天然氣化工工藝學(xué) 第01章 天然氣資源

1天然氣資源1.1天然氣的形成和分布1.2天然氣的開(kāi)采1.3天然氣的組成與性質(zhì)1.4天然氣的應(yīng)用及前景1.5我國(guó)天然氣的利用現(xiàn)狀1.6我國(guó)天然氣發(fā)展戰(zhàn)略

天然氣的形成過(guò)程分為生物催化、熱降解、熱裂解幾個(gè)階段：(1)生物催化階段：有機(jī)質(zhì)在厭氧菌作用下部分被完全分解成簡(jiǎn)單分子；部分被分解為生物化學(xué)單體，分解產(chǎn)物相互作用，形成較復(fù)雜的高分子固態(tài)化合物(煤炭）。(2)熱降解階段：隨著埋藏深度的增加，溫度和壓力不斷升高，高分子固態(tài)化合物發(fā)生熱降解和聚合加氫等作用，轉(zhuǎn)化生成氣態(tài)烴類(lèi)(天然氣)和液態(tài)烴類(lèi)(石油)。(3)熱裂解階段：溫度和壓力隨埋藏深度的增加進(jìn)一步升高，催化分解和熱降解的生成物發(fā)生熱分解反應(yīng)，即高分子烴分解成低分子烴，液態(tài)烴裂解為氣態(tài)烴，最終形成以甲烷為主的天然氣。1.1天然氣的形成和分布《天然氣化工工藝學(xué)》第1章常規(guī)天然氣天然氣依其成因和儲(chǔ)存狀態(tài)可分為常規(guī)天然氣和非常規(guī)天然氣。

生物化學(xué)氣熱解化學(xué)氣（按所處熱演化階段分類(lèi)）（按成烴母質(zhì)分類(lèi)）非常規(guī)天然氣致密巖石氣煤層氣（瓦斯）水溶性天然氣天然氣水合物（可燃冰,CH4:99%）深層氣1.1.2天然氣的儲(chǔ)存狀態(tài)《天然氣化工工藝學(xué)》第1章油層氣65-80%煤層氣表1.2全球常規(guī)和非常規(guī)天然氣資源量資源種類(lèi)資源量(1012m3)沉積鹽游離氣資源量常規(guī)天然氣400～6001790～4680致密低滲透沉積層氣600～3000煤層氣100～350低滲頁(yè)巖氣690～730基巖游離氣資源量1100×104水溶性天然氣3.4×10415～25×104天然氣水合物12～22×104《天然氣化工工藝學(xué)》第1章1.1.3天然氣資源和分布天然氣資源極其豐富，僅常規(guī)天然氣可供人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用200-300年，非常規(guī)天然氣潛力更為巨大。水合物具有多面體籠性結(jié)構(gòu)，根據(jù)籠性結(jié)構(gòu)的不同，分為Ⅰ型和Ⅱ型，見(jiàn)下圖：

構(gòu)成水合物的分子主要有：水分子、甲烷、乙烷、二氧化碳等弱極性分子

世界天然氣資源分布極為不均，常規(guī)天然氣主要集中在俄羅斯和中東，其可采儲(chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的34%和35.6%。中國(guó)：居世界第15位表1.3Cedligaz估算的全球天然氣常規(guī)資源量(1012m3)項(xiàng)目已累計(jì)產(chǎn)量可采儲(chǔ)量剩余資源量初始資源量北美洲拉丁美洲歐洲前蘇聯(lián)非洲中東亞洲29.03.68.118.52.44.64.26.68.28.255.811.758.515.027～3422～2713～16222～25023～28115～13631～3655～6225～3020～23240～27015～30120～14035～40世界總量70.4164.0453～527520～595《天然氣化工工藝學(xué)》第1章天然氣分布我國(guó)天然氣總資源量為53×1012m3，預(yù)測(cè)可采資源量為14×1012m3?，F(xiàn)已累計(jì)探明可采儲(chǔ)量為2.8×1012m3，目前剩余可采儲(chǔ)量為2.2×1012m3，居世界第15位。主要分布在四川、鄂爾多斯、塔里木、柴達(dá)木、準(zhǔn)格爾、松遼等六大盆地；人均占有低，開(kāi)發(fā)潛力大；煤層氣遠(yuǎn)景資源為世界煤層氣總資源的10％；

