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天然氣規(guī)劃利用的過(guò)渡措施——“天然氣改質(zhì)”
目前我國(guó)燃?xì)馐聵I(yè)正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，改革開(kāi)放20年來(lái)，燃?xì)夤⿷?yīng)總量逐年增加，燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。到1998年底，供氣總量達(dá)到1268．6萬(wàn)億千焦，用氣人口達(dá)到1.56億人，城市氣化率達(dá)到78％。尤其近年來(lái)，天然氣資源勘探開(kāi)發(fā)取得顯著成就，四川、陜北、新疆和東海天然氣的開(kāi)發(fā)都有了新的進(jìn)展，全國(guó)城市天然氣利用規(guī)劃編制工作已經(jīng)完成。國(guó)家正在制定全國(guó)天然氣規(guī)劃，天然氣將成為下一世紀(jì)城市的主要能源之一。天然氣的發(fā)展標(biāo)志著我國(guó)城市管道煤氣已經(jīng)開(kāi)始從煤制氣、油制氣、液化石油氣向天然氣逐步過(guò)渡。
一、 上海市天然氣供需概況
上海市的燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)將面臨調(diào)整，東海天然氣已進(jìn)入上海并開(kāi)始供氣。1999年底供氣量為80萬(wàn)米3／日，2000年計(jì)劃供氣量100萬(wàn)米3／日，2001年為120萬(wàn)米3／日，而根據(jù)目前意向有可能達(dá)到160萬(wàn)米3／日。
除了東海天然氣，根據(jù)目前全國(guó)供應(yīng)天然氣的規(guī)劃，今后上海市獲得天然氣的主要渠道為“西氣東送”，西部四大氣田的天然氣將從西部沿各城市走向送至上海，規(guī)劃到2005年時(shí)氣化人口達(dá)到840萬(wàn)人。
二、 目前利用天然氣概況
l.目前除了部分直供天然氣外，還需要采用非直供方式，直供天然氣的管道轉(zhuǎn)換工作需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。
東海天然氣供應(yīng)上海后，除了浦東可直供用氣約30萬(wàn)米3／日外，浦西由于管網(wǎng)改造，用戶(hù)設(shè)備更換或資金跟不上，直供天然氣管網(wǎng)改造工作量和投資均相當(dāng)大，還有一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的改造時(shí)間。上海的城市煤氣管道有的已超過(guò)100年，以前鋪設(shè)的大多是鑄鐵管道，如從煤制氣改成天然氣后，管道在壓力級(jí)制上存在問(wèn)題；同時(shí)還存在對(duì)氣質(zhì)不宜的問(wèn)題，特別是干氣的到來(lái)，這些舊管道可能會(huì)不適應(yīng)而發(fā)生管道接口漏氣的問(wèn)題，不但改造工作量大、難度大、投資大，而丑需要有很長(zhǎng)的改造工作時(shí)間，需要邊供氣，邊改造。其改造時(shí)間估計(jì)在10年以上，有人估計(jì)可能需要15年時(shí)間。
2．非直供方式之一——天然氣直接摻混水煤氣結(jié)果不理想
由于天然氣直供方式進(jìn)度不可能很快，為了消化已經(jīng)進(jìn)入上海市的東海天然氣，上海浦東煤氣制氣公司于1999年4月開(kāi)始采用水煤氣摻混天然氣的方法，天然氣消化量為40萬(wàn)米3／日，經(jīng)摻混水煤氣后，所產(chǎn)城市煤氣CO含量達(dá)22.4％。當(dāng)天然氣熱值波動(dòng)至上限時(shí)，CO含量還要高一些。由于受到CO合量的限制，水煤氣的摻混是有限的，不可能大量摻混使用。
三、 近期利用天然氣的設(shè)想：“天然氣改質(zhì)”
對(duì)天然氣進(jìn)行“改質(zhì)”是天然氣非直供方式的另一種選擇，也就是將天然氣改制成符合目前城市煤氣供氣要求的燃?xì)馑M(jìn)行的加工過(guò)程，經(jīng)加工后1M3天然氣可以改制成符合上海城市燃?xì)鉄嶂禈?biāo)準(zhǔn)3800千卡／米3(高熱值)的燃?xì)?．2M3，設(shè)備可采用經(jīng)過(guò)改造的重油制氣爐。
這種改制過(guò)程的特點(diǎn)為：
1)工藝流程簡(jiǎn)單，它與輕油氣化爐可以互通，也就是說(shuō)同一臺(tái)爐子，既可以用天然氣作原料，也可以用輕油或LPG作原料。
2)熱效率高，可以達(dá)到90％。
3)符合環(huán)保要求，排出的“三廢”不需另行處理，均能達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。
