shell，西安热工院二段炉，航天炉，GSP 0.4-0.6 干粉煤 流化床 灰熔聚，恩德炉 1.1-1.4 水煤浆 气流床 Texaco，多喷嘴，分级气化，多元料浆 0.7-0.9 碎块煤 固定床 Lurgi，BGL 1.4-2.0 资料来源：《现代煤化工新技术》唐宏青等，天风证券研究所 天然气（含煤层气、页岩气等）制合成气的典型过程有：甲烷部分氧化法、甲烷水蒸气重整法、甲烷自热重整法以及甲烷干法重整。 甲烷水蒸汽重整过程是工业上天然气制合成气的主要途径。该方法的基本原理为：甲烷与水蒸汽在催化剂存在及高温条件下反应生成合成气。它是一强吸热过程,通常在>800℃的高温条件下进行,为防止催化剂积炭,一般采用高水碳比操作H2O:CH4=2.5~3，所得合成气中H2:CO≈3，适合于合成氨及制氢过程，而用于甲醇合成及F-T合成等重要工业过程不理想。合成甲醇的原料气H2/CO在2.1左右，故H2大量过剩而循环，不仅增加能耗，也降低了装置效率。 部分氧化法对反应器材质的要求较严苛，并且过程复杂；自热重整法对控制系统的要求较高，并且较低的H2含量会对合成气的工业用途产生限制。 甲烷二氧化碳干重整制合成气是天然气重整制合成气的又一反应过程，基本原理是甲烷与CO2在催化剂存在及高温条件下反应生成合成气。它是一强吸热过程,通常在>800℃的高温条件下进行，所得合成气中H2:CO≈1，适合于羰基合成和F-T合成制化学品。相比较传统的甲烷蒸汽重整，甲烷二氧化碳干重整：（1）该过程几乎不消耗水，而是大量利用二氧化碳，降低能耗的同时并缓解温室气体减排压力；（2）原料来源广泛,沼气、焦炉气、煤层气、天然气等均可作为进料；（3）有两种温室气体参与反应,对环境友好;（4）同湿法重整和部分氧化反应相比，节省约1/2左右的甲烷。 图6：甲烷间接转化常见的4种方法图7：不同原料来源的合成气组成 资料来源：《甲烷干法重整催化剂抗积碳性能的研究进展》黄兴等，天风证券研究所 资料来源：《合成气化学》葛庆杰等，天风证券研究所 2.1.积碳问题是制约干重整工业化的核心难题 甲烷二氧化碳重整反应过程容易积碳，催化剂的表面积炭会造成活性位的覆盖或催化剂孔隙堵塞,进而导致催化剂活性下降乃至丧失，同时长时间积碳容易堵塞管道，抗积碳催化剂和专用反应器，被公认为“甲烷二氧化碳重整制合成气”技术实现工业化的核心难题。 甲烷干法重整反应中的积碳来源为：（1）CH4发生裂解反应而产生的碳；（2）一氧化碳发生歧化反应而产生的碳；（3）一氧化碳发生氧化还原反应而产生的碳。且有研究表明，温度高于一定程度后，甲烷裂解造成的积碳量会迅速增加，因此抑制CH4裂解反应的发生是解决催化剂积碳问题的重点关注方向。 表2：甲烷干法重整中的积碳反应 反应名称 反应方程式 反应热△H2