王 毅，冉令慧，葛建文，王 藤，孫曉軒，王大軍，趙守國，柴繪宇

（1.伊犁新天煤化工有限責任公司，新疆 伊犁 835000；2.西南化工研究設(shè)計院有限公司，四川 成都 610225；3.國家碳一化學工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610225；4.新疆慶華能源集團有限公司，新疆 伊犁 835100）

引 言

隨著我國碳達峰、碳中和工作的積極推進，天然氣作為一種清潔能源在改善能源結(jié)構(gòu)、治理大中城市日益嚴重的霧霾空氣污染方面起著越來越重要的作用。2013 年國務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》（也稱“大氣十條”），2017 年6 月國家發(fā)展改革委等十三部門聯(lián)合印發(fā)《加快推進天然氣利用的意見》（以下簡稱《意見》），提出加快推進天然氣在城鎮(zhèn)燃氣、工業(yè)燃料、燃氣發(fā)電、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的大規(guī)模高效科學利用，逐步將天然氣培育成為我國現(xiàn)代清潔能源體系的主體能源之一。煤制合成天然氣是對我國日益增長的天然氣消費需求的重要補充，《意見》還指出推進煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)示范，支持煤制合成天然氣配套外輸管道建設(shè)和氣源就近接入。

近年來，我國天然氣消費量高速增加，根據(jù)國家發(fā)展改革委及統(tǒng)計局數(shù)據(jù)可知，我國天然氣消費量由2011 年的1 341.1 億m3增加到2021 年的3 726 億m3，年平均增長率達到10.76%；我國天然氣進口量也同樣大幅增加，2021 年已達到約1 700 億m3。自“十三五”以來，我國煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前已有新疆慶華能源集團有限公司、內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司、內(nèi)蒙古匯能煤化工有限公司、伊犁新天煤化工有限責任公司等煤制合成天然氣企業(yè)先后投產(chǎn)，總產(chǎn)能達51.05 億m3/a。

2016 年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會（簡稱國標委）發(fā)布了GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》[1]，對煤制合成天然氣的技術(shù)指標等進行了規(guī)定，促進了煤制合成天然氣行業(yè)的發(fā)展。但經(jīng)過煤制天然氣企業(yè)5 年多的生產(chǎn)實踐，發(fā)現(xiàn)該標準在實際應用中存在一些問題，且新修訂的GB 17820—2018《天然氣》[2]和新發(fā)布的GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》[3]對天然氣和煤制合成天然氣的質(zhì)量要求進行了較大的調(diào)整。因此，亟需對GB/T 33445—2016 進行修訂，以滿足煤制合成天然氣進入長輸管線的技術(shù)要求，促進煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

根據(jù)以上實際情況和煤制氣企業(yè)的要求，全國煤化工標準化技術(shù)委員會煤制化學品分會秘書處組織煤制氣生產(chǎn)企業(yè)及檢測、設(shè)計、應用單位，提出了修訂GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》的立項建議，獲得了國標委的批準立項，完成了標準的修訂工作，現(xiàn)介紹如下。

1 《煤制合成天然氣》國家標準現(xiàn)狀

2013 年新疆慶華能源集團有限公司等4 家煤制合成天然氣企業(yè)先后投產(chǎn)后，為了使煤制合成天然氣產(chǎn)品在輸入長輸管線時有標準可依，迫切需要制定出臺煤制合成天然氣國家標準。在此背景下，由全國煤化工標準化技術(shù)委員會煤制化學品分會（TC469SC2）組織，于2013 年啟動《煤制合成天然氣》國家標準制定立項工作，并于當年獲得2013 年第二批國家標準制修訂計劃批準，經(jīng)過標準起草工作小組兩年的努力，于2016 年由國標委正式發(fā)布，標準號為GB/T 33445—2016，對煤制合成天然氣的成品運輸以及交割等相關(guān)技術(shù)問題進行了規(guī)定，具體技術(shù)要求見表1[1]。

