潘海寧，嚴榮松，趙自軍

（1.中國標準化研究院，北京 100191；2.國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，天津 300384）

煤制天然氣進入城市燃氣領域可行性研究

潘海寧1，嚴榮松2，趙自軍2

（1.中國標準化研究院，北京 100191；2.國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，天津 300384）

面對我國城市天然氣需求缺口的不斷增大，煤制天然氣（SNG）的產(chǎn)量逐年增加的現(xiàn)狀，將煤制天然氣作為補充氣源供應城市燃氣系統(tǒng)成為行業(yè)關注的焦點。而煤制天然氣能否在民用燃氣具上直接使用，成為煤制天然氣應用過程中最為關鍵的步驟。從國內(nèi)煤制天然氣產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，參照國外煤制天然氣產(chǎn)品質(zhì)量波動，研究給出了國內(nèi)生產(chǎn)的煤制天然氣氣質(zhì)組分的波動范圍。以此為基礎，對比氣質(zhì)的波動范圍與現(xiàn)行天然氣相關標準的一致性，評價煤制天然氣氣質(zhì)的適應性；對比煤制天然氣與現(xiàn)有天然氣在燃氣灶具、熱水器與采暖兩用爐的安全性、熱工性能和極端壓力工況下燃具排放性能等指標，評價燃具對煤制天然氣的適應性。研究結果表明，煤制天然氣產(chǎn)品滿足天然氣行業(yè)現(xiàn)行相關質(zhì)量標準的要求和燃氣可互換的規(guī)定，所有燃具在煤制天然氣氣氛下，燃燒性能穩(wěn)定、熱工性能和煙氣排放良好，給定的煤制天然氣能夠適應燃氣具的使用要求，在民用燃氣應用領域可以作為直接替代常規(guī)天然氣的氣源使用。

煤制天然氣；替代氣源；燃氣具；熱工性能；燃氣互換；適應性

隨著我國天然氣需求量的不斷增大，天然氣缺口逐年擴大，為煤制天然氣項目帶來了良好市場，煤制天然氣“十二五”期間首次列入國家天然氣發(fā)展規(guī)劃后，各地政府和企業(yè)也開展煤制天然氣項目規(guī)劃研究。2011年前，國家發(fā)展與改革委員會（發(fā)改委）核準4家煤制SNG項目，總產(chǎn)能151億m3/a。2013年初至2014年4月，發(fā)改委核準17家煤制SNG前期工作，總產(chǎn)能772億m3/a。目前還有60多個煤制SNG項目排隊等待審批。2014年《關于規(guī)范煤制油、煤制天然氣產(chǎn)業(yè)科學有序發(fā)展的通知》指出，適度發(fā)展煤制天然氣對保障國家能源安全、適度增加油氣替代、實現(xiàn)高效清潔利用具有重要意義。

《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》計劃2015年煤制天然氣產(chǎn)量為150億～180億m3。根據(jù)在建和擬建煤制天然氣項目進度，預計2015年我國煤制天然氣產(chǎn)能650億m3/a，產(chǎn)量180億m3[1]，不斷增長的產(chǎn)能使煤制天然氣作為替代氣源補充用于城市應用成為可能。《煤制合成天然氣》標準的研究制定，也進一步加快了煤制天然氣進入城鎮(zhèn)燃氣領域的步伐。但由于煤制天然氣其自身的組分與城市供應的常規(guī)天然氣有所不同，其物性參數(shù)與傳統(tǒng)天然氣有一定的差別，其能否進入城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)、在居民燃氣設備上的安全使用性能等問題均亟待研究。

本文綜合煤制天然氣氣質(zhì)與現(xiàn)行燃氣標準規(guī)定對比分析與煤制天然氣在下游燃氣用具（如家用燃氣灶、燃氣熱水器和燃氣采暖熱水爐）的燃燒穩(wěn)定性、熱工性能和極端壓力工況下燃具排放等指標的實驗室測試結果，研究煤制天然氣進入城鎮(zhèn)燃氣領域可行性。

1 研究用煤制天然氣氣質(zhì)波動范圍分析

據(jù)文獻與調(diào)研的資料顯示，與常規(guī)天然氣相比，煤制天然氣組分中含有少量氫氣，其主要組成見表1。

表1 煤制天然氣組成

正常的化工生產(chǎn)是存在異常波動情況的[2-3]，圖1為美國大平原煤制天然氣廠240周產(chǎn)品質(zhì)量曲線，從圖中可以看出煤制天然氣中的主要組分含量均存在一定的波動。氫氣體積分數(shù)一般在3%左中，最高達到5%，CO2體積分數(shù)最高達到2%左右。

圖1 美國大平原煤制天然氣廠240周產(chǎn)品質(zhì)量曲線

由于尚未完全掌握我國現(xiàn)有煤制天然氣廠的產(chǎn)品質(zhì)量情況，本文參照美國大平原煤制天然氣廠的產(chǎn)品質(zhì)量，考慮相關產(chǎn)品項目的產(chǎn)品質(zhì)量可能具有相似的波動狀況，給出兩組可能會出現(xiàn)的煤制天然氣的組分，包括一般質(zhì)量SNG1#與最低限值組分SNG2#，具體組分與氣質(zhì)參數(shù)見表2、表3。

