國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤制合成天然氣》修訂解讀

王 毅，冉令慧，葛建文，王 藤，孫曉軒，王大軍，趙守國(guó)，柴繪宇

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

引 言

隨著我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和工作的積極推進(jìn)，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(yán)重的霧霾空氣污染方面起著越來(lái)越重要的作用。2013 年國(guó)務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（也稱(chēng)“大氣十條”），2017 年6 月國(guó)家發(fā)展改革委等十三部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《加快推進(jìn)天然氣利用的意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《意見(jiàn)》），提出加快推進(jìn)天然氣在城鎮(zhèn)燃?xì)狻⒐I(yè)燃料、燃?xì)獍l(fā)電、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的大規(guī)模高效科學(xué)利用，逐步將天然氣培育成為我國(guó)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(duì)我國(guó)日益增長(zhǎng)的天然氣消費(fèi)需求的重要補(bǔ)充，《意見(jiàn)》還指出推進(jìn)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(lái)，我國(guó)天然氣消費(fèi)量高速增加，根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委及統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)可知，我國(guó)天然氣消費(fèi)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(zhǎng)率達(dá)到10.76%；我國(guó)天然氣進(jìn)口量也同樣大幅增加，2021 年已達(dá)到約1 700 億m3。自“十三五”以來(lái)，我國(guó)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(tuán)有限公司、內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)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(zé)任公司等煤制合成天然氣企業(yè)先后投產(chǎn)，總產(chǎn)能達(dá)51.05 億m3/a。

2016 年國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)標(biāo)委）發(fā)布了GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》[1]，對(duì)煤制合成天然氣的技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行了規(guī)定，促進(jìn)了煤制合成天然氣行業(yè)的發(fā)展。但經(jīng)過(guò)煤制天然氣企業(yè)5 年多的生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問(wèn)題，且新修訂的GB 17820—2018《天然氣》[2]和新發(fā)布的GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》[3]對(duì)天然氣和煤制合成天然氣的質(zhì)量要求進(jìn)行了較大的調(diào)整。因此，亟需對(duì)GB/T 33445—2016 進(jìn)行修訂，以滿(mǎn)足煤制合成天然氣進(jìn)入長(zhǎng)輸管線(xiàn)的技術(shù)要求，促進(jìn)煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

根據(jù)以上實(shí)際情況和煤制氣企業(yè)的要求，全國(guó)煤化工標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)煤制化學(xué)品分會(huì)秘書(shū)處組織煤制氣生產(chǎn)企業(yè)及檢測(cè)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用單位，提出了修訂GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》的立項(xiàng)建議，獲得了國(guó)標(biāo)委的批準(zhǔn)立項(xiàng)，完成了標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，現(xiàn)介紹如下。

1 《煤制合成天然氣》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

2013 年新疆慶華能源集團(tuán)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(zhǎng)輸管線(xiàn)時(shí)有標(biāo)準(zhǔn)可依，迫切需要制定出臺(tái)煤制合成天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在此背景下，由全國(guó)煤化工標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)煤制化學(xué)品分會(huì)（TC469SC2）組織，于2013 年啟動(dòng)《煤制合成天然氣》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定立項(xiàng)工作，并于當(dāng)年獲得2013 年第二批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃批準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)起草工作小組兩年的努力，于2016 年由國(guó)標(biāo)委正式發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T 33445—2016，對(duì)煤制合成天然氣的成品運(yùn)輸以及交割等相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了規(guī)定，具體技術(shù)要求見(jiàn)表1[1]。

表1 GB/T 33445—2016 中煤制合成天然氣技術(shù)指標(biāo)

GB/T 33445—2016 的發(fā)布，對(duì)國(guó)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(guò)煤制天然氣企業(yè)5 年來(lái)的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問(wèn)題：一些技術(shù)要求已不適合當(dāng)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(zhǎng)期生產(chǎn)觀察，發(fā)現(xiàn)氨、固體顆粒從未檢出過(guò)，二類(lèi)氣及三類(lèi)氣以外的產(chǎn)品氣從未出現(xiàn)過(guò)，沒(méi)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(jìn)行了修訂，另一個(gè)有關(guān)天然氣的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》[3]也已發(fā)布。在這兩個(gè)新國(guó)標(biāo)中，對(duì)天然氣的質(zhì)量要求進(jìn)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(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道氣體的質(zhì)量要求分別見(jiàn)表2 和表3。因此，亟需對(duì)GB/T 33445—2016 進(jìn)行修訂，以滿(mǎn)足煤制合成天然氣進(jìn)入長(zhǎng)輸管道的技術(shù)要求，促進(jìn)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(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道氣體的質(zhì)量要求

