天然气组分和来源.docx
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天然气组分和来源
第一章天然气基本知识
天然气组分和来源
天然气是指地下多孔地质构造中发现的自然形成的烃类气体和蒸气的混合气体，有时也含有一些杂质，主要组分是低分子烷烃。
天然气一般可分为四种：
从气田开采的气田气或称纯天然气；伴随石油一起开采出来的石油气，也称石油伴生气，含石油轻质镏分的凝析气田气以及从井下煤层抽出的矿井气。
气田气组分以甲烷为主，也含少量的CO、HS、N和微量的惰222性气体，详见表l一2。
我国四川、海南等地的天然气属于这一类，3。
天36000kJ／m34800其中甲烷含量一般不少于90％，发热值为～津、大庆等地使用的天然气是伴生气，甲烷含量约为80％，其他烷3。
气田气除含有大量甲m41900kJ／烃占15％，热值较高，大约为烷外，还含有2％～5％戊烷及戊烷以上的烃类，热值更高。
矿井气的主要可燃成分是甲烷，其含量视抽气方式不同而变化，热值一般较低。
抚顺、鹤壁等矿区使用这种矿井气多年。
天然气可以压缩或液化，在25MPa压缩状态下的天然气体积接近标准状态下的1／300。
液态天然气的体积为标准状态时体积的1／625，有利于储存和用车辆或船舶远途输送，使不生产天然气的地区也能使用到天然气。
根据天然气的组成既可将天然气分为干气、湿气、贫气和富气，又可分为酸性天然气和洁气。
结合我国情况，参考国外资料，其定义如下。
1
表l一2各种天然气成分
产地CHCHCHC4HCmHmHHSCON2234832620.70四川气田天然气0.1097.200.701.00.100.20--
四川油田天然气76.29--1.366.00.714.011.0-
大庆天然气-
-
2.70
-
2.23
91.051.09
1.64
3。
（压力为O.1MPa、1m温度为20C的状态）井口流出干气：
每3的天然气。
以上重烃液体含量低于13.5cm物中，C53313.5cm以上重烃液体含量超过井口流出物中，湿气：
每1mC5的天然气．一般湿气需分离出液态烃产品和水分后才能进一步加工利用。
3394cmC每1m以上烃类液体含量超过井口流出物中，富气：
3的天然气。
3394cm以上烃类液体含量低于井口流出物中，C贫气：
每lm3的天然气。
酸性天然气：
含有显著HS和CO等酸性气体，需进行净化处22理才能达到管输标准的天然气。
洁气：
HS和C0含量甚微，不需进行净化处理的天然气。
22第二节天燃气的物理性质
一、密度和相对密度
燃气的生产储存和使用，包括有液态和气态及其相互的变化，所以密度和相对密度包括气体和液体两种状态。
液体的密度是指单位体积内液体的质量。
液体的相对密度是指在同一温度压力条件下，液体与同体积水的密度之比。
气体的密度是2
指单位体积内气体的质量。
在压力不变的情况下，气体的密度随温度升高而减少。
气体的相对密度是指在同一温度压力条件下，气体与同体积的空气的质量比。
标准状态是指OC和大气压为101325Pa（1标准大气压）时的状态。
一些碳氢化合物密度见表l一3。
表l一3一些碳氢化合物在标准状态下的密度
甲烷丙烷
正丁烷
异丁烷
乙烯
丙烯
气态液态3Kg/mKg/L
气态3Kg/m
液态Kg/L
气态3Kg/m
液态Kg/L
气态Kg/m
液态3Kg/L
液态Kg/L
0.5290.717
2.010
0.600
2.703
0.582
2.691
0.345
0.545
丁液Kg/L0.619
1．气体的密度、比容、相对密度
气体的密度是指单位体积内气体的质量。
压力不变的情况下，气体的密度随温度升高而减少。
密度习惯上采用的符号ρ，比容采用的符号ν。
混合气体的密度计算公式如下：
3。
）；（kg／m式中：
P——混合气体的密度3。
）；mPi——混合气体各组分在标准状态下的密度（kg／
Vi——混合气体各体积绀分（％）。
3／kg）（m。
它比容是指单位质量的物质所占的体积，单位是与密度互为倒数，即V=1/P。
气体的相对密度是指在温度压力相同条件下，气体与同体积空气的质量比。
即
3
S=P/1.293
式中S——混合气体的相对密度；
3）。
（k/m1.293——标准状态下空气的密度
几种燃气的平均密度和相对密度见表1—4。
表1—4燃气的平均密度和相对密度
