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天然气规划利用的过渡措施——“天然气改质”
目前我国燃气事业正处于蓬勃发展时期，改革开放20年来，燃气供应总量逐年增加，燃气结构不断优化。到1998年底，供气总量达到1268．6万亿千焦，用气人口达到1.56亿人，城市气化率达到78％。尤其近年来，天然气资源勘探开发取得显著成就，四川、陕北、新疆和东海天然气的开发都有了新的进展，全国城市天然气利用规划编制工作已经完成。国家正在制定全国天然气规划，天然气将成为下一世纪城市的主要能源之一。天然气的发展标志着我国城市管道煤气已经开始从煤制气、油制气、液化石油气向天然气逐步过渡。
一、 上海市天然气供需概况
上海市的燃气结构将面临调整，东海天然气已进入上海并开始供气。1999年底供气量为80万米3／日，2000年计划供气量100万米3／日，2001年为120万米3／日，而根据目前意向有可能达到160万米3／日。
除了东海天然气，根据目前全国供应天然气的规划，今后上海市获得天然气的主要渠道为“西气东送”，西部四大气田的天然气将从西部沿各城市走向送至上海，规划到2005年时气化人口达到840万人。
二、 目前利用天然气概况
l.目前除了部分直供天然气外，还需要采用非直供方式，直供天然气的管道转换工作需要相当长的一段时间。
东海天然气供应上海后，除了浦东可直供用气约30万米3／日外，浦西由于管网改造，用户设备更换或资金跟不上，直供天然气管网改造工作量和投资均相当大，还有一个相当长的改造时间。上海的城市煤气管道有的已超过100年，以前铺设的大多是铸铁管道，如从煤制气改成天然气后，管道在压力级制上存在问题；同时还存在对气质不宜的问题，特别是干气的到来，这些旧管道可能会不适应而发生管道接口漏气的问题，不但改造工作量大、难度大、投资大，而丑需要有很长的改造工作时间，需要边供气，边改造。其改造时间估计在10年以上，有人估计可能需要15年时间。
2．非直供方式之一——天然气直接掺混水煤气结果不理想
由于天然气直供方式进度不可能很快，为了消化已经进入上海市的东海天然气，上海浦东煤气制气公司于1999年4月开始采用水煤气掺混天然气的方法，天然气消化量为40万米3／日，经掺混水煤气后，所产城市煤气CO含量达22.4％。当天然气热值波动至上限时，CO含量还要高一些。由于受到CO合量的限制，水煤气的掺混是有限的，不可能大量掺混使用。
三、 近期利用天然气的设想：“天然气改质”
对天然气进行“改质”是天然气非直供方式的另一种选择，也就是将天然气改制成符合目前城市煤气供气要求的燃气所进行的加工过程，经加工后1M3天然气可以改制成符合上海城市燃气热值标准3800千卡／米3(高热值)的燃气2．2M3，设备可采用经过改造的重油制气炉。
这种改制过程的特点为：
1)工艺流程简单，它与轻油气化炉可以互通，也就是说同一台炉子，既可以用天然气作原料，也可以用轻油或LPG作原料。
2)热效率高，可以达到90％。
3)符合环保要求，排出的“三废”不需另行处理，均能达到国家排放标准。
4)上马快，当年改造，当年即可投产。
5)投资小，只需化少量改造费用。
6)成本低。与煤制气和重油制气相比，单位燃气的成本可略减一些。无论工厂和居民均有承受能力。
7)产生的燃气符合城市燃气使用要求，特别是燃气中的CO含量＜15％，燃气比重仅0．50左右。
8)可以作为天然气大量涌入城市，直供条件尚不完备，以管道煤制气为主气源城市的应急措施或较长时间的过渡气源。
上海吴凇煤气制气有限公司拟对2台重油制气炉进行改造，处理天然气30万米3／日，产生改质气(Q商＝3800千卡／米3)一66万米3／日。在天然气改质的同时，该厂还可以向市内多输送煤气约40万米3／日。
四、 “天然气改质”工艺方案
1，工艺方案
天然气改质工艺流程基本上是在重油制气工艺流程基础上简化而来。取消了整套净化及化产回收车间及繁杂的污水处理系统，同重油制气工艺最大不同之处在于制气炉体有些变动。重油制气装置大多为逆流反应装置，而天然气改质是顺流式反应装置。当使用重油时，由于制气阶段沉积在催化剂层的碳多，利用这些碳的燃烧来补充热量是不成问题的，相比之下，采用天然气原料因沉积在催化剂层的碳极少，故对保持蓄热式装置反应温度稍差一些，因此应采用能吸收热量大的催化剂层进行直接加热的顺流式装置，在顺流式的制气装置中，烟气及煤气的显热均可以通过同一台废热锅炉回收，蒸汽自给率100％，只需开工时提供启动蒸气即可。
制气工艺采用低压间歇循环催化裂解工艺，生产燃气的催化反应是指天然气与水蒸汽反应转化成氢、一氧化碳、二氧化碳的反应，即所谓水蒸汽转化反应。
