第一章 城镇燃气基础知识
第一节 城镇燃气的种类及应用
天然气的应用在我国有着悠久的历史。我国第一个经营城镇燃气的公司最早于1865年在上海建立，至今已有140多年历史，直到解放前夕，全国仅有9个城市有城市燃气供应，规模甚小。解放后，随着冶金工业的发展，北京等一些城市兴建了燃气事业，供应以煤炭为原料的人工煤气。由于石油与天然气的开采与利用，一些地区逐渐利用天然气作为城镇燃气。20世纪60年代中期，我国石油炼制工业得到很大发展，液化石油气开始进入城镇。改革开放以后，作为城市基础设施之一的城镇燃气，为了提高能源利用率、保护环境、防止大气污染及提高人民生活水平的需要，得到了长足的发展。近年来，随着天然气的开采量增加，西气东输工程的实施、引进国外液化天然气等措施，加快了我国城镇燃气发展速度。
通常把城镇燃气种类划分为：天然气、人工煤气、液化石油气、沼气。近年来也将掺混气和工业企业的生产余气（称为工业余气）列入城镇燃气。
一、城镇燃气的种类
（一）天然气
天然气一般可分为五种：从气井开采出来的气田气称纯气田天然气；伴随石油一起开采出来的石油气称石油伴生气，也称油井气；含石油轻质馏分的凝析气田气；在开采煤矿时从井下煤层抽出的煤矿矿井气，或称煤田气；还有煤成气等。
纯气田天然气（简称天然气）的组分以甲烷为主，还含有少量的乙烷、丙烷等烃类及二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氩等气体。我国四川天然气中甲烷含量一般不少于90%，热值为34.750～36.000MJ/N·m3（8300～8600kcal/N·m3）。天津大港地区的天然气为石油伴生气，甲烷含量约为80%，乙烷、丙烷和丁烷等含量约占15%，热值约为41.868MJ/N·m3（10000kcal/N·m3）。凝析气田气除含有大量甲烷及一定量的C2～C4的碳氢化合物外，还含有2%～5%戊烷及戊烷以上的碳氢化合物。矿井气的主要组分是甲烷，其含量随采气方式而变化。可见，天然气所含组分不同，其热值的高低也有差异。
（二）人工煤气
20世纪50年代，我国城镇燃气供应系统的气源基本是人工煤气。作为居民生活、工业企业生产和商业用气的人工煤气主要是指以煤或油为原料，经制气及净化处理后通过城镇燃气管网为用户提供的气体燃料。
根据煤和油的原料组分、原料的性质，以及制气的加工方式不同，人工煤气一般可分为四种：固体燃料干馏煤气、固体燃料汽化煤气、油制气和高炉煤气。
1.固体燃料干馏煤气
利用焦炉、连续式直立碳化炉（又称伍德炉）和立箱炉等对煤进行干馏所获得的煤气称为干馏煤气。用干馏方式生产煤气，每吨煤可产煤气300～400m3。这类煤气中甲烷和氢的含量较高，低热值一般在16.740MJ/N·m3（4000kcal/N·m3）左右。干馏煤气生产历史较长，虽然在某些场合已逐步为天然气、液化石油气等气源替代，但目前仍是我国城镇燃气的重要气源之一。
2.固体燃料汽化煤气
压力汽化煤气、水煤气、发生炉煤气均属此类。在1.47～2.94MPa的压力下，以煤作为原料，采用纯氧和水蒸气为汽化剂，可获得高压蒸气氧鼓风煤气，也叫加压汽化煤气。其主要组分为含量较高的甲烷及氢，热值在15.072MJ/N·m3（3600kcal/N·m3）左右。若城市附近有褐煤或长焰煤资源，可采用鲁奇炉生产压力汽化煤气，这套装置可建立在煤矿附近，一般称为坑口汽化。该系统无需另设压送设备，燃气可直接输送至较远的城镇使用。
水煤气和发生炉煤气的主要组分为一氧化碳和氢。水煤气的热值为10.467MJ/N·m3（2500kcal/N·m3）左右，发生炉煤气的热值为5.443MJ/N·m3（1300kcal/N·m3）左右。由于这两种煤气的热值低、毒性大，不可单独作为城镇燃气的气源，但可用来加热焦炉和连续式直立炭化炉，以顶替出热值较高的干馏煤气增加城市的供气量；也可以和干馏煤气、重油蓄热裂解气掺混，用以调节供气量和调整燃气的热值，或作为城镇燃气的调度气源。发生炉煤气还可作为工厂及燃气轮机的燃料。
3.油制气
我国一些城镇利用重油（炼油厂在提取汽油、煤油和柴油之后所剩的油品）制取城镇燃气。
按制取的方法不同，可分为重油蓄热热裂解气和重油蓄热催化裂解气两种。重油蓄热热裂解气以甲烷、乙烯和丙烯为主要组分，热值约为41.868MJ/N·m3（10000kcal/N·m3）。每吨重油的产气量为500～550m3。重油蓄热催化裂解气中氢的含量最多，也含有甲烷和一氧化碳，热值在17.585～20.934MJ/N·m3（4200～5000kcal/N·m3）。利用三筒炉催化裂解装置，每吨重油的产气量为1200～1300m3。
