一、引言

    2004年我国政府制订了以“优化结构、提高效率、重视环保、保障供应、开发西部”为核心的新的能源战略，要求增加天然气在能源构成中的比例。在未来的15年间，我国天然气消费将从300亿m3/a达到2200亿m3/a[1]。我国正在进入天然气快速发展的历史时期。在这个历史性的时刻，无论从国内天然气上游的开采和加工，中游的储运和联网，下游的用户设备标准化，都要求尽快制订全国统一的天然气质量标准，以避免形成地区壁垒，市场发肓不良，以及资金、资源和能源的浪费。这些都是从天然气作为能源利用的角度提出的。另一方面，在国内资源状况和世界现有油气资源供应的条件下，中国必须同时利用好国内和国际两个市场上的两种天然气资源。来自世界各地的、不同组成的天然气进入中国，也要求中国尽快制定国家统一的天然气质量标准。

    本文将从天然气作为重要的化工原料资源的角度，探讨尽快制订全国统一的天然气质量标准的迫切性；以及这个因素对我国天然气质量标准所提出的重要约限。

    二、天然气统一质量标准的关键因素

    表征天然气品质指标的技术参数主要为三个方面：一是气体组成，包括CH4、CO2和C2+组分；二是物理性质，包括热值、华白数、燃烧势、相对密度、压缩系数及露点；三是其它性质，包含杂质含量，水、液态烃及固体颗粒含量等。天然气的组成和物理性质主要取决于产地的不同。而其它性质，如杂质含量，水、液态烃及固体颗粒含量等指标则更多地决定于开采后的加工、精制过程。组分是衡量天然气品质指标的一个重要参数，组分确定意味着与此相关的气体热值、密度、露点、压缩系数以及燃烧特性参数（华白数与燃烧势）的确定。这由下述几个参数的定义可以得知：

    热值：是指单位体积的燃气完全燃烧所放出的热量，分为高热值（QH）和低热值（QL）两种，高低热值数字之差为燃烧产生的烟气中水蒸汽的汽化潜热；

    华白数：是衡量热负荷大小的特性参数，也称热负荷指数，计算公式如下[2]：
    式中：W---华白数，MJ/m3（kcal/m3）
    Qg---燃气高热值，MJ/m3（kcal/m3）
    d---燃气相对密度。（空气相对密度为１）

    燃烧势：是表征燃气燃烧速度的一个指数，计算公式如下：
    K=1+0.0054O22
    式中：Cp---燃烧势；
    H2---燃气中氢含量，％（体积）；
    CmHn---燃气中除甲烷以外的碳氢化物含量，％（体积）；
    CO---燃气中一氧化碳含量，％（体积）；
    CH４---燃气中甲烷含量，％（体积）；
    d---燃气相对密度（空气相对密度为1）；
    K---燃气中氧含量修正系数；
    O2---燃气中氧含量，％（体积）。

    分析以上各式可知，天然气各组分的含量对其热值，华白数和燃烧势息息相关。在这些常规组份当中，最重要的是CH4的含量。因为产自不同地方的天然气的组分差异虽然比较大，但是CH4的含量总是占绝大部分，一般在85%以上；组分差异主要是其它烃类CmHn ，更确切地说是C2＋烃，的含量不一样。而这正是其热值差异主要原因。因此，要制定国家统一的天然气质量标准，就必须抓住CH4含量和由它决定的热值这个最本质、最关键的因素。

    三、自然资源和开采加工过程与CH4在天然气中含量的关系

    天然气资源主要来自三种类型的矿藏；一种是凝析气田，它们是“湿气”即除了大量的CH4以外，还含有较多的C2-C6成分，是以甲烷和乙烷为主的天然气（Natural Gas, NG）；第二种类型就是油田，一般的地下原油都有一定量的伴生气；由于形成的地质年代和条件不同，油田伴生气的数量也不一样，越是重质石油的油田伴生气越少。第三种就是天然气田，有的几乎不含C2以上组分的“干气”，但也有的是湿气。我国的鄂尔多斯盆地和四川盆地的天然气田、印度尼西亚的东固气田，都是干气田，基本上没有油，有时含有大量的二氧化碳。

