第一章 城鎮(zhèn)燃?xì)饣A(chǔ)知識(shí)

第一節(jié) 城鎮(zhèn)燃?xì)獾姆N類及應(yīng)用

天然氣的應(yīng)用在我國(guó)有著悠久的歷史。我國(guó)第一個(gè)經(jīng)營(yíng)城鎮(zhèn)燃?xì)獾墓咀钤缬?865年在上海建立，至今已有140多年歷史，直到解放前夕，全國(guó)僅有9個(gè)城市有城市燃?xì)夤?yīng)，規(guī)模甚小。解放后，隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，北京等一些城市興建了燃?xì)馐聵I(yè)，供應(yīng)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(qū)逐漸利用天然氣作為城鎮(zhèn)燃?xì)狻?0世紀(jì)60年代中期，我國(guó)石油煉制工業(yè)得到很大發(fā)展，液化石油氣開始進(jìn)入城鎮(zhèn)。改革開放以后，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施之一的城鎮(zhèn)燃?xì)?，為了提高能源利用率、保護(hù)環(huán)境、防止大氣污染及提高人民生活水平的需要，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來，隨著天然氣的開采量增加，西氣東輸工程的實(shí)施、引進(jìn)國(guó)外液化天然氣等措施，加快了我國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)獍l(fā)展速度。

通常把城鎮(zhèn)燃?xì)夥N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(yè)企業(yè)的生產(chǎn)余氣（稱為工業(yè)余氣）列入城鎮(zhèn)燃?xì)狻?/p>

一、城鎮(zhèn)燃?xì)獾姆N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(zhì)餾分的凝析氣田氣；在開采煤礦時(shí)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(jiǎn)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(guó)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(qū)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?xì)浠衔锿猓€含有2%～5%戊烷及戊烷以上的碳?xì)浠衔铩５V井氣的主要組分是甲烷，其含量隨采氣方式而變化?？梢?，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(jì)50年代，我國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的氣源基本是人工煤氣。作為居民生活、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)用氣的人工煤氣主要是指以煤或油為原料，經(jīng)制氣及凈化處理后通過城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)為用戶提供的氣體燃料。

根據(jù)煤和油的原料組分、原料的性質(zhì)，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?fàn)t、連續(xù)式直立碳化爐（又稱伍德爐）和立箱爐等對(duì)煤進(jìn)行干餾所獲得的煤氣稱為干餾煤氣。用干餾方式生產(chǎn)煤氣，每噸煤可產(chǎn)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(chǎn)歷史較長(zhǎng)，雖然在某些場(chǎng)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(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)獾闹匾獨(dú)庠粗弧?/p>

2.固體燃料汽化煤氣

壓力汽化煤氣、水煤氣、發(fā)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(fēng)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(zhǎng)焰煤資源，可采用魯奇爐生產(chǎn)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(tǒng)無需另設(shè)壓送設(shè)備，燃?xì)饪芍苯虞斔椭凛^遠(yuǎn)的城鎮(zhèn)使用。

水煤氣和發(fā)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(fā)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(dú)作為城鎮(zhèn)燃?xì)獾臍庠?，但可用來加熱焦?fàn)t和連續(xù)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(diào)節(jié)供氣量和調(diào)整燃?xì)獾臒嶂?，或作為城?zhèn)燃?xì)獾恼{(diào)度氣源。發(fā)生爐煤氣還可作為工廠及燃?xì)廨啓C(jī)的燃料。

3.油制氣

我國(guó)一些城鎮(zhèn)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(zhèn)燃?xì)狻?/p>

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(chǎn)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(chǎn)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(yōu)點(diǎn)：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(zhuǎn)換一氧化碳的過程比較簡(jiǎn)單。油制氣既可作城鎮(zhèn)燃?xì)獾幕練庠?，也可作城?zhèn)燃?xì)獾恼{(diào)度氣源。

4.高爐煤氣

高爐煤氣是冶金系統(tǒng)煉鐵工藝的副產(chǎn)品，其主要組分是一氧化碳和氮?dú)猓瑹嶂禐?.768～4.186MJ/N·m³（900～1000kcal/N·m³）。

高爐煤氣可取代焦?fàn)t煤氣用作煉焦?fàn)t的加熱煤氣，以使更多的焦?fàn)t煤氣供應(yīng)城市。高爐煤氣也常用作鍋爐的燃料或與焦?fàn)t煤氣摻混用于城鎮(zhèn)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(chǎn)品而獲得的一部分碳?xì)浠衔铩?/p>

