天然氣利用技術(shù)及其應(yīng)用

序言為緩解資源短缺帶來的能源供需不平衡，以及近些年來我國環(huán)境的持續(xù)惡化，急需一種新的、清潔能源來解決這兩個(gè)嚴(yán)峻的問題，因此天然氣應(yīng)運(yùn)而生了。天然氣具有經(jīng)濟(jì)，環(huán)保，平安等多種性能，通過多年對天然氣應(yīng)用技術(shù)的研究和實(shí)踐終于使天然氣在很多行業(yè)得到了理想的推廣和利用。文章重點(diǎn)論述了天然氣在發(fā)電，汽車等各種領(lǐng)域中應(yīng)用現(xiàn)狀及其相關(guān)的新技術(shù)，希望能使大家了解目前天然氣的各種應(yīng)用技術(shù)。第1章天然氣的分類、組成及性質(zhì)1.1天然氣的分類按產(chǎn)狀分類天然氣可分為：游離氣、溶解氣、吸附氣及固體氣;按經(jīng)濟(jì)價(jià)值分類天然氣可分為：常規(guī)天然氣和非常規(guī)天然氣；按來源分類天然氣可分為：有機(jī)來源和無機(jī)來源；按烴類組成分為:干、濕氣〔富氣、貧氣〕，烴類按組成分類天然氣可分為：氣、非烴類氣；按酸氣含量分為：凈氣、酸氣我國習(xí)慣分法：伴生氣、氣藏氣和凝析氣伴生氣：系產(chǎn)自油藏〔含油儲集層〕的氣，也稱油田氣。指在地下儲集層中伴隨原油共生，或呈溶解氣形式溶解在原油中，或呈自由氣形式在含油儲集層上部游離存在的天然氣。伴生氣一般多為富氣。氣藏氣：系產(chǎn)自氣藏〔含氣儲集層〕的氣，也稱氣田氣。指在地下儲集層中均一氣相存在，采出地面仍為氣相的天然氣。氣藏氣多為貧氣。凝析氣：系產(chǎn)自具有反凝析特征氣藏的氣。指在地下儲集層中呈均一氣相存在，在開采過程中當(dāng)氣體溫度、壓力降至露點(diǎn)狀態(tài)以下時(shí)會發(fā)生反凝析現(xiàn)象而析出凝析油的天然氣。1.2天然氣的組成天然氣是由烴類和非烴類組成的復(fù)雜混合物。大多數(shù)天然氣的主要成分是氣體烴類，此外還含有少量非烴類氣體。天然氣中的烴類根本上是烷烴〔C10～C60〕，非烴類氣體，一般為少量的N2，O2，H2，CO2，H2O，H2S及惰性氣體。1.3天然氣根本物理性質(zhì)由于天然氣是由互不發(fā)生化學(xué)反響的多種單一組分氣體混合而成，其組分和組成無定值。只能假設(shè)成具有平均參數(shù)的某一物質(zhì)，故它的根本物性參數(shù)可由單一組分氣體的性質(zhì)按混合法那么求得。天然氣的物理性質(zhì)指其平均分子量、密度、蒸汽壓、粘度、粘度、烴露點(diǎn)等等。第2章天然氣富氣回收利用技術(shù)凝析氣田開發(fā)需對凝析油進(jìn)行穩(wěn)定處理，所產(chǎn)生的富氣含有大量C3、C4組分和水，由于這種富氣不能直接作為燃料氣利用而放空燃燒，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。針對這一問題，為了到達(dá)保護(hù)環(huán)境、降本增效的目的，以北疆地區(qū)盆5氣田為試點(diǎn)，經(jīng)過對增壓再處理、脫水后做燃料氣等方式比選，采用了“分子篩脫水法〞對該天然氣處理站的富氣進(jìn)行了回收利用，減少了氣田燃料氣的用量，減少了CO2排放量，為降低氣田能耗、降低污染起到了重要作用。2.1氣田概況表2-1-1盆5氣藏天然氣組分變化表組分％甲烷乙烷丙烷丁烷戊烷丙、丁烷開發(fā)初期組分85.496.952.761.740.214.5目前組分90.854.461.440.800.202.24表2-1-1數(shù)據(jù)顯示：氣藏天然氣組分變化較大，與開發(fā)初期相比，目前組分中甲、乙烷含量由開發(fā)初期92.44％升高至目前的95.31％，丙、丁烷含量由開發(fā)初期4.5％下降至目前的2.24％。