    天然气的开采和液化技术目前已形成LNG生产线的通用模式。从地层里开采出来的资源，先分离出原油后，通过管道输送到LNG加工厂；在那里，先把比较容易分离的C5和C6等组分分离出来，然后脱去水分、CO2和其他的杂质（比如H2S等）；剩下的烃类通过深冷技术把气相的天然气与以C3和C4为主的LPG分离出来，然后在低温下液化成LNG，一般的LNG的冷凝温度在﹣162℃左右，它的主要成分是甲烷和乙烷，还有少量的丙烷，极少量的丁烷。

    中国有丰富的天然气资源，有效地质资源量为19.314 Tm3；可采资源量11.442 Tm3（万亿m3）。中国的天然气主要分布在中部和西北。按盆地计算全国天然气资源量主要集中在四川、鄂尔多斯、塔里木、莺琼等四大盆地内。我国油气资源中平均每吨油产50立方米气；塔里木、准噶尔油田产气高达140-200立方米；而鄂尔多斯油不含气，陕北天然气全是干气。表1列出了部分典型天然气的气体组成。

表1各种天然气组成对照表

化合物 名称	C1	C2	C3	C4	C5	C6+	其他
气田气　　　（四川高阳寺）	98·81	1·05	0·17	/	/	/	0·96
凝析气田气　　（大港板桥）	68·73	11·10	6·40	3·79	1·78	6·73	1·47
油田伴生气（胜利胜坨油田）	86·60	4·20	3·50	2·60	1·10	0·30	1·70
澳大利亚西北大陆架	91.46	4.74	2.59	1.68	/	/	/

    从表中可以看出气田气的甲烷含量高，丙烷以上重组分含量低，是为干气；而伴生气的甲烷含量相对较少，重组分含量较多，为湿气。椐估计，大约有35％的世界天然气储量是“湿”气[3]。

    四、各国天然气质量标准制订背景和面临的问题探讨

    （1）美国联邦能源监管委员会规定美国天然气的热值标准为37.26MJ/m3 (8900 kcal/m3)，其标准偏向甲烷的热值。这是因为美国采取了从它的天然气资源中分离出C2＋作为生产乙烯的原料的资源利用路线（美国75%的乙烯是以轻烃为原料生产的），所以剩下进入管网的天然气都是以甲烷为主的干气。

    目前，随着美国对天然气的需求增加，从海外购进LNG力度加大。例如，2004年，美国在卡塔尔兴建750万吨/年 LNG液化生产厂4座；并且积极从加拿大等国进口天然气；而这些LNG大部分都是湿气。国际LNG市场上的货源以湿气为主，是因为要将湿气中的比甲烷重的烃类抽提出去会提高气田的开发成本。美国乙烯工业已经达到了2900万吨/年的规模；经济全球化的产业结构调整和国际分工使得乙烯工业向第三世界国家转移；美国国内不再发展乙烯工业。因此美国不会再从进口的湿LNG中分离C2＋。故此，美国当前正面临着如何应对引进的湿LNG热值大大高于标准的问题。

    （2）日本虽然没有全国性的管网，但日本通产省规定各地天然气公司都要遵守46.05 MJ/m3（11000 kcal/m3）的标准热值。这个在1969年就制定了的燃气标准，热值明显偏向LPG。这是因为日本国内缺乏能源资源，一直依赖进口。而在1969年当时，石油是主要的进口能源。当时国际原油价格很低，只有1美圆/桶；以从石油炼制中分离出来的、廉价的LPG作为燃气热值的基准，是很自然的。到了80年代中期，随着能源危机的来临，日本开始引进LNG，规模达到了5000万t/a，且从中东引进的LNG多为干气。因此，日本与美国刚好相反，一直以来，面临着引进的干LNG热值比标准低得多的问题。不过日本迄今还没有决定修改它的燃气标准。分析其原因，一方面，修改标准会导致大量燃气设备的更换，要付出一定的经济代价。另方面，日本每年进口石油上亿吨，还可以从中提炼出不少LPG掺到天然气中使其热值达到标准；并且，他们也在利用电子技术开发可以适用于不同热值的设备。