作為工業(yè)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(chǎn)品的一部分碳?xì)浠衔?。目前我?guó)供給城鎮(zhèn)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)、加工工藝和設(shè)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(xí)慣上又稱為C₃、C₄，即只用短的碳原子（C）數(shù)表示。這些碳?xì)浠镌诔?、常壓下呈氣態(tài)，當(dāng)壓力升高或溫度降低時(shí)，很容易轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)；當(dāng)液態(tài)的液化石油氣轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)其體積將增大約250倍，從經(jīng)濟(jì)角度分析，液化石油氣以液態(tài)方式儲(chǔ)存和輸送較以氣態(tài)方式優(yōu)越。液態(tài)液化石油氣的熱值為45.217～46.055MJ/kg（10800～11000kcal/kg），氣態(tài)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(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，利用液化石油氣作為城鎮(zhèn)燃?xì)獾臍庠淳哂型顿Y省、設(shè)備簡(jiǎn)單、供應(yīng)方式靈活、建設(shè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以我國(guó)的一些城鎮(zhèn)常以液化石油氣作為燃?xì)獾臍庠?。近年來，?guó)內(nèi)外不少城鎮(zhèn)還用液化石油氣作為汽車燃料。

液化石油氣除以瓶裝供應(yīng)外，還可采用汽化的方法使其由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并通過管道供應(yīng)用戶。為了避免汽化后的液化石油氣在有壓力輸送狀態(tài)下轉(zhuǎn)換為液態(tài)影響正常的輸送，因而，常在氣態(tài)液化石油氣中摻混一定量的空氣輸送給用戶使用。按照國(guó)家規(guī)定，液化石油氣與空氣的混合氣做主氣源時(shí)，液化石油氣的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)高于其爆炸上限的2倍，且混合氣的露點(diǎn)溫度應(yīng)低于管道外壁溫度5℃。硫化氫含量不應(yīng)大于20mg/m³。

（四）沼氣

沼氣是一種可用作能源且成本低的可燃?xì)怏w，其發(fā)生源和分布極為廣泛。以沼氣的發(fā)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(jī)質(zhì)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(zhì)、纖維素、脂肪、淀粉等有機(jī)物質(zhì)，在缺氧情況下借助厭氧菌的作用使之發(fā)酵分解生成可燃?xì)怏w，即為沼氣。發(fā)酵的原料在城鎮(zhèn)可以來自于分布廣泛的生活垃圾、雜草、落葉等，農(nóng)村也可用農(nóng)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(zhèn)燃?xì)獾囊环N資源。

（五）工業(yè)余氣

石油化工與化肥工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中常排出一些工業(yè)余氣，這些工業(yè)余氣含有大量的可燃成分，經(jīng)過收集、加工也可以作為城鎮(zhèn)燃?xì)獾膩碓础?/p>

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

石油化工企業(yè)由于生產(chǎn)工藝需要，一般設(shè)火炬將余氣燃燒。這種火炬余氣的成分隨著生產(chǎn)原料、加工工藝、生產(chǎn)產(chǎn)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(dòng)范圍為22.00～41.86MJ/N·m³，有很高的熱能利用價(jià)值。

工業(yè)余氣的利用，可提高能源利用率，避免資源浪費(fèi)，同時(shí)減輕了大氣環(huán)境污染。

（六）摻混氣

天然氣、液化石油氣、人工煤氣等燃?xì)獬Ｗ鳛閱我粴庠礊槌擎?zhèn)供氣，但也常為調(diào)節(jié)供氣量和調(diào)整燃?xì)鉄嶂刀鴮⒉煌悇e的燃?xì)饣蛉細(xì)馀c空氣混合配制成混合氣，作為城鎮(zhèn)的供氣氣源，這種混合燃?xì)饨凶鰮交鞖?。如：有熱值較高的液化石油氣與熱值較低的發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣與水煤氣、高爐煤氣與焦?fàn)t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(zhèn)的供氣氣源或過渡氣源、補(bǔ)充氣源、調(diào)峰氣源等，現(xiàn)在常為一些城鎮(zhèn)所采用。

在一種基本燃?xì)鈿庠粗屑尤肓硪环N燃?xì)饣蚩諝庑纬傻膿交鞖猓问缴鲜且环N燃?xì)馀c另一種燃?xì)饣蚩諝獾南嗷セ旌希鴮?shí)質(zhì)則是為調(diào)整燃?xì)庵蠬₂、CH₄、N₂、C₃ H₆、C₄ H₁₀、C₃ H₈和空氣等各主要組分比例關(guān)系，目的在于改變氣源的熱值和燃燒特性，達(dá)到燃?xì)饣Q與燃具適應(yīng)性的預(yù)期效果。摻混氣的應(yīng)用不僅提高了燃?xì)獾馁Y源價(jià)值，也成為城鎮(zhèn)燃?xì)鈿庠吹囊环N類型。

組成摻混氣的各類燃?xì)猓瑧?yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)必須核算摻混氣的爆炸極限。

各類城鎮(zhèn)燃?xì)獾慕M分及低熱值實(shí)例見表1-1。

表1-1 各類城鎮(zhèn)燃?xì)獾慕M分及低熱值

二、天然氣的應(yīng)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(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)于2007年發(fā)布《天然氣利用政策的通知》2012年又以15號(hào)令的形式再次明確天然氣利用政策，政策明確規(guī)定：綜合考慮天然氣利用的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益以及不同用戶的用氣特點(diǎn)等各方面因素，天然氣用戶分為優(yōu)先類、允許類、限制類和禁止類。

