天然气综合利用技术

煤、石油和天然气是当今世界一次能源的三大支柱。而某些能源消费大国的天然气消费已超过煤而成为第二大能源。美国、加拿大、德国、意大利、英国、俄罗斯、乌克兰、日本为天然气消费大国，年均消费量都在400亿立方米以上，其中美国和俄罗斯位居榜首，其消费量约占总量的60%以上。天然气作为一种高效、优质、清洁能源，其用途越来越广，需求量不断增加。进入20世纪90年代后，天然气开发利用在世界能源结构中稳中有升，目前平均比重为23%左右。全世界天然气产量1995年为275万亿立方米，年均递增32%；而同时期世界石油产量却一直徘徊在34亿吨左右。
据预测，在世界一次能源消费结构中，石油所占的比例将由1994年的40%逐渐降低到2010年的362%；而天然气将由211%提高到24%；煤炭可再生能源和其他能源将由388%增加到398%。由于我国天然气资源勘探已取得了重大成果，因此21世纪将会大力发展天然气市场和天然气的综合利用。天然气的利用可分为两类，即能源和原料。可形成发电、化工原料、工业燃料、民用燃气。由于天然气的清洁能源特点，其应用领域将会有显著的增加。
天然气做原料大规模生产合成氨、甲醇天然气制合成氨、甲醇是国际公认的建设投资少、生产成本低、最具竞争力的原料路线。目前，世界各地区合成氨的原料使用中，天然气所占的比例高达737%。全球甲醇年产量已超过2000万吨，采用天然气原料路线的甲醇装置能力占甲醇总能力的80%以上，其他原料始终无法与之竞争。
甲醇作为大宗化学产品，其产量位居大宗基本有机化工产品的第四位，仅次于乙烯、丙烯和苯。甲醇作为一碳化学的母体，是一种重要的基本化工原料，主要用于生产甲醛、MTBE和醋酸等产品，再经深加工可衍生多种产品。
天然气制乙炔天然气部分氧化法制乙炔是较为经济的方法。用天然气部分氧化法生产乙炔，再由乙炔进行延伸加工，技术是成熟的，其尾气（CO+H2）可副产甲醇。天然气制乙炔技术可引进德国BASF技术，尾气制甲醇采用英国I.C.I.低压合成技术，由乙炔生产的PVC广泛用于工业、农业、日用化学等各行各业。目前国内PVC硬制品占25%，而发达国家的硬制品占70%，软制品占30%，刚好相反。随着国内化学建材的推广，硬制品比例将逐步提高。
天然气发电随着天然气燃气蒸汽联合循环发电装置单机容量的不断扩大，天然气发电在发展中国家将有广阔的发展前景。天然气发电与其他火电相比，具有明显的特点：对环境的污染小，天然气由于经过了净化处理，含硫量极低，每亿度电排放的SO2仅是普通燃煤电厂的千分之一；热效率高，普通燃煤电厂热效率高限为40%，而天然气燃气蒸汽联合循环电厂的热效率目前已达56%，这主要是联合循环将燃气透平与蒸汽透平进行了有机结合，从而提高了燃料蕴蓄的化学能与机械功之间的转换效率；燃气蒸汽联合循环电厂开停车方便、调峰性能好。
天然气做工业燃料主要用于锅炉燃料、金属冶炼、瓷砖类建材烧制等。天然气代替煤制气、油类等用于冶金和瓷砖时可提高产品质量，更大的优点是改善了环境，降低了污染。随着环保执法力度的不断加强，今后市区小型燃煤锅炉将逐步被淘汰，取而代之的将是天然气燃气锅炉。启动快，供热迅速，清洁、无污染，是中小工业炉未来的发展方向。
城市燃气化是防治煤烟型大气污染的重要途径之一。有气源条件的城市，应优先气化。在天然气的应用方面增加城市民用燃气的供应量，将对改善大气环境有积极的作用。高效、清洁的管道民用气也是一个城市现代化的标志之一。目前我国城市大量采用的煤制气，成本高，热值低，仅在14654kJ/m3左右。天然气热值高，一般在35588kJ/m3以上。从经济性、安全性、环保等方面综合考虑，天然气是21世纪中国城市民用燃气的首选燃料。天然气的另一个用途是代替汽油做城市交通车辆的燃料，以改善汽车尾气对大气的污染。
天然气的综合利用已引起人们的广泛关注，近年来国内一些科研设计院所和高校在这方面做了不少工作，已取得了显著的成果。在上述背景下，作者根据参加工程设计的经验和体会编写了本书，旨在尽可能为我国天然气的发展尽菲薄之力。本书由汪寿建编写第一、二、三章，杨海清编写第四章，皮金林、王从文编写第五章，杜光能编写第六章，陈本刚编写第七章，杨嘉谟编写第八章；夏国伟审第一、二、三、四章，皮金林审第五章，黄文雄审第六章，张太生审第七章，李要合审第八章；汪寿建对全书进行审定。
本书在编写过程中得到了许多研究单位及生产企业的大力支持，他们为本书提供了许多宝贵的资料，同时还得到许多专家的指导和帮助。在此深表感谢。

