合成气（CO+H2）是有机原料之一，也是氢气和一氧化碳的来源。合成气（Syngas）系指一氧化碳和氢气的混合气。合成气中 H2与 CO 的比值随原料和生产方法的不同而异，其 H2/CO 的摩尔比为 1/2 至 3/1。合成气是有机合成原料之一，也是氢气和一氧化碳的来源，在化学工业中有着重要作用。制造合成气的原料多样，许多含碳资源如煤、天然气、石油馏分、农林废料、城市垃圾等均可用来制造合成气。利用合成气可以转化成液体和气体燃料、大宗化学品和高附加值的精细有机合成产品，实现这种转化的重要技术是 C1化工技术（凡包含一个碳原子的化合物，如 CH4、CO、CO2、HCN、CHOH 等参与反应的化学，称为 C1 化学，涉及 C1 化学反应的工艺过程和技术称为 C1化工）。自从 20 世纪 70 年代后期以来，C1化工得到世界各国较大重视，以天然气和煤炭为基础的合成气转化制备化工产品的研究广泛开展。变换反应进一步调节合成气（CO+H2）中的碳氢比，是工业制氢的重要反应。水煤气变换反应(water gas shift，英文缩写 WGS)，是以 CO 和H2O 为原料，在催化剂的作用下生成 H2 和 CO2的过程。该反应是工业制氢过程中的一个重要反应，亦可用于调节合成气加工过程中的 H2/CO 比例，在合成氨、合成甲醇等传统工业领域及燃料电池领域均有广泛应用。一氧化碳变换反应是可逆放热反应，而且反应热随温度升高而减小。
变换过程要看对合成气具体使用目的来决定取舍。变换是 CO 和 H2O 反应生成 H2 和 CO2 的过程，可增加 H2 量，降低 CO 量，当需要 CO 含量高时，应取消变换过程，当需要 CO 含量低时，则要设置变换过程。如果只需要 H2 而不需要 CO 时，需设置高温变换和低温变换以及脱除微量CO的过程。
表1：由合成气合成一些有机物所需要的 H2 与 CO 摩尔比
资料来源：米镇涛《化学工艺学》，海通证券研究所
合成气主要有煤制，天然气制，和油制三种生产方法。合成气分为三种方法，分别为以煤为原料的生产方法，以天然气为原料的生产方法，以重油或渣油为原料的生产方法。（1）以煤为原料的生产方法。有间歇和连续操作两种方式。连续式生产效率高，技术较先进，它是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，这样的过程称为煤的气化。因为煤中氢含量相当低，所以煤制合成气中 H2/CO 比值较低，适于合成有机化合物。（2）以天然气为原料的生产方法。主要有转化法和部分氧化法。目前工业上多采用水蒸气转化法，该方法制得的合成气中 H2/CO 比值理论上为 3，有利于用来制造合成氨或氢气；用来制造其他有机化合物时（例如甲醇、醋酸、乙烯、乙二醇等），比值需要再加调整。（3）以重油或渣油为原料的生产方法。主要采用部分氧化法，即在反应器中通入适量的氧和水蒸气，使氧与原料油中的部分烃类燃烧，放出热量并产生高温，另一部分烃类则与水蒸气发生吸热反应而生成 CO 和 H2，调节原料中油、 H2O 与 O2的相互比例，可达到自热平衡而不需要外供热。合成气主要应用于合成氨，合成甲醇等。工业合成气主要应用于合成氨，合成甲醇，合成醋酸，烯烃的氢甲酰化产品，合成天然气、汽油和柴油等。其中，合成气制甲醇，再由甲醇制乙烯，是煤制烯烃的主要途径。（1）合成氨。合成氨工艺由含碳原料与水蒸气、空气反应制成含 H2和 N2 的粗原料气，再经精细地脱除各种杂质，得到 H2:N2 体积比为 3:1 的合成原料气，使其在400-450℃、8-15MPa 及铁催化剂条件下进行。氨的最大用途是制氮肥，氨还是重要的化工原料，它是目前世界上产量最大的化工产品之一。（2）合成甲醇。将合成气中 H2/CO 的摩尔比调整为 2.2 左右，在 260-270℃，5-10MPa 及铜基催化剂作用下可以合成甲醇。甲醇可用于制醋酸、醋酐、甲醛、甲酸甲酯、甲基叔丁基醚（MTBE）等产品。（3）合成其他产品。合成醋酸：首先将合成气制成甲醇，再将甲醇与 CO 基化合成醋酸。合成烯烃的氢甲酰化产品：烯烃与合成气或一定配比的 CO 及 H2 在过渡金属配位化合物的催化作用下发生加成反应，生成比原料烯烃多一个碳原子的醛。合成天然气：在镍催化剂作用下，合成气进行甲烷化反应，生成甲烷，称之为合成天然气（SNG），热值比CO 和 H2 高。