第一類：優(yōu)先類

城市燃?xì)猓?/p>

1.城鎮(zhèn)（尤其是大中城市）居民炊事、生活熱水等用氣；

2.公共服務(wù)設(shè)施（機(jī)場(chǎng)、政府機(jī)關(guān)、職工食堂、幼兒園、學(xué)校、醫(yī)院、賓館、酒店、餐飲業(yè)、商場(chǎng)、寫字樓、火車站、福利院、養(yǎng)老院、港口、碼頭客運(yùn)站、汽車客運(yùn)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(huán)衛(wèi)車和載貨汽車等以天然氣為燃料的運(yùn)輸車輛；

4.集中式采暖用戶（指中心城區(qū)、新區(qū)的中心地帶）；

5.燃?xì)饪照{(diào)；

工業(yè)燃料：

6.建材、機(jī)電、輕紡、石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中可中斷的用戶；

7.作為可中斷用戶的天然氣制氫項(xiàng)目；

其他用戶：

8.天然氣分布式能源項(xiàng)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(nèi)河、湖泊和沿海航運(yùn)的以天然氣（尤其是液化天然氣）為燃料的運(yùn)輸船舶（含雙燃料和單一天然氣燃料運(yùn)輸船舶）；

10.城鎮(zhèn)中具有應(yīng)急和調(diào)峰功能的天然氣儲(chǔ)存設(shè)施；

11.煤層氣（煤礦瓦斯）發(fā)電項(xiàng)目；

12.天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。

第二類：允許類

城市燃?xì)猓?/p>

1.分戶式采暖用戶；

工業(yè)燃料：

2.建材、機(jī)電、輕紡、石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中以天然氣代油、液化石油氣項(xiàng)目；

3.建材、機(jī)電、輕紡、石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中以天然氣為燃料的新建項(xiàng)目；

4.建材、機(jī)電、輕紡、石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益較好的以天然氣代煤項(xiàng)目；

5.城鎮(zhèn)（尤其是特大、大型城市）中心城區(qū)的工業(yè)鍋爐燃料天然氣置換項(xiàng)目；

天然氣發(fā)電：

6.除第一類第12項(xiàng)、第四類第1項(xiàng)以外的天然氣發(fā)電項(xiàng)目；

天然汽化工：

7.除第一類第7項(xiàng)以外的天然氣制氫項(xiàng)目；

其他用戶：

8.用于調(diào)峰和儲(chǔ)備的小型天然氣液化設(shè)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(kuò)建項(xiàng)目、合成氨廠煤改氣項(xiàng)目；

2.以甲烷為原料，一次產(chǎn)品包括乙炔、氯甲烷等化工項(xiàng)目；

3.新建以天然氣為原料的氮肥項(xiàng)目。

第四類：禁止類

天然氣發(fā)電：

1.陜、蒙、晉、皖等十三個(gè)大型煤炭基地所在地區(qū)建設(shè)基荷燃?xì)獍l(fā)電項(xiàng)目，煤層氣（煤礦瓦斯）發(fā)電項(xiàng)目除外；

天然汽化工：

2.新建或擴(kuò)建以天然氣為原料生產(chǎn)甲醇及甲醇生產(chǎn)下游產(chǎn)品裝置；

3.以天然氣代煤制甲醇項(xiàng)目。

由此可見，城市燃?xì)獗涣袨閮?yōu)先類，可優(yōu)先用于城鎮(zhèn)（尤其是大中城市）居民炊事、生活熱水等用氣；公共服務(wù)設(shè)施（職工食堂、幼兒園、學(xué)校、醫(yī)院、賓館、酒店、餐飲業(yè)、商場(chǎng)、火車站、福利院、養(yǎng)老院等）用氣；天然氣汽車；集中式采暖用戶；燃?xì)饪照{(diào)等。

國(guó)家政策將有力推動(dòng)城鎮(zhèn)燃?xì)獾陌l(fā)展。

國(guó)家在綜合考慮天然氣利用的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益以及不同用戶的用氣特點(diǎn)等方面因素，限制、禁止天然氣在某些行業(yè)的發(fā)展，如限制天然汽化工以甲烷為原料，一次產(chǎn)品包括乙炔等化工產(chǎn)品的項(xiàng)目，新建以天然氣為原料的氮肥項(xiàng)目等。禁止某些大型煤炭基地所在地區(qū)建設(shè)燃?xì)獍l(fā)電項(xiàng)目（煤礦瓦斯發(fā)電除外），禁止新建或擴(kuò)建以天然氣為原料生產(chǎn)甲醇及甲醇生產(chǎn)下游產(chǎn)品裝置等項(xiàng)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(yùn)輸，也可經(jīng)低溫液化后成為液化天然氣（LNG）采用槽船、槽車進(jìn)行運(yùn)輸，再經(jīng)汽化通過管道送至用戶。