煤制氣質(zhì)量指標(biāo)比較分析①

邢承治 胡兆吉 郝 鵬 祝逢棟

(1.中海油新能源投資有限責(zé)任公司 2. 南昌大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 3.伊犁新天煤化工有限公司)

我國(guó)能源資源結(jié)構(gòu)的基本特征是“富煤、少油、貧氣”。在天然氣消耗量增勢(shì)持續(xù)攀升及分布嚴(yán)重失衡的形勢(shì)下，天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中正在實(shí)現(xiàn)由配角向主角的逐步轉(zhuǎn)變。研究報(bào)告預(yù)計(jì)，“十二五”期間，年均新增天然氣消費(fèi)量超過(guò)200×108m3，天然氣消費(fèi)量到2015年將達(dá)到2 300×108m3[1]，2020年將超過(guò)3 700×108～4 000×108m3，市場(chǎng)缺口將達(dá)到900×108m3。將富煤地區(qū)的煤炭資源就地轉(zhuǎn)化成清潔燃?xì)?，?jīng)管道長(zhǎng)輸供氣將成為繼煤炭發(fā)電、煤制油、煤制烯烴之后煤化工領(lǐng)域的又一重要戰(zhàn)略選擇。截至2013年6月，國(guó)內(nèi)獲批或在建煤制氣項(xiàng)目達(dá)10余個(gè)，合計(jì)產(chǎn)能接近500×108m3/a。不同于天然氣，煤制氣是煤氣凈化后通過(guò)高溫完全甲烷化而得，C2及以上烴類、硫化物、O2在高溫甲烷化過(guò)程中被轉(zhuǎn)化吸收殆盡，殘留微量的CO2和極微量的惰性氣體(N2+Ar)，主要成分CH4的含量高于傳統(tǒng)天然氣，其氣體組分、發(fā)熱量的不同造成沃泊指數(shù)、燃燒勢(shì)上的差異，這給煤制氣的并網(wǎng)及終端燃具的互換性匹配造成一定的影響。本文采用目前國(guó)內(nèi)在建煤制氣項(xiàng)目中煤制氣質(zhì)量指標(biāo)較低的數(shù)據(jù)，從氣體成分、發(fā)熱量、互換性指標(biāo)及水露點(diǎn)方面對(duì)煤制氣及天然氣進(jìn)行綜合比較分析，旨在研究煤制氣與天然氣互換性及并網(wǎng)輸氣存在的問(wèn)題，為煤制氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的編制提供了一定的分析基礎(chǔ)。

1 氣體組分的比較分析

迄今，世界上唯一商業(yè)化運(yùn)行的煤制氣工廠是美國(guó)大平原煤氣化廠(Great Plain Gasification Plant,以下簡(jiǎn)稱GPGP)，位于美國(guó)西北的Dakota州，1980年7月動(dòng)工，1984年4月完工并投入試運(yùn)轉(zhuǎn)，1984年7月28日并網(wǎng)送氣，迄今已運(yùn)行近30年，其建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)給國(guó)內(nèi)在建或規(guī)劃的煤制氣項(xiàng)目提供了良好的借鑒[2]。其煤制氣成分指標(biāo)也為煤制氣項(xiàng)目煤制氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的確定提供了寶貴的參考。GB 17820-2012《天然氣》及GB/T 13611-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴肥悄壳皣?guó)內(nèi)天然氣最新的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，是煤制氣并網(wǎng)最重要的參考依據(jù)。另外，我國(guó)天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展健全，逐漸與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，ISO 13686-1998《天然氣質(zhì)量指標(biāo)》也是煤制氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定的重要參考依據(jù)[3-4]。

以下對(duì)國(guó)內(nèi)某煤制氣項(xiàng)目煤制氣組分與GB 17820-2012、ISO 13686-1998、GPGP的煤制氣組分指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

(1) 國(guó)內(nèi)某煤制氣項(xiàng)目煤制氣中CH4體積分?jǐn)?shù)最低為94%，高于ISO 13686-1998的最低指標(biāo)(體積分?jǐn)?shù)78.2%)，接近于GPGP生產(chǎn)的煤制氣中CH4體積分?jǐn)?shù)(設(shè)計(jì)值為95.3%)，這與煤制氣完全甲烷化的特點(diǎn)相吻合。

表1 煤制氣與天然氣組分指標(biāo)對(duì)比一覽表

(2) 煤制氣中CO2、CO及H2含量與甲烷化進(jìn)氣模數(shù)M直接相關(guān)，煤制氣進(jìn)氣模數(shù)M推導(dǎo)基于以下甲烷化方程的反應(yīng)平衡[5]：