燃气种类
天然气
液化石油气
平均密度（
kg/m
3）
0.7
0.85～
1.9～2.5
相对密度
0.58
～0.62
1.5～2.0
液化石油气气态的相对密度在1.5～2之间，因此，一旦液化石油气从容器或管道中泄漏出来，不像相对密度值小的可燃气体那样容易挥发和扩散，而像水一样往低处流动和滞存，很容易达到爆炸浓度，如遇着明火就会发生爆炸或燃烧。
因此，用户在安全使用中必须充分注意。
2．液体的密度、相对密度
混合液体的密度计算公式如下：
式中P——混合液体的密度（kg／L）；
P——混合液体各组分的密度（kg／L）；iV——混合液体各组分的容积成分（％）；ig——混合液体各组分的质量成分（％）。
i混合液体的相对密度是相对于水而言（见表1—5），而4℃时水4
的密度为1kg／L，故液体的相对密度与平均密度数值相等。
在常温下，液态液化石油气的平均密度是0.5～0.6,，约为水的一半，故水分和杂质处于液化石油气容器的底部，排污阀应装罐底。
表l一5液化石油气液态各组分相对密度
温度（℃）丙烯
丙烷正丁烷
异丁烷
-200.5550.550-10
0.6210.5560.5410.611
0.6030.592
0.5450
0.5280.601
0.581
0.5140.5400.590100.5690.557
0.533
0.500
20
0.578
丁-10.6410.6300.6190.6070.595
二、颜色、气味和毒性
液化石油气是一种无色、无味的物质，其在常温常压下以气态存在，在加压情况下液化，便于储存和运输。
液化石油气中含少量的硫化物。
由于硫化物的存在，使液化石油气带有一种类似滴滴涕的刺鼻的臭味，对人体有一定的毒害作用，但人们可以凭借这种气味用以判断是否有液化石油气泄漏。
液化石油气无毒，但在空气中浓度较高时，对人的中枢神经有麻醉作用。
三、沸点和露点
当液体温度升高时，液体的蒸气压也随之逐渐升高，直至其蒸气压力与外界压力相等，这时继续加热将使液体内部汽化，这种现象叫沸腾，沸腾时的温度称为沸点。
通常说的沸点是指蒸气压力为101
325Pa时的饱和液体沸腾时的温度。
某些碳氢化合物的沸点见表1—6。
表l一6某些碳氢化台物的沸点
5
碳氢化合物名称
丙烷甲烷
正丁烷
丙烯异丁烷
-1丁烯
顺丁烯-2反丁烯
-2异丁烯-6.9
沸点（C）
-161.5-42.10
-0.5
-47.0-11.73
-6.3
3.70.88
沸点温度与液体种类和外界压力有关。
压力增高，沸点上升。
由从而打不着0左右，在冬季就可能会不能汽化，于C的平均沸点为℃4的平均沸点，在室外使用钢瓶打不着火时，由于室内温度大于C火。
4瓶内液化石油气就可可将其放到室内片刻，当钢瓶温度接近室温时，以导出，再点火就不困难了。
在压力不变的条件下，未饱和气体冷却到饱和状态时的温度称气态碳氢化合物的露点温度就是给定压力下达到因此，为露点温度。
饱和状态时的饱和温度，对同种碳氢化合物，其压力增大，露点温度也升高。
当用管道输送气体碳氢化合物时，必须保持其温度在露点以
上，以防凝结，阻碍输气。
四、比热容和汽化潜热
比热容一）（或放时所吸收（比热容是指单位数量的某物质在温度变化lC
）的热量。
出1-7液化石油气有气态和液态之分，其比热容也就不同。
表
时的比热。
为某些碳氢化合物在25C某些碳氢化合物的比热容l一7表
碳氢化合物名称
甲烷液态气态
丙烷液态（25C
气态（25C）
丁烷气态液态
（25C）
kj/（kg比热（·
2.233.87
K）
2.48
1.67
1.682.36
汽化潜热二（）6
液体沸腾时，1kg饱和液体变成同温度的饱和蒸气所吸收的热量称为汽化潜热。
该过程只有相变，而温度不发生变化。
汽化潜热这一特性与安全生产和安全使用的关系很密切（见表l-8）。
液化石油气的主要成分的沸点都很低。
即在0C以下时液化石油气就达到它的沸点。
因此液态液化石油气泄漏出来时，其压力降至常压，迅速吸收周围空气及容器的热量，把空气中的水分凝结成霜，形成白雾。
倘若液态液化石油气沾至皮肤，则会迅速吸收人体的大量热量造成冻伤。
因此，操作人员必须戴皮手套加以保护以防止皮肤冻伤。
表1—8某些碳氢化合物的汽化潜热
碳氢化合物甲烷名称
丙烷正丁烷
异丁烷丙烯
丁烯-1
顺丁烯-2反丁烯
-2异丁烯394133
510000
汽化潜热
