煤制天然气进入城市燃气领域可行性研究

潘海宁，严荣松，赵自军

（1.中国标准化研究院，北京 100191；2.国家燃气用具质量监督检验中心，天津 300384）

煤制天然气进入城市燃气领域可行性研究

潘海宁1，严荣松2，赵自军2

（1.中国标准化研究院，北京 100191；2.国家燃气用具质量监督检验中心，天津 300384）

面对我国城市天然气需求缺口的不断增大，煤制天然气（SNG）的产量逐年增加的现状，将煤制天然气作为补充气源供应城市燃气系统成为行业关注的焦点。而煤制天然气能否在民用燃气具上直接使用，成为煤制天然气应用过程中最为关键的步骤。从国内煤制天然气产品质量出发，参照国外煤制天然气产品质量波动，研究给出了国内生产的煤制天然气气质组分的波动范围。以此为基础，对比气质的波动范围与现行天然气相关标准的一致性，评价煤制天然气气质的适应性；对比煤制天然气与现有天然气在燃气灶具、热水器与采暖两用炉的安全性、热工性能和极端压力工况下燃具排放性能等指标，评价燃具对煤制天然气的适应性。研究结果表明，煤制天然气产品满足天然气行业现行相关质量标准的要求和燃气可互换的规定，所有燃具在煤制天然气气氛下，燃烧性能稳定、热工性能和烟气排放良好，给定的煤制天然气能够适应燃气具的使用要求，在民用燃气应用领域可以作为直接替代常规天然气的气源使用。

煤制天然气；替代气源；燃气具；热工性能；燃气互换；适应性

随着我国天然气需求量的不断增大，天然气缺口逐年扩大，为煤制天然气项目带来了良好市场，煤制天然气“十二五”期间首次列入国家天然气发展规划后，各地政府和企业也开展煤制天然气项目规划研究。2011年前，国家发展与改革委员会（发改委）核准4家煤制SNG项目，总产能151亿m3/a。2013年初至2014年4月，发改委核准17家煤制SNG前期工作，总产能772亿m3/a。目前还有60多个煤制SNG项目排队等待审批。2014年《关于规范煤制油、煤制天然气产业科学有序发展的通知》指出，适度发展煤制天然气对保障国家能源安全、适度增加油气替代、实现高效清洁利用具有重要意义。

《天然气发展“十二五”规划》计划2015年煤制天然气产量为150亿～180亿m3。根据在建和拟建煤制天然气项目进度，预计2015年我国煤制天然气产能650亿m3/a，产量180亿m3[1]，不断增长的产能使煤制天然气作为替代气源补充用于城市应用成为可能。《煤制合成天然气》标准的研究制定，也进一步加快了煤制天然气进入城镇燃气领域的步伐。但由于煤制天然气其自身的组分与城市供应的常规天然气有所不同，其物性参数与传统天然气有一定的差别，其能否进入城镇燃气管网、在居民燃气设备上的安全使用性能等问题均亟待研究。

本文综合煤制天然气气质与现行燃气标准规定对比分析与煤制天然气在下游燃气用具（如家用燃气灶、燃气热水器和燃气采暖热水炉）的燃烧稳定性、热工性能和极端压力工况下燃具排放等指标的实验室测试结果，研究煤制天然气进入城镇燃气领域可行性。

1 研究用煤制天然气气质波动范围分析

据文献与调研的资料显示，与常规天然气相比，煤制天然气组分中含有少量氢气，其主要组成见表1。

表1 煤制天然气组成

正常的化工生产是存在异常波动情况的[2-3]，图1为美国大平原煤制天然气厂240周产品质量曲线，从图中可以看出煤制天然气中的主要组分含量均存在一定的波动。氢气体积分数一般在3%左中，最高达到5%，CO2体积分数最高达到2%左右。

图1 美国大平原煤制天然气厂240周产品质量曲线

由于尚未完全掌握我国现有煤制天然气厂的产品质量情况，本文参照美国大平原煤制天然气厂的产品质量，考虑相关产品项目的产品质量可能具有相似的波动状况，给出两组可能会出现的煤制天然气的组分，包括一般质量SNG1#与最低限值组分SNG2#，具体组分与气质参数见表2、表3。

表2 煤制天然气原料气组分

表3 煤制天然气和12T天然气基准气气质参数 （15℃，101.325kPa，干）

2 煤制天然气气质与现行燃气标准规定的对比分析

2.1 与GB/T 13611-2006的条款比较

《城镇燃气分类和基本特性》GB/T 13611-2006的4.3条文指出，城镇燃气的类别及特性指标应符合表4的规定。

表4 城镇燃气的类别及特性指标 （15℃，101.325 kPa，干）

我国城市燃气供应一般以12T天然气为主。12T天然气基准气的高华白数为50.73MJ/m3。选择的界限气华白数上限为黄焰和不完全燃烧界限气，下限是脱火界限气， 分别对应高华白数为54.78MJ/m3、45.67 MJ/m3，见表4。

