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最新天然气与液化天然气知识
天然气与液化天然气知识
天然气与液化天然气（LNG）知识
二〇一一年十一月二十五日
天然气知识
近20多年来，世界天然气需求持续稳定增长，平均增长率保持在2%，预计2020在世界能源组成中的比重将会增加到29%左右。
中国是开发利用天然气资源最早的国家。
新中国成立后，天然气产业有了很大发展。
特别是“八五”以来，中国储量快速增长，天然气进入高速发展时期。
但从全世界看，中国天然气产业整体水平还很低，资源探明程度仅7%左右，储量动用程度约50%，特别是天然气在能源结构中所占的比例极低，不到世界平均水平的十分之一。
随着中国国民经济的持续发展，工业化程度的不断提高，对清洁能源的需求不断增大，预示着天然气具有很大的发展空间，中国天然气产业具有良好的发展前景。
中国天然气产业正面临着前所未有的发展机遇和挑战。
随着科技进步，世界能源消费结构不断地向低碳化演变，天然气作为低碳化的清洁能源在世界各国都得到了高度的重视和发展，而目前中国天然气产业的发展与国民经济及社会发展很不适应。
为此，国家从能源结构调整、加强环保和可持续发展等基本国策出发，“十五”将大力发展天然气的开发利用，这将为天然气产业的发展创造良好环境。
一、天然气组成
天然气是由烃类和非烃类组成的复杂混合物。
大多数天然气的主要成份是气体烃类，此外还含有少量非烃类气体。
天然气中的烃类基本上是烷烃，通常以甲烷为主，还有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、以及少量的已烷以上烃类。
在
中有时还含有极少量的环烷烃（如甲基不戊烷）及芳香烃（如苯、甲苯）。
天然气中的非烃类气体，一般为少量的氮气、氧气、氢气、二氧化碳、水蒸气、硫化氢，以及微量的惰性气体如氦、氩、氙等。
天然气中的水蒸气一般呈饱和状态。
天然气的组成并非固定不变，不仅不同地区油、气藏中采出的天然气组成判别很大，甚至同一油、气藏的不同生产井采出的天然气组成也会有很大的区别。
1、根据化学组成的不同分类
（1）干性天然气：
含甲烷90%以上的天然气。
（2）湿性天然气：
除主要含甲烷外，还有较多的乙烷、丙烷、丁烷等气体。
2、根据天然气的来源分类
（1）纯天然气：
气藏中通过采气井开采出来的天然气称为气井气。
这种气体属于干性气体，主要成分是甲烷。
（2）油田伴生气：
系指在油藏中与原油呈平衡接触的气体，包括游离气和溶解在原油中的溶解气两种。
油田气是与石油伴生的，是天然气的一种，从化学组成来说属于湿性天然气。
开采时与原油一起打出，气油比（m3/t）一般在20~500范围内。
这种气体中含有60%~90%的甲烷，10%~40%的乙烷、丙烷、丁烷和高碳烷烃。
（3）凝析气田气：
是含有容易液化的丙烷和丁烷成分的富天然气。
这种气体通常含有甲烷85%~90%，碳三到碳五约2%~5%。
可采用压缩法、吸附法或低温分离法，将后者分离出去制液化石油气。
（4）矿井气口从井下煤层抽出的矿井气，习惯称为矿井瓦斯气。
二、天然气燃烧特性
天然气最主要的成分是甲烷，基本不含硫，无色、无臭、无毒、无腐蚀性，具有安全、热值高、洁净和应用广泛等优点，目前已成为众多发达国家的城市必选燃气气源。
城市燃气应按燃气类别及其燃烧特性指数（华白数W和燃烧势CP）分类，并应控制其波动范围。
华白数W按式
（1）计算：
（1）
式中：
W—华白数，MJ/m3（kcal/m3）;Qg—燃气高热值，MJ/m3/（kcal/m3）；d—燃气相对密度（空气相对密度为1）。
燃烧势CP按式2计算：
（2）
（3）
式中：
CP——燃烧势；
H2——燃气中氢含量，%（体积）；
CmHn——燃气中除甲烷以外的碳氢化合物含量，%（体积）；
CO——燃气中一氧化碳含量，%（体积）；
CH4——燃气中甲烷含量，%（体积）；
d——燃气相对密度（空气相对密度为1）；
K——燃气中氧含量修正系数；
O2——燃气中氧含量，%（体积）。
城市燃气的分类应符合表的规定。
城市燃气的分类（干，0℃，101.3kPa）表
类别
华白系数W,MJ/m3（Kcal/m2）
燃烧势CP
标准
范围
标准
范围
人工燃气
5R
22.7（5430）
21.1（5050）～24.3（5810）
94
55～96
6R
27.1（6470）
25.2（6017）～29.0（6923）
108
63～110
7R
32.7（7800）
30.4（7254）～34.9（8346）
121
72～128
天然气
4T
18.0（4300）
16.7（3999）～19.3（4601）
25
22～57
6T
26.4（6300）
24.5（5859）～28.2（6741）
29
25～65
10T
43.8（10451）