表2 煤制天然氣原料氣組分

表3 煤制天然氣和12T天然氣基準氣氣質(zhì)參數(shù) （15℃，101.325kPa，干）

2 煤制天然氣氣質(zhì)與現(xiàn)行燃氣標準規(guī)定的對比分析

2.1 與GB/T 13611-2006的條款比較

《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》GB/T 13611-2006的4.3條文指出，城鎮(zhèn)燃氣的類別及特性指標應符合表4的規(guī)定。

表4 城鎮(zhèn)燃氣的類別及特性指標 （15℃，101.325 kPa，干）

我國城市燃氣供應一般以12T天然氣為主。12T天然氣基準氣的高華白數(shù)為50.73MJ/m3。選擇的界限氣華白數(shù)上限為黃焰和不完全燃燒界限氣，下限是脫火界限氣， 分別對應高華白數(shù)為54.78MJ/m3、45.67 MJ/m3，見表4。

相對于基準氣的上限高華白數(shù)波動值為：

相對于基準氣的下限高華白數(shù)波動值為：

即12T天然氣的高華白數(shù)允許波動范圍為：-9.97%～+7.98%。

依據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，與12T天然氣基準氣相比，SNG 1#的高華白數(shù)偏差為-3.6%，SNG 2#的高華白數(shù)偏差為-6.6%，可能會造成燃具的熱負荷降低。

12T天然氣基準氣的燃燒勢為40.30，其允許波動范圍為36.3～69.3。SNG 1#、SNG 2#的燃燒勢分別為40.06、44.0，在標準允許波動范圍內(nèi)。

結合煤制天然氣氣質(zhì)特性指數(shù)與GB/T 13611-2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》對12T天然氣的要求，繪制圖2。

圖2 12T天然氣和煤制天然氣的華白數(shù)與燃燒勢

給定的煤制天然氣組分的氣質(zhì)指標在12T天然氣規(guī)定范圍內(nèi)，符合GB/T 13611-2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》中12T天然氣的技術指標要求。

2.2 與《天然氣》GB17820-2012條款比較

GB17820-2012中指出天然氣指標中一類、二類氣可用作民用燃料，天然氣技術指標見表5。

表5 天然氣技術指標（GB17820-2012）

GB17820-2012中的5.4條文指出，作為城鎮(zhèn)燃氣的天然氣，其分類和基本特性應符合GB/T13611。表6給出了煤制天然氣在20℃，101.325kPa參比條件下的氣質(zhì)參數(shù)。

表6 煤制天然氣氣質(zhì)參數(shù)（20℃，101.325 kPa，干）

對比《天然氣》GB17820-2012產(chǎn)品分類和技術要求、輸送和使用規(guī)定，給定SNG 1#氣高熱值為36.1MJ/m3，大于36.0MJ/m3，符合GB17820中一類天然氣的技術指標；SNG 2#氣高熱值為34.7MJ/m3，大于31.4MJ/m3，符合二類天然氣技術指標。

2.3 與《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB 50028-2006條款比較

《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB 50028-2006的3.2.1條文指出，城鎮(zhèn)燃氣質(zhì)量指標應符合下列要求：

(1)城鎮(zhèn)燃氣（應按基準氣分類）的發(fā)熱量和組分的波動應符合城鎮(zhèn)燃氣互換的要求；

(2)城鎮(zhèn)燃氣偏離基準氣的波動范圍宜按現(xiàn)行的國家標準 《城市燃氣分類》GB/T 13611的規(guī)定采用，并應適當留有余地。

對比《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB 50028-2006中的燃氣質(zhì)量規(guī)定，給定煤制天然氣組分的氣質(zhì)符合相關條款的要求。

綜上所述，給定煤制天然氣產(chǎn)品質(zhì)量指標滿足天然氣行業(yè)現(xiàn)行相關質(zhì)量標準和燃氣可互換的規(guī)定。

3 煤制天然氣燃具適應性分析

3.1 燃氣具的安全適應性

燃氣具的安全適應性主要是考校天然氣燃氣具在使用煤制天然氣時，其點火、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放等性能[4]，主要測試燃氣具的火焰是否出現(xiàn)脫火、回火現(xiàn)象，以及排放的煙氣各指標是否在標準要求的范圍內(nèi)。在測試過程中，使用12T天然氣基準氣和給定的煤制天然氣 （SNG 1#、SNG 2#），燃氣具的點火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放等性能測試結果見表7～表9。其中，表7為燃氣采暖熱水爐在使用12T天然氣基準氣與煤制天然氣時的安全適應性測試結果。

表7 測試用燃氣采暖熱水爐安全適應性

表8 測試用燃氣熱水器安全適應性

表9 測試用燃氣灶具安全適應性

使用12T天然氣基準氣在8臺燃具上測試的結果，其點火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放等安全適應性指標均滿足標準規(guī)定的技術要求；在燃具不做任何調(diào)整情況下，再以煤制天然氣為氣源測試，結果表明：煙氣中CO排放量與使用12T天然氣基準氣測試相當，燃具的點火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放等各項安全適用性指標均合格。

