天然氣與液化天然氣知識

天然氣與液化天然氣（LNG）知識二0—年十一月二十五日

天然氣知識近20多年來，世界天然氣需求持續(xù)穩(wěn)定增長，平均增長率保持在2%，預計2020在世界能源組成中的比重將會增加到29%左右。中國是開發(fā)利用天然氣資源最早的國家。新中國成立后，天然氣產業(yè)有了很大發(fā)展。特別是“八五”以來，中國儲量快速增長，天然氣進入高速發(fā)展時期。但從全世界看，中國天然氣產業(yè)整體水平還很低，資源探明程度僅7%左右，儲量動用程度約50%，特別是天然氣在能源結構中所占的比例極低，不到世界平均水平的十分之一。隨著中國國民經濟的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)化程度的不斷提高，對清潔能源的需求不斷增大，預示著天然氣具有很大的發(fā)展空間，中國天然氣產業(yè)具有良好的發(fā)展前景。中國天然氣產業(yè)正面臨著前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。隨著科技進步，世界能源消費結構不斷地向低碳化演變，天然氣作為低碳化的清潔能源在世界各國都得到了高度的重視和發(fā)展，而目前中國天然氣產業(yè)的發(fā)展與國民經濟及社會發(fā)展很不適應。為此，國家從能源結構調整、加強環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等基本國策出發(fā)，“十五”將大力發(fā)展天然氣的開發(fā)利用，這將為天然氣產業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。一、天然氣組成天然氣是由烴類和非烴類組成的復雜混合物。大多數天然氣的主要成份是氣體烴類，此外還含有少量非烴類氣體。天然氣中的烴類基本上是烷烴，通常以甲烷為主，還有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、以及少量的已烷以上烴類。在C6中有時還含有極少量的環(huán)烷烴(如甲基不戊烷)及芳香烴(如苯、甲苯)。天然氣中的非烴類氣體，一般為少量的氮氣、氧氣、氫氣、二氧化碳、水蒸氣、硫化氫，以及微量的惰性氣體如氨、氬、氙等。天然氣中的水蒸氣一般呈飽和狀態(tài)。天然氣的組成并非固定不變，不僅不同地區(qū)油、氣藏中采出的天然氣組成判別很大，甚至同一油、氣藏的不同生產井采出的天然氣組成也會有很大的區(qū)別。1、 根據化學組成的不同分類(1)干性天然氣：含甲烷90%以上的天然氣。(2)濕性天然氣：除主要含甲烷外，還有較多的乙烷、丙烷、丁烷等氣體。2、 根據天然氣的來源分類(1)純天然氣：氣藏中通過采氣井開采出來的天然氣稱為氣井氣。這種氣體屬于干性氣體，主要成分是甲烷。(2)油田伴生氣：系指在油藏中與原油呈平衡接觸的氣體,包括游離氣和溶解在原油中的溶解氣兩種。油田氣是與石油伴生的，是天然氣的一種，從化學組成來說屬于濕性天然氣。開采時與原油一起打出，氣油比(m3/t)一般在20~500范圍內。

這種氣體中含有60%?90%的甲烷，10%?40%的乙烷、丙烷、丁烷和高碳烷烴。（3） 凝析氣田氣：是含有容易液化的丙烷和丁烷成分的富天然氣。這種氣體通常含有甲烷85%?90%，碳三到碳五約2%?5%?？刹捎脡嚎s法、吸附法或低溫分離法，將后者分離出去制液化石油氣。（4） 礦井氣口從井下煤層抽出的礦井氣，習慣稱為礦井瓦斯氣。二、天然氣燃燒特性天然氣最主要的成分是甲烷，基本不含硫，無色、無臭、無毒、無腐蝕性，具有安全、熱值高、潔凈和應用廣泛等優(yōu)點，目前已成為眾多發(fā)達國家的城市必選燃氣氣源。城市燃氣應按燃氣類別及其燃燒特性指數（華白數W和燃燒勢CP）分類，并應控制其波動范圍。華白數W按式（1）計算：（1）式中：W一華白數，MJ/m3（kcal/m3）;Q—燃氣高熱值,yMJ/m3/（kcal/m3）；d—燃氣相對密度（空氣相對密度為1）。燃燒勢CP按式2計算:（2）(3)CP=Kx1.0H2+0.6(CH+CO)+0.3CH4（2）(3)_ 3 ^7d 4K=1+0.0054xO22式中：CP——燃燒勢；h2——燃氣中氫含量，％（體積）；CmHn——燃氣中除甲烷以外的碳氫化合物含量，%（體積）；CO——燃氣中一氧化碳含量，％（體積）；CH4——燃氣中甲烷含量，%（體積）；d——燃氣相對密度（空氣相對密度為1）；K—燃氣中氧含量修正系數；02——燃氣中氧含量，%（體積）。城市燃氣的分類應符合表的規(guī)定。城市燃氣的分類（干，0°C,101.3kPa）表類別華白系數W,MJ/m3(Kcal/m2)燃燒勢CP標準范圍標準范圍人工燃氣5R22.7(5430)21.1(5050)~24.3(5810)9455~966R27.1(6470)25.2(6017)~29.0(6923)10863~1107R32.7(7800)30.4(7254)~34.9(8346)12172~128天然氣4T18.0(4300)16.7(3999)~19.3(4601)2522~57