表1 GB/T 33445—2016 中煤制合成天然氣技術(shù)指標

GB/T 33445—2016 的發(fā)布，對國內(nèi)煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要支撐作用，但經(jīng)過煤制天然氣企業(yè)5 年來的生產(chǎn)應用實踐，發(fā)現(xiàn)該標準在實際應用中存在一些問題：一些技術(shù)要求已不適合當下煤制合成天然氣的生產(chǎn)需要，一些新的技術(shù)要求需要增加，如煤制氣企業(yè)經(jīng)長期生產(chǎn)觀察，發(fā)現(xiàn)氨、固體顆粒從未檢出過，二類氣及三類氣以外的產(chǎn)品氣從未出現(xiàn)過，沒有設(shè)置這些技術(shù)要求的必要。

此外，GB 17820—2018《天然氣》[2]于2018 年進行了修訂，另一個有關(guān)天然氣的標準GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》[3]也已發(fā)布。在這兩個新國標中，對天然氣的質(zhì)量要求進行了較大的調(diào)整，GB 17820—2018 中天然氣質(zhì)量要求和GB/T 37124—2018 中進入天然氣長輸管道氣體的質(zhì)量要求分別見表2 和表3。因此，亟需對GB/T 33445—2016 進行修訂，以滿足煤制合成天然氣進入長輸管道的技術(shù)要求，促進煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

表2 GB 17820—2018 中天然氣質(zhì)量要求

表3 GB/T 37124—2018 中進入天然氣長輸管道氣體的質(zhì)量要求

2 技術(shù)指標修訂解讀

本次《煤制合成天然氣》標準修訂的重要內(nèi)容是相關(guān)技術(shù)指標，這些技術(shù)指標的修訂主要根據(jù)煤制氣生產(chǎn)企業(yè)5 年來的生產(chǎn)經(jīng)驗，同時兼顧GB 17820—2018 和GB/T 37124—2018，旨在保證進入長輸管道的煤制合成天然氣與上述兩個標準協(xié)調(diào)一致，使煤制合成天然氣達到進入長輸管道的質(zhì)量要求，并兼顧焦爐煤氣、蘭炭尾氣等原料生產(chǎn)的煤制合成天然氣。修訂后的《煤制合成天然氣》技術(shù)要求如表4，修訂的主要技術(shù)要求及檢驗規(guī)則等分述如下。

表4 修訂后GB/T 33445 中煤制合成天然氣技術(shù)要求

2.1 煤制合成天然氣的分類

在GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》中，將煤制合成天然氣分成三類，但在實際生產(chǎn)和使用過程中，二、三類煤制合成天然氣往往產(chǎn)量不多，且用一個技術(shù)指標規(guī)定即可滿足要求。參照GB 17820—2018《天然氣》以及煤制氣企業(yè)的要求，將原二、三類氣產(chǎn)品技術(shù)要求合并為二類氣技術(shù)要求[4]；同時，刪除GB/T 33445—2016 中的4.3 節(jié)，即對三個類別之外的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

2.2 高位發(fā)熱量

高位發(fā)熱量是指燃料燃燒后所產(chǎn)生的水分以液態(tài)形式存在時燃料的發(fā)熱量，是各類天然氣標準中最重要的技術(shù)指標，與沃伯指數(shù)一樣，決定著天然氣產(chǎn)品的經(jīng)濟價值[5-6]。由于煤制合成天然氣是合成氣經(jīng)甲烷化工序生產(chǎn)出的合成燃氣，其產(chǎn)物種類及含量均與開采天然氣有明顯區(qū)別，其中沒有乙烷以上的組分，使得高位發(fā)熱量低于開采天然氣[5]。在GB 17820—2018《天然氣》中，對一類氣高位發(fā)熱量的規(guī)定由GB 17820—2012 中的36.0 MJ/m3降為34.0 MJ/m3，二類氣不變，仍為31.4 MJ/m3；GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》中對高位發(fā)熱量的規(guī)定是34.0 MJ/m3，但根據(jù)煤制氣企業(yè)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，煤制合成天然氣高位發(fā)熱量最低值仍高于34.0 MJ/m3。

