国家标准《煤制合成天然气》修订解读

王 毅，冉令慧，葛建文，王 藤，孙晓轩，王大军，赵守国，柴绘宇

（1.伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊犁 835000；2.西南化工研究设计院有限公司，四川 成都 610225；3.国家碳一化学工程技术研究中心，四川 成都 610225；4.新疆庆华能源集团有限公司，新疆 伊犁 835100）

引 言

随着我国碳达峰、碳中和工作的积极推进，天然气作为一种清洁能源在改善能源结构、治理大中城市日益严重的雾霾空气污染方面起着越来越重要的作用。2013 年国务院发布《大气污染防治行动计划》（也称“大气十条”），2017 年6 月国家发展改革委等十三部门联合印发《加快推进天然气利用的意见》（以下简称《意见》），提出加快推进天然气在城镇燃气、工业燃料、燃气发电、交通运输等领域的大规模高效科学利用，逐步将天然气培育成为我国现代清洁能源体系的主体能源之一。煤制合成天然气是对我国日益增长的天然气消费需求的重要补充，《意见》还指出推进煤制合成天然气产业示范，支持煤制合成天然气配套外输管道建设和气源就近接入。

近年来，我国天然气消费量高速增加，根据国家发展改革委及统计局数据可知，我国天然气消费量由2011 年的1 341.1 亿m3增加到2021 年的3 726 亿m3，年平均增长率达到10.76%；我国天然气进口量也同样大幅增加，2021 年已达到约1 700 亿m3。自“十三五”以来，我国煤制合成天然气产业发展迅速，目前已有新疆庆华能源集团有限公司、内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司、内蒙古汇能煤化工有限公司、伊犁新天煤化工有限责任公司等煤制合成天然气企业先后投产，总产能达51.05 亿m3/a。

2016 年国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会（简称国标委）发布了GB/T 33445—2016《煤制合成天然气》[1]，对煤制合成天然气的技术指标等进行了规定，促进了煤制合成天然气行业的发展。但经过煤制天然气企业5 年多的生产实践，发现该标准在实际应用中存在一些问题，且新修订的GB 17820—2018《天然气》[2]和新发布的GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》[3]对天然气和煤制合成天然气的质量要求进行了较大的调整。因此，亟需对GB/T 33445—2016 进行修订，以满足煤制合成天然气进入长输管线的技术要求，促进煤制合成天然气产业的健康发展。

根据以上实际情况和煤制气企业的要求，全国煤化工标准化技术委员会煤制化学品分会秘书处组织煤制气生产企业及检测、设计、应用单位，提出了修订GB/T 33445—2016《煤制合成天然气》的立项建议，获得了国标委的批准立项，完成了标准的修订工作，现介绍如下。

1 《煤制合成天然气》国家标准现状

2013 年新疆庆华能源集团有限公司等4 家煤制合成天然气企业先后投产后，为了使煤制合成天然气产品在输入长输管线时有标准可依，迫切需要制定出台煤制合成天然气国家标准。在此背景下，由全国煤化工标准化技术委员会煤制化学品分会（TC469SC2）组织，于2013 年启动《煤制合成天然气》国家标准制定立项工作，并于当年获得2013 年第二批国家标准制修订计划批准，经过标准起草工作小组两年的努力，于2016 年由国标委正式发布，标准号为GB/T 33445—2016，对煤制合成天然气的成品运输以及交割等相关技术问题进行了规定，具体技术要求见表1[1]。

表1 GB/T 33445—2016 中煤制合成天然气技术指标

GB/T 33445—2016 的发布，对国内煤制天然气产业的发展起到重要支撑作用，但经过煤制天然气企业5 年来的生产应用实践，发现该标准在实际应用中存在一些问题：一些技术要求已不适合当下煤制合成天然气的生产需要，一些新的技术要求需要增加，如煤制气企业经长期生产观察，发现氨、固体颗粒从未检出过，二类气及三类气以外的产品气从未出现过，没有设置这些技术要求的必要。

此外，GB 17820—2018《天然气》[2]于2018 年进行了修订，另一个有关天然气的标准GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》[3]也已发布。在这两个新国标中，对天然气的质量要求进行了较大的调整，GB 17820—2018 中天然气质量要求和GB/T 37124—2018 中进入天然气长输管道气体的质量要求分别见表2 和表3。因此，亟需对GB/T 33445—2016 进行修订，以满足煤制合成天然气进入长输管道的技术要求，促进煤制合成天然气产业的健康发展。

