天然气基本知识

天然气基本常识（一）

天然气是一种高效优质清洁能源，用途越来越广泛，需求不断增加。20世纪90年代以来，天然气开发利用在世界能源结构中稳步上升。我国利用天然气也不断增加。天然气是指通过生物化学作用和地质变质作用，在不同的地质条件下生成、运移，并于一定压力下储集在地质构造中的可燃气体。天然气是由有机物质生成的，这些有机物质是海洋和湖泊中的动、植物遗体，在特定的环境中经物理和生物化学作用而形成的分散的碳氢化合物。
天然气主要由烷烃类气体、硫化氢、二氧化碳、氮气、水蒸气及部分稀有气体组成。
一、天然气分类
1. 按生成条件分类
见第2章。
2. 按烃组分含量分类
(1) 干气 压力为0.1MPa，20℃条件下，1m3井口天然气中戊烷重烃液体含量小于13.5×1O-3m3的天然气。
(2) 湿气 同等条件下，戊烷重烃含量大于13.5×10-3m3的天然气。
(3) 富气 每1m3(标准状态下)井口流出物中，C3以上重烃液体含量超过9.4×1O-5m3的天然气。
(4) 贫气 每1m3(标准状态下)井口流出物中，C3以上重烃液体含量不超过9.4×10-5m3的天然气。
(5) 酸性天然气 含有显著的H2S和CO2等酸性气体，需要进行净化处理才能达到管输标准的天然气。
(6) 洁气(净气) H2S和CO2含量甚微，不需要进行净化处理的天然气。
(7)油井天然气 气:油(体积比)＜3000的天然气。
(8)油气井天然气 气:油(体积LL)≥3000的天然气。
3. 按华白数(W)及燃烧势(Cp)分类
见表5-1。
表5-1 按华白数及燃烧势对天然气分类
天然气类别号 华白数(W) 燃烧势(Cp)
标准/(MJ/m3) 范围/(MJ/m3) 标准 范围
4T 18.0 16.7～19.3 25 22～57
6T 26.4 24.5～28.2 29 2～65
10T 43.8 41.2～47.3 33 31～34
12T 53.5 48.1～57.8 40 36～88
13T 56.5 54.3～58.8 41 40～94
二、天然气的质量标准
根据中华人民共和国石油工业部标准《天然气》(SY 7514—88)，要求各组、各类天然气技术应符合有关规定，见表5-2。
表5-2 各组、各类天然气技术要求
项目 质量指标 试验方法
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ注
高位发热量/(MJ/m3) A组 ＞31.4(＞7500kcal/m3)
B组 14.65～31.4(3500～7500kcal/m3) GB待批
总硫(以硫计)含量＜mg/m3 150 270 480 ＞480 GB待批
6 20 GB待批
硫化氢含量＜mg/m3 GB待批
实测 实测 GB待批
二氧化碳含量(体积百分比) ＜ 3 SY 7506
水露点/℃ 在天然气交接点的温度和压力条件下，天然气的水露点应比最低环境温度低5℃
注：1. 本标准中气体体积的参比条件是101.325kPa，20℃。
2. 本标准实施之前建立的天然气输送管道，在天然气交接点'的压力温度条件下，天然气中应无游离水。无游离水是指天然气经机械分离设备分不

出游离
水。
天然气作为民用燃料，总硫和硫化氢含量应符合一类气或二类气的技术指标。该标准是参照各国对民用天然气中硫化氢含量范围，同时考虑用户的安全以及设备管线的防腐而做出的。
天然气的用途不同，对总硫含量要求不同。主要依据燃烧生成二氧化硫对环境以及人体的危害程度而确定的。
三、主要物化特性
1. 密度与相对密度
在标准状态下，天然气相对密度一般为0.58～0.62；油田伴生气因重组分含量较高，为0.7～0.85，均比空气轻。
2. 含水量和水露点
单位体积的天然气中所含水蒸气的质量称为天然气的含水量，单位为g/m3(标准状态下)。在一定的温度和压力下，一定体积的天然气所含的水蒸气量存在一个最大值。当含水量等于最大值时，天然气中的水蒸气达到饱和状态。饱和状态时的含水量称为天然气的饱和含水量。
在一定条件下，与天然气的饱和含水量对应的温度值称为天然气的水露点。
含水量与温度和压力有关，在一定条件下，当含水量超过一定值(饱和)时，则形成水化物或液相水，堵塞管道，加快管线腐蚀，故必须控制含水量。
商品天然气已脱水，使其含水量低于-30℃时的饱和状态[＜0.3g/m3(标准状态下)]，输送时可看作等温降压或升温降压，因此不析出凝结水，故可不设排水装置。
天然气的热值是其重要的热力学特性，广泛应用于科技及工程领域，在经营管理方面，同样具有十分重要的作用。一些发达国家均以燃气的高热值作为销售定价的基础数据。政府通过立法监督燃气的高热值，确保各类品种的燃气热值稳定。另一方面各类用户都以燃气的高热值作为生产成本计算的依据。因此，各发达国家在燃气应用方面都精确的控制燃气的高热值，其政府也相应制定和颁布了该国的燃气热值标准计算方法。
我国由于历史原因一直以低热值作为燃气应用和计算的指标，城市燃气销售长久以来则一直以流量为基础，气价基本以低热值作参照制定。各类企业和商业行业用户，在成本管理的过程中也没有引入或建立以高热值为基准的热平衡模式。
4. 着火温度
可燃气体与空气混合物在没有火源作用下被加热而引起自燃的最低温度。按照谢苗诺夫(Semenow N.)的理论，着火温度不是可燃混合物的物理常数，它与混合物和外部介质的换热条件有关。可燃气体在氧气中的着火温度一般比空气中的着火温度低50～100℃。天然气在空气中的最低着火温度约为530℃，天然气的着火温度取决于其在空气中的浓度，也和天然气与空气的混合程度、压力、炉膛的尺寸以及天然气、空气的温度等因素有