以石脑油（粗汽油）作为制气原料，与重油相比，石脑油有如下优点：含硫量少、不生成焦油、烟尘及污水等公害问题小、汽化效率高，而且石脑油催化裂解制气转换一氧化碳的过程比较简单。油制气既可作城镇燃气的基本气源，也可作城镇燃气的调度气源。
4.高炉煤气
高炉煤气是冶金系统炼铁工艺的副产品，其主要组分是一氧化碳和氮气，热值为3.768～4.186MJ/N·m3（900～1000kcal/N·m3）。
高炉煤气可取代焦炉煤气用作炼焦炉的加热煤气，以使更多的焦炉煤气供应城市。高炉煤气也常用作锅炉的燃料或与焦炉煤气掺混用于城镇供气与冶金工厂的加热工艺。
（三）液化石油气
液化石油气是开采和炼制石油过程中，作为副产品而获得的一部分碳氢化合物。
作为工业和民用燃料的液化石油气可来自于由天然气分离出来的C3、C4组分，也可以是石油炼制和加工过程中作为副产品的一部分碳氢化合物。目前我国供给城镇作为燃料的液化石油气（LPG）主要来源于石油炼厂催化裂解装置产出的石油气，其主要的组分为丙烷（C3H8）、丁烷（C4 H10）、丙烯（C3 H6）和丁烯（C4 H8），这部分产量通常约占催化裂解装置处理量的7%～8%。由于各地石油炼厂所用的原料油成分、性质、加工工艺和设备类型不同，各地液化石油气的组成及其热值也有差异。
液化石油气习惯上又称为C3、C4，即只用短的碳原子（C）数表示。这些碳氢化物在常温、常压下呈气态，当压力升高或温度降低时，很容易转变为液态；当液态的液化石油气转变为气态时其体积将增大约250倍，从经济角度分析，液化石油气以液态方式储存和输送较以气态方式优越。液态液化石油气的热值为45.217～46.055MJ/kg（10800～11000kcal/kg），气态液化石油气的热值为92.110～121.417MJ/N·m3（22000～29000kcal/N·m3）。
随着石油化学工业的迅速发展，利用液化石油气作为城镇燃气的气源具有投资省、设备简单、供应方式灵活、建设速度快等优点，所以我国的一些城镇常以液化石油气作为燃气的气源。近年来，国内外不少城镇还用液化石油气作为汽车燃料。
液化石油气除以瓶装供应外，还可采用汽化的方法使其由液态转化为气态，并通过管道供应用户。为了避免汽化后的液化石油气在有压力输送状态下转换为液态影响正常的输送，因而，常在气态液化石油气中掺混一定量的空气输送给用户使用。按照国家规定，液化石油气与空气的混合气做主气源时，液化石油气的体积分数应高于其爆炸上限的2倍，且混合气的露点温度应低于管道外壁温度5℃。硫化氢含量不应大于20mg/m3。
（四）沼气
沼气是一种可用作能源且成本低的可燃气体，其发生源和分布极为广泛。以沼气的发生源不同可分为天然沼气和人工沼气两大类。天然沼气是自然界中的有机质自然形成的沼气。人工沼气也被称作生物气，是一种再生能源。人们将含有蛋白质、纤维素、脂肪、淀粉等有机物质，在缺氧情况下借助厌氧菌的作用使之发酵分解生成可燃气体，即为沼气。发酵的原料在城镇可以来自于分布广泛的生活垃圾、杂草、落叶等，农村也可用农作物的秸秆等。
作为再生能源之一的沼气，其主要成分为甲烷，约占含量的60%，二氧化碳约为35%，此外，还含有少量的氢、一氧化碳等气体，沼气的热值为20.000～29.308MJ/N·m3（4800～7000kcal/N·m3），是一种清洁能源，可望未来成为城镇燃气的一种资源。
（五）工业余气
石油化工与化肥工业企业在生产过程中常排出一些工业余气，这些工业余气含有大量的可燃成分，经过收集、加工也可以作为城镇燃气的来源。
每生产1t合成氨约有120～150m3驰放气，其体积分数一般为H2—（50～60）%；CH4—18%；N2—（22～32）%，热值为11.8～12.9MJ/N·m3。有些企业驰放气多被放空，造成能源浪费和大气污染。
石油化工企业由于生产工艺需要，一般设火炬将余气燃烧。这种火炬余气的成分随着生产原料、加工工艺、生产产品的不同而改变，但一般均含有较多的CH4等烃类和H2，因此热值较高，其波动范围为22.00～41.86MJ/N·m3，有很高的热能利用价值。
工业余气的利用，可提高能源利用率，避免资源浪费，同时减轻了大气环境污染。
（六）掺混气