表2 GB 17820—2018 中天然气质量要求

表3 GB/T 37124—2018 中进入天然气长输管道气体的质量要求

2 技术指标修订解读

本次《煤制合成天然气》标准修订的重要内容是相关技术指标，这些技术指标的修订主要根据煤制气生产企业5 年来的生产经验，同时兼顾GB 17820—2018 和GB/T 37124—2018，旨在保证进入长输管道的煤制合成天然气与上述两个标准协调一致，使煤制合成天然气达到进入长输管道的质量要求，并兼顾焦炉煤气、兰炭尾气等原料生产的煤制合成天然气。修订后的《煤制合成天然气》技术要求如表4，修订的主要技术要求及检验规则等分述如下。

表4 修订后GB/T 33445 中煤制合成天然气技术要求

2.1 煤制合成天然气的分类

在GB/T 33445—2016《煤制合成天然气》中，将煤制合成天然气分成三类，但在实际生产和使用过程中，二、三类煤制合成天然气往往产量不多，且用一个技术指标规定即可满足要求。参照GB 17820—2018《天然气》以及煤制气企业的要求，将原二、三类气产品技术要求合并为二类气技术要求[4]；同时，删除GB/T 33445—2016 中的4.3 节，即对三个类别之外的产品质量要求。

2.2 高位发热量

高位发热量是指燃料燃烧后所产生的水分以液态形式存在时燃料的发热量，是各类天然气标准中最重要的技术指标，与沃伯指数一样，决定着天然气产品的经济价值[5-6]。由于煤制合成天然气是合成气经甲烷化工序生产出的合成燃气，其产物种类及含量均与开采天然气有明显区别，其中没有乙烷以上的组分，使得高位发热量低于开采天然气[5]。在GB 17820—2018《天然气》中，对一类气高位发热量的规定由GB 17820—2012 中的36.0 MJ/m3降为34.0 MJ/m3，二类气不变，仍为31.4 MJ/m3；GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》中对高位发热量的规定是34.0 MJ/m3，但根据煤制气企业实际生产数据统计，煤制合成天然气高位发热量最低值仍高于34.0 MJ/m3。

考虑到企业实际生产不可避免出现产品质量波动，为避免因此而产生的经济损失，在标准制定时需留出足够的裕量，同时为与GB 17820—2018《天然气》和GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》协调一致，修订的《煤制合成天然气》标准将一类气高位发热量由35.0 MJ/m3降为34.0 MJ/m3，二类气仍为31.4 MJ/m3。

2.3 氢气含量

氢气含量是煤制合成天然气中的一个重要技术指标。由于煤制合成天然气的生产工艺特点，其中不可避免地含有氢气。由于天然气中的氢气在燃烧时能产生爆燃效果，因此煤制合成天然气中氢气含量不同，其应用场景也明显不同[7]。当煤制合成天然气用作车用燃料时，氢气的爆燃效果可提高输出功率并有利于降低污染排放；但当用于燃气轮机发电时，氢气的爆燃效果则会造成燃气轮机叶片损坏[8]。目前在国内，特别是北方地区大量使用天然气用于发电，其装机容量逐年升高。根据中国电机工程学会燃气轮机发电专业委员会数据，2021 年天然气发电量约2 726 亿kWh，占全国发电量的3%；而据《BP 世界能源统计年鉴》数据，2021 年全球天然气发电量约6.5 万亿kWh，在全球总发电量中占比22.9%。随着国内电动车的普及，车用天然气的消费量呈下降趋势，而国内天然气发电用气量仍处于上升阶段。

因此，本标准氢气含量的确定仍以降低氢气含量技术要求为主要方向，结合GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》规定，将一类气氢气摩尔分数由原来的3.5×10-2修订为3.0×10-2，二类气定为供需商定。