关。
5. 爆炸浓度极限(着火浓度极限)

可燃气体在空气中浓度达到一定比例范围时会发生燃烧或爆炸。天然气也有爆炸上限和爆炸下限。
当天然气中CH4＞95%时，天然气的爆炸浓度极限可直接选取CH4爆炸极限5.0%～15.0%。

天然气基本常识（二）

一、天然气
天然气是指动、植物遗体通过生物、化学及地质变化作用，在不同条件下生成、转移，并在一定压力下储集，埋藏在深度不同的地层中的优质可燃气体。其主要成分是饱和烃，以甲烷为主，乙烷、丙烷、丁烷、戊烷含量不多，也含有少量非烃类气体，如一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气、硫化氢、水蒸气及微量的惰性气体氦、氩等。
1. 密度和相对密度
常温、常压下甲烷的密度为0.7174kg/m3，相对密度为0.5548。
天然气的密度一般为0.75 kg/m3～0.8kg/m3，相对密度一般为0.58～0.62。
2. 着火温度
甲烷的着火温度为540℃。
3. 燃烧温度
甲烷的理论燃烧温度为1970℃。
天然气的理论燃烧温度可达到2030℃。
4. 热值
热值是指1标准立方米某种气体完全燃烧放出的热量，属于物质的特性，符号是q，单位是焦耳每立方米，符号是J/m3。热值有高位热值和低位热值两种。
高位热值是指一标准立方米气体完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。
低位热值是指一标准立方米气体完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。燃气的高位热值在数值上大于其低位热值，差值为水蒸气的气化潜热。由于天然气是混合气体，不同的组分以及组分的不同比例，都会有不同的热值，表1为几个不同产地的天然气热值。

表1 不同种类的天然气热值

天然气种类 热值 （MJ/Nm3）
高热值 低热值
四川干气 40.403 36.442
大庆石油伴生气 52.833 48.383
大港石油伴生气 48.077 43.643

5. 爆炸极限
可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体浓度范围称为爆炸极限。在这种混合物中，当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸混合物时的含量，称为可燃气体的爆炸下限，而当可燃气体含量一直增加到不能形成爆炸混合物时的含量，称为爆炸上限。
表2为常见几种气体的热值表和爆炸极限。其中热值是在273.15K、101325Pa条件下测定，其爆炸极限是在293.15K、101325Pa条件下测定。

表2 常见可燃气体的热值和爆炸极限
气 体 分子式 高发热值
（MJ/Nm3） 低发热值
（MJ/Nm3） 爆炸下限
（%） 爆炸上限
（%）
甲 烷 CH4 39.842 35.902 5.0 15.0
乙 烷 C2H6 70.351 64.397 2.9 13.0
乙 烯 C2H4 63.438 59.477 2.7 34.

0
丙 烷 C3H8 101.266 93.240 2.1 9.5
丙 烯 C3H6 93.667 87.667 2.0 11.7

正丁烯 C4H10 133.886 123.649 1.5 8.5
异丁烷 C4H8 133.048 122.853 1.8 8.5
正戊烷 C5H12 169.377 156.733 1.4 8.3
一氧化碳 CO 12.636 12.636 12.5 74.2
氢 H2 12.745 10.786 4.0 75.9
硫化氢 H2S 25.348 23.368 4.3 45.5

由于天然气的组分不同，爆炸极限存在差异。大庆石油伴生气是4.2%～14.2%、大港石油伴生气是4.4%～14.2%。通常将甲烷的爆炸极限视为天然气爆炸极限，因此天然气的爆炸极限约为5%～15%。

