《天然氣利用新技術》第二版由七大篇組成，共分十一章。氣源篇主要介紹天然氣的來源。化工篇主要包括天然氣化工，天然氣與石油化工，天然氣與煤化工，天然氣制氫技術，天然氣制芳烴等內容。能源篇介紹了天然氣發電技術，主要探討聯合循環發電，天然氣與分布式能源。交通篇介紹天然氣作為替代能源在運輸業中的應用。城市燃氣篇中主要闡述了城市天然氣的特點、規劃及輸配繫統。儲運篇中通過對七種常規和非常規天然氣儲運方法原理、特點的介紹以及比較，對天然氣儲運技術的未來發展進行了展望，提出了各種天然氣儲運技術的技術壁壘。*後的節能篇重點探討了天然氣利用過程中的節能技術，天然氣與新能源利用等。

本次修訂增加了“氣源篇”；天然氣制芳烴、天然氣水合物儲存和分解實驗室研究、天然氣水合物生產儲運案例、天然氣制氫-加氫站建設；調整了能源篇中天然氣冷熱電三聯供，天然氣與分布式能源的順序，條理性更強。

本書涉及天然氣利用技術的各個方面，內容繫統全面，可供天然氣利用技術人員及研究人員使用，也可供高等院校相關專業師生參考。

氣源篇

1天然氣的來源2

1.1常規天然氣2

1.2非常規天然氣3

1.2.1頁岩氣4

1.2.2致密砂岩氣5

1.2.3煤層氣6

1.2.4天然氣水合物8

1.2.5沼氣、填埋氣10

參考文獻12



化工篇

2天然氣化工16

2.1天然氣制合成氨16

2.1.1概述16

2.1.2天然氣制氨的工藝原理18

2.1.3不同原料合成氨的經濟比較40

2.2天然氣制甲醇41

2.2.1概述41

2.2.2天然氣制甲醇現狀和技術發展趨勢43

2.2.3天然氣制甲醇工藝流程及特點47

2.3天然氣制乙炔及乙烯54

2.3.1天然氣制乙炔54

2.3.2天然氣制烯烴61

2.4天然氣制炭黑70

2.4.1概述70

2.4.2炭黑的分類71

2.4.3天然氣制炭黑的生產方法72

2.4.4國內外現狀75

2.5天然氣制甲烷氯化物78

2.5.1概述78

2.5.2甲烷氯化生產工藝79

2.6天然氣提氦氣83

2.6.1概述83

2.6.2深冷分離法提氦工藝83

2.6.3膜分離法天然氣提氦85

2.6.4變壓吸附法天然氣提氦86

參考文獻86



3天然氣與石油化工89

3.1天然氣與石油89

3.2石油化工中的天然氣89

3.3天然氣制合成油89

3.3.1天然氣制合成油的發展歷史與現狀89

3.3.2天然氣制合成油的基本原理90

3.3.3主要工藝90

3.3.4F-T合成油工藝技術91

3.3.5技術經濟分析93

3.3.6市場及發展前景94

3.4天然氣制芳烴96

3.4.1概述96

3.4.2甲烷無氧芳構化催化劑96

3.4.3催化劑的作用機理99

3.4.4反應器的設計與應用99

參考文獻101



4天然氣與煤化工104

4.1天然氣與煤104

4.2煤化工中的天然氣104

4.3天然氣制合成氣105

4.3.1概述105

4.3.2天然氣蒸汽轉化制合成氣105

4.3.3天然氣部分氧化制合成氣106

參考文獻107



5天然氣制氫新技術108

5.1天然氣制氫技術原理108

5.1.1天然氣蒸汽重整制氫108

5.1.2天然氣部分氧化制氫109

5.1.3天然氣自熱催化重整制氫110

5.1.4天然氣裂解制氫110

5.2氫氣提純技術110

5.2.1變壓吸附110

5.2.2高分子膜分離111

5.2.3鈀膜分離111

5.2.4化學法脫除CO112

5.3傳統制氫反應器的缺陷及新技術112

5.4新型天然氣制氫反應器113

5.4.1固定床膜反應器113

5.4.2CO2吸附鼓泡床反應器115

5.4.3鼓泡床膜反應器116

5.4.4循環流化床膜反應器118

5.4.5微通道反應器120

5.5天然氣制氫反應器的模擬120

5.6新反應器研發中的冷態模型實驗及放大123

5.6.1簡介123

5.6.2舉例：Grace等的內循環流化床膜反應器冷態模型研究123

符號表124

參考文獻125



能源篇

6天然氣發電130

6.1世界天然氣發電現狀130

6.1.1世界不同地區天然氣發電現狀130

