1、天然气基础知识解读

1天然气基础知识马国光TEL:13980982416E-MAIL:[e-mail]石油工程学院油气储运研究所西南石油大学设计研究院2一、然气概述1、燃气的概念及分类燃气的分类燃气：在具有助燃物、着火源、可燃物三者同时存在时可以控制燃烧的气体。天然气人工燃气液化石油气生物气（沼气）新型合成能源32、天然气的概念及分类组成以甲烷为主，同时还含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氩等气体。石油伴生气凝析气田气矿井气随石油一起开采出来、经分离而获得含石油轻质馏分的凝析的气田气从井下煤层抽出来的可燃气体从气井开采出来的气田气纯天然气天然气一次能源一、然气概述43、人工燃气的概念及分类一般将固体或液体燃料通过加工后获得的可燃气体，用于作为城市民用和工业使用的气体燃料。气化煤气CH4和H2油制气H2、CH4和CO高炉煤气CO和N2在1.5-3.0MPa时以煤为原料采用纯氧和水作为气化剂生成高压煤气(水煤气、发生炉煤气)利用重油或石蜡油经过热裂解制取的城市燃气蓄热裂解和催化裂解冶金厂在高炉炼钢（铁）时的副产品，主要组分为一氧化碳和氮利用高炉、伍德炉、主箱炉对煤进行干馏所得的气体热值为16.7MJ/M³干馏气CH4和H2人工燃气二次能源一、然气概述51.4液化石油气、沼气及新型能源液化石油气（LPG）：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。主要成分：C3H8（丙烷）、C4H10（丁烷）、通称为C3、C4。常温常压下呈气态，升压或降温易液化；气态变为液态体积缩小250-300倍。呈气态时比空气重，易于积聚低洼处。生物气（沼气）：多种有机物（蛋白质、纤维素、脂肪、淀粉等）在隔绝空气的条件下发酵，同时在微生物的作用下产生的可燃气体主要成分：CH4（60%）、CO2。二次能源可再生能源新型合成能源：对化工原料进行化学处理，加工制成的新型燃料，如二甲醚一、然气概述62.1天然气的组成天然气的组分以甲烷为主，含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮和微量的惰性等气体，平均密度为0.75～0.8Kg/Nm3左右。甲烷的理论燃烧温度为1970℃，最大燃烧速度为0.38米/秒,爆炸浓度极限为5％～15％，，在0.1MPa、-162℃的情况下可由气态天然气转换成液态天然气（LNG），气液比为625：1，即一立方液体天然气（LNG）气化后可以形成625立方气体天然气。二、天然气基础知识7天然气的主要成分是甲烷，基本不含硫，是无色、无毒、无腐蚀性气体。天然气的热值为8500～9500大卡/立方；密度约0.75～0.8kg/Nm3，比空气轻，容易逸散。相对密度：天然气的相对密度是指相同压力和相同温度条件下，天然气的密度和空气密度之比，约为0.58～0.62天然气燃烧后生成二氧化碳和水，烟气清洁，不污染大气CH4＋2O2→CO2＋2H2O绿色洁净能源,是理想的城市气源。二、天然气基础知识81、密度：指单位容积所含有的重量。液化石油气的气态密度为2.0～2.5kg/Nm3天然气的密度为：0.75～0.8kg/Nm32、比重：天然气的比重指单位容积的天然气所具有的密度，同相同状态下空气密度的比值，也叫相对密度或相对比重。天然气的比重：0.58～0.622.2天然气基本特性二、天然气基础知识93、热值：单位容积天然气完全燃烧所放出的热量，成为该天然气的热值。热值分为高热值和低热值。高热值是指单位天然气完全燃烧后，其烟气被冷却到初始温度，其中的水蒸气以凝结水的状态排出时，所放出的全部热量。低热值是指单位天然气完全燃烧后，其烟气被冷却到初始温度，其中的水蒸气以蒸气的状态排出时，所放出的全部热量。二、天然气基础知识10天然气的低热值大约为36000～46000KJ/m3，液化石油气的低热值大约为88000～12000KJ/m3。煤：29308kJ/kg干木材：12560kJ/kg热值的换算常用热值单位有：兆焦每标准立方米（MJ/Nm3）、千卡每标准立方米（kcal/Nm3）。