4)上馬快，當(dāng)年改造，當(dāng)年即可投產(chǎn)。
5)投資小，只需化少量改造費(fèi)用。
6)成本低。與煤制氣和重油制氣相比，單位燃?xì)獾某杀究陕詼p一些。無(wú)論工廠和居民均有承受能力。
7)產(chǎn)生的燃?xì)夥铣鞘腥細(xì)馐褂靡螅貏e是燃?xì)庵械腃O含量＜15％，燃?xì)獗戎貎H0．50左右。
8)可以作為天然氣大量涌入城市，直供條件尚不完備，以管道煤制氣為主氣源城市的應(yīng)急措施或較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)渡氣源。
上海吳凇煤氣制氣有限公司擬對(duì)2臺(tái)重油制氣爐進(jìn)行改造，處理天然氣30萬(wàn)米3／日，產(chǎn)生改質(zhì)氣(Q商＝3800千卡／米3)一66萬(wàn)米3／日。在天然氣改質(zhì)的同時(shí)，該廠還可以向市內(nèi)多輸送煤氣約40萬(wàn)米3／日。
四、 “天然氣改質(zhì)”工藝方案
1，工藝方案
天然氣改質(zhì)工藝流程基本上是在重油制氣工藝流程基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化而來(lái)。取消了整套凈化及化產(chǎn)回收車(chē)間及繁雜的污水處理系統(tǒng)，同重油制氣工藝最大不同之處在于制氣爐體有些變動(dòng)。重油制氣裝置大多為逆流反應(yīng)裝置，而天然氣改質(zhì)是順流式反應(yīng)裝置。當(dāng)使用重油時(shí)，由于制氣階段沉積在催化劑層的碳多，利用這些碳的燃燒來(lái)補(bǔ)充熱量是不成問(wèn)題的，相比之下，采用天然氣原料因沉積在催化劑層的碳極少，故對(duì)保持蓄熱式裝置反應(yīng)溫度稍差一些，因此應(yīng)采用能吸收熱量大的催化劑層進(jìn)行直接加熱的順流式裝置，在順流式的制氣裝置中，煙氣及煤氣的顯熱均可以通過(guò)同一臺(tái)廢熱鍋爐回收，蒸汽自給率100％，只需開(kāi)工時(shí)提供啟動(dòng)蒸氣即可。
制氣工藝采用低壓間歇循環(huán)催化裂解工藝，生產(chǎn)燃?xì)獾拇呋磻?yīng)是指天然氣與水蒸汽反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫、一氧化碳、二氧化碳的反應(yīng)，即所謂水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
其中反應(yīng)過(guò)程以吸熱反應(yīng)為主，其熱量由天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馓峁Ｖ茪鉅t生產(chǎn)過(guò)程主要由加熱及制氣兩大部分組成。制氣系統(tǒng)主體工藝設(shè)備是雙筒式間歇循環(huán)催化蓄熱裂解制氣爐(簡(jiǎn)稱(chēng)制氣爐)，由燃燒室、反應(yīng)室組成。整個(gè)制氣過(guò)程主要分鼓風(fēng)加熱期和制氣期循環(huán)交替進(jìn)行。在加熱期和制氣期之間設(shè)有空氣吹掃和蒸汽吹掃階段，兩臺(tái)制氣爐聯(lián)鎖運(yùn)行，即第一臺(tái)爐處于加熱階段時(shí)，第二臺(tái)爐正處于制氣階段，根據(jù)工藝操作可選擇適合的周期時(shí)間及操作階段。一般取3—4分鐘一個(gè)循環(huán)。
2．爐子改造方案
將原重油制氣爐改造成為雙筒爐，即保留反應(yīng)器和蒸蓄器，砍掉空蓄器及其它不必要的設(shè)備，在蒸蓄器底側(cè)新添置燃燒室，爐子內(nèi)部得以改造，催化劑的設(shè)置和格子磚的架設(shè)符合天然氣改質(zhì)的要求，廢熱鍋爐重新設(shè)計(jì)。
本改造方案特點(diǎn)如下：
A.流程簡(jiǎn)單，使整個(gè)爐區(qū)布置緊湊；
B.和新設(shè)計(jì)爐子爐型、流程基本接近，有利于操作，其生產(chǎn)指標(biāo)較為先進(jìn)；
C.原吳煤公司爐型為翁尼亞——蓋奇重油爐，改造后接近翁尼亞——蓋奇輕油爐，也和目前香港馬頭角制氣廠使用的翁尼亞——蓋奇輕油制氣爐雷同。
D.只增加少量設(shè)備，投資不大。
3，催化劑
催化劑在天然氣改制催化反應(yīng)制氣工藝中起著關(guān)鍵作用，它能促進(jìn)原料與水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)，提高制氣效率，改善燃?xì)馄焚|(zhì)。制氣過(guò)程中，催化劑需在高溫、高蒸汽分壓和強(qiáng)烈的氧化、還氧氣氛下，經(jīng)受劇烈的溫度聚變、氣流的高速?zèng)_劇以及硫等毒性物質(zhì)的毒害。因此，對(duì)于催化劑的熱穩(wěn)定性、催化活性和抗毒性要求很高。對(duì)于世界上大多數(shù)間歇循環(huán)催化制氣工藝而言，不論重油制氣還是天然氣改質(zhì)制氣，其觸媒均采用鎳系催化劑，所不同之處僅是鎳含量、載體和外觀不同而已。天然氣改質(zhì)可以選用氧化鋁和氧化硅為載體的鎳催化劑，并已能?chē)?guó)產(chǎn)化供應(yīng)。