6.1.2中國天然氣發電情況132

6.1.3國外利用天然氣發電情況133

6.2天然氣發電技術原理與特點134

6.2.1天然氣發電流程134

6.2.2天然氣發電的特點134

6.2.3天然氣發電原理及形式136

6.3天然氣發電經濟性分析139

6.3.1天然氣價格的影響139

6.3.2年運行時間的影響140

6.3.3年平均熱效率的影響140

6.4國外天然氣發電經驗及對中國的啟示143

6.4.1歐美國家天然氣發電經驗143

6.4.2日本和韓國天然氣發電的經驗144

6.4.3南美地區天然氣發電的經驗144

6.4.4中國天然氣發電的經驗和教訓145

6.5天然氣與分布式能源146

6.5.1分布式能源繫統概述146

6.5.2分布式能源繫統特點147

6.5.3分布式能源繫統設計原則149

6.6天然氣冷熱電三聯供技術及研究151

6.6.1冷熱電三聯供技術原理及特點151

6.6.2冷熱電三聯供繫統的主要組成153

6.6.3典型的冷熱電三聯供繫統介紹157

6.6.4冷熱電三聯供繫統優缺點分析162

6.6.5國內外冷熱電三聯供發展狀況166

6.6.6成功案例168

6.7液化天然氣（LNG）聯合循環發電繫統178

參考文獻179



交通篇

7天然氣在交通運輸業中的應用182

7.1天然氣燃料183

7.1.1天然氣理化性質183

7.1.2天然氣燃燒特性和辛烷值185

7.2天然氣燃料分類186

7.2.1CNG186

7.2.2LNG187

7.2.3LPG189

7.2.4ANG190

7.2.5NGH191

7.3天然氣汽車192

7.3.1天然氣汽車動力裝置發展狀況192

7.3.2天然氣汽車改裝194

7.3.3天然氣汽車安全性195

7.4天然氣汽車效益分析197

7.4.1環境效益分析197

7.4.2天然氣汽車經濟性分析202

7.5天然氣汽車的政策性206

7.6天然氣輪船209

7.6.1LNG貿易形勢209

7.6.2LNG船建造212

7.6.3LNG船的動力213

7.7天然氣飛機215

參考文獻215



城市燃氣篇

8城市燃氣218

8.1城市居民天然氣218

8.1.1城市燃氣現狀218

8.1.2城市天然氣應用及規劃225

8.1.3城市民用天然氣的特點及經濟性分析227

8.1.4城市民用天然氣輸配繫統230

8.2新用途234

8.2.1地板采暖繫統234

8.2.2燃氣干衣機235

8.2.3燃氣空調236

8.2.4燃氣熱泵237

8.2.5燃氣烘烤239

8.2.6燃氣煮飯煲240

8.2.7燃料電池240

8.2.8分布式冷熱電聯供繫統245

8.2.9千瓦級熱電聯產繫統246

參考文獻247



儲運篇

9天然氣的儲運250

9.1概述250

9.2天然氣管道輸送250

9.2.1天然氣長輸管道的特點與氣質指標251

9.2.2輸氣管道工藝及儲氣能力253

9.3液化天然氣儲運258

9.3.1LNG工廠和裝置類型258

9.3.2LNG生產工藝260

9.3.3LNG儲存262

9.3.4LNG運輸264

9.4壓縮天然氣儲運266

9.4.1壓縮天然氣(CNG)的特點和氣質指標266

9.4.2城鎮CNG供應繫統構成267

9.4.3CNG供應繫統的經濟配置268

9.4.4CNG加壓供氣工藝268

9.4.5CNG儲運裝置274

9.5吸附儲存天然氣276

9.5.1ANG技術的原理與特點276

9.5.2吸附劑278

9.5.3ANG儲罐282

9.5.4ANG技術應用284

9.6天然氣水合物儲運284

9.6.1NGH儲運基本原理和技術路線285

9.6.2NGH儲存和分解實驗室研究進展291

9.6.3NGH工業生產儲運案例300

9.6.4經濟分析與評價302

9.7液化石油氣儲運304

9.7.1LPG特點和組成304

9.7.2LPG儲存305

9.7.3LPG利用307

9.8天然氣儲氣庫310