凝液穩(wěn)定工藝:凝液穩(wěn)定工藝系統(tǒng)由脫乙烷塔、脫丁烷塔、重沸器、塔頂冷凝器、液化氣緩沖罐、液化氣回流泵、液化氣儲罐等設(shè)備組成，由于液化氣組分含量較開發(fā)初期大幅降低，液化氣生產(chǎn)系統(tǒng)不能生產(chǎn)出符合技術(shù)要求的液化石油氣，實(shí)際生產(chǎn)僅采用脫乙烷塔對凝析油進(jìn)行穩(wěn)定處理。脫乙烷塔塔頂富氣組分復(fù)雜，既含水，又含有液化氣及C5以上組分。富氣脫水、脫烴是富氣回收利用技術(shù)研究需重點(diǎn)解決的問題。2.2分子篩脫水處理法分子篩脫水根本原理分子篩是人工合成的晶體型硅鋁酸鹽，依據(jù)其晶體內(nèi)部孔穴的大小而吸附或排斥不同物質(zhì)的分子，限制了比孔穴大的分子進(jìn)入，起到選擇性吸附作用。分子篩具有很大的比外表積〔600~1200m2分子篩脫水過程富氣經(jīng)過濾別離器除去攜帶的液滴后自上而下進(jìn)入分子篩脫水塔，進(jìn)行脫水吸附過程。脫除水后的干氣經(jīng)產(chǎn)品氣粉塵過濾器除去分子篩粉塵后，作為本裝置產(chǎn)品氣輸送出去。再生循環(huán)由兩局部組成——加熱與冷卻。在加熱期間，再生氣有再生氣加熱器加熱到200-315℃后，自下而上的進(jìn)入分子篩脫水塔，進(jìn)行分子篩再生過程。分子篩脫水塔頂出來的再生氣經(jīng)過再生氣冷卻器冷卻后，在進(jìn)入再生氣別離器別離出來凝液，之后再生氣可返回到濕原料氣中，也可參入產(chǎn)品氣中，還可進(jìn)入工廠燃料氣系統(tǒng)中。一旦分子篩床層被再生完全之后，再生氣將走再生氣加熱器旁通，進(jìn)入分子篩脫水塔以使床層冷卻下來，當(dāng)冷吹氣流出口溫度低于50分子篩脫水工藝的特點(diǎn)1〕分子篩脫水工藝優(yōu)點(diǎn)①在吸附質(zhì)濃度很低或者較高溫度的情況下，分子篩仍有很強(qiáng)的吸附能力，脫水效果好；②控制程序簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動化控制；③設(shè)備較少，可做成橇裝裝置，占地少，易搬運(yùn)；④屬靜設(shè)備，能耗低，便于管理；⑤一次性投入相對較低；2〕分子篩脫水工藝的缺點(diǎn)①吸附劑使用壽命短，一般2~3年就得更換；②脫烴效果差。2.3工藝技術(shù)特點(diǎn)高效脫水分子篩裝置采用了3A－EMP高效脫水分子篩，其優(yōu)良性能表達(dá)于：1〕比外表大。其比外表高達(dá)900~1000m2/g。較大的比外表減少了分子篩的用量，提高了脫水效率，可使富氣露點(diǎn)降至≤-402〕熱穩(wěn)定性高。最高可耐受350℃完善的加熱技術(shù)1〕主、副加熱器協(xié)調(diào)工作，有利于調(diào)節(jié)加熱強(qiáng)度，確保再生效果，降低設(shè)備能耗。2〕多點(diǎn)溫度傳感器監(jiān)控，準(zhǔn)確顯示、控制加熱器出口、再生氣出口和冷卻器出口溫度，控制參數(shù)輸入PLC中央處理器處理，并按設(shè)定程序控制再生系統(tǒng)參數(shù)。封閉式內(nèi)循環(huán)再生再生系統(tǒng)由循環(huán)風(fēng)機(jī)─加熱器─再生塔─冷卻器─別離器組成封閉式內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，僅需極少成品天然氣即可到達(dá)分子篩的再生效果，節(jié)約投資。再生系統(tǒng)設(shè)置有減壓閥和補(bǔ)壓閥，維持系統(tǒng)內(nèi)的天然氣壓力恒定，保證再生效果。2.4效果評價(jià)該裝置投用后，日均回收富氣6500m3，日耗電411KWh。CO2日排放量減少第3章.天然氣發(fā)電3.1發(fā)電技術(shù)概況天然氣發(fā)電的流程和使用的設(shè)備與燃煤電廠不同燃煤電廠生產(chǎn)流程是：燃煤電廠發(fā)電流程為：圖3-1-1燃煤電廠發(fā)電流程天然氣發(fā)電生產(chǎn)流程為：圖3-1-2天然氣發(fā)電生產(chǎn)流程燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度可高達(dá)430℃以上，通過廢熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽既進(jìn)一步用來發(fā)電，也可用來供熱，提高了熱效率。