天然气基本知识

天然气基本知识北京保利泰达仪器设备有限公司序言天然气属于化石燃料，是世界三大一次能源，天然气的发现和应用历史都在2600年以上，成书于春秋战国时期的《山海经》（山经）是我国最早记载天然气和煤炭的书籍。虽然我国是最早发现使用天然气的国家之一，我国的天然气实际应用远远落在了欧美国家的后面.什么是天然气？从地矿角度讲主要指油层气、煤层气和气田气，以及近年来在海洋考察中发现的“可燃冰”四类可燃性气体。天然气是指通过生物化学作用和地质变质作用，在不同的地质条件下生成、运移，并于一定压力下储集在地质构造中的可燃气体。天然气是由有机物质生成的，这些有机物质是海洋和湖泊中的动、植物遗体，在特定的环境中经物理和生物化学作用而形成的分散的碳氢化合物——天然气。四类气的共同特点是以甲烷为主要成分，根据不同的形成地质条件，含有不同比例的乙烷、丙烷等低碳烷烃和二氧化碳、氮气、硫化氢等成分。其中煤层气俗称“瓦斯”，目前使用的液化天然气（LNG）实际上是压缩净化并冷却到零下160℃的油层气和部分气田气，这几年大家听的最多的“西气”主要是新疆和陕西的气田气,2003年12月23日发生井喷事故，造成243人死亡的重庆川东北天然气矿16号井产出也是气田气。“可燃冰”数量巨大但尚不具开采条件。甲烷的完全燃烧反应式：CH4+3O2=CO2+2H2O甲烷的不完全燃烧反应式：CH4+2.5O2=CO+2H2OCH4+2O2=C+2H2OLNG与CNG•CNG(compressednaturalgas)是压缩天然气的英文缩写,主要用于市郊小区供气。常见的车载CNG是采用高强度储罐存储的，天然气的储存压力为20MPa。由于这种高压压缩方案导致储气率不高，所存储的压缩天然气的质量只有储罐本身质量的1/5～1/10，并且会给行车安全带来一定的隐患，其使用有较大的局限性。•LNG(LiquefiedNaturalGas,)即液化天然气是一种低温液态燃料，可常压存储运输。大气压下，液化天然气的沸点为-160℃，体积缩小到原来的1/600，相当天然气被以60MPa以上的压力压缩，从而增大了能量密度。LPG(LiquefiedPetroleumGas)液化石油气（英文缩写LPG）指比较容易液化，通常以液态形式运输的石油气，简单地说就是液化了的石油气。液化石油气在常温常压下呈气态状态，在常温加压或常压低温下很容易从气态转变为液态，便于运输及贮存，故称液化石油气。是石油生产加工过程中的副产品，如同天然气一样最初都是白白烧掉的，一次次的能源危机冲击下，人们逐渐重视到LPG和天然气的能源价值，开始了两种气源的规模化利用。世界各地人均消费量日益提高。可燃冰可燃冰又称天然气水合物（NaturalGasHydrate，简称GasHydrate），或笼形包合物（Clathrate），它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。它可用M·nH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99％的天然气水合物通常称为甲烷水合物（MethaneHydrate）。天然气水合物在广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起区、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。第28届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量的天然气水合物，可满足人类1000年的能源需要.天然气分类1．按生成条件分(1)气田天然气：甲烷85％～95％，乙烷、丙烷很少，C4及以上组分甚微。1)纯气田天然气：不含重烃，主要含CH4。2)凝析油气田天然气：在地层中为气相，经井口时压力下降，温度低于该状态的露点温度，则丙烷、丁烷会形成凝析液，并伴有水。(2)油田伴生气：与石油共生，处于油层顶或溶于石油中，CH4占65％～80％，含乙烷及以上较多的烃类，热值大于气田气。(3)煤层气：与煤层共同生成，聚集于地质构造中，主要成分为CH4，伴有一些CO2等气体。(4)矿井气：在采掘煤炭的过程中，从煤层中释放的伴生气，与矿井中空气混合，称矿井气。矿井气热值较低。2．按烃组分含量分类(1)干气drygas：压力为0．1MPa，20℃条件下，1m3井口天然气中戊烷重烃液体含量小于13．5×10-3m3的天然气。(2)湿气wetgas：同等条件下，戊烷重烃含量大于13．5×10-3m3的天然气。(3)富气richgas：每1基准m3井口流出物中，C3以上重烃液体含量超过9．4×10-5m3的天然气。(4)贫气leangas：每1基准m3井口流出物中，C3以上重烃液体含量不超过9．4×10-5m3的天然气。(5)酸性天然气：含有显著的H2S和CO2等酸性气体，需要进行净化处理才能达到管输标准的天然气。(6)洁气(净气)：H2S和CO2含量甚微，不需要进行净化处理的天然气。(7)油井天然气：气：油(体积比)3000的天然气。(8)油气井天然气：气：油(体积比)≥3000的天然气。3．按华白数(W)及燃烧势(CP)分类表所示为按华白数及燃烧势对天然气分类。天然气华白数(W)燃烧势(CP)类别号标准(单位：MJ／Nm3)范围(单位：MJ／Nm3)标准范围4T18．016．7～19．32522～576T26．424．5～28．2292～6510T43．841．2～47．33331～3412T53．548．1～57．84036～8813T56．554．3～58．