二、压缩天然气
压缩天然气（Compressed Natural Gas 简称CNG）通常是指经净化后压缩到20MPa～25MPa的天然气。
CNG的用途：压缩天然气在20MPa时体积约为标准状态下同质量天然气的1/200。由于CNG生产工艺、技术、设备比较简单，运输装卸方便，而且在环境保护方面有明显优势，因此是值得大力推行的车用燃料及城镇居民用气。
CNG的特点：CNG作为一种理想的车用替代能源，其应用技术比较成熟。它具有成本低、效益高、污染少及使用安全便捷等特点，CNG作为城镇居民的替代气源，具有便携的特点，尤其在难觅优质民用燃料的城镇应用尤为显著。

三、液化天然气
天然气在常压下，当冷却至约-162℃时，则由气态变成液态，称为液化天然气（英文 Liquefied Natural Gas, 简称LNG）。LNG 的主要成份为甲烷，还有少量的乙烷、丙烷以及氮等。天然气在液化过程中进一步得到净化，甲烷纯度更高，几乎不含二氧化碳和硫化物，且无色、无味、无毒。
LNG的密度取决于其组分和温度，通常在430 kg／m3～470 kg／m3之间，但是在某些情况下可高达520kg／m3。密度随温度的变化梯度约为1．35 kg／（m3·℃）。LNG的体积约为同量气态天然气体积的1/600。

四、液化石油气
液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，简称LPG）是开采和炼制石油过程中，作为副产品而获得的一部分碳氢化合物。其主要成分是丙烷、丙烯、丁烷，习惯上又称C3、C4，即只用烃的碳原子（C）数表示。这些碳氢化合物在常温、常压下呈气态，当压力升高或温度降低时，很容易转变为液态。从气态转变为液态，其体积约缩小为气态时的1/250。
1. 密度
液化石油气的密度有气体密度和液体密度之分。
对于气体密度，由于液化石油气密度随着温度和压力而变化，表示时必须注明温度和压力条件。气态液化石油气的密度随着温度及相应饱和蒸气压的升高而增加。在压力不变的情况下，气态物质的密度随着温度的升高而减小。标况下液化石油气的气态密度约为1.9 kg/Nm3～2.5 kg/Nm3。
对于液体密度，液态液化石油气的密度受温度影响较大，温度升高，密度减小

，同时体积膨胀。液化石油气的液态密度一般为500 kg/m3～600 kg/m3。
2. 着火温度
液态
液化石油气中的着火温度约为426℃～537℃。
3. 燃烧温度
当液化石油气利用空气作助燃剂，其理论燃烧温度可达到1900℃。
4. 热值
由于液化石油气是混合气体，以C3、C4为主，组分比例不同，会造成不同的热值，表1.2.4是两类不同产地的天然气热值。

表1.2.4 两类液化石油气的热值

液化石油气种类 热值 （MJ/Nm3）
高热值 低热值
北京地区液化石油气 123.678 115.062
大庆地区液化石油气 122.284 113.780

5. 爆炸极限
由于液化石油气的组分比例不同，爆炸极限存在差异。大庆液化石油气是1.7%～9.7%，北京液化石油气是1.6%～9.7%。通常所采用的液化石油气的爆炸极限是1.5%～9.5%。

五、人工煤气
由固体燃料（煤、焦炭等）或液体燃料（重油等）经干馏、汽化或裂解等过程所制得的气体，统称为人工煤气（或人工燃气）。人工煤气的主要成分为烷烃、烯烃、芳烃、一氧化碳和氢等可燃气体，并含有少量的二氧化碳和氮等不可燃气体。人工燃气中含有无色、无味、有剧毒的一氧化碳，尽管在城镇燃气质量要求中限制了一氧化碳的含量，但出现泄漏时，会导致中毒。
1. 密度
焦炉煤气主要由碳氢化合物和氢气组成，常压下焦炉煤气密度为0.4686 kg/m3，相对密度为0.3623。
2. 着火温度
焦炉煤气的着火温度为600℃-650℃。
3. 燃烧温度
焦炉煤气的理论燃烧温度为1998℃。
4. 热值
焦炉煤气其低热值为17.9MJ/m3。
5. 爆炸极限
主要人工煤气的爆炸极限如表1.2.6所示。

表1.2.6 主要人工煤气的爆炸极限

爆炸极限（空气中体积%） 焦炉煤气 高炉煤气 水煤气 催化油制气 热烈油制气
下限 4.5 4.9 6.2 4.7 3.7
上限 35.8 40.9 70.4 42.9 25.7

六、沼气
沼气，顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里，有气泡冒出来，如果我们划着火柴，可把它点燃，这就是自然界天然发生的沼气。沼气，是各种有机物质，在隔绝空气（还原条件），并在适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气是混合气体，主要成分是甲烷，其性质与天然气相似。
沼气由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(CO2)、0％～5％氮气(N2)、小于1％的氢气(H2)、小于0.4％的氧气(O2)与0．1％～3％硫化氢(H2S)等气体组成 。由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。沼气的爆炸极限约8.6～20.8％。沼气的热值约20.8～23.6 MJ/m3。