考慮到企業(yè)實際生產(chǎn)不可避免出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量波動，為避免因此而產(chǎn)生的經(jīng)濟損失，在標準制定時需留出足夠的裕量，同時為與GB 17820—2018《天然氣》和GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》協(xié)調(diào)一致，修訂的《煤制合成天然氣》標準將一類氣高位發(fā)熱量由35.0 MJ/m3降為34.0 MJ/m3，二類氣仍為31.4 MJ/m3。

2.3 氫氣含量

氫氣含量是煤制合成天然氣中的一個重要技術(shù)指標。由于煤制合成天然氣的生產(chǎn)工藝特點，其中不可避免地含有氫氣。由于天然氣中的氫氣在燃燒時能產(chǎn)生爆燃效果，因此煤制合成天然氣中氫氣含量不同，其應用場景也明顯不同[7]。當煤制合成天然氣用作車用燃料時，氫氣的爆燃效果可提高輸出功率并有利于降低污染排放；但當用于燃氣輪機發(fā)電時，氫氣的爆燃效果則會造成燃氣輪機葉片損壞[8]。目前在國內(nèi)，特別是北方地區(qū)大量使用天然氣用于發(fā)電，其裝機容量逐年升高。根據(jù)中國電機工程學會燃氣輪機發(fā)電專業(yè)委員會數(shù)據(jù)，2021 年天然氣發(fā)電量約2 726 億kWh，占全國發(fā)電量的3%；而據(jù)《BP 世界能源統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，2021 年全球天然氣發(fā)電量約6.5 萬億kWh，在全球總發(fā)電量中占比22.9%。隨著國內(nèi)電動車的普及，車用天然氣的消費量呈下降趨勢，而國內(nèi)天然氣發(fā)電用氣量仍處于上升階段。

因此，本標準氫氣含量的確定仍以降低氫氣含量技術(shù)要求為主要方向，結(jié)合GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》規(guī)定，將一類氣氫氣摩爾分數(shù)由原來的3.5×10-2修訂為3.0×10-2，二類氣定為供需商定。

2.4 二氧化碳含量

煤制合成天然氣產(chǎn)品的二氧化碳摩爾分數(shù)通常在1%左右或更低，但當配氣或甲烷化工序存在問題時，二氧化碳含量會升高。二氧化碳是造成國內(nèi)外許多天然氣長輸管道腐蝕事故的主要原因，其腐蝕機理是二氧化碳溶于水生成碳酸引起鋼材電化學腐蝕[9]，因此二氧化碳也是國內(nèi)外管輸天然氣的一個重要指標。二氧化碳含量越高，溶解于水的碳酸濃度就越高。各國在制定天然氣標準時，均規(guī)定二氧化碳摩爾分數(shù)在2.0%～3.0%，煤制合成天然氣中二氧化碳的含量與傳統(tǒng)的開采天然氣相當，摩爾分數(shù)均在0.1%～3.0%，因此在GB/T 33445—2016 中將一類氣中二氧化碳摩爾分數(shù)確定為2.0×10-2。

但考慮到煤制合成天然氣產(chǎn)品中二氧化碳指標須與GB 17820—2018《天然氣》、GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》中對應指標相協(xié)調(diào)，以及為煤制天然氣生產(chǎn)裝置留出更大的技術(shù)指標波動裕量，因此修訂的標準中將一類氣的二氧化碳摩爾分數(shù)由原標準的2.0×10-2調(diào)整為3.0×10-2，二類氣為供需商定。

