第一章 城鎮燃氣基礎知識

第一節 城鎮燃氣的種類及應用

天然氣的應用在我國有著悠久的歷史。我國第一個經營城鎮燃氣的公司最早于1865年在上海建立，至今已有140多年歷史，直到解放前夕，全國僅有9個城市有城市燃氣供應，規模甚小。解放后，隨著冶金工業的發展，北京等一些城市興建了燃氣事業，供應以煤炭為原料的人工煤氣。由于石油與天然氣的開采與利用，一些地區逐漸利用天然氣作為城鎮燃氣。20世紀60年代中期，我國石油煉制工業得到很大發展，液化石油氣開始進入城鎮。改革開放以后，作為城市基礎設施之一的城鎮燃氣，為了提高能源利用率、保護環境、防止大氣污染及提高人民生活水平的需要，得到了長足的發展。近年來，隨著天然氣的開采量增加，西氣東輸工程的實施、引進國外液化天然氣等措施，加快了我國城鎮燃氣發展速度。

通常把城鎮燃氣種類劃分為：天然氣、人工煤氣、液化石油氣、沼氣。近年來也將摻混氣和工業企業的生產余氣（稱為工業余氣）列入城鎮燃氣。

一、城鎮燃氣的種類

（一）天然氣

天然氣一般可分為五種：從氣井開采出來的氣田氣稱純氣田天然氣；伴隨石油一起開采出來的石油氣稱石油伴生氣，也稱油井氣；含石油輕質餾分的凝析氣田氣；在開采煤礦時從井下煤層抽出的煤礦礦井氣，或稱煤田氣；還有煤成氣等。

純氣田天然氣（簡稱天然氣）的組分以甲烷為主，還含有少量的乙烷、丙烷等烴類及二氧化碳、硫化氫、氮和微量的氦、氖、氬等氣體。我國四川天然氣中甲烷含量一般不少于90%，熱值為34.750～36.000MJ/N·m³（8300～8600kcal/N·m³）。天津大港地區的天然氣為石油伴生氣，甲烷含量約為80%，乙烷、丙烷和丁烷等含量約占15%，熱值約為41.868MJ/N·m³（10000kcal/N·m³）。凝析氣田氣除含有大量甲烷及一定量的C₂～C₄的碳氫化合物外，還含有2%～5%戊烷及戊烷以上的碳氫化合物。礦井氣的主要組分是甲烷，其含量隨采氣方式而變化。可見，天然氣所含組分不同，其熱值的高低也有差異。

（二）人工煤氣

20世紀50年代，我國城鎮燃氣供應系統的氣源基本是人工煤氣。作為居民生活、工業企業生產和商業用氣的人工煤氣主要是指以煤或油為原料，經制氣及凈化處理后通過城鎮燃氣管網為用戶提供的氣體燃料。

根據煤和油的原料組分、原料的性質，以及制氣的加工方式不同，人工煤氣一般可分為四種：固體燃料干餾煤氣、固體燃料汽化煤氣、油制氣和高爐煤氣。

1.固體燃料干餾煤氣

利用焦爐、連續式直立碳化爐（又稱伍德爐）和立箱爐等對煤進行干餾所獲得的煤氣稱為干餾煤氣。用干餾方式生產煤氣，每噸煤可產煤氣300～400m³。這類煤氣中甲烷和氫的含量較高，低熱值一般在16.740MJ/N·m³（4000kcal/N·m³）左右。干餾煤氣生產歷史較長，雖然在某些場合已逐步為天然氣、液化石油氣等氣源替代，但目前仍是我國城鎮燃氣的重要氣源之一。

2.固體燃料汽化煤氣

壓力汽化煤氣、水煤氣、發生爐煤氣均屬此類。在1.47～2.94MPa的壓力下，以煤作為原料，采用純氧和水蒸氣為汽化劑，可獲得高壓蒸氣氧鼓風煤氣，也叫加壓汽化煤氣。其主要組分為含量較高的甲烷及氫，熱值在15.072MJ/N·m³（3600kcal/N·m³）左右。若城市附近有褐煤或長焰煤資源，可采用魯奇爐生產壓力汽化煤氣，這套裝置可建立在煤礦附近，一般稱為坑口汽化。該系統無需另設壓送設備，燃氣可直接輸送至較遠的城鎮使用。