41.2（9832）～47.3（11291）
33
31～34
12T
53.5（12768）
48.1（11495）～57.8（13796）
40
36～88
13T
56.5（13500）
54.3（12960）～58.8（14040）
41
40～94
液化石油气
19Y
81.2（19387）
76.9（18379）～92.7（22152）
48
42～49
22Y
92.7（22152）
76.9（18379）～92.7（22152）
42
42～49
20Y
84.2（20113）
76.9（18379）～92.7（22152）
46
42～49
注：
6T为液化石油气混空气，燃烧特性接近天然气。
三、天然气的储运
天然气是以气态燃用，但储运方式有管输天然气、压缩天然气、液化天然气等多种形式。
另外，目前还在发展天然气水合物。
1.压缩天然气（CNG）
压缩天然气（CNG）是通过压缩机加压的方式，将天然气压缩至容器，增加容器存储体积的天然气运输方式。
一般情况下，天然气经过几级压缩，达到20MPa的高压，在用气时在经减压阀降压使用。
在20MPa高压下，天然气的压缩比可以达到276。
CNG在生产和利用过程中成本相对较低，能耗低。
但是由于采用笨重的高压气瓶，导致CNG单车运输量比较小，运输成本高。
因此，一般认为该种方式只适合为距离气源地近、用气量小的城市供应燃气。
CNG项目的特点：
与LNG相比，设备相对简单、投资少；与管道天然气相比要灵活，因为管道一旦建设好以后，无法根据市场的需要发生转移。
2.液化天然气（LNG）
当天然气在大气压下，冷却至约-162℃时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（LiquefiedNaturalGas，缩写为LNG）。
LNG体积约为同量气态天然气体积的1/625，密度在450kg/m3左右。
可见液化天然气具有较大的气液，便于运输。
另外，由于LNG的燃点及爆炸极限高于汽油，所以不易发生爆炸，安全性能好。
LNG项目包括液化工厂、低温储槽和再气化工厂的建设。
液化和再气化工厂的经济可行性由年产量和最高供气量决定。
由于LNG所以低温液体，其生产、储运及利用过程中都需要相应的液化、保温和气化设备，投资额高。
这种运输形式只有在规模发展较大时才具有合理的经济性能。
3.管输天然气（PNG）
管输天然气是通过管道直接将天然气输运到用户点的一种运输方式，主要针对气源地用户或与气源地通过陆地相连的国家之间天然气运送。
管道长度对于PNG方式有一定要求。
对于距离气源地较远的地区，只有当用气量较大时才会具有较好经济性。
由于海底管道的建造和维护费用高，当天然气的海上运输距离较长时，将会倾向于采用LNG船运输。
与LNG项目不同，PNG项目既不需要液化工厂也不需要再气化工厂。
管道基本建设投资是影响项目经济可行性的主要决定因素。
基本建设投资额随着管线距离、管线走向、地理环境和负荷系数的变化而变化。
天然气井口价格也对PNG项目的经济可行性有较大影响。
当天然气的进口价格一定时，运输距离是决定其贸易方式的主要因素。
如果输送距离高于临界点，LNG项目将更加可行。
据英国BP公司提供数据，管道天然气和液化天然气运输成本运输距离的临界值大致在4000～5000公里间。
4.其他技术
除了上述三种已经成熟的天然气存储技术，各国还在积极探寻其他更经济有效方式。
其中包括天然气水合物（NGH，NaturalGasHydrate，简称GasHydrate）和吸附天然气（ANG，AdsorptionNaturalGas）等。
天然气水合物资源是世界能源开发的下一个主要目标。
海底的天然气水化物资源丰富，其开发利用技术已成为一个国际能源领域的热点。
天然气水合物是在一定条件（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。
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）。
在标准状况下，1单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体。
但是根据目前的发展来看，该技术距离工业应用的成熟水平还有一定的距离。
吸附天然气技术是利用一些诸如活性炭等多孔性固体物质对气体的吸附特性进行储气。
由于这种新型的储气方式也要求在一定的压力作用下（通常为3MPa-4MPa）方能最大限度地提高气体附量（如在储存压力为3.5MPa时，理论储气量可达其容积体积的150倍），因此从一定意义上讲，该储存方式同属压力储存。
但由于储存压力较CNG大为降低，因此容器重量相应减轻，安全性相对提高。
当储气容器的改良同样是减轻车辆无效载重、提高空间利率、减缓容器内外壁腐蚀等部题的最根本方法。
目前该技术的关键部分：