2.5 一氧化碳含量

一氧化碳是煤制合成天然氣生產(chǎn)過程中的主要原料之一，因此在最終產(chǎn)品中不可避免地會含有一氧化碳。但由于煤制合成天然氣反應工藝中氫氣過量，最終產(chǎn)品中的一氧化碳含量僅為微量級別，不會對長輸管道產(chǎn)生腐蝕，不會影響天然氣計量時壓縮因子的計算[10]，也不會在天然氣泄漏時致人中毒?？紤]輸送需要，同時為與GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》協(xié)調(diào)一致，將一氧化碳摩爾分數(shù)由原標準的0.15×10-2修訂至0.10×10-2。

2.6 氧含量

氧會與天然氣形成爆炸性氣體混合物，因此天然氣中的氧含量需嚴格控制。煤制合成天然氣的生產(chǎn)工藝特點和安全要求決定了產(chǎn)品中的氧含量遠低于爆炸限，實際生產(chǎn)裝置上測出的煤制合成天然氣中的氧含量是極低的[11]。在制定GB/T 33445—2016 時，經(jīng)過討論，最終取消了設(shè)置氧含量的技術(shù)要求。但在本次修訂過程中，煤制氣企業(yè)提出煤制天然氣裝置在停車檢修后重新試車時，裝置中可能會混入微量空氣，因此要求設(shè)置氧含量技術(shù)要求?？紤]到企業(yè)實際應用情況，同時為與GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》協(xié)調(diào)一致，本標準設(shè)置氧摩爾分數(shù)技術(shù)要求為0.10×10-2。

2.7 水露點

水含量是煤制合成天然氣中一項非常重要的指標，煤制天然氣中含有的水會形成一種天然氣水化合物，這種水化合物是一種固體，會造成閥門、管道及處理設(shè)備堵塞。為防止煤制合成天然氣在輸送和使用過程中形成液態(tài)水，必須規(guī)定水露點技術(shù)要求。GB 17820—2018《天然氣》中，取消了水露點技術(shù)要求，但在“輸送和使用”中規(guī)定了“在天然氣交接點的壓力和溫度下，天然氣中應不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”。GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》中，對水露點技術(shù)要求的規(guī)定是“水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃”。

在本標準的修訂中，根據(jù)企業(yè)實際應用情況，同時參照GB 17820—2018《天然氣》，取消水露點技術(shù)要求，但在“輸送、標志、儲運及使用”一章中，增加“在天然氣交接點的壓力和溫度下，天然氣中應不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”。

2.8 其他技術(shù)指標的修訂

根據(jù)煤制氣企業(yè)的實際應用情況，對標準的“檢驗規(guī)則”進行了修訂，使之更符合實際生產(chǎn)情況。

在GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》中還設(shè)定了氨含量以及固體顆粒等技術(shù)指標。在本次修訂中，根據(jù)煤制天然氣生產(chǎn)企業(yè)的實際情況，結(jié)合企業(yè)5 年來在生產(chǎn)過程中從未在煤制合成天然氣中檢出氨和固體顆粒，因此本次修訂刪除了氨含量和固體顆粒的技術(shù)要求，同時刪除氨含量測量方法附錄C《煤制合成天然氣中微量氨的測定》。

對第7 章“輸送、標志、儲運及使用”，也根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行了修訂，使之更符合煤制天然氣實際輸入長輸管線的情況。

3 結(jié)語與展望

本標準修訂后，標準的技術(shù)要求設(shè)置更加合理，對于生產(chǎn)方和用戶的煤制合成天然氣交割更加便利。標準確定的檢測組分和實驗方法科學有效，對于提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等均具有積極的貢獻。

我國是煤制合成天然氣的主要生產(chǎn)國，該標準的修訂具有很好的社會意義和較大的經(jīng)濟效果。今后我國煤制合成天然氣技術(shù)有可能走出國門，該標準的修訂將配套該技術(shù)，對我國煤制天然氣技術(shù)走出國門、以及對“一帶一路”政策的實施均具有推動作用。