天然气、液化石油气、人工煤气等燃气常作为单一气源为城镇供气，但也常为调节供气量和调整燃气热值而将不同类别的燃气或燃气与空气混合配制成混合气，作为城镇的供气气源，这种混合燃气叫做掺混气。如：有热值较高的液化石油气与热值较低的发生炉煤气、焦炉煤气与水煤气、高炉煤气与焦炉煤气掺混等的供气方式；又有天然气与空气、液化石油气掺混空气等供气方式。掺混气用以作为城镇的供气气源或过渡气源、补充气源、调峰气源等，现在常为一些城镇所采用。
在一种基本燃气气源中加入另一种燃气或空气形成的掺混气，形式上是一种燃气与另一种燃气或空气的相互混合，而实质则是为调整燃气中H2、CH4、N2、C3 H6、C4 H10、C3 H8和空气等各主要组分比例关系，目的在于改变气源的热值和燃烧特性，达到燃气互换与燃具适应性的预期效果。掺混气的应用不仅提高了燃气的资源价值，也成为城镇燃气气源的一种类型。
组成掺混气的各类燃气，应符合国家标准的技术要求。另外，在设计时必须核算掺混气的爆炸极限。
各类城镇燃气的组分及低热值实例见表1-1。
表1-1 各类城镇燃气的组分及低热值
二、天然气的应用
天然气是重要能源之一，越来越受到广泛重视，它不仅是重要能源，而且也是化工原料。
国家发展和改革委员会于2007年发布《天然气利用政策的通知》2012年又以15号令的形式再次明确天然气利用政策，政策明确规定：综合考虑天然气利用的社会效益、环境效益和经济效益以及不同用户的用气特点等各方面因素，天然气用户分为优先类、允许类、限制类和禁止类。
第一类：优先类
城市燃气：
1.城镇（尤其是大中城市）居民炊事、生活热水等用气；
2.公共服务设施（机场、政府机关、职工食堂、幼儿园、学校、医院、宾馆、酒店、餐饮业、商场、写字楼、火车站、福利院、养老院、港口、码头客运站、汽车客运站等）用气；
3.天然气汽车（尤其是双燃料及液化天然气汽车），包括城市公交车、出租车、物流配送车、载客汽车、环卫车和载货汽车等以天然气为燃料的运输车辆；
4.集中式采暖用户（指中心城区、新区的中心地带）；
5.燃气空调；
工业燃料：
6.建材、机电、轻纺、石化、冶金等工业领域中可中断的用户；
7.作为可中断用户的天然气制氢项目；
其他用户：
8.天然气分布式能源项目（综合能源利用效率70%以上，包括与可再生能源的综合利用）；
9.在内河、湖泊和沿海航运的以天然气（尤其是液化天然气）为燃料的运输船舶（含双燃料和单一天然气燃料运输船舶）；
10.城镇中具有应急和调峰功能的天然气储存设施；
11.煤层气（煤矿瓦斯）发电项目；
12.天然气热电联产项目。
第二类：允许类
城市燃气：
1.分户式采暖用户；
工业燃料：
2.建材、机电、轻纺、石化、冶金等工业领域中以天然气代油、液化石油气项目；
3.建材、机电、轻纺、石化、冶金等工业领域中以天然气为燃料的新建项目；
4.建材、机电、轻纺、石化、冶金等工业领域中环境效益和经济效益较好的以天然气代煤项目；
5.城镇（尤其是特大、大型城市）中心城区的工业锅炉燃料天然气置换项目；
天然气发电：
6.除第一类第12项、第四类第1项以外的天然气发电项目；
天然汽化工：
7.除第一类第7项以外的天然气制氢项目；
其他用户：
8.用于调峰和储备的小型天然气液化设施。
第三类：限制类
天然汽化工：
1.已建的合成氨厂以天然气为原料的扩建项目、合成氨厂煤改气项目；
2.以甲烷为原料，一次产品包括乙炔、氯甲烷等化工项目；
3.新建以天然气为原料的氮肥项目。
第四类：禁止类
天然气发电：
1.陕、蒙、晋、皖等十三个大型煤炭基地所在地区建设基荷燃气发电项目，煤层气（煤矿瓦斯）发电项目除外；
天然汽化工：
2.新建或扩建以天然气为原料生产甲醇及甲醇生产下游产品装置；
3.以天然气代煤制甲醇项目。
由此可见，城市燃气被列为优先类，可优先用于城镇（尤其是大中城市）居民炊事、生活热水等用气；公共服务设施（职工食堂、幼儿园、学校、医院、宾馆、酒店、餐饮业、商场、火车站、福利院、养老院等）用气；天然气汽车；集中式采暖用户；燃气空调等。
国家政策将有力推动城镇燃气的发展。
国家在综合考虑天然气利用的社会效益、环境效益和经济效益以及不同用户的用气特点等方面因素，限制、禁止天然气在某些行业的发展，如限制天然汽化工以甲烷为原料，一次产品包括乙炔等化工产品的项目，新建以天然气为原料的氮肥项目等。禁止某些大型煤炭基地所在地区建设燃气发电项目（煤矿瓦斯发电除外），禁止新建或扩建以天然气为原料生产甲醇及甲醇生产下游产品装置等项目。
天然气的输送手段方面，除可以管道输送，还可采用压缩天然气（CNG）用气瓶车运输，也可经低温液化后成为液化天然气（LNG）采用槽船、槽车进行运输，再经汽化通过管道送至用户。