五、 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
1，處理天然氣量 30萬(wàn)米3／日
2．產(chǎn)生成品氣量 66萬(wàn)米3／日
3．成品性質(zhì)
高熱值 15．9MJ／m3(3800kcal／m3)
比重(空氣為1) ～O.52
華白數(shù)W ～22．41MJ／m3(5352kcal／m3)
燃燒勢(shì)CP ～86
4.設(shè)計(jì)指標(biāo)
加熱原料／制氣原料 30／l00
過(guò)程蒸汽／制氣原料 1:50
循環(huán)時(shí)間 4分鐘
各階段時(shí)間分配如下：
階 段 鼓風(fēng)加熱 空氣吹凈 制 氣 蒸汽吹凈 合 計(jì) 百分比 45％ 3％ 45％ 7％ 100％
4．原料天然氣組成：
CH4 CnHm CO2 N2 Q高(kcal／m3) 87．35％ 7．67％ 4.22％ 0．76％ 9563
5．成品氣組成
CH4 CO CnHm Co2 H2 N2 O2 19．94％ ll.35％ 0．57％ 8．87％ 48.11％ 10.74％ 0．42％
6，氣化效率 87％
熱效率 90％
7，總投資 4000萬(wàn)元
六、 問(wèn)題討論
1.采用天然氣改質(zhì)方案作為過(guò)渡氣源在經(jīng)濟(jì)上損失多少?
從總體上看，采用天然氣改質(zhì)作為過(guò)渡氣源，需要將天然氣經(jīng)過(guò)熱加工、化學(xué)加工會(huì)損失10％的熱量，這筆帳怎么算?
A.以天然氣原料價(jià)格1.60元／米3計(jì)，加工成本(包括輸送電耗、廠站折舊、人工費(fèi)，加上熱損失等)每立方米天然氣為O．35元／米3。合計(jì)成本約為2．0元／米3，1米3天然氣改質(zhì)后產(chǎn)生2.2米3成品氣，則改質(zhì)氣成本為0．90元／米3(Q高＝3800kcal／m3)，包括其它費(fèi)用在內(nèi)綜合成本可視為1．00元／米3。它比目前用重油煤氣或煤制氣的出廠成本相比要便宜10％以上，也就是說(shuō)，目前的煤制氣廠、油制氣廠采用天然氣替代這些原料或燃料具有替代價(jià)值可以改善虧損。對(duì)工廠和居民均有承受能力。
B．上海的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，大多為舊管道，使用時(shí)間大多在20年以上，有的舊管道已達(dá)到50—100年，也即基本上在無(wú)償使用階段，如直供天然氣采用新燃?xì)夤艿阑蚋脑旌蟮墓艿�，需要花費(fèi)大筆資金，這些費(fèi)用的折舊均需攤?cè)肴細(xì)獬杀局校鹿艿来蠖紴殇摴�，壽命期�?0年。如果新建管網(wǎng)，改造管網(wǎng)及附屬設(shè)施投資以每戶(hù)1000元計(jì)，上海吳淞公司以消化天然氣量30萬(wàn)米3／日計(jì)，估計(jì)可供60萬(wàn)戶(hù)，其簡(jiǎn)單折算如下：
60×1000＝60000萬(wàn)元＝6億
管道以20年折舊，每年折舊3000萬(wàn)元。
每米3煤氣攤折舊費(fèi)＝3000/(30*365)＝0.28元／米3
從上述可見(jiàn)改質(zhì)方案的加工成本0.35元／米3和過(guò)渡期節(jié)省的折舊費(fèi)0．28元／米3相比，僅增費(fèi)用0．07元／米3，也即損失5％熱量。
2．對(duì)于天然氣直供方案，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)所需的改造時(shí)間究竟多少?
天然氣采用直供無(wú)疑是最好的方案，但是對(duì)于象上海這樣的大城市需要逐步實(shí)施，因?yàn)樵芯用竦墓獠荒苤袛啵繎?hù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一、二天內(nèi)完成，以每年置換25—30萬(wàn)戶(hù)計(jì)，其持續(xù)過(guò)程需要10年以上，同時(shí)在改造管兩過(guò)程中，許多管道需要檢修、更換和新配置管網(wǎng)，這樣就需要開(kāi)挖馬路，在上海這樣交通繁忙的城市，每年可開(kāi)挖的馬路數(shù)對(duì)于交通來(lái)說(shuō)一定會(huì)受到限制的，因而也就會(huì)使置換時(shí)間延續(xù)一段時(shí)間。
此外，改造城市管網(wǎng)，需要很大一批資金，這些資金的支出肯定逐年安排，采用非直供方案和資金的逐步到位是相適應(yīng)的。
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