作者
2002年7月25日

天然气作为一种高效、优质、清洁的能源，其用途越来越广泛，需求量不断增加。天然气的综合利用已引起人们广泛的关注。本书结合国内一些科研院所、高校、企业的工作成果和经验，对近年来国内外的天然气资源、天然气应用技术进行了深入的研究，重点介绍了天然气利用技术的范围及先进的工艺流程、关键设备、主要设计参数和技术经济指标。

第一章世界天然气状况1
第一节概述1
第二节天然气资源及生产现状2
第三节天然气消费市场3
第四节天然气消费结构5
第五节天然气需求预测6
第二章中国天然气状况9
第一节概述9
第二节天然气资源开发9
第三节天然气产量及勘探10
第四节川渝盆地天然气状况14
第五节消费结构及需求预测14
第三章天然气综合利用17
第一节天然气做化工原料17
一、合成氨化肥17
二、甲醇及其衍生产品19
三、乙炔及其下游产品21
四、甲烷氯化物24
第二节天然气发电24
第三节天然气做工业燃料26
第四节天然气民用27
第四章天然气制合成氨30
第一节概述30
第二节天然气蒸汽转化的基本原理31
一、甲烷蒸汽转化的化学反应32
二、甲烷蒸汽转化的反应热力学32
三、甲烷蒸汽转化的反应动力学38
四、转化过程的析炭与除炭45
五、转化催化剂55
第三节天然气蒸汽转化生产工艺62
一、蒸汽转化工艺流程62
二、蒸汽转化工艺操作条件的选择65
三、转化关键设备68
第四节天然气转化制合成氨后续工序76
一、变换工序76
二、脱碳工序77
三、甲烷化工序79
四、合成工序80
第五节天然气制合成氨节能技术新进展82
一、蒸汽转化83
二、变换87
三、脱碳87
四、压缩88
五、合成88
第五章天然气制甲醇93
第一节概述93
一、甲醇合成技术概况94
二、天然气制甲醇技术的现状与发展趋势99
第二节天然气制甲醇的基本原理102
一、天然气脱硫102
二、天然气转化109
三、甲醇合成113
第三节天然气制甲醇的生产工艺118
一、工艺流程118
二、转化120
三、甲醇合成127
四、精馏158
第六章天然气制乙炔及乙烯163
第一节概述163
一、天然气制乙炔技术现状163
二、天然气制乙炔技术发展趋势178
第二节部分氧化制乙炔工艺181
一、工艺原理181
二、工艺流程和技术187
三、主要技术经济指标199
第三节乙炔生产的节能与安全204
一、乙炔生产的节能204
二、乙炔生产的安全操作205
第四节乙炔下游产品210
一、乙炔专用化学品211
二、与乙烯工业竞争的化学品219
第五节天然气制乙烯221
一、天然气制乙烯技术概况221
二、甲醇法制乙烯工艺230
三、乙烯下游产品241
第七章天然气联合循环发电244
第一节概述244
一、天然气用于发电供热的方式244
二、燃气轮机的发展245
三、燃气轮机使用状况246
四、天然气在燃气轮机热电联供方面的发展249
第二节燃气轮机循环249
一、理想简单循环249
二、实际简单循环252
三、复杂循环257
四、燃气蒸汽联合循环262
五、燃气轮机联供系统269
第三节燃气蒸汽联合循环结构274
一、天然气燃烧室的供气系统274
二、燃气轮机燃烧室276
三、余热锅炉278
四、蒸汽轮机286
第四节燃气轮机的选用292
一、燃气轮机的主要性能指标292
二、燃气轮机的设备选型293
第五节工程计算303
一、工程计算用参数303
二、工程计算步骤304
第八章城市民用天然气306
第一节城市燃气现状306
一、概述306
二、现有城市燃气种类307
三、现有城镇天然气输配系统316
第二节城市天然气应用及规划318
一、概述318
二、天然气洁净能源318
三、城市天然气利用总体规划320
第三节基础数据323
一、天然气组分及参数324
二、参考定额324
三、不均匀系数的确定329
四、天然气城市燃气用气量预测329
第四节天然气输供气干管穿越331
一、管道穿跨越设计原则331
二、特殊地貌的管道布置334
三、高层住宅管道安装334
四、管道材质的选取335
第五节天然气输供气工艺设计338
一、输供气参数选择338
二、输供气工艺计算338
三、水力计算341
第六节天然气站、场设计347
一、天然气门站347
二、调控站350
三、储配站354
参考文献360