2 技術(shù)指標(biāo)修訂解讀

本次《煤制合成天然氣》標(biāo)準(zhǔn)修訂的重要內(nèi)容是相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，這些技術(shù)指標(biāo)的修訂主要根據(jù)煤制氣生產(chǎn)企業(yè)5 年來(lái)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)兼顧GB 17820—2018 和GB/T 37124—2018，旨在保證進(jìn)入長(zhǎng)輸管道的煤制合成天然氣與上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致，使煤制合成天然氣達(dá)到進(jìn)入長(zhǎng)輸管道的質(zhì)量要求，并兼顧焦?fàn)t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(yàn)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(lèi)

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(lèi)，但在實(shí)際生產(chǎn)和使用過(guò)程中，二、三類(lèi)煤制合成天然氣往往產(chǎn)量不多，且用一個(gè)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定即可滿(mǎn)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(lèi)氣產(chǎn)品技術(shù)要求合并為二類(lèi)氣技術(shù)要求[4]；同時(shí)，刪除GB/T 33445—2016 中的4.3 節(jié)，即對(duì)三個(gè)類(lèi)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(shí)燃料的發(fā)熱量，是各類(lèi)天然氣標(biāo)準(zhǔn)中最重要的技術(shù)指標(biāo)，與沃伯指數(shù)一樣，決定著天然氣產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)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?xì)猓洚a(chǎn)物種類(lèi)及含量均與開(kāi)采天然氣有明顯區(qū)別，其中沒(méi)有乙烷以上的組分，使得高位發(fā)熱量低于開(kāi)采天然氣[5]。在GB 17820—2018《天然氣》中，對(duì)一類(lèi)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(lèi)氣不變，仍為31.4 MJ/m3；GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》中對(duì)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(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shí)際生產(chǎn)不可避免出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，為避免因此而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)需留出足夠的裕量，同時(shí)為與GB 17820—2018《天然氣》和GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)將一類(lèi)氣高位發(fā)熱量由35.0 MJ/m3降為34.0 MJ/m3，二類(lèi)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(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。由于煤制合成天然氣的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，其中不可避免地含有氫氣。由于天然氣中的氫氣在燃燒時(shí)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(yīng)用場(chǎng)景也明顯不同[7]。當(dāng)煤制合成天然氣用作車(chē)用燃料時(shí)，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(dāng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電時(shí)，氫氣的爆燃效果則會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)葉片損壞[8]。目前在國(guó)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(jī)容量逐年升高。根據(jù)中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電專(zhuān)業(yè)委員會(huì)數(shù)據(jù)，2021 年天然氣發(fā)電量約2 726 億kWh，占全國(guó)發(fā)電量的3%；而據(jù)《BP 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)，2021 年全球天然氣發(fā)電量約6.5 萬(wàn)億kWh，在全球總發(fā)電量中占比22.9%。隨著國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)的普及，車(chē)用天然氣的消費(fèi)量呈下降趨勢(shì)，而國(guó)內(nèi)天然氣發(fā)電用氣量仍處于上升階段。