3.2 燃氣具的熱工性能適應性

燃氣具的熱工性能適應性測試，主要考校的是燃具的能效表現(xiàn)情況。在測試過程中，使用12T天然氣基準氣和煤制天然氣時，8臺燃具熱工性能測試結果見表10～表12。

表10 采暖熱水爐的熱工性能測試

表11 燃氣熱水器的熱工性能測試

表12 燃氣灶具的熱工性能測試

在進行煤制天然氣測試的8臺燃具，各項熱工性能均合格。

3.3 極端壓力工況下燃具排放指標測試

GB50028要求室內(nèi)燃氣管道設計時，燃氣供應壓力應根據(jù)用戶設備燃燒器的額定壓力及其允許的壓力波動范圍確定。家用天然氣燃氣器具的一般壓力波動范圍為1.0kPa～3.0kPa，采暖熱水爐壓力波動范圍為1.5kPa～3.0kPa。因此，為了測試燃具的燃燒排放安全性，對極端壓力工況下燃具排放指標進行了測試，測試結果見表13～表15。

表13 極端壓力工況下采暖熱水爐排放指標

在極端壓力工況下，對比分析12T天然氣基準氣和煤制天然氣測試的結果顯示，相同壓力工況下，測試燃具在使用煤制天然氣時的整體排放指標與使用12T天然氣的排放指標相當。

表14 極端壓力工況下熱水器排放指標

表15 極端壓力工況下灶具排放指標

3.4 測試結果分析

綜上所述，通過對8臺燃氣具進行12T天然氣基準氣和煤制天然氣測試，結果顯示所有燃具在煤制天然氣氣氛下，燃燒性能穩(wěn)定、熱工性能和煙氣排放良好，給定的煤制天然氣能夠適應燃氣具的使用要求。

4 結論

基于市場調(diào)研與文獻資料，研究整理了可能出現(xiàn)的煤制天然氣波動范圍，并進行相應的理論與試驗研究，形成以下結論：

(1)與現(xiàn)行燃氣標準規(guī)定的對比分析發(fā)現(xiàn)，給定煤制天然氣產(chǎn)品質(zhì)量指標滿足天然氣行業(yè)現(xiàn)行相關質(zhì)量標準和燃氣可互換的規(guī)定。

(2)依據(jù)現(xiàn)行國家標準實驗，確認煤制天然氣在常規(guī)天然氣燃氣具上直接應用，不存在明顯改變?nèi)細饩甙踩⒐?jié)能和技術性能等既有狀況的現(xiàn)象。

[1]桑建新.我國煤制天然氣現(xiàn)狀和未來產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展[J].煤炭經(jīng)濟研究,2013,33(10):27-32.

[2]賈承造，張永峰，趙霞.中國天然氣工業(yè)發(fā)展前景與挑戰(zhàn)[J].天然氣工業(yè),2014,32(2):1-11

[3]U.S.Department of Energy Office of Fossil Energy. Practical experience gained during the first twenty years of operation of the great plains gasification plant and implications for future projects[R].Washington:U.S. Department of Energy,2006:1-15.

[4]同濟大學，重慶建筑大學，哈爾濱建筑大學，等.燃氣燃燒與應用 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000:203-250.

Feasibility research on synthetic natural gas in city gas domain

PAN Hai-ning1，YAN Rong-song2，ZHAO Zi-jun2
(1.China National Institute of Standardization,Beijing 100191,China; 2.China Quality Supervising and Test Center Appliances(CGAC),Tianjin 300384,China)

In face of the shortage of natural gas supplement and the growth of synthetic natural gas(SNG)production capability, SNG became the focus of city gas industry as an alternative source to supply the city gas system,and whether the SNG could be used directly on domestic gas appliances would be the most critical factor in the process of application.Combining with the domestic SNG quality and abroad SNG quality fluctuation,the range of components of the domestic SNG was given,based on which,the adaptability of SNG was evaluated by contrasting the range of components of the domestic SNG with the requirements of components of current natural gas related standards,and the adaptability of gas appliances to SNG was estimated by comparing the SNG with 12T natural gas on the safety,thermal performance and the emissions at extreme pressure conditions in the testing on the gas cooker, water heater and gas-fired heating and hot water combi-boiler.The results showed that the SNG could meet the requirements of current natural gas related standards and the provisions of the gas interchangeable,and the combustion performance,thermal performance and emissions for all appliances were good,which indicated that SNG was applicable to all gas appliances and could be used directly in city gas domain.

synthetic natural gas;alternative source;gas appliances;thermal performance;gas interchangeability;adaptability

TQ549

：B

：1001-9219(2015）01-65-06

2014-12-17；

：中國標準化研究院院長基金項目（項目編號262014Y-3343）；

：潘海寧(1973-)，電話 010-58811800，電郵 panhn@cnis.gov.cn。