    （3）欧洲的情况就更为复杂。欧洲天然气有多个来源：俄罗斯、北海、中东等地。各国情况不同，采取的政策也不同。如法国：政府1997年9月16日发布政府令，准许在法国两种不同类型的输配管网中，输送H型天然气和B型天然气。两套热值不同的天然气输配管网分别供应不同类型的天然气用户，以此解决气源不匹配而带来的互换性问题。英国：因为拥有大量陈旧的国内设备，在天然气规格标准化的问题上采取了等待和观望的态度。而德国则采取了放宽天然气热值质量标准，通过提高使用天然气的设备的技术，使之能够适应更宽的热值范围来解决问题。

    由此可见，各国制订天然气质量标准，无不是从本国当时、当地的具体情况出发，以最有利于本国经济社会的发展和效益为准绳的。

    五、中国天然气资源优化利用对管网天然气成份的影响

    中国天然气作为资源来优化利用的一个重要考虑，是分离天然气中的C2+轻烃作为乙烯工业原料。乙烯工业是石油化工的龙头，是衡量一个国家石化工工业发展的重要标志。乙烯成本中裂解原料费用所占比例很大，以石脑油和柴油为原料的乙烯装置原料费用占总成本的70％～75％。用乙烷丙烷代替石脑油为裂解料，投资可节省30％，能耗降低30～40％，综合成本降低10％。而我国由于原油资源偏重、轻烃收率低，天然气的开发利用起步晚，乙烯原料过于倚赖国内炼油厂，导致乙烯装置原料品种杂而且偏重；按2002年数据，石脑油占60%、柴油11%、加氢尾油12%，轻烃只占10%，成本高达530美元/a[4]。2003年国内乙烯平均能耗为30.6GJ/t，几乎高出国外先进水平17.3GJ/t的一倍。相比之下，中东地区以乙烷为原料生产乙烯,其乙烯生产成本低达100 美元/t[5]。

    2004年中国乙烯产量已经达到近700万吨/年，然而乙烯产业链的自给率还不到49%。承接乙烯工业向我国的转移是包括避免的。按照目前的规划，到2010年中国将增产乙烯888万吨/年，乙烯产量将达1500万吨，自给率56％。如果按目前的原料构成及收率，即主要来自国内炼油厂的乙烯原料路线，并按裂解料收率占原油30%估算，则需新增原料约2900万吨，折原油约9500万吨/年。为满足这个乙烯原料的需求，中国炼油加工要付出沉重的负担；石油对外依存度也进一步加大；也给我国的能源战略安全带来更大的隐忧。此外，乙烯的高成本使竞争力逐步下降。因此，为了满足原料需求、降低乙烯生产成本、提高竞争力，我国必须考虑从天然气中获取乙烯裂解原料的策略[6]。

    对于国内大型油、气田，开发计划应与天然气中的C2+的分离回收同步制订；并且同步规划乙烷、丙烷分离技术选择和分出来以后的去向。或就地建设乙烯厂，或输送给其他地方的乙烯厂；必须进行多方案优化比较后决策。对于小型湿气田，不能达到乙烯生产经济规模的，依照地理状况，分别进行优化规划：或用管道集中输送到附近的乙烯厂，或利用新的专利技术，采用低成本的分离、精制和液化方法，制成LMG，用罐箱输送给用户[7]。从国外进口LNG，要力争进口“湿气”，并对其一律进行深冷分离乙烷、丙烷。此外，我国应当不仅积极拓展海外油气资源的市场，也应当自主或与跨国公司联合，积极在海外投资，建设开发“湿天然气”资源基地，从源头上把握LNG资源的主动权。

    从天然气中分离出C2＋是应对中国乙烯工业面临严重的原料资源短缺问题的重要战略；也是优化利用天然气资源的需要。中国人均能源资源只有世界人均的一半。中国进入工业化和经济快速持续发展的历史时期，对能源的需求大大增加。决不能容许宝贵的C2＋资源继续作为燃料烧掉。在这个思路下，中国未来天然气管网中应该大部份为甲烷含量95%以上的干气。