焦（J）、卡（cal）是功、能和热量的常用单位。1000cal=1kcal=4.186kJ=4186J1MJ=1000kJ=106JNm3是指标准立方米，即在101325Pa，20℃下的体积。二、天然气基础知识114、着火温度燃料能连续燃烧的最低温度，称着火温度。在常压（大气压）下，液化石油气的着火温度为365～460℃，天然气的着火温度为270～540℃，城市煤气着火温度为270～605℃。其着火温度比其它燃料要低的多，所以又叫易燃气体。二、天然气基础知识125、爆炸极限：可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体浓度范围称为爆炸极限。在这种混合物中当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸混合物时的那一含量，称为可燃气体的爆炸下限；而当可燃气体的含量一直增加到不能形成爆炸混合物时的那一含量，称为爆炸上限天然气爆炸浓度极限为5％～15％天然气的爆炸是在一瞬间产生高压、高温的燃烧过程，爆炸波可达到2000-3000m/s，破坏力极大。二、天然气基础知识136、标准状态与标准体积在天然气工业中，通常用天然气在某种特定状态下的体积作为计量单位，这些的状态称为标准状态或基准状态，标准状态下的体积称为标准体积。常用的标态有三种。7、天然气的组成表示方法有三种表示方法：体积分数（百分比）摩尔分数质量分数∑∑%100iiiiiimmgormmg=×=∑∑%100iiiiiiVVvorVVv=×=∑∑%100iiiiiinnhornny=×=二、天然气基础知识148、天然气的相对分子质量、密度及相对密度相对分子质量：密度：单位体积天然气的质量相对密度：在同温同压下（或标准状态下）天然气的密度与空气密度之比。9、天然气的粘度表示天然气流动的难易程度，其与天然气的相对分子质量、组成、压力和温度有关。低压下，压力变化对粘度影响不明显，此时温度升高，粘度增大;相对分子量增大,粘度减少，非烃类气体的粘度比烃类气体粘度高。在高压下，气体的粘度随压力增大而增大，随温度增高而降低，随相对分子质量的增大而降低。nnMVMVMVM+++=2211二、天然气基础知识15粘度有两种表示方法：动力粘度μ：运动粘度η：单位：m2/s（工程单位）物理单位制泊，2/102.01000))/((101mskgfcPscmgPsPa===ρμη=二、天然气基础知识1610、天然气的含水量是指天然气中水蒸气的含量，与天然气的温度和压力有关。压力不变，温度升高天然气含水量越高，温度不变，压力升高，天然气的含水量减少。天然气的含水量通常用绝对湿度、相对湿度和露点来表示。单位体积或单位质量天然气中所含水蒸气的质量单位体积或单位质量天然气中所含水蒸气的质量与相同条件下呈饱和状态的单位体积天然气中所含水蒸气的质量之比。在一定压力下，天然气中刚有一滴露珠出现时的温度。二、天然气基础知识1711、天然气的压缩因子对于理想气体，其状态方程（PVT方程）为：而实际气体其状态方程为：反应了实际气体与理想气体的偏离程度。表示在分子量、温度与压力均相等的条件下，真实气体与理想气体的比容之比。真实气体的Z值不但取决于其化学组成，还取决于其温度于压力。压缩因子的求解有经验图解法、经验公式法。还可以用状态方程来求解，包括：范得华方程、R-K方程、S-R-K方程、BWR方程、BWRS方程等。MTRPvm/=MTZRPvm/=二、天然气基础知识1812、天然气的比热（容）单位数量的气体温度升高1℃所需要的热量。有三种比热。其还与加热的过程有关，分为定压比热CP和定容CV比热。CP-CV=RCP/CV=K气体混合物在低压下的比热可根据各组分的比热用摩尔分数加合法或质量分数加合法求得：∑piiPCyC=∑piiPCgC=二、天然气基础知识1913、天然气的导热系数（热导率）在温差为1K时，每秒通过单位面积、单位长度物质的热量称为导热系数，其表示物质传递热量的性能。