海域天然氣水合物主要分布在南海，相當(dāng)于7000億噸石油；鄂爾多斯、吐哈、準(zhǔn)格爾、四川、塔里木等盆地的深層氣藏的遠(yuǎn)景資源量豐富?！短烊粴饣すに噷W(xué)》第1章1.1.4我國(guó)天然氣概況

我國(guó)天然氣年產(chǎn)量逐年增加，但在現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)和消耗結(jié)構(gòu)中，天然氣只占3％，遠(yuǎn)低于世界平均水平25％和亞洲平均水平8.8％。表1.5我國(guó)1999～2005年天然氣產(chǎn)量年分19992000200120022003200420052010產(chǎn)量/108m3250262303326341410500800(預(yù)計(jì))《天然氣化工工藝學(xué)》第1章1.1.5我國(guó)天然氣的利用現(xiàn)狀現(xiàn)代使用最廣泛的鉆機(jī)是轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。鉆井設(shè)備按功能可分為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、吊升系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。常用采氣法包括：(1)天然氣井依靠氣壓能量將天然氣井中噴出；(2)在采石油中，一般均伴同采出天然氣，每噸石油可伴生天然氣30～300立方米；(3)煤層氣開(kāi)采，通常采用抽氣系統(tǒng)從煤層中和煤井巷道中抽出煤層氣。

《天然氣化工工藝學(xué)》第1章1.2天然氣的開(kāi)采鉆井的最后一道工序是完井；

完井目的是為了使油、氣層與井筒更好的連通；完井有利于減小油、氣進(jìn)入井中的阻力，隔離水層，增加產(chǎn)量；完井方法主要有裸眼完井、射孔完井、襯管完井和尾管完井。《天然氣化工工藝學(xué)》第1章1.2.2完井結(jié)構(gòu)《天然氣化工工藝學(xué)》第1章1.3天然氣的組成與性質(zhì)

天然氣是由多種可燃和不可燃的氣體組成的混合氣體,以低分子飽和烴類(lèi)氣體為主，并含有少量非烴類(lèi)氣體。烴類(lèi)氣體：主要成分CH4；低含量C2H6、C3H8、C4H10

、C5H12；含量極少C7H16及以上烴類(lèi)。非烴類(lèi)氣體：CO2、CO、N2、H2、H2S、H2O及微量惰性氣體He、Ar等?！短烊粴饣すに噷W(xué)》第1章1.3.2天然氣及其組分的物化性質(zhì)天然氣各組分的理想氣體熱容的公式為：各組分飽和蒸汽壓的計(jì)算公式為：各組分氣體粘度的計(jì)算公式為：T為溫度，K；A、B、C、D為溫度系數(shù)，它們的下標(biāo)表示不同物性，可在附表中查得各種物質(zhì)的數(shù)據(jù)。H——燃?xì)?混合氣體)的高熱值或低熱值(kJ/m3)；Hi——燃?xì)庵懈骺扇冀M分的高熱值或低熱值(kJ/m3)；yi

——燃?xì)庵懈骺扇冀M分的體積分?jǐn)?shù)(%)。

《天然氣化工工藝學(xué)》第1章1.3.3天然氣的熱值定義：1m3燃?xì)馔耆紵懦龅臒崃糠Q(chēng)為該燃?xì)獾捏w積熱值，簡(jiǎn)稱(chēng)熱值，單位為kJ/m3或MJ/m3。

熱值分類(lèi)：高熱值(HHV,水蒸氣為冷凝水狀態(tài));低熱值(LHV,水蒸氣為蒸汽狀態(tài))。實(shí)際使用的燃?xì)馄錈嶂悼梢灾苯佑脽崃坑?jì)測(cè)定，或由各單一氣體的熱值根據(jù)混合法則進(jìn)行計(jì)算：AcommonmethodofrelatingHHVtoLHVis:

HHV=LHV+Hvx(nH2O,out/nfuel,in)

whereHvistheheatofvaporizationofwater,n(H2O,out)isthemolesofwatervaporizedandn(fuel,in)isthenumberofmolesoffuelcombusted.[1]FuelMJ/kgMJ/LBTU/lbkJ/molParaffinsMethane50.009—21,504802.34Ethane47.794—20,5511,437.2Propane46.357—19,9342,044.2Butane45.752—19,6732,659.3Lowerheatingvalueforsomeorganiccompounds(at15.4oC)[3]