世界上利用天然氣發(fā)電普遍采用燃?xì)狻羝?lián)合電廠(CCGT)電廠的形式。天然氣發(fā)電熱效率較高,燃煤電廠的熱效率僅為35%~38%，而燃?xì)狻?.2聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)1〕電廠的整體循環(huán)效率高。常規(guī)燃煤電廠的熱效率已很難有突破性的提高。依據(jù)統(tǒng)計(jì)，1998年我國6000KW以上火電機(jī)組的平均供電標(biāo)煤耗每千瓦時(shí)為406克，折算的平均供電效率為30.3%。而聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的熱效率那么遠(yuǎn)高于這一數(shù)據(jù)。埕島電廠采用的MS9001E燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組根本負(fù)荷燃用天然氣時(shí)的功率為123.4MW，熱效率為33.79%，配置余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組成180MW等級的聯(lián)合循環(huán)，其熱效率為47%~49%。2〕對環(huán)境污染極小。在各種型式的發(fā)電裝置中，聯(lián)合循環(huán)電廠的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它能適應(yīng)環(huán)保要求，被稱為“清潔電廠〞。因?yàn)椴捎糜突蛱烊粴鉃槿剂?，燃燒產(chǎn)物沒有灰渣，不用灰渣排放；燃燒效率高，并且燃燒產(chǎn)物中CO2含量少。3〕在同等條件下，單位〔比〕投資較低。根據(jù)國內(nèi)建設(shè)不同容量燃煤電廠和聯(lián)合循環(huán)電廠的有代表性的實(shí)際投資綜合分析，按燃煤電廠機(jī)組的系列容量折算，單位投資比燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電廠貴；而且燃機(jī)目前國內(nèi)僅能生產(chǎn)36MW級度以下的設(shè)備，假設(shè)按我國目前進(jìn)口設(shè)備政策，燃?xì)鈾C(jī)組能返包10%~30%給國內(nèi)廠家生產(chǎn)，其價(jià)格將更低。4〕調(diào)峰性能好，啟?？旖荨Ｈ紮C(jī)從啟動到帶滿負(fù)荷運(yùn)行，一般不到20分鐘，快速啟動時(shí)，時(shí)間可更短。假設(shè)以50MW電廠為例：聯(lián)合循環(huán)電廠啟動熱態(tài)為60分，溫態(tài)為90分，冷態(tài)為120分鐘可帶滿負(fù)荷。而汽輪機(jī)電廠啟動至滿負(fù)荷為：熱態(tài)90分，溫態(tài)180分，冷態(tài)為300分。因而燃機(jī)電廠是城市備用或調(diào)峰機(jī)組的最正確選擇。5〕建廠周期短，且可分段投產(chǎn)由于制造廠內(nèi)完成了最大的可能裝配且分部調(diào)試后直接集裝運(yùn)往現(xiàn)場，安裝在預(yù)制好的現(xiàn)場根底上，施工安裝簡便，建廠周期短，投產(chǎn)快。6〕電廠用電率低。燃機(jī)電廠一般廠用率不到2%，而燃煤電廠大機(jī)組用電率都在5~6%。3.3效果評價(jià)天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組自二十世紀(jì)90年代開始在我國逐步應(yīng)用與推廣，現(xiàn)已積累了一定的建設(shè)和使用經(jīng)驗(yàn)。