422584
383254
366100
439320
390786
415800405430
（J/kg）
（三）燃气的热值
33，／mlmkJ燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，单位为对于液化石油气，热值单位也可用kJ／kg。
热值可分为高热值和低热值。
3。
燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而1m高热值是指其中的水蒸气为凝结水状态排出时所放出的热量。
3。
燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但ml低热值是指烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。
高、低热值数值之差为生成水蒸气的冷凝热。
1．混合气体比热容的计算
7
已知体积组分时，
C=VC+VC+…+VCmlml22已知质量组分时，
C=gC+gC+…+gCm1221m3·C）；J／（m式中C——混合气体的容积比热容，单位C——混合气体的质量比热容，单位J／（kg·K）；
3·C）；／（m，C…C——混合气体各组分容积比热容，单位JCm12C，C…C——混合气体各组分质量比热容，单位J／（kg·K）m12V，V…V——混合气体各体积组分；m21g，g…g——混合气体各质量组分。
m122．混合液体比热容的计算
混合液体比热容可按下式计算：
C=gC+gC+…+gC：
m12m12式中C——混合液体的质量比热容J／（kg·K）；
g，g…g——混合液体各质量组分；m12C，C…C——混合液体各组分质量比热容J／（kg·C）。
m123．混合液体汽化潜热的计算
混合液体的汽化潜热可用下式计算：
R=gr+gr+…+grm2121m式中r——混合液体的汽化潜热（J／kg）；
g，g…g——混合液体各质量组分；m12rrr——混合液体各组分的汽化潜热（J／kg）。
m128
五、体积膨胀系数
绝大多数物体都具有热胀冷缩的性质。
所谓体积膨胀系数，就是指温度每升高1C，液体增加的体积与原来体积的比值。
液化石油气体积膨胀系数比水大得多，约相当水的10至16倍，且随温度升高而增大。
据计算，家用液化气钢瓶在满液情况下，温度每升高1C，压力就会上升2～3MPa（20至30大气压），不难推知，只要温升3C、至5C，内压就会超过普通钢瓶8MPa的实际胀裂限度。
因此-液化石油气的充装作业，必须限制装载量，不能全部充满液态液化气。
六、饱和蒸气压
一定温度下的液体置于密闭容器中，当单位时间由液态变为气态的分子数目与由气态变为液态的分子数目相等时，气液两相处于动态平衡状态，此时饱和蒸气所呈现的压力称为饱和蒸气压。
饱和蒸气压的大小与液体的种类、温度的高低有关。
碳氢化合物的蒸气压随温度升高而增大。
一定液体的饱和蒸气压与容积大小及液量多少无关，只取决于温度。
某些烃类的饱和蒸气压与温度的关系，见表1—9。
9
表1-9某些烃类的饱和蒸气压单位（MPa）
温度℃-400.109
丙烷
丙烯0.150
异丁烯—
正丁烷—
-1丁烯
丁烯
异丁烯-2
-300.164
0.216
—
—
0.308-200.236——0.0730.2850.0560.3620.046-150.0520.0700.088
0.0890.0570.065-100.1070.3380.0860.420.068
0.1080.0710.4970.1280.078-50.0840.3990.105
0.1300.5750.0870.1020.4660.1270.1530.0970
0.1550.5430.1520.10550.6650.1820.1170.123
0.1840.215100.1820.1260.6290.1460.1400.765
0.2170.1740.151150.8740.2150.7250.2520.166
0.2550.9920.1790.8330.2520.197200.2050.294
0.3450.3430.2801.2801.0800.3940.270300.247
0.4580.5131.3820.374400.4560.3621.6230.333
0.598
50
0.475