9.8.1地下儲氣庫的功能及類型310

9.8.2地下儲氣庫的地質要求313

9.8.3地下儲氣庫的基本參數313

9.8.4地下儲氣庫設施315

9.8.5地下儲氣庫建設投資及運行費用317

參考文獻319



節能篇

10天然氣利用過程中的節能324

10.1天然氣冷能利用技術及研究324

10.1.1LNG冷能利用概況324

10.1.2LNG利用技術325

10.1.3LNG冷能集成利用工藝335

10.2天然氣壓力能利用技術及研究342

10.2.1天然氣壓力能潛能分析342

10.2.2天然氣壓力能利用工藝介紹343

10.2.3壓力能回收的主要設備349

參考文獻352



11天然氣與新能源354

11.1太陽能354

11.1.1太陽能利用概述354

11.1.2太陽能重整天然氣355

11.1.3太陽能熱裂解天然氣制氫和炭黑355

11.1.4電廠用天然氣重整359

11.1.5太陽能與天然氣混合加熱或制熱繫統360

11.2風能361

11.2.1風能利用概述361

11.2.2風電-燃氣輪機互補發電363

11.2.3目前中國風氣互補發電項目進展365

11.3地熱能365

11.3.1地熱能簡介365

11.3.2地熱能的利用366

11.4生物質能367

11.4.1生物質能概述367

11.4.2生物質能的利用368

11.4.3生物質原料制備生物天然氣368

11.4.4生物質天然氣的優勢369

11.4.5經濟效益和社會效益分析369

11.5氫能369

11.5.1天然氣制氫370

11.5.2天然氣制氫——加氫站建設370

11.5.3氫氣壓縮天然氣371

參考文獻374



索引376

前言

本書版自2012年出版以來，鋻於其對天然氣技術國內外進展較為全面的介紹，得到同行的認可和廣大讀者的歡迎。並榮獲2014年中國石油和化學工業聯合會科技進步三等獎和2014年中國石油和化學工業優秀出版物獎（圖書獎）一等獎。自20世紀以來，隨著世界範圍內石油資源的嚴重短缺，以天然氣代替石油成為當今世界調整能源結構、減少污染的一大趨勢。中國將要迎來天然氣黃金時代。“天然氣經濟效應”將推動我國的能源革命、環保革命、產業革命邁向一個嶄新的發展階段。為介紹國內外的進展，以及吸收廣大讀者對本書版提出的改進意見，對原書進行了必要的修訂補充後重新出版。此次修訂在版的基礎上做了如下改進：

完善了從源頭到產品的天然氣利用鏈條，新增了氣源篇；

增加了天然氣化工中近幾年的熱門研究，如天然氣制乙烯、天然氣制芳烴；

在保持原版材料和內容前提下，對分布式能源重新整理和編排：把冷熱電三聯供和分布式能源以及天然氣冷能利用進行了合並，移至第6章；

在原版的框架下，更新了天然氣水合物儲運和天然氣儲氣庫等章節的內容。

希望這些工作能使第二版的《天然氣利用新技術》一書更受歡迎。

全書分七大篇共十一章。篇氣源篇（第1章），介紹了天然氣的幾種主要來源，由王燕鴻負責編著，李璐伶參與。第二篇化工篇（第2章到第5章）。第2章介紹了傳統天然氣化工——合成氨、制甲醇、制烯烴和炔烴、制炭黑以及甲烷氯化物等技術。第3章和第4章將天然氣和石油化工、煤化工結合，介紹了天然氣制合成油、合成氣的基本原理、工藝以及發展前景。第5章對天然氣制氫技術進行了敘述，包括天然氣重整制氫、裂解制氫、現場制氫，以及其他利用天然氣制氫的新技術。由王燕鴻、郎雪梅、李剛負責編著與修訂。第三篇能源篇（第6章），介紹了天然氣發電技術和分布式能源，由王燕鴻和徐文東完成。第四篇交通篇（第7章），對天然氣作為替代能源在運輸業中的應用進行敘述，對不同類型的天然氣（CNG、LNG、LPG、ANG、NGH）在車用（船用、飛機用）燃料的技術性、經濟性上進行了比較，由樊栓獅負責編寫。第五篇城市燃氣篇（第8章）中主要闡述了城市天然氣的特點、規劃及輸配繫統，由劉建輝負責編著。第六篇儲運篇（第9章）中介紹了七種常規和非常規天然氣儲運方法的原理、特點，由樊栓獅、於馳、王盛龍負責編著和修訂。第七篇節能篇（第10、11章）探討了天然氣利用過程中的節能技術以及與其他新能源聯合使用技術，由徐文東和解東負責編寫。整書的統稿由王燕鴻和郎雪梅完成，樊栓獅審定。