因此，本標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》規(guī)定，將一類(lèi)氣氫氣摩爾分?jǐn)?shù)由原來(lái)的3.5×10-2修訂為3.0×10-2，二類(lèi)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?jǐn)?shù)通常在1%左右或更低，但當(dāng)配氣或甲烷化工序存在問(wèn)題時(shí)，二氧化碳含量會(huì)升高。二氧化碳是造成國(guó)內(nèi)外許多天然氣長(zhǎng)輸管道腐蝕事故的主要原因，其腐蝕機(jī)理是二氧化碳溶于水生成碳酸引起鋼材電化學(xué)腐蝕[9]，因此二氧化碳也是國(guó)內(nèi)外管輸天然氣的一個(gè)重要指標(biāo)。二氧化碳含量越高，溶解于水的碳酸濃度就越高。各國(guó)在制定天然氣標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，均規(guī)定二氧化碳摩爾分?jǐn)?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(kāi)采天然氣相當(dāng)，摩爾分?jǐn)?shù)均在0.1%～3.0%，因此在GB/T 33445—2016 中將一類(lèi)氣中二氧化碳摩爾分?jǐn)?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(biāo)須與GB 17820—2018《天然氣》、GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》中對(duì)應(yīng)指標(biāo)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(biāo)波動(dòng)裕量，因此修訂的標(biāo)準(zhǔn)中將一類(lèi)氣的二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)由原標(biāo)準(zhǔn)的2.0×10-2調(diào)整為3.0×10-2，二類(lèi)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(guò)程中的主要原料之一，因此在最終產(chǎn)品中不可避免地會(huì)含有一氧化碳。但由于煤制合成天然氣反應(yīng)工藝中氫氣過(guò)量，最終產(chǎn)品中的一氧化碳含量?jī)H為微量級(jí)別，不會(huì)對(duì)長(zhǎng)輸管道產(chǎn)生腐蝕，不會(huì)影響天然氣計(jì)量時(shí)壓縮因子的計(jì)算[10]，也不會(huì)在天然氣泄漏時(shí)致人中毒。考慮輸送需要，同時(shí)為與GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)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?jǐn)?shù)由原標(biāo)準(zhǔn)的0.15×10-2修訂至0.10×10-2。

2.6 氧含量

氧會(huì)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(yán)格控制。煤制合成天然氣的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和安全要求決定了產(chǎn)品中的氧含量遠(yuǎn)低于爆炸限，實(shí)際生產(chǎn)裝置上測(cè)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(shí)，經(jīng)過(guò)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(guò)程中，煤制氣企業(yè)提出煤制天然氣裝置在停車(chē)檢修后重新試車(chē)時(shí)，裝置中可能會(huì)混入微量空氣，因此要求設(shè)置氧含量技術(shù)要求。考慮到企業(yè)實(shí)際應(yīng)用情況，同時(shí)為與GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》協(xié)調(diào)一致，本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置氧摩爾分?jǐn)?shù)技術(shù)要求為0.10×10-2。

2.7 水露點(diǎn)

水含量是煤制合成天然氣中一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，煤制天然氣中含有的水會(huì)形成一種天然氣水化合物，這種水化合物是一種固體，會(huì)造成閥門(mén)、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(guò)程中形成液態(tài)水，必須規(guī)定水露點(diǎn)技術(shù)要求。GB 17820—2018《天然氣》中，取消了水露點(diǎn)技術(shù)要求，但在“輸送和使用”中規(guī)定了“在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度下，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”。GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》中，對(duì)水露點(diǎn)技術(shù)要求的規(guī)定是“水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃”。

在本標(biāo)準(zhǔn)的修訂中，根據(jù)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用情況，同時(shí)參照GB 17820—2018《天然氣》，取消水露點(diǎn)技術(shù)要求，但在“輸送、標(biāo)志、儲(chǔ)運(yùn)及使用”一章中，增加“在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度下，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”。

2.8 其他技術(shù)指標(biāo)的修訂

根據(jù)煤制氣企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的“檢驗(yàn)規(guī)則”進(jìn)行了修訂，使之更符合實(shí)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(biāo)。在本次修訂中，根據(jù)煤制天然氣生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際情況，結(jié)合企業(yè)5 年來(lái)在生產(chǎn)過(guò)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(shí)刪除氨含量測(cè)量方法附錄C《煤制合成天然氣中微量氨的測(cè)定》。

對(duì)第7 章“輸送、標(biāo)志、儲(chǔ)運(yùn)及使用”，也根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行了修訂，使之更符合煤制天然氣實(shí)際輸入長(zhǎng)輸管線(xiàn)的情況。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

本標(biāo)準(zhǔn)修訂后，標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求設(shè)置更加合理，對(duì)于生產(chǎn)方和用戶(hù)的煤制合成天然氣交割更加便利。標(biāo)準(zhǔn)確定的檢測(cè)組分和實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)有效，對(duì)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(xiàn)。

我國(guó)是煤制合成天然氣的主要生產(chǎn)國(guó)，該標(biāo)準(zhǔn)的修訂具有很好的社會(huì)意義和較大的經(jīng)濟(jì)效果。今后我國(guó)煤制合成天然氣技術(shù)有可能走出國(guó)門(mén)，該標(biāo)準(zhǔn)的修訂將配套該技術(shù)，對(duì)我國(guó)煤制天然氣技術(shù)走出國(guó)門(mén)、以及對(duì)“一帶一路”政策的實(shí)施均具有推動(dòng)作用。