LHV

《天然氣化工工藝學(xué)》第1章爆炸極限：可燃?xì)怏w和空氣混合遇明火能引起爆炸的可燃?xì)怏w濃度范圍。爆炸上(下)限：在這種混合物中，當(dāng)可燃?xì)怏w的含量增加(減少)到不能形成爆炸混合物時(shí)的那一含量。只含有可燃?xì)怏w的混合氣體爆炸極限計(jì)算式：1.3.4天然氣的爆炸極限L——爆炸下(上)限(V%)；

Li——混合氣體中各可燃?xì)怏w的爆炸下(上)限(V%)；

yi——混合氣體中各可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)(%)。《天然氣化工工藝學(xué)》第1章含惰性氣體的爆炸極限當(dāng)混合氣體中含有惰性氣體時(shí)，其爆炸極限計(jì)算式：L—含有惰性氣體的燃?xì)獗ㄏ?上)限(體積分?jǐn)?shù)%)；Lf—為混合物可燃部分的爆炸下(上)限(體積分?jǐn)?shù)%)；B—惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)(%)?！短烊粴饣すに噷W(xué)》第1章爆炸極限實(shí)例CH4：5-15v%（若低于5v%或者高于15v%,則會(huì)因?yàn)樘烊粴庠诳諝庵械暮坎蛔慊蛘哌^(guò)剩而不會(huì)發(fā)生爆炸。）H2

：7-75v%;CH3OH：5.5-44v%；苯：1.2-8v%；甲苯:1.2-7v%;NH3:15-30.2V%;H2S:4.3-45v%

《天然氣化工工藝學(xué)》第1章城市居民應(yīng)用：城市民用燃?xì)獾氖走x燃料；天然氣發(fā)電：特點(diǎn)—環(huán)境污染小、熱效率高、占地少，定員少、投資省、調(diào)峰性能好、發(fā)電成本低；天然氣汽車(chē)：壓縮天然氣(CNG)汽車(chē)、吸附天然氣(ANG)汽車(chē)和液化天然氣(LNG)汽車(chē)；

燃料電池：質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池。1.4天然氣的應(yīng)用及前景1.4.2天然氣的化工應(yīng)用《天然氣化工工藝學(xué)》第1章表1.121997年美國(guó)以及西歐天然氣作為化工原料的利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)品美國(guó)西歐消費(fèi)量/(108m3/a)比例％消費(fèi)量/(108m3/a)比例％氨甲醇乙炔羰基化合物氫氰酸二硫化碳甲烷氯化物122.6341.045.586.297.050.3367.022.43.13.43.90.297.317.817.48.53.61.10.266.712.211.95.82.50.80.1合計(jì)192.92100145.9100當(dāng)前天然氣化工仍以合成氨和甲醇為主(甲醇轉(zhuǎn)化）。天然氣制液體燃料(GTL-FTS)路線(xiàn)

碳一化工的三個(gè)層次天然氣、煤層氣和焦?fàn)t氣等含烴氣體合成氣H2+CO(H2/CO≈2)醇醚類(lèi)：CH3OH,CH3OCH3烴類(lèi):輕烯烴(C2、C3烯、LPG)、餾分油其它氣體：H2、H2/N2下游產(chǎn)品：(1)精細(xì)化學(xué)品；

(2)精制油品、優(yōu)質(zhì)蠟第一層次第二層次第三層次天然氣（甲烷）(1)CH3OH；碳納米管+H2(2)輕烴和油品甲烷酰基化產(chǎn)品直接轉(zhuǎn)化通俗“術(shù)語(yǔ)”用法按天然氣中烴類(lèi)組分分類(lèi)可分為干氣與濕氣、貧氣與富氣。干氣：C5+小于10mL(l)/m3(g)天然氣；濕氣：C5+大于10mL(l)/m3(g)天然氣(油性）；貧氣：C3+小于100mL(l)/m3(g)天然氣；富氣：C3+大于100mL(l)/m3(g)天然氣；華白指數(shù)：表示熱負(fù)荷的參數(shù)（發(fā)熱指數(shù)）。具有相同華白