由于天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠的一些獨(dú)特優(yōu)勢，從環(huán)境保護(hù)、提高能源效率出發(fā)，開展天然氣聯(lián)合循環(huán)機(jī)組是合理的。第4章.天然氣汽車目前，我國一些大城市的汽車尾氣排放是城市污染的主要源頭，因此，開展清潔能源汽車已經(jīng)成為刻不容緩的選擇。CNG以其能耗低、廢物排放少而受到各國歡送，是國際公認(rèn)的最理想的車用代替能源。4.1我國天然氣開展概況20世紀(jì)80年代中期，我國引進(jìn)了局部CNG加氣站設(shè)備，在四川建立了我國第一個(gè)CNG加氣站；1993年中石油天然氣總公司系統(tǒng)引進(jìn)國外有關(guān)技術(shù)并于1996年將加氣站裝置和汽車改裝部件引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化；1999年全國清潔汽車行動協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組成立，啟動了北京、天津、上海等12個(gè)試點(diǎn)地區(qū)的清潔能源推廣應(yīng)用工作，在CNG汽車推廣應(yīng)用和加氣站建設(shè)方面取得前所未有的成效。截止到2004年我國一些地區(qū)共有天然氣汽車20多萬輛。4.2以CNG作為汽車燃料與汽油相比的優(yōu)點(diǎn)1〕降低污染，改善大氣環(huán)境.天然氣燃燒比擬完全，不易積碳，CO、NOx和微粒的排放均比汽油低，排氣污染明顯降低。機(jī)動車尾氣主要有害成分是CO、HC〔碳?xì)浠衔铩场O、NO2等。資料顯示，以天然氣作為汽車燃料比汽油燃料相比可減少排放90%CO、90%SO2、72%HC、39%NOx、24%CO2、無粉塵排放，對改善城市環(huán)境有顯著作用。2)CNG汽車有較高的平安性.天然氣的爆炸下限是5%，比汽油高4%，甲烷燃點(diǎn)為645攝氏度，比汽油高218攝氏度，相比不易點(diǎn)燃。甲烷密度低，相對密度為0.55左右，泄露的氣體會很快在空氣中散發(fā)，在自然環(huán)境中難以形成遇火爆燃的條件。一旦壓縮天然氣泄露，漏點(diǎn)周圍會形成低溫區(qū)，使天然氣燃燒困難。因此CNG是一種相當(dāng)平安的汽車燃料。3)我國經(jīng)濟(jì)正處于高速開展階段，汽車數(shù)量以100萬輛/年的速度遞增，對汽油資源的需求量增大，我國每年需要進(jìn)口大量的緣由、成品油和LPG。使用燃?xì)馄嚳梢跃徑獯朔N矛盾。4.3CNG汽車的開展前景1〕汽車保有量的飛速增長、石油資源和環(huán)保的嚴(yán)峻形勢，決定了開展天然氣汽車成為解決能源問題和環(huán)境問題的重要途徑。2〕“十一五〞期間，新型清潔能源汽車一杯列入《國家科技開展中長期規(guī)劃》，國家將繼續(xù)組織實(shí)施涉及各種清潔能源汽車的重大科技工程，重點(diǎn)支持包括天然氣汽車在內(nèi)的整車、零部件等關(guān)鍵技術(shù)，將進(jìn)一步促進(jìn)天然氣汽車的開展。3〕我國天然氣資源大規(guī)模開發(fā)及管道建設(shè)步伐加快使開展CNG和加氣站成為可能。根據(jù)我國天然氣利用規(guī)劃，近十年“西氣東輸〞、“陜京二線〞等一大批輸氣管道及沿線城市燃?xì)夤艿老嗬^建成，我國大規(guī)模利用天然氣的根底設(shè)施逐步完善，天然氣加氣站也將逐步形成網(wǎng)絡(luò)。第5章城市用天燃?xì)?.1城市燃?xì)夤庀到y(tǒng)城市天然氣利用工程供氣系統(tǒng)由城市門站、城區(qū)配氣站、CNG加氣站、城市高壓儲氣管線〔或球罐〕、中壓管網(wǎng)、工業(yè)用戶專用管線、戶室管線等組成。壓力分為三級：高壓儲氣管線≤4.0MPa〔或球罐儲氣≤1.2MPa〕；中壓管網(wǎng)≤0.4MPa；戶室≤3000Pa。