3H2+CO=CH4+H2O

4H2+CO=CH4+2H2O

2H2+O2=2H2O

2H2+C2H4=2CH4

H2+C2H6=2CH4

根據(jù)以上反應(yīng)平衡，所需H2的物質(zhì)的量的關(guān)系式為：

H2=3CO+4CO2+2O2+2C2H4+C2H6

H2-CO2+O2+C2H4+2C2H6=3(CO+CO2+

O2+C2H4+C2H6)

模數(shù)的定義式為：

若模數(shù)值偏低，則CO及CO2含量過(guò)高，未反應(yīng)的CO以CO或CO2的形式殘留在煤制氣中，導(dǎo)致CO或CO2含量偏高。為了提高煤制氣的品質(zhì)，國(guó)內(nèi)某煤制氣項(xiàng)目煤制氣組分中擬定CO體積分?jǐn)?shù)低于100×10-6，CO2體積分?jǐn)?shù)低于1%。

若模數(shù)值偏高，則原料氣中H2含量過(guò)高，會(huì)造成在煤制氣組分中H2含量偏高。GPGP確定煤制氣中H2體積分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)值不高于6.5%，而生產(chǎn)運(yùn)行中H2體積分?jǐn)?shù)維持在4%左右，國(guó)內(nèi)某煤制氣項(xiàng)目擬定煤制氣中H2體積分?jǐn)?shù)<4%，充分借鑒了GPGP多年的運(yùn)行數(shù)值。

(3) 煤制氣中H2含量偏高會(huì)給長(zhǎng)途管道的輸送造成一定影響，參照納爾遜曲線，經(jīng)與天然氣輸送管道設(shè)計(jì)公司確認(rèn)，體積分?jǐn)?shù)為5%以下的H2在常溫、10 MPa(G)總壓下對(duì)管道的臨氫影響可忽略不計(jì)，這在GPGP 近30年的并網(wǎng)管道輸送中得到了充分驗(yàn)證。

(4) CO2含量偏高也會(huì)給煤制氣長(zhǎng)途管道的輸送造成一定困難。如果長(zhǎng)輸管道溫度低于水露點(diǎn)，則會(huì)發(fā)生凝析酸性腐蝕現(xiàn)象。壓縮干燥的設(shè)計(jì)中必須充分考慮輸送壓力下的水露點(diǎn)問(wèn)題，控制煤制氣長(zhǎng)輸管道中水含量，避免露點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。GB 17820-2012規(guī)定一類天然氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)不高于2%，也表明如果將水分控制到一定的水平，煤制氣中CO2的含量不會(huì)造成長(zhǎng)輸管道的酸性腐蝕而影響管道的安全使用壽命。

(5) 煤制氣是高溫甲烷化合成產(chǎn)品。C2及以上烴類、O2在高溫甲烷化過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)化成CH4和水，而硫化物絕大部分經(jīng)精脫硫吸收，即使殘存有極微量的硫，也會(huì)在甲烷化反應(yīng)過(guò)程中殘留在催化劑中。煤制氣基本不含有C2及以上烴類、O2和硫化物[6]，在潔凈程度上優(yōu)于常規(guī)天然氣。

2 高位發(fā)熱量的比較分析

目前，我國(guó)天然氣基本以立方米體積為單位定價(jià)，并未結(jié)合各地發(fā)熱量差異平衡考慮，存在一定的不合理性。歐美各國(guó)的天然氣定價(jià)機(jī)制以市場(chǎng)調(diào)節(jié)為主，充分考慮發(fā)熱量差異，通常采用以熱量結(jié)算的方式。我國(guó)天然氣發(fā)熱量在各地區(qū)分布存在較大差異，新疆天然氣的高位發(fā)熱量為38.32 MJ /m3，比陜甘寧天然氣的約高6.10 MJ/m3。各地突出的發(fā)熱量差異以及與其不匹配的價(jià)格將成為天然氣定價(jià)機(jī)制改革重點(diǎn)考慮的問(wèn)題?？紤]到日后與天然氣管道的并網(wǎng)及統(tǒng)一輸送供應(yīng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)煤制氣發(fā)熱量的確定也必須統(tǒng)一到國(guó)內(nèi)天然氣發(fā)熱量指標(biāo)的修訂工作中。

以下對(duì)GB 17820-2012、國(guó)內(nèi)某煤制氣項(xiàng)目的煤制氣、美國(guó)天然氣、英國(guó)天然氣以及GPGP的煤制氣的高位發(fā)熱量進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