图3：由合成气为原料生产的主要化工产品
资料来源：米镇涛《化学工艺学》，海通证券研究所整理
煤是由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成。由于成煤过程的时间不同，有泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤之分。按质量分数计，泥煤含碳量为 60%-70%，褐煤含碳量为70%-80%，烟煤含碳量为 80%-90%，无烟煤含碳量高达 90%-93%。煤中氢和氧元素的含量顺序是：泥煤>褐煤>烟煤>无烟煤。煤的综合利用可同时为能源、化工和冶金提供有价值的原料。
煤化工加工路线主要有以下几种。
（1）煤干馏（coal carbonization）。是在隔绝空气条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气的过程。煤干馏过程又分为煤的高温干馏和煤的低温干馏两类。煤的高温干馏（炼焦）：在炼焦炉中隔绝空气于 900-1100℃进行的干馏过程。产生焦炭、焦炉气、粗苯、氨和煤焦油等。煤的低温干馏：在较低终温（500-600℃）下进行的干馏过程，产生半焦、低温焦油和煤气等产物。煤干馏也是工业副产氢的来源。
（2）煤气化（coal gasification）。是指在高温（900-1300℃）下使煤、焦炭或半焦等固体燃料与气化剂反应，转化成主要含有 H2、CO 等气体的过程。生成的气体组成随固体燃料性质、气化剂种类、气化方法、气化条件的不同而有差别。气化剂主要是水蒸气、空气或氧气。煤干馏制取化工原料只能利用煤中一部分有机物质，而气化则可利用煤中几乎全部含碳、氢的物质。煤气化生成的 H2 和 CO 是合成氨、合成甲醇以及 C1 化工的基本原料，还可用来合成甲烷，称为替代天然气（SNG），可作为城市煤气。煤气化是化石能源制氢的主要来源之一。
（3）煤液化（coal liquefaction）。可分为直接液化和间接液化两类过程。煤的直接液化是采用加氢方法使煤转化为液态烃，所以又称为煤的加氢液化。液化产物亦称为人造石油，可进一步加工成各种液体燃料。加氢液化反应通常在高压高温下，经催化剂作用而进行。氢气通常用煤与水蒸气汽化制取。煤的直接液化氢耗高、压力高，因而能耗大，设备投资大，成本高。煤的间接液化是预先制成合成气，然后通过催化剂作用将合成气转化为烃类燃料、含氧化合物燃料。
图4：煤化工工艺链上的氢气足迹
资料来源：米镇涛《化学工艺学》，海通证券研究所整理
煤气化技术是煤炭清洁转化的核心和关键技术。中国的化石能源以煤为主，天然气资源稀缺，目前氢气的来源也是以煤制氢为主（以煤气化为主）。煤制氢技术包括煤的焦化制氢和煤的气化制氢。煤的焦化是在制取焦炭过程中，焦炉煤气作为副产品，含氢量约 60%（体积分数）。煤焦化所得的煤气，目前大多作为城市煤气使用。煤气化制氢在我国主要作为生产原料气用于合成氨的生产；近些年来，煤气化的原料气向合成甲醇、二甲醚、醋酐和醋酸等方向发展。我国每年约有 5000 万吨煤炭用于气化。在各种煤转化技术中，特别是开发洁净煤技术中，煤的气化是最有应用前景的技术之一。煤气化技术是煤炭清洁转化的核心和关键技术。煤气化过程中碳与水蒸气反应产生H2，该反应为煤制氢工艺的关键。