天然气因其清洁低碳的属性受到世界各国普遍重视。在未来30年内,天然气的消费量还会继续上升。目前,天然气主要用于制甲醇、制取合成氨、制乙炔、制氢、产电、制油等。氢能清洁高效、燃烧热值高,是世界上最清洁的能源,电能是当今“电气时代”不可或缺的能源,此外,我国贫油的能源特点导致对外依存度高,为此,以天然气为原料,以氢能、电能、油品为目标产物,成为天然气利用的研究重点。天然气主要通过燃烧的方式被利用,相较于传统的直接燃烧方式,化学链技术是一种新型的燃烧技术,可有效提高能量利用率,并减少环境污染。本文以天然气为原料,结合联产系统特点及化学链技术优势,提出四种不同工艺流程来研究天然气的利用途径:常规天然气水蒸气重整氢电联产工艺(工艺Ⅰ)、基于化学链的天然气产电工艺(工艺Ⅱ)、基于化学链的天然气氢电联产工艺(工艺Ⅲ)、基于化学链的天然气制氢电油联产工艺(工艺Ⅳ),并将不同工艺进行对比研究。利用Aspen Plus对四种工艺进行建模及模拟,研究了重整反应器中水蒸气与制氢天然气进料摩尔比、水汽变换反应器中水蒸气与制氢天然气进料摩尔比、铁基氧载体的进料温度及流量、燃料反应器压力、蒸汽反应器内水蒸气的进料量、H2进入逆水汽变换反应器中分率、费托合成反应器温度、未反应气循环率对系统性能的影响。通过灵敏度分析和关键参数优化,得到系统的热力学性能结果:工艺Ⅰ产氢效率为62.80%,产电效率为3.76%,系统总能量效率为66.56%,系统(?)效率为62.36%;工艺Ⅱ系统效率为62.44%,(?)效率为59.10%;工艺Ⅲ产氢效率为76.48%,产电效率为3.51%,系统总能量效率为79.99%,(?)效率为75.88%;工艺Ⅳ产氢效率为32.24%,产电效率为18.30%,产油效率为24.82%,系统能量总效率为75.36%,(?)效率为71.56%。对四种工艺热力学效率性能对比分析,得出结论:(1)工艺Ⅲ联产系统总能量效率和(?)效率均高于单产系统(工艺Ⅱ),即联产系统优于单产系统;(2)基于化学链的天然气产电工艺(工艺Ⅱ)能量效率高于常规IGCC发电效率,基于化学链燃烧技术的天然气利用联产工艺(工艺Ⅲ)效率高于常规天然气水蒸气重整氢电工艺(工艺Ⅰ),体现了化学链技术的优越性;(3)工艺Ⅲ、工艺Ⅳ均为联产系统且结合了化学链技术,两者总效率及(?)效率均较高,而工艺Ⅳ不仅能产出部分油品,并能捕集、利用CO2,对缓解石油危机及实现CO2减排具有积极意义。