國家標準《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，柴繪宇

（1.伊犁新天煤化工有限責任公司，新疆 伊犁 835000；2.西南化工研究設計院有限公司，四川 成都 610225；3.國家碳一化學工程技術研究中心，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構、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 年國務院發布《大氣污染防治行動計劃》（也稱“大氣十條”），2017 年6 月國家發展改革委等十三部門聯合印發《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燃氣、工業燃料、燃氣發電、交通運輸等領域的大規模高效科學利用，逐步將天然氣培育成為我國現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業示范，支持煤制合成天然氣配套外輸管道建設和氣源就近接入。

近年來，我國天然氣消費量高速增加，根據國家發展改革委及統計局數據可知，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業發展迅速，目前已有新疆慶華能源集團有限公司、內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司、內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先后投產，總產能達51.05 億m3/a。

2016 年國家質量監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指標等進行了規定，促進了煤制合成天然氣行業的發展。但經過煤制天然氣企業5 年多的生產實踐，發現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]和新發布的GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》[3]對天然氣和煤制合成天然氣的質量要求進行了較大的調整。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要求，促進煤制合成天然氣產業的健康發展。

根據以上實際情況和煤制氣企業的要求，全國煤化工標準化技術委員會煤制化學品分會秘書處組織煤制氣生產企業及檢測、設計、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，現介紹如下。

1 《煤制合成天然氣》國家標準現狀

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先后投產后，為了使煤制合成天然氣產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，經過標準起草工作小組兩年的努力，于2016 年由國標委正式發布，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技術問題進行了規定，具體技術要求見表1[1]。

表1 GB/T 33445—2016 中煤制合成天然氣技術指標

GB/T 33445—2016 的發布，對國內煤制天然氣產業的發展起到重要支撐作用，但經過煤制天然氣企業5 年來的生產應用實踐，發現該標準在實際應用中存在一些問題：一些技術要求已不適合當下煤制合成天然氣的生產需要，一些新的技術要求需要增加，如煤制氣企業經長期生產觀察，發現氨、固體顆粒從未檢出過，二類氣及三類氣以外的產品氣從未出現過，沒有設置這些技術要求的必要。

此外，GB 17820—2018《天然氣》[2]于2018 年進行了修訂，另一個有關天然氣的標準GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》[3]也已發布。在這兩個新國標中，對天然氣的質量要求進行了較大的調整，GB 17820—2018 中天然氣質量要求和GB/T 37124—2018 中進入天然氣長輸管道氣體的質量要求分別見表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要求，促進煤制合成天然氣產業的健康發展。

表2 GB 17820—2018 中天然氣質量要求

表3 GB/T 37124—2018 中進入天然氣長輸管道氣體的質量要求

2 技術指標修訂解讀

本次《煤制合成天然氣》標準修訂的重要內容是相關技術指標，這些技術指標的修訂主要根據煤制氣生產企業5 年來的生產經驗，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調一致，使煤制合成天然氣達到進入長輸管道的質量要求，并兼顧焦爐煤氣、蘭炭尾氣等原料生產的煤制合成天然氣。修訂后的《煤制合成天然氣》技術要求如表4，修訂的主要技術要求及檢驗規則等分述如下。

表4 修訂后GB/T 33445 中煤制合成天然氣技術要求

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

2.2 高位發熱量

高位發熱量是指燃料燃燒后所產生的水分以液態形式存在時燃料的發熱量，是各類天然氣標準中最重要的技術指標，與沃伯指數一樣，決定著天然氣產品的經濟價值[5-6]。由于煤制合成天然氣是合成氣經甲烷化工序生產出的合成燃氣，其產物種類及含量均與開采天然氣有明顯區別，其中沒有乙烷以上的組分，使得高位發熱量低于開采天然氣[5]。在GB 17820—2018《天然氣》中，對一類氣高位發熱量的規定由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量要求》中對高位發熱量的規定是34.0 MJ/m3，但根據煤制氣企業實際生產數據統計，煤制合成天然氣高位發熱量最低值仍高于34.0 MJ/m3。

考慮到企業實際生產不可避免出現產品質量波動，為避免因此而產生的經濟損失，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量要求》協調一致，修訂的《煤制合成天然氣》標準將一類氣高位發熱量由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指標。由于煤制合成天然氣的生產工藝特點，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，特別是北方地區大量使用天然氣用于發電，其裝機容量逐年升高。根據中國電機工程學會燃氣輪機發電專業委員會數據，2021 年天然氣發電量約2 726 億kWh，占全國發電量的3%；而據《BP 世界能源統計年鑒》數據，2021 年全球天然氣發電量約6.5 萬億kWh，在全球總發電量中占比22.9%。隨著國內電動車的普及，車用天然氣的消費量呈下降趨勢，而國內天然氣發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要求為主要方向，結合GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》規定，將一類氣氫氣摩爾分數由原來的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

煤制合成天然氣產品的二氧化碳摩爾分數通常在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，均規定二氧化碳摩爾分數在2.0%～3.0%，煤制合成天然氣中二氧化碳的含量與傳統的開采天然氣相當，摩爾分數均在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確定為2.0×10-2。

但考慮到煤制合成天然氣產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量要求》中對應指標相協調，以及為煤制天然氣生產裝置留出更大的技術指標波動裕量，因此修訂的標準中將一類氣的二氧化碳摩爾分數由原標準的2.0×10-2調整為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過程中的主要原料之一，因此在最終產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，最終產品中的一氧化碳含量僅為微量級別，不會對長輸管道產生腐蝕，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量要求》協調一致，將一氧化碳摩爾分數由原標準的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工藝特點和安全要求決定了產品中的氧含量遠低于爆炸限，實際生產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，經過討論，最終取消了設置氧含量的技術要求。但在本次修訂過程中，煤制氣企業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，因此要求設置氧含量技術要求?？紤]到企業實際應用情況，同時為與GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》協調一致，本標準設置氧摩爾分數技術要求為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水，必須規定水露點技術要求。GB 17820—2018《天然氣》中，取消了水露點技術要求，但在“輸送和使用”中規定了“在天然氣交接點的壓力和溫度下，天然氣中應不存在液態水和液態烴”。GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》中，對水露點技術要求的規定是“水露點應比輸送條件下最低環境溫度低5 ℃”。

在本標準的修訂中，根據企業實際應用情況，同時參照GB 17820—2018《天然氣》，取消水露點技術要求，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水和液態烴”。

2.8 其他技術指標的修訂

根據煤制氣企業的實際應用情況，對標準的“檢驗規則”進行了修訂，使之更符合實際生產情況。

在GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》中還設定了氨含量以及固體顆粒等技術指標。在本次修訂中，根據煤制天然氣生產企業的實際情況，結合企業5 年來在生產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”，也根據實際生產情況進行了修訂，使之更符合煤制天然氣實際輸入長輸管線的情況。

3 結語與展望

本標準修訂后，標準的技術要求設置更加合理，對于生產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，對于提高生產效率、節約生產成本、保證產品質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國，該標準的修訂具有很好的社會意義和較大的經濟效果。今后我國煤制合成天然氣技術有可能走出國門，該標準的修訂將配套該技術，對我國煤制天然氣技術走出國門、以及對“一帶一路”政策的實施均具有推動作用。