84140～94气源组分高位热值(MJ/Nm3)低位热值(MJ/Nm3)华白指数(MJ/Nm3)燃烧势(CP)相对密度甲烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷戊烷氮气CH4C2H6C3H8iC4H10nC4H10C5H12N2澳洲LNG88.777.542.590.450.560.000.0644.6140.3956.0541.850.63印尼LNG96.641.970.340.150.000.000.9040.4136.4853.3440.220.57也门LNG91.955.082.120.270.480.030.0943.2739.0255.3742.680.61新疆LNG86.2312.770.340.000.000.000.6643.7439.4655.3742.790.63海南LNG78.2819.851.830.000.000.000.0445.2541.0356.3143.530.65北海LNG82.07616.8270.7750.0560.05650.04645.5241.2456.5543.820.65珠海海上天然气85.8110.610.190.010.014.1940.1836.2753.1639.930.65西气东输96.271.770.300.060.080.121.4040.2736.3652.9939.850.58国内外气源及燃烧特性我国天然气气质技术指标项目一类二类三类高位发热值，MJ/m3﹥31.4总硫(以硫计)，mg/m≤100≤200≤460硫化氢，≤6≤20≤460二氧化碳，%(V/V)≤3.0水露点，℃在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气的水露点应比最低环境温度低5℃注1本标准中气体体积的标准参比条件是101.325kPa，20℃。2本标准实施之前建立的天然气输送管道，在天然气交接点的压力和温度下，天然气中应无游离水。无游离水是指天然气经机械分离设备分不出游离水天然气作为民用燃料，总硫和硫化氢含量应符合一类气或二类气的技术指标。该标准是参照各国对民用天然气中硫化氢含量范围，同时考虑用户的安全以及设备管线的防腐而作出的。国外天然气气质标准国别英国荷兰法国俄罗斯美国企业BritishGasGasUnieGasdeFrance—AGAH2S(mg／m3)557205．7硫醇硫(mg／m3)6／161516．93611．5总硫(mg／m3)120／150150150—22．9CO2(摩尔百分比)21．532(体积百分比)—O2(摩尔百分比)0．5／3O．50．51(体积百分比)—水露点地面温度-10℃55mg／m3冬季：-35℃；夏季：-20℃110mg／m3烃露点地面温度-5℃———各类天然气燃具对应的技术参数指标天然气华白指数W，MJ/Nm3燃烧势CP华白指数偏差范围(界限气与基准气比较)标准范围标准范围4T18.016.7～19.32522～57-7.0%～+7.0%6T26.424.5～28.22925～65-6.0%～+8.0%10T43.841.2～47.33331～34-6.0%～+8.0%12T53.548.1～57.84036～88-10.0%～+8.0%13T56.554.3～58.84140～94-4.2%～+3.9%天然气的基本性质一、物理化学性质1．组成天然气是一种多组分的混合气体，其组成可用质量分率、容积分率、摩尔分率来表示。质量分率：燃气中各单一组分的质量与燃气总质量的比值。容积分率：在相同温度，压力条件下，燃气中各单一组分的容积与燃气总容积的比值(体积分数)。摩尔分率：燃气中各单一组分的摩尔数与燃气总摩尔数之比。2．平均分子量天然气是以甲烷为主的多种气体混合物，只能以平均参数即平均分子量来表示，而不能以一个分子式表示其组成。平均分子量的计算公式如式。M=∑viMi或M=∑miMi式中M——天然气平均分子量；vi——天然气各组分的体积分数；mi——天然气各组分的摩尔分数；Mi——天然气各组分的分子量。为计算方便，将燃气的总质量与燃气的总摩尔数之比称为燃气的平均分子量，计算公式为式。M=m/n式中M——燃气的平均分子量；m——燃气的总质量(kg)；n——燃气的总摩尔数(kmol)。3．平均密度天然气是许多种气体的混合物，所以其密度以平均密度表示。单位容积的天然气所具有的质量，称为该燃气的平均密度，单位为千克／米3或千克／标米3(kg/m3或kg／Nm3)。天然气平均密度计算公式如式所示。ρ=m/v式中ρ——天然气的平均密度(kg/m3或kg／Nm3)；m——天然气的总质量(kg)；V——天然气的总容量(m3)。标准状态下天然气的平均密度可用燃气中各组分的密度与其体积百分比的乘积求得，如式(2-4)。ρ0=∑ρiVi式中P0——标准状态下天然气的平均密度(kg／Nm3)；ρi——标准状态下天然气中各组分的密度(kg／Nm3)；Vi——标准状态下天然气中各组分的体积百分比(％)。4．相对密度在标准状态下，气体的密度与干空气的密度之比，称为该气体的相对密度。天然气相对密度一般为0．58～0．62；油田伴生气因重组分含量较高，为0．7～0．85，均比空气轻。相对密度没有单位，以S表示，通常用标准状态下数值进行计算。S=ρ0／ρ空气式中S——燃气的相对密度；ρ0——标准状态下燃气的平均密度(kg／Nm3)；ρ空气——标准状态下空气的平均密度(kg／Nm3)。5．含水量和水露点单位体积的天然气中所含水蒸气的质量称为天然气的含水量，单位为g／Nm3。在一定的温度和压力下，一定体积的天然气所含的水蒸气量存在一个最大值。当含水量等于最大值时，天然气中的水蒸气达到饱和状态。饱和状态时的含水量称为天然气的饱和含水量。在一定条件下，与天然气的饱和含水量对应的温度值称天然气的水露点。含水量与温度和压力有关，在一定条件下，当含水量超过一定值(饱和)时，则形成水化物或液相水，堵塞管道，加快管线腐蚀。故必须控制含水量。商品天然气已脱水，使其含水量低于-30℃时的饱和状态(0．39／Nm3)，输送时可看作等温降压或升温降压，因此不析出冷凝水，故可不设排水装置。二、热力学性质和燃烧特性1．热值热值指单位数量(1kmol，1Nm3或1kg)燃气完全燃烧时所放出的全部热量，单