其中反应过程以吸热反应为主，其热量由天然气燃烧产生的高温烟气提供。制气炉生产过程主要由加热及制气两大部分组成。制气系统主体工艺设备是双筒式间歇循环催化蓄热裂解制气炉(简称制气炉)，由燃烧室、反应室组成。整个制气过程主要分鼓风加热期和制气期循环交替进行。在加热期和制气期之间设有空气吹扫和蒸汽吹扫阶段，两台制气炉联锁运行，即第一台炉处于加热阶段时，第二台炉正处于制气阶段，根据工艺操作可选择适合的周期时间及操作阶段。一般取3—4分钟一个循环。
2．炉子改造方案
将原重油制气炉改造成为双筒炉，即保留反应器和蒸蓄器，砍掉空蓄器及其它不必要的设备，在蒸蓄器底侧新添置燃烧室，炉子内部得以改造，催化剂的设置和格子砖的架设符合天然气改质的要求，废热锅炉重新设计。
本改造方案特点如下：
A.流程简单，使整个炉区布置紧凑；
B.和新设计炉子炉型、流程基本接近，有利于操作，其生产指标较为先进；
C.原吴煤公司炉型为翁尼亚——盖奇重油炉，改造后接近翁尼亚——盖奇轻油炉，也和目前香港马头角制气厂使用的翁尼亚——盖奇轻油制气炉雷同。
D.只增加少量设备，投资不大。
3，催化剂
催化剂在天然气改制催化反应制气工艺中起着关键作用，它能促进原料与水蒸汽进行反应，提高制气效率，改善燃气品质。制气过程中，催化剂需在高温、高蒸汽分压和强烈的氧化、还氧气氛下，经受剧烈的温度聚变、气流的高速冲剧以及硫等毒性物质的毒害。因此，对于催化剂的热稳定性、催化活性和抗毒性要求很高。对于世界上大多数间歇循环催化制气工艺而言，不论重油制气还是天然气改质制气，其触媒均采用镍系催化剂，所不同之处仅是镍含量、载体和外观不同而已。天然气改质可以选用氧化铝和氧化硅为载体的镍催化剂，并已能国产化供应。
五、 主要技术经济指标
1，处理天然气量 30万米3／日
2．产生成品气量 66万米3／日
3．成品性质
高热值 15．9MJ／m3(3800kcal／m3)
比重(空气为1) ～O.52
华白数W ～22．41MJ／m3(5352kcal／m3)
燃烧势CP ～86
4.设计指标
加热原料／制气原料 30／l00
过程蒸汽／制气原料 1:50
循环时间 4分钟
各阶段时间分配如下：
阶 段 鼓风加热 空气吹净 制 气 蒸汽吹净 合 计 百分比 45％ 3％ 45％ 7％ 100％
4．原料天然气组成：
CH4 CnHm CO2 N2 Q高(kcal／m3) 87．35％ 7．67％ 4.22％ 0．76％ 9563
5．成品气组成
CH4 CO CnHm Co2 H2 N2 O2 19．94％ ll.35％ 0．57％ 8．87％ 48.11％ 10.74％ 0．42％
6，气化效率 87％
热效率 90％
7，总投资 4000万元
六、 问题讨论
1.采用天然气改质方案作为过渡气源在经济上损失多少?
从总体上看，采用天然气改质作为过渡气源，需要将天然气经过热加工、化学加工会损失10％的热量，这笔帐怎么算?
A.以天然气原料价格1.60元／米3计，加工成本(包括输送电耗、厂站折旧、人工费，加上热损失等)每立方米天然气为O．35元／米3。合计成本约为2．0元／米3，1米3天然气改质后产生2.2米3成品气，则改质气成本为0．90元／米3(Q高＝3800kcal／m3)，包括其它费用在内综合成本可视为1．00元／米3。它比目前用重油煤气或煤制气的出厂成本相比要便宜10％以上，也就是说，目前的煤制气厂、油制气厂采用天然气替代这些原料或燃料具有替代价值可以改善亏损。对工厂和居民均有承受能力。
B．上海的城市燃气管网，大多为旧管道，使用时间大多在20年以上，有的旧管道已达到50—100年，也即基本上在无偿使用阶段，如直供天然气采用新燃气管道或改造后的管道，需要花费大笔资金，这些费用的折旧均需摊入燃气成本中，新管道大都为钢管，寿命期为20年。如果新建管网，改造管网及附属设施投资以每户1000元计，上海吴淞公司以消化天然气量30万米3／日计，估计可供60万户，其简单折算如下：
60×1000＝60000万元＝6亿
管道以20年折旧，每年折旧3000万元。
每米3煤气摊折旧费＝3000/(30*365)＝0.28元／米3
从上述可见改质方案的加工成本0.35元／米3和过渡期节省的折旧费0．28元／米3相比，仅增费用0．07元／米3，也即损失5％热量。
2．对于天然气直供方案，城市燃气管网所需的改造时间究竟多少?
天然气采用直供无疑是最好的方案，但是对于象上海这样的大城市需要逐步实施，因为原有居民的供气不能中断，每户的转换过程需要一、二天内完成，以每年置换25—30万户计，其持续过程需要10年以上，同时在改造管两过程中，许多管道需要检修、更换和新配置管网，这样就需要开挖马路，在上海这样交通繁忙的城市，每年可开挖的马路数对于交通来说一定会受到限制的，因而也就会使置换时间延续一段时间。
此外，改造城市管网，需要很大一批资金，这些资金的支出肯定逐年安排，采用非直供方案和资金的逐步到位是相适应的。
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