煤的气化过程是热化学过程。它是以煤或焦炭为原料，以氧气、水蒸气等为气化剂，在高温条件下，通过化学反应把煤或焦炭中的可燃部分转化为气体的过程。这些反应中，碳与水蒸气反应的意义最大，它参与各种煤气化过程，此反应为强吸热过程。碳与二氧化碳的还原反应也是重要的气化反应。气化生成的混合气称为水煤气。以上反应总过程为强吸热反应。煤气化的生产方法及主要设备。煤气化过程需要吸热和高温，工业上采用燃烧煤来实现。气化过程按操作方式来分有间歇式和连续式，前者的工艺较后者落后，现在逐渐被淘汰。目前最通用的分类方法是按反应器分类，分为固定床（移动床）、流化床、气流床和熔融床。至今熔融床还处于中试阶段，而固定床（移动床）、流化床和气流床是工业化或建立示范装置的方法。资料来源：Hydrogen as an Energy Source，DAC，海通证券研究所
天然气的主要成分是甲烷，甲烷含量高于 90%的天然气称为干气，C2-C4烷烃含量在 15%-20%或以上的天然气称为湿气，天然气与石油共生称为油田伴生气。我国已有陕甘宁、新疆地区、四川东部三个大规模气区，此外，煤矿中吸附在煤上的甲烷（煤层气）、海上油田天然气等，储量也非常客观。天然气的热值高、污染少，是一种清洁能源，在能源结构中的比例逐年提高。（1）天然气制氢气和合成氨。2021 年从消费结构看，工业用气占天然气消费总量的 40%；发电用气占比 18%；城市燃气占比 32%；化工化肥用气占比 10%。天然气在化工领域的用途是制造氨和氮肥，尿素是当今世界上产量最大的化工产品之一。氨也是制造硝酸及许多无机和有机化合物的原料。由天然气制氢是当前工业制氢的主要工艺之一。目前工业上由天然气制氢气的技术主要有蒸汽转化法和部分氧化法。
图6：2021 年中国天然气需求结构
资料来源：自然资源部《中国自然资源报》，海通证券研究所
图7：2021 年中国 LNG 需求结构
资料来源：百川盈孚，海通证券研究所
（2）天然气经合成气路线的催化转化制燃料和化工产品。由天然气制造合成气（CO+H2），再由合成气合成甲醇开创了廉价制取甲醇的生产路线。以甲醇为基本原料，可合成汽油、柴油等液体燃料和醋酸、甲醛、甲基叔丁基醚等一系列化工产品。合成气还可以经过改良费托合成制汽油、煤油、柴油等。合成气直接催化转化为低碳烯烃、乙二醇的工艺正在开发。（3）天然气直接催化转化成化工产品。天然气中甲烷直接在催化剂作用下进行选择性氧化，生成甲醇和甲醛；在有氧或无氧条件下催化转化成芳烃，甲烷催化氧化偶联生成乙烯、乙烷等。（4）天然气热裂解制化工产品。天然气在 930~1230℃时，裂解生成乙炔和炭黑。从乙炔出发可制氯乙烯、乙醛、醋酸、氯丁二烯、1，4-丁二醇、1，4-丁炔二醇、甲基丁烯醇、醋酸乙烯、丙烯酸等乙炔化工产品。炭黑作橡胶的补强剂和填料，也是油墨、电极、电阻器、炸药、涂料、化妆品的原材料。（5）甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制化工产品。可分别制得甲烷的各种衍生物例如氯代甲烷、硝基甲烷、氢氰酸、二硫化碳等。（6）湿性天然气 C2-C4 烷的利用。湿性天然气中C2-C4可深冷分离出来，是优良的制取乙烯、丙烯的热裂解原料，许多国家都在提高湿性天然气在制取烯烃原料中的比例。
图8：天然气化工工艺链上的氢气足迹
资料来源：米镇涛《化学工艺学》，海通证券研究所整理
天然气水蒸气转化法为天然气制合成气的技术的主要方法。天然气中甲烷含量一般大于 90%，其余为少量的乙烷、丙烷等气态烷烃，有些还含有少量氮和硫化物。其他含甲烷等气态烃的气体，如炼厂气、焦炉气、油田气和煤层气等均可用来制造合成气。目前工业上由天然气制合成气的技术主要有蒸汽转化法和部分氧化法。其中，蒸汽转化法为天然气制合成气的技术的主要方法。