表2 煤制氣與天然氣高位發(fā)熱量對(duì)比一覽表

(1) 煤制氣發(fā)熱量的有效組分為H2、CO、CH4，高位發(fā)熱量由有效組分的高位發(fā)熱量與其體積含量經(jīng)公式換算而得[2]。采用國(guó)內(nèi)某煤制氣項(xiàng)目煤制氣指標(biāo)較低的典型組分(φ(H2)= 4%、φ(CO)=0.014%、φ(CH4)=94%)，經(jīng)公式換算高位發(fā)熱量為35.39 MJ/m3，略低于GB 17820-2012中一類天然氣高位發(fā)熱量，又明顯高于二、三類天然氣；同時(shí)略高于GPGP的煤制氣發(fā)熱量標(biāo)準(zhǔn)，接近于美國(guó)天然氣的發(fā)熱量標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 煤制氣中的核心組分為CH4，含量明顯高于天然氣，其發(fā)熱量低于天然氣中C2及以上的輕烴組分，因此煤制氣高位發(fā)熱量通常略低于GB 17820-2012的一類天然氣標(biāo)準(zhǔn)。但從下游終端用戶需求考慮仍不失為高品質(zhì)的清潔燃?xì)?，完全滿足CNG、LNG等工業(yè)及民用要求。

3 互換性指標(biāo)的比較分析

燃?xì)庵饕Q性指標(biāo)包括：沃泊指數(shù)(Wobbe Index，以下簡(jiǎn)稱W)與燃燒勢(shì)(Combustion Potential, 以下簡(jiǎn)稱CP)，是實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈶?yīng)用互換的基礎(chǔ)[7]。根據(jù)國(guó)內(nèi)某煤制氣項(xiàng)目煤制氣組分指標(biāo)與高位發(fā)熱量，計(jì)算出W為48.77 MJ/m3，達(dá)到了GB /T 13611-2006規(guī)定的12T標(biāo)準(zhǔn)(45.67 ～ 54.78 MJ/m3)[8]。一般規(guī)定，W的變化不超過(guò)5%～10%時(shí),兩種燃?xì)饪梢曰Q[9]。在沃泊指數(shù)上，煤制氣完全可以實(shí)現(xiàn)與常規(guī)天然氣的互換。計(jì)算出的CP為43.63，達(dá)到了GB/T 13611-2006的12T標(biāo)準(zhǔn)(36.3 ～69.3)，在燃燒勢(shì)上分析，煤制氣也可以實(shí)現(xiàn)與天然氣的互換。

4 水露點(diǎn)比較分析

煤制氣是經(jīng)高溫甲烷化合成而得的，不含輕烴類組分，故不需考慮烴露點(diǎn)問(wèn)題，而只需考慮水露點(diǎn)問(wèn)題。天然氣水露點(diǎn)的適用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)目前有兩個(gè)相關(guān)規(guī)定，即：GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃；GB 17820-2012規(guī)定在天然氣交接點(diǎn)的壓力下，水露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5 ℃。

煤制氣在長(zhǎng)途輸送前通常需加壓干燥，一般采用先加壓后脫水的工藝，以降低脫水能耗及裝置的規(guī)模。目前，煤制氣首站的輸送壓力一般達(dá)到10 MPa(G)，是業(yè)內(nèi)較高的天然氣輸送壓力等級(jí)。加壓后的脫水裝置一般采取三甘醇(TEG)脫水，脫水后水露點(diǎn)可達(dá)到-20 ℃左右[10]，在內(nèi)蒙、新疆、東北等地區(qū)冬季極端最低溫度低于-40 ℃時(shí)，則必須采取分子篩脫水，脫水后水露點(diǎn)最低可達(dá)-100 ℃。煤制氣水露點(diǎn)要求與天然氣一樣，需依照最新規(guī)范要求，綜合考慮環(huán)境溫度、天然氣溫度及管道節(jié)流等影響因素而定，以達(dá)到輸送管道內(nèi)無(wú)游離水析出為前提，保障煤制氣沿長(zhǎng)途敷設(shè)管道的長(zhǎng)期安全輸送。

5 結(jié) 論

綜上所述，參考目前實(shí)施的國(guó)際及國(guó)內(nèi)天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外煤制氣質(zhì)量指標(biāo)數(shù)值經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)煤制氣組分、發(fā)熱量、互換性及水露點(diǎn)等質(zhì)量指標(biāo)的逐一對(duì)比分析，完成了煤制氣與天然氣的質(zhì)量指標(biāo)綜合比較，得出了以下結(jié)論：

(1) 煤制氣是凈化煤氣經(jīng)高溫完全甲烷化合成的產(chǎn)品，與天然氣相比，甲烷含量高，CO2含量低，不含C2及以上烴類、氧及硫化物，高位發(fā)熱量略低，清潔品質(zhì)占優(yōu)。

(2) 從煤制氣與天然氣的燃?xì)饣Q性指標(biāo)(沃泊指數(shù)、燃燒勢(shì))分析，互換性良好，并網(wǎng)輸氣及工業(yè)、民用終端利用不存在風(fēng)險(xiǎn)因素。

(3) 在長(zhǎng)途管道輸送的安全性方面，與天然氣相比，煤制氣的安全重點(diǎn)關(guān)注水凝析問(wèn)題，將輸送環(huán)境下的水露點(diǎn)控制至規(guī)定值以下是煤制氣長(zhǎng)輸管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行的保障條件。

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