2.4 二氧化碳含量

煤制合成天然气产品的二氧化碳摩尔分数通常在1%左右或更低，但当配气或甲烷化工序存在问题时，二氧化碳含量会升高。二氧化碳是造成国内外许多天然气长输管道腐蚀事故的主要原因，其腐蚀机理是二氧化碳溶于水生成碳酸引起钢材电化学腐蚀[9]，因此二氧化碳也是国内外管输天然气的一个重要指标。二氧化碳含量越高，溶解于水的碳酸浓度就越高。各国在制定天然气标准时，均规定二氧化碳摩尔分数在2.0%～3.0%，煤制合成天然气中二氧化碳的含量与传统的开采天然气相当，摩尔分数均在0.1%～3.0%，因此在GB/T 33445—2016 中将一类气中二氧化碳摩尔分数确定为2.0×10-2。

但考虑到煤制合成天然气产品中二氧化碳指标须与GB 17820—2018《天然气》、GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》中对应指标相协调，以及为煤制天然气生产装置留出更大的技术指标波动裕量，因此修订的标准中将一类气的二氧化碳摩尔分数由原标准的2.0×10-2调整为3.0×10-2，二类气为供需商定。

2.5 一氧化碳含量

一氧化碳是煤制合成天然气生产过程中的主要原料之一，因此在最终产品中不可避免地会含有一氧化碳。但由于煤制合成天然气反应工艺中氢气过量，最终产品中的一氧化碳含量仅为微量级别，不会对长输管道产生腐蚀，不会影响天然气计量时压缩因子的计算[10]，也不会在天然气泄漏时致人中毒。考虑输送需要，同时为与GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》协调一致，将一氧化碳摩尔分数由原标准的0.15×10-2修订至0.10×10-2。

2.6 氧含量

氧会与天然气形成爆炸性气体混合物，因此天然气中的氧含量需严格控制。煤制合成天然气的生产工艺特点和安全要求决定了产品中的氧含量远低于爆炸限，实际生产装置上测出的煤制合成天然气中的氧含量是极低的[11]。在制定GB/T 33445—2016 时，经过讨论，最终取消了设置氧含量的技术要求。但在本次修订过程中，煤制气企业提出煤制天然气装置在停车检修后重新试车时，装置中可能会混入微量空气，因此要求设置氧含量技术要求。考虑到企业实际应用情况，同时为与GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》协调一致，本标准设置氧摩尔分数技术要求为0.10×10-2。

2.7 水露点

水含量是煤制合成天然气中一项非常重要的指标，煤制天然气中含有的水会形成一种天然气水化合物，这种水化合物是一种固体，会造成阀门、管道及处理设备堵塞。为防止煤制合成天然气在输送和使用过程中形成液态水，必须规定水露点技术要求。GB 17820—2018《天然气》中，取消了水露点技术要求，但在“输送和使用”中规定了“在天然气交接点的压力和温度下，天然气中应不存在液态水和液态烃”。GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》中，对水露点技术要求的规定是“水露点应比输送条件下最低环境温度低5 ℃”。

在本标准的修订中，根据企业实际应用情况，同时参照GB 17820—2018《天然气》，取消水露点技术要求，但在“输送、标志、储运及使用”一章中，增加“在天然气交接点的压力和温度下，天然气中应不存在液态水和液态烃”。

2.8 其他技术指标的修订

根据煤制气企业的实际应用情况，对标准的“检验规则”进行了修订，使之更符合实际生产情况。

在GB/T 33445—2016《煤制合成天然气》中还设定了氨含量以及固体颗粒等技术指标。在本次修订中，根据煤制天然气生产企业的实际情况，结合企业5 年来在生产过程中从未在煤制合成天然气中检出氨和固体颗粒，因此本次修订删除了氨含量和固体颗粒的技术要求，同时删除氨含量测量方法附录C《煤制合成天然气中微量氨的测定》。

对第7 章“输送、标志、储运及使用”，也根据实际生产情况进行了修订，使之更符合煤制天然气实际输入长输管线的情况。

3 结语与展望

本标准修订后，标准的技术要求设置更加合理，对于生产方和用户的煤制合成天然气交割更加便利。标准确定的检测组分和实验方法科学有效，对于提高生产效率、节约生产成本、保证产品质量等均具有积极的贡献。

我国是煤制合成天然气的主要生产国，该标准的修订具有很好的社会意义和较大的经济效果。今后我国煤制合成天然气技术有可能走出国门，该标准的修订将配套该技术，对我国煤制天然气技术走出国门、以及对“一带一路”政策的实施均具有推动作用。