转化过程中甲烷与水蒸气反应产生 H2，该反应为制氢工艺的关键。蒸汽转化法是在催化剂存在及高温条件下，使甲烷等烃类与水蒸气反应，生成 H2、CO 等混合气，该反应为强吸热反应，需要外界供热。此法技术成熟，目前广泛应用于生产合成气、纯氢气和合成氨原料气。甲烷水蒸气转化反应必须在催化剂存在下才有足够的反应速率。倘若操作条件不适当，析碳反应严重，生成的碳会覆盖在催化剂内外表面，致使催化活性降低，反应速率下降。析碳更严重时，床层堵塞，阻力增加，催化剂毛细孔内的碳遇水蒸气会剧烈汽化，致使催化剂崩裂或粉化，迫使停工，经济损失巨大。所以，对于烃类蒸汽转化过程要特别注意防止析碳。资料来源：A Review of the CFD Modeling of Hydrogen Production in Catalytic Steam Reforming Reactors，Nayef Ghasem，海通证券研究所整理
煤炭原料成本为 4.75 元/kg H2；仅天然气原料成本为 10.08 元/kg H2。我们计算得出：当前煤炭价格为 950 元/吨，生产 1 吨氢气，仅煤炭原料成本为 4750 元；生产 1kg氢气，仅煤炭原料成本为 4.75 元；标准状态下氢气密度 0.089 kg/m3，生产 1 m³H2仅煤炭原料成本为 0.423 元。标准状态下天然气密度 0.717 kg/m3，当前天然气价格为 3 元/m³，生产 1kgH2 仅天然气原料成本为 10.08 元；标准状态下氢气密度 0.089 kg/m3，生产 1 m³H2仅天然气原料成本为 0.897 元。成本假设：（1）天然气到厂价为 3 元/m3，煤炭 950 元/t。（2）氧气外购 0.5 元/m3；3.5MPa 蒸汽 100 元/t，1.0MPa 蒸汽 70 元/t；新鲜水 4 元/m3；电 0.56 元/kW·h。（3）煤制氢采用水煤浆技术，建设投资 12.4 亿元、天然气制氢建设投资 6 亿元。人员费用统一。装置 10 年折旧后残值 5%；修理费 3％/a，财务费用按建设资金 70%贷款，年利率按 5%计。（4）比较范围为装置界区内，建设投资不含征地费以及配套储运设施。该假设下，我们通过计算得出：煤制氢成本为 11.5 元·kg-1，天然气制氢成本为 15.6元·kg-1。即在煤炭价格为 950 元/t，天然气价格为 3 元/m³ 时，煤制氢成本明显低于天然气制氢成本。
资料来源：张彩丽《煤制氢与天然气制氢成本分析及发展建议》，海通证券研究所测算
由上述，我们得出经验公式：
其中，y 为单位质量制氢成本（元/kg）；x 为煤炭价格（元/吨）;其中，y 为单位质量制氢成本（元/kg）；x 为天然气价格（元/ m3）由下图看出，煤制氢成本随煤价增加而增长较慢，天然气制氢成本随气价升高而增长较快，且天然气制氢成本整体高于煤制氢成本。图10：煤制氢成本、天然气制氢成本随煤炭价格、天然气价格变化关系
2023 年，我国将“推进煤炭清洁高效利用和技术研发，加快建设新型能源体系”列入两会政府工作报告工作重点。我国富煤贫油少气的能源资源禀赋特点决定了煤炭的主体能源地位短期内不会发生根本性变化。2022 年，我国煤炭消费超 40 亿吨，在一次能源消费中占比仍高达 56.2%，同比+0.3 个百分点。煤炭利用产生的碳排放约占化石能源消费碳排放 70%以上。当前形势下，加快煤炭清洁高效利用是支撑能源转型、确保国家能源安全和实现―双碳‖目标的必然选择和坚强基石。
实现煤炭清洁高效利用主要分为两个维度。从源头上，需积极推动煤炭发电向清洁低碳和灵活高效转型。如现役机组的“三改联动”和新建高参数大容量机组，从而进一步提升煤电清洁高效发电能力，同时满足经济快速发展过程中对电力的需求。从治理上来说，需大力开展超低排放和减污降碳技术研发。
文章来源：海通证券行业专题报告