水煤氣和發生爐煤氣的主要組分為一氧化碳和氫。水煤氣的熱值為10.467MJ/N·m³（2500kcal/N·m³）左右，發生爐煤氣的熱值為5.443MJ/N·m³（1300kcal/N·m³）左右。由于這兩種煤氣的熱值低、毒性大，不可單獨作為城鎮燃氣的氣源，但可用來加熱焦爐和連續式直立炭化爐，以頂替出熱值較高的干餾煤氣增加城市的供氣量；也可以和干餾煤氣、重油蓄熱裂解氣摻混，用以調節供氣量和調整燃氣的熱值，或作為城鎮燃氣的調度氣源。發生爐煤氣還可作為工廠及燃氣輪機的燃料。

3.油制氣

我國一些城鎮利用重油（煉油廠在提取汽油、煤油和柴油之后所剩的油品）制取城鎮燃氣。

按制取的方法不同，可分為重油蓄熱熱裂解氣和重油蓄熱催化裂解氣兩種。重油蓄熱熱裂解氣以甲烷、乙烯和丙烯為主要組分，熱值約為41.868MJ/N·m³（10000kcal/N·m³）。每噸重油的產氣量為500～550m³。重油蓄熱催化裂解氣中氫的含量最多，也含有甲烷和一氧化碳，熱值在17.585～20.934MJ/N·m³（4200～5000kcal/N·m³）。利用三筒爐催化裂解裝置，每噸重油的產氣量為1200～1300m³。

以石腦油（粗汽油）作為制氣原料，與重油相比，石腦油有如下優點：含硫量少、不生成焦油、煙塵及污水等公害問題小、汽化效率高，而且石腦油催化裂解制氣轉換一氧化碳的過程比較簡單。油制氣既可作城鎮燃氣的基本氣源，也可作城鎮燃氣的調度氣源。

4.高爐煤氣

高爐煤氣是冶金系統煉鐵工藝的副產品，其主要組分是一氧化碳和氮氣，熱值為3.768～4.186MJ/N·m³（900～1000kcal/N·m³）。

高爐煤氣可取代焦爐煤氣用作煉焦爐的加熱煤氣，以使更多的焦爐煤氣供應城市。高爐煤氣也常用作鍋爐的燃料或與焦爐煤氣摻混用于城鎮供氣與冶金工廠的加熱工藝。

（三）液化石油氣

液化石油氣是開采和煉制石油過程中，作為副產品而獲得的一部分碳氫化合物。

作為工業和民用燃料的液化石油氣可來自于由天然氣分離出來的C₃、C₄組分，也可以是石油煉制和加工過程中作為副產品的一部分碳氫化合物。目前我國供給城鎮作為燃料的液化石油氣（LPG）主要來源于石油煉廠催化裂解裝置產出的石油氣，其主要的組分為丙烷（C₃H₈）、丁烷（C₄ H₁₀）、丙烯（C₃ H₆）和丁烯（C₄ H₈），這部分產量通常約占催化裂解裝置處理量的7%～8%。由于各地石油煉廠所用的原料油成分、性質、加工工藝和設備類型不同，各地液化石油氣的組成及其熱值也有差異。

液化石油氣習慣上又稱為C₃、C₄，即只用短的碳原子（C）數表示。這些碳氫化物在常溫、常壓下呈氣態，當壓力升高或溫度降低時，很容易轉變為液態；當液態的液化石油氣轉變為氣態時其體積將增大約250倍，從經濟角度分析，液化石油氣以液態方式儲存和輸送較以氣態方式優越。液態液化石油氣的熱值為45.217～46.055MJ/kg（10800～11000kcal/kg），氣態液化石油氣的熱值為92.110～121.417MJ/N·m³（22000～29000kcal/N·m³）。

隨著石油化學工業的迅速發展，利用液化石油氣作為城鎮燃氣的氣源具有投資省、設備簡單、供應方式靈活、建設速度快等優點，所以我國的一些城鎮常以液化石油氣作為燃氣的氣源。近年來，國內外不少城鎮還用液化石油氣作為汽車燃料。