    六、中国能源、资源形势和战略对管网天然气组成的影响

    中国能源消费以煤为主，严重污染了环境，造成能源利用率低下，能源结构不合理。中国能源朝着“高效、环保、多元化”的方向发展。天然气的开发和利用成为必然。天然气资源分为常规天然气资源和非常规天然气资源。在中国，非常规天然气资源也是十分重要的天然气来源。主要有煤层气，生物质能（沼气），和冻土及海底的天然气水合物。随着国际原油价格持续高企，这些能源在中国的开发利用正在加速。

    煤层气就是煤矿里的瓦斯气，主要是甲烷，也有少量的CO、N2、H2及烃类，其热值为9000 kcal/ m3左右，与甲烷相当。煤层气在燃烧过程中不产生灰渣、SO2 和其他汞、砷等重金属有害物质，所以是清洁能源。加速煤层气的开发和利用不仅可以获得宝贵的CH4，同时还可以减排温室气体，减轻对环境的压力,提高煤矿工业的安全性。全国煤层气的资源量约有35Tm3，与天然气的资源总量相当。最近，国家发改委已经批准山西投资20.65亿元,利用国外的技术和贷款,建设包括沁水煤田煤层气集输,晋城市煤气输配和晋城无烟煤矿业集团煤层气发电3个子项目的煤层气的开发工程项目.并且将铺设1700公里的输气管道,把全省的煤层气都接入3条经过山西的”西气东输主干管线[8]。显然,这仅仅是一个开始。煤层气大量进入天然气管网的时期正在到来。在制订天然气标准时必须考虑这一点。

    此外，中国生物质资源丰富，仅农作物秸杆就有6亿吨/年，还有大量人、畜有机排泄物和其他生物资源可以利用。通过各种工艺方法如发酵、气化等获得的沼气，也将在可再生能源构成中占一定比例。高原冻土和海底天然气水合物的开发利用，也将随着科技进步而实现；并进入天然气市场。这些资源中的可燃组分基本上都是甲烷。因此，在21世纪的这一历史时机制订天然气全国统一质量标准，必须全面考虑资源来源、构成和优化利用的因素，并作为资源和能源战略的一个重要问题，认真研究、慎重决策。

    七、小结：

    1、天然气的质量标准中最重要、最关键的参数是它的热值；决定热值的，是除甲烷以外天然气中其它轻烃和惰性气体的含量。

    2、中国应当分析各国根据具体条件制定天然气质量标准的思路、吸取他们的经验教训，但不能照搬他们的标准，而须以自己的资源状况和利用形势决定中国天然气热值标准。

    3、中国乙烯工业的发展，要求必须把国内和引进天然气中的C2+ 分离出来作为重要的原料来源，避免单一的石脑油和更重组分原料路线；因此甲烷应在天然气中占95%以上。

    4、中国今后必将加速发展煤层气和生物质转化的燃气。这也决定将在中国形成的管网中的天然气，必须以甲烷的热值作为其热值标准的参照基准。

    致谢：本研究得到国家重点基础研究开发规划项目G2000026307的资助，特此致谢。

    参考文献：
    [1] 徐锭明，我国能源工业现状和能源政策，中国电力，2004-10-08。
    [2] 世界能源展望·2001，地质出版社。
    [3] 徐文渊等，天然气利用手册，中国石化出版社，2002，北京。
    [4] 钱伯章，世界乙烯工业及其进展，石化技术与应用，2003年1月，第21卷第1期。
    [5] 陶志华，对我国乙烯工业发展的几点思考，化工技术经济，2004年11月
    [6] 华贲，郭慧等，重视天然气资源和能源的综合优化利用，能源政策研究，（待发表）
    [7] 华贲，岳永魁，赖元楷天然气能源利用技术在中国的发展战略探讨天然气工业 2004 7 24（7）：1-4
    [8] 中国能源网，《能源周刊》，2005年，No.2