6T26.4(6300)24.5(5859)~28.2(6741)2925~6510T43.8(10451)41.2(9832)~47.3(11291)3331~3412T53.5(12768)48.1(11495)~57.8(13796)4036~8813T56.5(13500)54.3(12960)~58.8(14040)4140~94液化石油氣19Y81.2(19387)76.9(18379)~92.7(22152)4842~4922Y92.7(22152)76.9(18379)~92.7(22152)4242~4920Y84.2(20113)76.9(18379)~92.7(22152)4642~49注：6T為液化石油氣混空氣，燃燒特性接近天然氣。三、天然氣的儲運天然氣是以氣態(tài)燃用，但儲運方式有管輸天然氣、壓縮天然氣、液化天然氣等多種形式。另外，目前還在發(fā)展天然氣水合物。1.壓縮天然氣（CNG）壓縮天然氣（CNG）是通過壓縮機加壓的方式，將天然氣壓縮至容器，增加容器存儲體積的天然氣運輸方式。一般情況下，天然氣經過幾級壓縮，達到20MPa的高壓，在用氣時在經減壓閥降壓使用。在20MPa高壓下，天然氣的壓縮比可以達到276。CNG在生產和利用過程中成本相對較低，能耗低。但是由于采用笨重的高壓氣瓶，導致CNG單車運輸量比較小，運輸成本高。因此，一般認為該種方式只適合為距離氣源地近、用氣量小的城市供應燃氣。CNG項目的特點：與LNG相比，設備相對簡單、投資少;與管道天然氣相比要靈活，因為管道一旦建設好以后，無法根據市場的需要發(fā)生轉移。2.液化天然氣（LNG）當天然氣在大氣壓下，冷卻至約-162對時，天然氣由氣態(tài)轉變成液態(tài)，稱為液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，縮寫為LNG）。LNG體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625，密度在450kg/m3左右?？梢娨夯烊粴饩哂休^大的氣液，便于運輸。另外，由于LNG的燃點及爆炸極限高于汽油，所以不易發(fā)生爆炸，安全性能好。LNG項目包括液化工廠、低溫儲槽和再氣化工廠的建設。液化和再氣化工廠的經濟可行性由年產量和最高供氣量決定。由于LNG所以低溫液體，其生產、儲運及利用過程中都需要相應的液化、保溫和氣化設備，投資額高。這種運輸形式只有在規(guī)模發(fā)展較大時才具有合理的經濟性能。管輸天然氣（PNG）管輸天然氣是通過管道直接將天然氣輸運到用戶點的一種運輸方式，主要針對氣源地用戶或與氣源地通過陸地相連的國家之間天然氣運送。管道長度對于PNG方式有一定要求。對于距離氣源地較遠的地區(qū)，只有當用氣量較大時才會具有較好經濟性。由于海底管道的建造和維護費用高，當天然氣的海上運輸距離較長時，將會傾向于采用LNG船運輸。與LNG項目不同，PNG項目既不需要液化工廠也不需要再氣化工廠。管道基本建設投資是影響項目經濟可行性的主要決定因素。基本建設投資額隨著管線距離、管線走向、地理環(huán)境和負荷系數的變化而變化。天然氣井口價格也對PNG項目的經濟可行性有較大影響。當天然氣的進口價格一定時，運輸距離是決定其貿易方式的主要因素。如果輸送距離高于臨界點，LNG項目將更加可行。據英國BP公司提供數據，管道天然氣和液化天然氣運輸成本運輸距離的臨界值大致在4000~5000公里間。其他技術除了上述三種已經成熟的天然氣存儲技術，各國還在積極探尋其他更經濟有效方式。其中包括天然氣水合物(NGH,NaturalGasHydrate，簡稱GasHydrate)和吸附天然氣(ANG,AdsorptionNaturalGas)等。天然氣水合物資源是世界能源開發(fā)的下一個主要目標。海底的天然氣水化物資源豐富，其開發(fā)利用技術已成為一個國際能源領域的熱點。天然氣水合物是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值等）下由水和天然氣組成的類冰的、非化學計量的、籠形結晶化合物，其遇火即可燃燒。形成天然氣水合物的主要氣體為甲烷，對甲烷分子含量超過99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物（MethaneHydrate）。在標準狀況下，1單位體積的氣水合物分解最多可產生164單位體積的甲烷氣體。但是根據目前的發(fā)展來看，該技術距離工業(yè)應用的成熟水平還有一定的距離。