其单位为：J/（m.s.K）或者W/(m.K)在较高压力条件下，天然气混合物的导热系数利用常压下的导热系数和对压力的校正值求得，即∑∑λλ0iiioiiMyMy=×=00λλλλ二、天然气基础知识2014、天然气与其它燃气的区别人工煤气含8～10%有毒的一氧化碳气体，万一泄漏若处理不当会对人体造成伤害，而天然气不含有毒的一氧化碳气体、万一泄漏不易引发中毒事故，只有大量泄漏使空气中氧气浓度降低才会对人体造成窒息伤害；液化石油气比空气重，若泄漏容易积聚在居室下部不易扩散，且液化石油气的爆炸下限为1.5%，因此液化石油气若泄漏造成爆炸、火灾的危险性较大。二、天然气基础知识21天然气比空气轻，泄漏后易从窗户溢出，爆炸下限大于5%且爆炸极限范围小，万一泄漏不易引发爆炸事故；因此其安全性比人工煤气和液化石油气的安全性要好；天然气的热值高，是人工煤气的2.3倍，因而比人工煤气耐用；天然气的杂质含量极少是洁净能源，其燃烧所造成的污染仅为石油的1/40、煤炭的1/800；所以天然气以其比人工煤气、液化石油气更清洁、快捷、高效、安全的优势已被世界广泛采用。主要用于发电、化工原料并广泛用于民用及商业燃气。二、天然气基础知识2215、天然气毒性天然气的主要成分是甲烷（CH4），它本身是一种无毒可燃的气体。同其它所有燃料一样，天然气的燃烧需要大量氧气（O2）。如果居民用户在使用灶具或热水器时不注意通风，室内的氧气会大量减少，造成天然气的不完全燃烧。不完全燃烧的后果就是产生有毒的一氧化碳（CO），最终可能导致使用者中毒。2CH4+3O2→2CO+4H2O二、天然气基础知识23天然气从气田开采出来，要经过处理、液化、航运、接收和再气化等几个环节，最终送至终端用户。液化过程能净化天然气，除去其中的氧气、二氧化碳、硫化物和水。这个处理过程能够使天然气中甲烷的纯度接近100%。井场装置井场装置集气站天然气处理厂矿场压气站干线首站三、天然气开采集输24管道天然气指通过长输管道把天然气引入到各个城市。液化天然气（缩写为LNG）指在一个大气压下，天然气被冷却至约-162℃时，可以由气态转变成液态，其体积约小为同量气态天然气体积的1/625，重量仅为同体积水的45%左右。压缩天然气（缩写为CNG）指把天然气加压到20—25Mpa的压力后以气态储存在容器中的方式。它与管道天然气的组分相同。四、天然气的供应方式251．压缩天然气（CNG）CompressedNaturalGas,简称CNG,是天然气加压以气态储存在容器中。它与管道天然气的组分相同。CNG可作为车辆燃料利用。供应方式由加气站、减压站和压缩天然气槽车三部分组成。在加气站对从高压长输管线来的天然气过滤、计量，然后经过天然气压缩机压缩加压后，压力达到20—25Mpa，再经过高压深度脱水，充入高压钢瓶组槽车。通过公路运输方式，把压缩天然气运送至使用城市的减压站，减压站调压、计量、加臭后再进入城市燃气管网，向居民用户及商业用户、工业企业用户、采暖通风和空调用户供应天然气。四、天然气的供应方式26CNG加气站流程图过滤器0.3MPa天然气气源计量缓冲罐压缩机脱水装置加气岛高压钢瓶拖车21MPa21MPa20MPa使用的地方详见附图：标准站、子母站四、天然气的供应方式27标准站四、天然气的供应方式28CNG子站拖车液压增压撬装站PLC控制柜气动自控系统加气机子母站四、天然气的供应方式292.液化天然气（LNG）当天然气在一个大气压下，冷却至约-162度时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（LiquefiedNaturalGas，缩写为LNG）。其体积约为同量气态天然气体积的1/625，LNG的重量仅为同体积水的45%左右。天然气从气田开采出来，要经过处理、液化、航运、接收和再气化等几个环节，最终送至终端用户。液化过程需净化天然气，除去其中的氧气、二氧化碳、硫化物和水。这个处理过程能够使天然气中甲烷的纯度接近100%。天然气液化过程四、天然气的供应方式30一、LNG基本性质液化天然气其主要物理性质为（气田不同其性质略有差异）：甲烷含量：81～9