吸附剂以及热能储存器的开发已有了较大进展。
作为天然气储存的一种方式，由于单位存储介质的吸附量还比较小，还不能在工业中得到大规模的应用。
目前只有少数机构可以将其应用到天然气汽车上。
LNG基本性质
天然气的主要组分是甲烷，其临界温度为－83℃，故在常温下，无法仅靠加压将其液化。
通常的液化天然气（LiquefiedNaturalGas，简称LNG）多存储在温度为－162℃、压力为0.1MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的600多倍，体积能量密度为汽油的72%，十分有利于输送和储存。
液化天然气是经过净化处理（脱水、脱烃、脱酸性气体）后，采用节流膨胀及外加冷源冷却的工艺使得天然气液化的。
预处理主要包括
的清除，以免低温下冻结、堵塞。
天然气液化装置按用途可分为两大类,即基本负荷型天然气液化装置和调峰型天然气液化装置。
基本负荷型天然气液化装置由天然气预处理系统、液化系统、储存系统、控制系统、装卸设施和消防系统等组成，是一个复杂庞大的系统工程，投资高达数十亿美元。
由于项目投资巨大，LNG项目大多由壳牌、道达尔等大型跨国石油公司与资源拥有国政府合资建设。
基本负荷型天然气液化装置的液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。
20世纪60年代最早建设的天然气液化装置,采用当时技术成熟的级联式液化流程。
到70年代又转而采用流程大为简化的混合制冷剂液化流程（MRC）。
80年代后,新建与扩建的基本负荷型天然气液化装置则几乎无一例外地采用APCI公司的丙烷预冷混合制冷剂液化流程（C3/MRC）。
调峰型天然气液化装置是小流量的天然气液化装置,并非常年连续运行。
因此,调峰型液化流程要求具有高效、灵活、简便、低成本的特点。
一般,对于管道气压力较高的情况,为充分利用其压力能,可考虑使用膨胀机液化流程。
选择调峰型LNG液化流程,必须根据具体的设计要求和外围条件对上述因素进行综合考虑,即对不同液化流程的投资成本、比功耗、运行要求以及灵活性进行全面对比,才能最终决定采用何种液化流程。
天然气液化工厂的工艺流程不同，出厂LNG的温度和压力也有所不同，如新疆广汇液化工厂出厂LNG温度约为－162℃，压力为常压；中原绿能高科液化工厂出厂LNG温度约为－145℃，压力为0.35MPa。
一、LNG组分
新疆广汇和中原绿能LNG工厂生产LNG的组分如下：
组分
分子式
体积含量mol%
新疆广汇
中原油田
甲烷
CH4
86.23
95.857
乙烷
C2H6
12.77
2.936
丙烷
C3H8
0.3428
0.733
异丁烷
C4H10
0.201
正丁烷
C4H10
0.105
异戊烷
C5H12
0.037
正戊烷
C5H12
0.031
已烷
C6H14
0.009
庚烷
C7H16
0.003
辛烷
C8H18
0.003
氮
N2
0.6550
0.085
二、LNG物性数据
LNG的物性如下：
分子量：
17.3
气化温度：
－162.3℃（常压1.053bar）
临界温度：
－82.5℃
液相密度：
440kg/Nm3
气相密度：
0.75kg/Nm3（15.5℃）
燃点：
650℃
热值：
8700kcal/Nm3
气化潜热：
0.51MJ/Kg（121Kcal/Kg）
运动粘度：
12.072×10－6m2/s
燃烧势：
45.18CP
华白数：
54.23MJ/m3
爆炸极根上限15.77％
下限4.91％
三、LNG特点
1.天然气液化后，体积缩小600多倍，可以在公路、铁路、船舶上实现经济运输。
2.储存效率高、占地少、投资省。
3.建设模式机动灵活，可由小到大，由点到面，逐步投入和发展。
4.LNG可作为优质清洁的车用燃料，有效减少汽车尾气排放对大气的污染，应用前景广阔。
5.LNG的气化过程，释放出大量的冷量，有很高的综合利用价值。
6.LNG生产使用较液化石油气更为安全可靠。
其燃点为650℃，比汽油高230℃，爆炸极限为5％－15％，气相密度为0.772kg/Nm3左右，比空气轻得多，稍有泄漏立即飘逸飞散，不致引起爆炸。
7.当LNG气化与空气的混合物浓度达到爆炸极限范围内时，遇到明火、火星即可发生爆炸，一旦爆炸将会酿成较大事故。
8.LNG火灾灭火后在未切断可燃气体的气源或易燃可燃液体液源的情况下，遇到火源或高温将发生复燃、复爆。
故LNG一旦燃烧，只有在完全切断气源或有非常可行、可靠的安全措施的情况下，方可灭火，否则只能在安全保护下让其安全燃烧掉。
否则，将引起复燃，复爆，造成更大的损失。
9.LNG在液化过程中已经脱除了H2O、重烃类、H2S等杂质，是一种十分清洁的能源，其燃烧尾气不会对大气造成污染。
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