吸附天然氣技術是利用一些諸如活性炭等多孔性固體物質對氣體的吸附特性進行儲氣。由于這種新型的儲氣方式也要求在一定的壓力作用下（通常為3MPa-4MPa）方能最大限度地提高氣體附量（如在儲存壓力為3.5MPa時，理論儲氣量可達其容積體積的150倍），因此從一定意義上講，該儲存方式同屬壓力儲存。但由于儲存壓力較CNG大為降低，因此容器重量相應減輕，安全性相對提高。當儲氣容器的改良同樣是減輕車輛無效載重、提高空間利率、減緩容器內外壁腐蝕等部題的最根本方法。目前該技術的關鍵部分：吸附劑以及熱能儲存器的開發(fā)已有了較大進展。作為天然氣儲存的一種方式，由于單位存儲介質的吸附量還比較小，還不能在工業(yè)中得到大規(guī)模的應用。目前只有少數機構可以將其應用到天然氣汽車上。LNG基本性質天然氣的主要組分是甲烷，其臨界溫度為-83°C,故在常溫下，無法僅靠加壓將其液化。通常的液化天然氣(LiquefiedNaturalGas，簡稱LNG)多存儲在溫度為-162。0壓力為0.1MPa左右的低溫儲罐內，其密度為標準狀態(tài)下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72%，十分有利于輸送和儲存。液化天然氣是經過凈化處理(脫水、脫烴、脫酸性氣體)后，采用節(jié)流膨脹及外加冷源冷卻的工藝使得天然氣液化的。預處理主要包括h2&,cO2，h2o的清除，以免低溫下凍結、堵塞。天然氣液化裝置按用途可分為兩大類，即基本負荷型天然氣液化裝置和調峰型天然氣液化裝置?；矩摵尚吞烊粴庖夯b置由天然氣預處理系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、裝卸設施和消防系統(tǒng)等組成，是一個復雜龐大的系統(tǒng)工程，投資高達數十億美元。由于項目投資巨大，LNG項目大多由殼牌、道達爾等大型跨國石油公司與資源擁有國政府合資建設?；矩摵尚吞烊粴庖夯b置的液化單元常采用級聯式液化流程和混合制冷劑液化流程。20世紀60年代最早建設的天然氣液化裝置，采用當時技術成熟的級聯式液化流程。到70年代又轉而采用流程大為簡化的混合制冷劑液化流程(MRC)。80年代后,新建與擴建的基本負荷型天然氣液化裝置則幾乎無一例外地采用APCI公司的丙烷預冷混合制冷劑液化流程(C3/MRC)。調峰型天然氣液化裝置是小流量的天然氣液化裝置,并非常年連續(xù)運行。因此，調峰型液化流程要求具有高效、靈活、簡便、低成本的特點。一般，對于管道氣壓力較高的情況，為充分利用其壓力能,可考慮使用膨脹機液化流程。選擇調峰型LNG液化流程,必須根據具體的設計要求和外圍條件對上述因素進行綜合考慮，即對不同液化流程的投資成本、比功耗、運行要求以及靈活性進行全面對比，才能最終決定采用何種液化流程。天然氣液化工廠的工藝流程不同，出廠LNG的溫度和壓力也有所不同，如新疆廣匯液化工廠出廠LNG溫度約為-162對,壓力為常壓；中原綠能高科液化工廠出廠 LNG溫度約為-145°C,壓力為0.35MPa。一、LNG組分新疆廣匯和中原綠能LNG工廠生產LNG的組分如下：組分分子式體積含量mol%新疆廣匯中原油田甲烷CH486.2395.857乙烷C2H612.772.936丙烷C3H80.34280.733異丁烷C4H100.201正丁烷C4H100.105異戊烷C5H120.037正戊烷C5H120.031已烷C6H140.009庚烷C7H160.003辛烷C8H180.003

氮N20.65500.085二、 LNG物性數據LNG的物性如下：二、 LNG物性數據LNG的物性如下：分子量：氣化溫度：臨界溫度：液相密度：氣相密度：燃點：熱值：氣化潛熱：運動粘度：燃燒勢：華白數：爆炸極根 上限下限三、 LNG特點17.3-82.5C440kg/Nm30.75kg/Nm3(15.5C)650C8700kcal/Nm30.51MJ/Kg(121Kcal/Kg)12.072x10-6m2/s45.18CP54.23MJ/m315.77%4.91%天然氣液化后，體積縮小600多倍，可以在公路、鐵路、船舶上實現經濟運輸。儲存效率高、占地少、投資省。建設模式機動靈活，可由小到大，由點到面，逐步投入和發(fā)展。LNG可作為優(yōu)質清潔的車用燃料，有效減少汽車尾氣排放對大氣的污染，應用前景廣闊。LNG的氣化過程，釋放出大量的冷量，有很高的綜合利用價值。LNG生產使用較液化石油氣更為安全可靠。其燃點為650°C,比汽油高230°C,爆炸極限為5%-1