2.028
0.490
1.744
0.669
0.594
0.439
七、临界状态
任何气体在温度低于某一数值时都可以等温压缩成液态，但当高于该温度时，无论压力增加到多大，都不能使气体液化，可以使气体压缩成液态的这个极限温度称为气体临界温度。
当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需的压力称为临界压力，此时的状态称为临界状态。
其实，临界状态是饱和状态的一个特殊情况——极端情况：
处于密封容器中的气液共存物质，在温度不断升高时，由于原来的饱和状态不断被打破，液相分子不断溢出液面，同时，由于液十H受热会膨胀，所占体积增大，因而使液相密度ID*会不断减少，而气相密度则会相应增大。
当温度升到一定值时，P帻一ID气，此时气液界面消失，气液不分，处于一个模糊状态，即临界状态。
临界状态时的温度、密度、压10
力均为常数，与容器的形状、大小无关。
气体的临界温度越高，越易液化。
天然气主要成分甲烷临界温度低，故较难液化。
而液化石油气的主要成分c。
、C。
临界温度较高，故较易液化，便于储存和运输燃气的临界温度和压力见表1一l0。
表1-10液化石油气和天然气的临界压力和临界温度
液化石油气天然气性质甲烷丁烷丙烷
4.623.84.25）临罚压力（MPa-82.6
96.7
152.0
临罚温度（℃）第三节燃气的燃烧特性
一、燃烧及其条件、形式和种类
（一）燃烧
可燃物与助燃物作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或）发烟现象，称为燃烧。
任何物质要发生燃烧，都必须具备三个必要的条件：
可燃物、助燃物和点火源。
也就是说，
只有在上述三个条件同时具备的情况下才能发生燃烧。
（1）可燃物：
凡是能与空气中的氧气或其他氧化剂起化学反应的物质称可燃物，如木材、氢气、煤炭、汽油、酒精、纸张等。
（2）助燃物：
能帮助和支持可燃物燃烧的物质，即能与可燃物发生氧化反应的物质称为助燃物。
如空气、氧气、氯气及其他一些氧化剂，空气到处都有。
一般来说，这个燃烧条件是难以控制的。
（3）点火源：
是指供给可燃物与助燃物发生燃烧反应的能量来源。
11
一般分直接火源和间接火源两大类。
直接火源主要有明火（如生产、生活中的炉火、灯火、焊接火、撞击火星、摩擦打火等）、电弧、电火花、瞬间高压放电的雷击；间接火源主要有高温发热、自燃起火。
可燃物、助燃物和点火源是构成燃烧的三个要素，缺少其中任何一个要素，燃烧便不能发生。
对于已经进行着的燃烧，若消除可燃物或助燃物其中任何一个条件，燃烧便会终止，这就是灭火的基本原理。
（二）燃烧过程
大多数可燃物质的燃烧是在其挥发出蒸气或气体状态下进行的，由于可燃物的状态不同，其燃烧特点也不同。
气体最容易燃烧，只要达到其本身氧化条件所需的热量便能迅速燃烧，在极短的时间内全部烧光。
天然气和液化石油气中的所有组分，在常温常压下均是气态，在空间传播迅速，所以非常容易燃烧，甚至能形成爆炸。
可燃液体燃烧不是液体本身燃烧。
首先是液体蒸发汽化，然后在火源作用下，蒸气氧化分解进行燃烧，燃烧又加速了汽化。
由于液体燃烧在火源、升温、汽化等过程的准备阶段，要消耗时问和热量，时间长。
值得指出的是液化石油气中C。
、C．组分的沸点都很低，因此，液化石油气液体若泄漏出来，虽然为液态，但其汽化却十分迅速，燃烧和爆炸的危险性很大。
固体燃烧，如果可燃物是简单物质，如硫、磷等，受热时首先融化，然后蒸发、燃烧，没有分解过程；如果是复杂的物质，其固体燃烧相对液体、气体较为困难，燃烧速度较为缓慢。
12
（三）燃烧形式
根据气体的燃烧条件，可分为扩散燃烧和混合燃烧两种形式，在混合燃烧中又可细分为部分预混燃烧和完全混合燃烧。
可燃气体不预先和空气混合，从管中喷出后与周围空气接触，其气体分子一边扩散，一边与氧分子混合，一边燃烧，燃烧反应在两种物质的界面带层进行，该种形式的燃烧叫做扩散燃烧。
蜡烛的火焰形态，就是这种形式。
将可燃气体预先与燃烧所需的部分空气混合，然后从火孔流出燃烧，这种燃烧过程叫做部分预混燃烧，这种燃烧方式的火焰温度和燃烧完全程度都高于扩散燃烧。
家用灶具多采用这种燃烧方式，
所谓完全混合燃烧，即将可燃气体与燃烧所需的全部空气相混合，然后从火孔流出燃烧。
由于预混充分，燃烧十分迅速，几乎看不到火焰。