門站在滿足城市規(guī)劃的前提下，應(yīng)盡量靠近城市；城區(qū)配氣站根據(jù)城市規(guī)模大小合理布局；工業(yè)用戶由門站或城區(qū)配氣站直供；CNG加氣站可與門站或城區(qū)配氣站配套建設(shè)，也可從高壓管線直接接管建設(shè)；戶室用氣采用樓棟調(diào)壓。5.2城市民用天然氣調(diào)峰方案城市居民用氣客觀存在用氣頂峰問題，解決調(diào)峰是設(shè)計(jì)方案必須認(rèn)真考慮的問題。人工煤氣由于壓力低，一般采用球罐儲氣解決調(diào)峰。由于天然氣壓力較高，在考慮調(diào)峰方案時(shí)應(yīng)充分利用天然氣的壓力資源。。壓力管道儲氣，一般有三種方式可供選擇。

1〕輸氣干線末端儲氣。即加大進(jìn)門站前的輸氣管道直徑，到達(dá)增加儲氣量的目的。四川內(nèi)江市天然氣供氣工程采用了此方案。

2〕在城市外圍建一條直徑較大的高壓儲氣管線，代替球罐儲氣。正在設(shè)計(jì)的武漢市天然氣供氣工程采用了此方案。

3〕有條件時(shí)，建一條與城區(qū)配氣站相連接的高壓儲氣管道，因儲氣設(shè)施靠近集中用戶，調(diào)峰效果最正確。蕪湖市城市天然氣利用工程推薦了此方案，得到了專家和業(yè)主的認(rèn)可。壓力管道儲氣選擇何種方式，要作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比擬，應(yīng)選擇平安可靠、調(diào)峰效果最好，投資省、管理方便的管道儲氣方式。5.3城市天然氣利用工程如何保證工業(yè)與民用都到達(dá)最正確效果一套供氣系統(tǒng)，要確保工業(yè)與民用氣使用都感到滿意，四川的常規(guī)作法是在站內(nèi)實(shí)施工業(yè)與民用氣分輸。其優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：1〕工業(yè)與民用氣互不干攏。民用氣頂峰時(shí)，不影響工業(yè)用氣平穩(wěn)供氣；工業(yè)用戶因裝置故障緊急迫斷氣源，不會造成中壓管網(wǎng)蹩壓，以致產(chǎn)生災(zāi)害性后果。2〕有利計(jì)量管理和輸差考核，便于發(fā)現(xiàn)計(jì)量誤差及其原因。3〕有利于集中管理，降低運(yùn)行本錢。5.4與液化石油氣相比，天然氣用作城鎮(zhèn)燃?xì)鈺r(shí)具有以下特點(diǎn)1〕天然氣比空氣輕，它的密度一般是空氣的0.55～0.85倍。因此，它泄漏后會擴(kuò)散到空氣的上部，并且容易漂浮和逸散。相反，液化石油氣的氣體比空氣重，它的密度一般是空氣的1.5～2.0倍，因此，它泄漏后會沉積到空氣的下部，還可以由高處流向低處，積存在通風(fēng)不好和不易擴(kuò)散的地方。2)天然氣和人工燃?xì)庖粯樱际怯晒艿浪偷接脩艏抑?，不像液化石油氣那樣要用鋼瓶裝運(yùn)與使用，用完后還必須換瓶，因而使用起來省時(shí)、省力。尤其是對于居住在高層建筑的用戶，或?qū)τ诶先醪埖挠脩魜碇v，其方便性就更為明顯。當(dāng)然，對于散居的用戶居民，采用瓶裝的液化石油氣可不受居住區(qū)域、地點(diǎn)和條件的限制，因此也是靈活方便的。3)天然氣的主要成分是甲烷，而液化石油氣的主要成分為丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。因此，甲烷完全燃燒后生成的煙氣中由碳原子燃燒生成的二氧化碳含量最少。也就是說，天然氣完全燃燒生成的煙氣中的二氧化碳含量，比液化石油氣完全燃燒生成的煙氣中二氧化碳的含量要少，這對減少大氣層的溫室效應(yīng)是有利的。此外，天然氣中含硫、氮少，生成的煙氣中二氧化硫及氧化氮等均較少。因此，采用天然氣作燃?xì)飧欣诃h(huán)境保護(hù)。5.5城市燃?xì)庑Чu價(jià)管輸天然氣除在組分、熱值、比重及用途等方面與人工煤氣不同外，重要的是管輸天然氣具有壓力高，易燃易爆；管道和站內(nèi)的閥門及其連接處易泄漏，管線或閥門檢修難度較大，處理不當(dāng)，易出平安事故；