相对于基准气的上限高华白数波动值为：

相对于基准气的下限高华白数波动值为：

即12T天然气的高华白数允许波动范围为：-9.97%～+7.98%。

依据表3数据可知，与12T天然气基准气相比，SNG 1#的高华白数偏差为-3.6%，SNG 2#的高华白数偏差为-6.6%，可能会造成燃具的热负荷降低。

12T天然气基准气的燃烧势为40.30，其允许波动范围为36.3～69.3。SNG 1#、SNG 2#的燃烧势分别为40.06、44.0，在标准允许波动范围内。

结合煤制天然气气质特性指数与GB/T 13611-2006《城镇燃气分类和基本特性》对12T天然气的要求，绘制图2。

图2 12T天然气和煤制天然气的华白数与燃烧势

给定的煤制天然气组分的气质指标在12T天然气规定范围内，符合GB/T 13611-2006《城镇燃气分类和基本特性》中12T天然气的技术指标要求。

2.2 与《天然气》GB17820-2012条款比较

GB17820-2012中指出天然气指标中一类、二类气可用作民用燃料，天然气技术指标见表5。

表5 天然气技术指标（GB17820-2012）

GB17820-2012中的5.4条文指出，作为城镇燃气的天然气，其分类和基本特性应符合GB/T13611。表6给出了煤制天然气在20℃，101.325kPa参比条件下的气质参数。

表6 煤制天然气气质参数（20℃，101.325 kPa，干）

对比《天然气》GB17820-2012产品分类和技术要求、输送和使用规定，给定SNG 1#气高热值为36.1MJ/m3，大于36.0MJ/m3，符合GB17820中一类天然气的技术指标；SNG 2#气高热值为34.7MJ/m3，大于31.4MJ/m3，符合二类天然气技术指标。

2.3 与《城镇燃气设计规范》GB 50028-2006条款比较

《城镇燃气设计规范》GB 50028-2006的3.2.1条文指出，城镇燃气质量指标应符合下列要求：

(1)城镇燃气（应按基准气分类）的发热量和组分的波动应符合城镇燃气互换的要求；

(2)城镇燃气偏离基准气的波动范围宜按现行的国家标准 《城市燃气分类》GB/T 13611的规定采用，并应适当留有余地。

对比《城镇燃气设计规范》GB 50028-2006中的燃气质量规定，给定煤制天然气组分的气质符合相关条款的要求。

综上所述，给定煤制天然气产品质量指标满足天然气行业现行相关质量标准和燃气可互换的规定。

3 煤制天然气燃具适应性分析

3.1 燃气具的安全适应性

燃气具的安全适应性主要是考校天然气燃气具在使用煤制天然气时，其点火、火焰稳定性与烟气排放等性能[4]，主要测试燃气具的火焰是否出现脱火、回火现象，以及排放的烟气各指标是否在标准要求的范围内。在测试过程中，使用12T天然气基准气和给定的煤制天然气 （SNG 1#、SNG 2#），燃气具的点火率、火焰稳定性与烟气排放等性能测试结果见表7～表9。其中，表7为燃气采暖热水炉在使用12T天然气基准气与煤制天然气时的安全适应性测试结果。

表7 测试用燃气采暖热水炉安全适应性

表8 测试用燃气热水器安全适应性

表9 测试用燃气灶具安全适应性

使用12T天然气基准气在8台燃具上测试的结果，其点火率、火焰稳定性与烟气排放等安全适应性指标均满足标准规定的技术要求；在燃具不做任何调整情况下，再以煤制天然气为气源测试，结果表明：烟气中CO排放量与使用12T天然气基准气测试相当，燃具的点火率、火焰稳定性与烟气排放等各项安全适用性指标均合格。

3.2 燃气具的热工性能适应性

燃气具的热工性能适应性测试，主要考校的是燃具的能效表现情况。在测试过程中，使用12T天然气基准气和煤制天然气时，8台燃具热工性能测试结果见表10～表12。

表10 采暖热水炉的热工性能测试

表11 燃气热水器的热工性能测试

表12 燃气灶具的热工性能测试

在进行煤制天然气测试的8台燃具，各项热工性能均合格。

3.3 极端压力工况下燃具排放指标测试

GB50028要求室内燃气管道设计时，燃气供应压力应根据用户设备燃烧器的额定压力及其允许的压力波动范围确定。家用天然气燃气器具的一般压力波动范围为1.0kPa～3.0kPa，采暖热水炉压力波动范围为1.5kPa～3.0kPa。因此，为了测试燃具的燃烧排放安全性，对极端压力工况下燃具排放指标进行了测试，测试结果见表13～表15。

表13 极端压力工况下采暖热水炉排放指标

在极端压力工况下，对比分析12T天然气基准气和煤制天然气测试的结果显示，相同压力工况下，测试燃具在使用煤制天然气时的整体排放指标与使用12T天然气的排放指标相当。

表14 极端压力工况下热水器排放指标

表15 极端压力工况下灶具排放指标

3.4 测试结果分析

综上所述，通过对8台燃气具进行12T天然气基准气和煤制天然气测试，结果显示所有燃具在煤制天然气气氛下，燃烧性能稳定、热工性能和烟气排放良好，给定的煤制天然气能够适应燃气具的使用要求。

4 结论

基于市场调研与文献资料，研究整理了可能出现的煤制天然气波动范围，并进行相应的理论与试验研究，形成以下结论：

(1)与现行燃气标准规定的对比分析发现，给定煤制天然气产品质量指标满足天然气行业现行相关质量标准和燃气可互换的规定。

(2)依据现行国家标准实验，确认煤制天然气在常规天然气燃气具上直接应用，不存在明显改变燃气具安全、节能和技术性能等既有状况的现象。

[1]桑建新.我国煤制天然气现状和未来产业链发展[J].煤炭经济研究,2013,33(10):27-32.

[2]贾承造，张永峰，赵霞.中国天然气工业发展前景与挑战[J].天然气工业,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]同济大学，重庆建筑大学，哈尔滨建筑大学，等.燃气燃烧与应用 [M].北京：中国建筑工业出版社，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；

：中国标准化研究院院长基金项目（项目编号262014Y-3343）；

：潘海宁(1973-)，电话 010-58811800，电邮 panhn@cnis.gov.cn。