这种燃烧方式反应完全，且能获得高温。
完全预混燃烧的灶具，必须保证气流的喷出速度大于火焰的传播速度，否则十分危险。
（四）闪燃和闪点
可燃液体表面的蒸气与空气混合，形成混合可燃气体，遇火源即发生燃烧。
形成挥发性混合气体的最低燃烧温度称为闪点，在闪点时所发生的燃烧只出现瞬问火苗和火光，这种现象称为闪燃，闪燃燃烧是不连续的。
液化石油气的闪点都是非常低的，其数值见表1—11。
液体在闪点温度以上达到燃点时，因液体蒸发速度加快，可燃气体的数量增加，13
能够维持连续稳定的燃烧。
因此，闪燃是液体发生火险的信号，是着火的前奏。
闪点是评价液体火灾危险性的重要指标。
表1-11液化石油气主要成分闪点
成份丙烷丙烯丁烷丁烯
-80
-104
-108
-82.78
闪点（℃）（五）自燃和自燃点
自燃是物质自发的着火燃烧，通常是由缓慢的氧化作用或本身温度或介质温度而引起的。
即物质在无外界火源的条件下，在一定温度下自行发热，散热受到阻碍而积蓄，逐渐达到自{妻}状态而致。
自燃一般分为受热自燃和本身自燃。
（1）受热自燃：
在没有外部火花、火焰的条件下，可燃物质受外界热源作用自行燃烧现霖称为受热自燃。
可燃物质发生自行燃烧的最低温度称为自燃点。
（2）本身自燃：
可燃物质在没有外来热源影响下，由于物质内部所发生的化学、物理或生化过程而产生热量．这些热量在适当条件下，会逐渐积聚，使物质温度上升，达到自燃点而燃烧，这种现象称为本身燃烧。
液化石油气中的硫化物能同储罐内壁或钢瓶内壁发生化学变化，生成硫化铁及硫化亚铁．这些物质也是十分危险的可燃烧物。
如果容器或设备未充分冷却即敞开，则这些物质与空气接触，便能自燃。
如果罐内仍有可燃气体存在，则能形成火灾事故，甚至引起储罐、钢瓶爆炸。
液化石油气和天然气的自燃点见表1—12。
14
表l—12液化石油气和天然气的自燃点
液化石油气
天然气
名称
丙烷
丁烷
甲烷
自燃点（常压下）
（）
466
430
537
（六）辛烷值
辛烷值是燃料抗爆性的标志，它表示燃料在发动机内燃烧时不发生爆震的能力。
爆震是汽油机的一种不正常燃烧，它能产生高频震动和噪声。
爆燃可引起功率下降，油耗增加，持久的爆燃会损坏机件。
辛烷值是指与汽油抗爆性相同的标准燃料所含异辛烷的体积分数。
如辛烷值70的汽油，表示其抗震性等于70％的异辛烷和30％的正庚烷组成的标准燃料的抗爆性。
辛烷值越高表示抗爆性越好。
天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值为130，液化石油气的辛烷值在100～110之间，以上两者都较汽油有更高的辛烷值，即抗爆性能较汽油高。
二、热值、燃烧温度及燃烧产物
1．热值
热值是指单位重量或单位体积的可燃物质，在完全烧尽生成最简单最稳定化合物时所放出的热量（见表1—13）。
热值又分高热值和低热值。
它们之问的区别在于高热值记人生成的水的冷凝热，如不计算这部分冷凝热，则为低热值。
15
表l—13各种碳氢化合物的热值
名称104kJ/kg
气态发热值高热值低热值
104kJ/kg
104kJ/kg
104kJ/kg
甲烷
乙烷
丙烷正丁烷羿丁烷液态发热值名称低热值高热值---甲烷5.164.726.92乙烷9.845.004.60丙烷4.544.9212.75正丁烷4.53
12.72
4.90羿丁烷
-6.339.0511.7711.742．燃烧温度
燃烧温度实质上是火焰温度。
因为可燃物质燃烧所产生的热量是在火焰燃烧区内放出的，热量完全被燃烧生成物所携带，因而火焰温度也就是燃烧温度（见表1～14）。
表l—14液化石油气和天然气等可燃物质的理论燃烧温度
项目液化石油天然气汽油煤油
700-1030
1200
2120
2020
（C）
烂烧温度3．燃烧产物
液化石油气和天然气（含少量杂质）完全燃烧时产生二氧化碳（CO）2）和二氧化硫（SO2）等，当不完全燃烧时还会产生大量的一氧化碳（CO））。
CO是一种无色气体，比空气略轻，有强烈的毒性。
当空气中含有10％的CO时，在l～2min内可造成人的中毒死亡。
完全燃烧时产生的CO2。
也是～种无色气体，比空气重，不燃烧，不助燃，不导电，有轻度毒性。
但燃烧产物中CO2：
中含量高时，
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