在本書的編寫修訂過程中，得到了各章撰稿人和統稿人的大力支持，他（她）們為此付出了大量的辛勤勞動，在此對所有參與本書編寫的老師和同學表示感謝。感謝中國博士後科學基金（No.2019T120860）、國家自然科學基金（No.21736005）的大力支持。本書在編著過程中，考慮到知識的繫統性而引用了相關的文獻內容，在此對被引文獻的作者表示感謝。對所引用資料參考文獻中可能有所疏漏，也請作者和讀者給予諒解。



樊栓獅

2019年11月11日





版前言

石油是20世紀全球工業發展的主要能源，從20世紀下半葉起，天然氣在世界能源消費構成中的比重不斷上升。隨著世界範圍內石油資源的嚴重短缺，以天然氣代替石油是當今世界許多國家調整能源結構、減少污染的一大趨勢。作為石油的替代能源，天然氣更加清潔，而且世界天然氣儲量豐富，後備資源充足。國際上認為21世紀天然氣在能源消費中的比例應達到33%以上。目前，發達國家已經達到26%，而我國隻有3%左右。“天然氣經濟效應”將推動我國的能源、環保產業向一個嶄新的方向發展。

工業企業領域是天然氣消費的主要領域，也是天然氣消費的大用戶。有數據表明，發達國家在天然氣能源使用方面，民用不超過30%，工業用可達到70%。近年來，各工業發達國家和各大化學公司都積極開發與研究天然氣利用新技術。

筆者自1996年開始研究天然氣利用技術以來，先後受到中國石油科技中青年創新基金項目，中國科學院院長基金及重點項目，國家自然科學基金，國家“863”“973”項目以及廣東省及中海油等多個項目的資助。本書以筆者承擔的這些科研項目為基礎，結合國內外研究現狀，繫統而嚴謹地論述了天然氣利用的各項新技術。

本書由六大篇組成，共分10章。篇化工篇，由4章組成。第1章介紹了傳統天然氣化工——合成氨、制甲醇、制烯烴和炔烴、制炭黑以及甲烷氯化物等技術的國內外現狀、生產方法，並對其技術經濟性進行了分析。第2章和第3章將天然氣和石油化工、煤化工結合，介紹了天然氣制合成油、合成氣的基本原理、工藝及發展前景。第4章對天然氣制氫技術進行了敘述，包括天然氣重整制氫、裂解制氫、現場制氫，以及其他天然氣制氫的新技術。第二篇能源篇（第5章），主要介紹了天然氣發電技術，綜述了世界天然氣發電的現狀，在介紹天然氣發電的技術原理和特點基礎上探討了聯合循環發電，並分析了天然氣發電的經濟性和環境效應。第三篇交通篇對天然氣作為替代能源在運輸業中的應用進行闡述，對不同類型的天然氣（CNG、LNG、LPG、ANG、NGH）在車用（船用、飛機用）燃料的技術性、經濟性上進行了比較，為今後天然氣做替代燃料的應用打下基礎。城市燃氣篇中主要闡述了城市天然氣的特點、規劃及輸配繫統，分析了分布式能源的特點和分布式能源繫統的設計原則，並通過實際項目說明。儲運篇中通過對七種常規和非常規天然氣儲運方法原理、特點的介紹以及比較，對天然氣儲運技術的未來發展進行了展望，提出了各種天然氣儲運方面的技術壁壘。後的節能篇重點探討了天然氣利用過程中的節能技術，比如天然氣的冷能、壓力能利用，以及與其他新能源聯合使用技術。

本書涉及天然氣利用技術的方方面面。雖然開展天然氣利用技術的研究已有較長的時間，也有些成熟技術。但天然氣作為一種能源，具有極大的開發潛力和很好的應用前景，目前很多技術尚沒有具體的工業應用實例。由於我國西部和海洋的天然氣儲量非常豐富，開發天然氣利用的新技術對我國宏觀能源決策有著重要而迫切的現實意義。

本書在編著過程中，考慮到知識的繫統性而引用了相關的文獻內容，在此對被引文獻的作者表示感謝。



編著者

2012年1月