液化石油氣除以瓶裝供應外，還可采用汽化的方法使其由液態轉化為氣態，并通過管道供應用戶。為了避免汽化后的液化石油氣在有壓力輸送狀態下轉換為液態影響正常的輸送，因而，常在氣態液化石油氣中摻混一定量的空氣輸送給用戶使用。按照國家規定，液化石油氣與空氣的混合氣做主氣源時，液化石油氣的體積分數應高于其爆炸上限的2倍，且混合氣的露點溫度應低于管道外壁溫度5℃。硫化氫含量不應大于20mg/m³。

（四）沼氣

沼氣是一種可用作能源且成本低的可燃氣體，其發生源和分布極為廣泛。以沼氣的發生源不同可分為天然沼氣和人工沼氣兩大類。天然沼氣是自然界中的有機質自然形成的沼氣。人工沼氣也被稱作生物氣，是一種再生能源。人們將含有蛋白質、纖維素、脂肪、淀粉等有機物質，在缺氧情況下借助厭氧菌的作用使之發酵分解生成可燃氣體，即為沼氣。發酵的原料在城鎮可以來自于分布廣泛的生活垃圾、雜草、落葉等，農村也可用農作物的秸稈等。

作為再生能源之一的沼氣，其主要成分為甲烷，約占含量的60%，二氧化碳約為35%，此外，還含有少量的氫、一氧化碳等氣體，沼氣的熱值為20.000～29.308MJ/N·m³（4800～7000kcal/N·m³），是一種清潔能源，可望未來成為城鎮燃氣的一種資源。

（五）工業余氣

石油化工與化肥工業企業在生產過程中常排出一些工業余氣，這些工業余氣含有大量的可燃成分，經過收集、加工也可以作為城鎮燃氣的來源。

每生產1t合成氨約有120～150m³馳放氣，其體積分數一般為H₂—（50～60）%；CH₄—18%；N₂—（22～32）%，熱值為11.8～12.9MJ/N·m³。有些企業馳放氣多被放空，造成能源浪費和大氣污染。

石油化工企業由于生產工藝需要，一般設火炬將余氣燃燒。這種火炬余氣的成分隨著生產原料、加工工藝、生產產品的不同而改變，但一般均含有較多的CH₄等烴類和H₂，因此熱值較高，其波動范圍為22.00～41.86MJ/N·m³，有很高的熱能利用價值。

工業余氣的利用，可提高能源利用率，避免資源浪費，同時減輕了大氣環境污染。

（六）摻混氣

天然氣、液化石油氣、人工煤氣等燃氣常作為單一氣源為城鎮供氣，但也常為調節供氣量和調整燃氣熱值而將不同類別的燃氣或燃氣與空氣混合配制成混合氣，作為城鎮的供氣氣源，這種混合燃氣叫做摻混氣。如：有熱值較高的液化石油氣與熱值較低的發生爐煤氣、焦爐煤氣與水煤氣、高爐煤氣與焦爐煤氣摻混等的供氣方式；又有天然氣與空氣、液化石油氣摻混空氣等供氣方式。摻混氣用以作為城鎮的供氣氣源或過渡氣源、補充氣源、調峰氣源等，現在常為一些城鎮所采用。

在一種基本燃氣氣源中加入另一種燃氣或空氣形成的摻混氣，形式上是一種燃氣與另一種燃氣或空氣的相互混合，而實質則是為調整燃氣中H₂、CH₄、N₂、C₃ H₆、C₄ H₁₀、C₃ H₈和空氣等各主要組分比例關系，目的在于改變氣源的熱值和燃燒特性，達到燃氣互換與燃具適應性的預期效果。摻混氣的應用不僅提高了燃氣的資源價值，也成為城鎮燃氣氣源的一種類型。

組成摻混氣的各類燃氣，應符合國家標準的技術要求。另外，在設計時必須核算摻混氣的爆炸極限。

各類城鎮燃氣的組分及低熱值實例見表1-1。

表1-1 各類城鎮燃氣的組分及低熱值

二、天然氣的應用

天然氣是重要能源之一，越來越受到廣泛重視，它不僅是重要能源，而且也是化工原料。

國家發展和改革委員會于2007年發布《天然氣利用政策的通知》2012年又以15號令的形式再次明確天然氣利用政策，政策明確規定：綜合考慮天然氣利用的社會效益、環境效益和經濟效益以及不同用戶的用氣特點等各方面因素，天然氣用戶分為優先類、允許類、限制類和禁止類。

第一類：優先類

城市燃氣：

1.城鎮（尤其是大中城市）居民炊事、生活熱水等用氣；

2.公共服務設施（機場、政府機關、職工食堂、幼兒園、學校、醫院、賓館、酒店、餐飲業、商場、寫字樓、火車站、福利院、養老院、港口、碼頭客運站、汽車客運站等）用氣；

3.天然氣汽車（尤其是雙燃料及液化天然氣汽車），包括城市公交車、出租車、物流配送車、載客汽車、環衛車和載貨汽車等以天然氣為燃料的運輸車輛；

4.集中式采暖用戶（指中心城區、新區的中心地帶）；

5.燃氣空調；

工業燃料：

6.建材、機電、輕紡、石化、冶金等工業領域中可中斷的用戶；

7.作為可中斷用戶的天然氣制氫項目；

其他用戶：

8.天然氣分布式能源項目（綜合能源利用效率70%以上，包括與可再生能源的綜合利用）；

9.在內河、湖泊和沿海航運的以天然氣（尤其是液化天然氣）為燃料的運輸船舶（含雙燃料和單一天然氣燃料運輸船舶）；

10.城鎮中具有應急和調峰功能的天然氣儲存設施；

11.煤層氣（煤礦瓦斯）發電項目；

12.天然氣熱電聯產項目。

第二類：允許類

城市燃氣：

1.分戶式采暖用戶；

工業燃料：

2.建材、機電、輕紡、石化、冶金等工業領域中以天然氣代油、液化石油氣項目；

3.建材、機電、輕紡、石化、冶金等工業領域中以天然氣為燃料的新建項目；

4.建材、機電、輕紡、石化、冶金等工業領域中環境效益和經濟效益較好的以天然氣代煤項目；

5.城鎮（尤其是特大、大型城市）中心城區的工業鍋爐燃料天然氣置換項目；

天然氣發電：

6.除第一類第12項、第四類第1項以外的天然氣發電項目；

天然汽化工：

7.除第一類第7項以外的天然氣制氫項目；

其他用戶：

8.用于調峰和儲備的小型天然氣液化設施。

第三類：限制類

天然汽化工：

1.已建的合成氨廠以天然氣為原料的擴建項目、合成氨廠煤改氣項目；

2.以甲烷為原料，一次產品包括乙炔、氯甲烷等化工項目；

3.新建以天然氣為原料的氮肥項目。

第四類：禁止類

天然氣發電：

1.陜、蒙、晉、皖等十三個大型煤炭基地所在地區建設基荷燃氣發電項目，煤層氣（煤礦瓦斯）發電項目除外；

天然汽化工：

2.新建或擴建以天然氣為原料生產甲醇及甲醇生產下游產品裝置；

3.以天然氣代煤制甲醇項目。

由此可見，城市燃氣被列為優先類，可優先用于城鎮（尤其是大中城市）居民炊事、生活熱水等用氣；公共服務設施（職工食堂、幼兒園、學校、醫院、賓館、酒店、餐飲業、商場、火車站、福利院、養老院等）用氣；天然氣汽車；集中式采暖用戶；燃氣空調等。

國家政策將有力推動城鎮燃氣的發展。

國家在綜合考慮天然氣利用的社會效益、環境效益和經濟效益以及不同用戶的用氣特點等方面因素，限制、禁止天然氣在某些行業的發展，如限制天然汽化工以甲烷為原料，一次產品包括乙炔等化工產品的項目，新建以天然氣為原料的氮肥項目等。禁止某些大型煤炭基地所在地區建設燃氣發電項目（煤礦瓦斯發電除外），禁止新建或擴建以天然氣為原料生產甲醇及甲醇生產下游產品裝置等項目。

天然氣的輸送手段方面，除可以管道輸送，還可采用壓縮天然氣（CNG）用氣瓶車運輸，也可經低溫液化后成為液化天然氣（LNG）采用槽船、槽車進行運輸，再經汽化通過管道送至用戶。