天然气煤层气基础知识

目录•天然气（煤层气）基本理论•天然气（煤层气）输配系统•天然气（煤层气）安全知识一、天然气的定义：广义：是存在于自然界的一切气体。如大气、地下气、宇宙气等。狭义：是指存在于地下岩层中的各种气体。如气层气、油田气、煤层气等。依其成因和储存状态可分为常规天然气和非常规天然气:常规天然气：包括单一相态的气藏气、气层气、油藏溶解气等。非常规天然气：包括致密岩石中的煤层气、页岩气、深层气和天然气水合物。常规天然气资源量全球约为600万亿方，按照现在开采速度可供人类开发利用200-300年；非常规天然气资源潜力非常巨大，近4000万亿方，仅其中的天然气水合物就是全球已知所有矿物燃料(煤炭、石油和常规天然气)资源量总和的2倍。天然气是石油链中最前面的部分，石油链根据碳原子个数的不同，为烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃四大类，天然气属于烷烃类。二、天然气分类按产出分类:a、气田气从气井中开采出来的天然气；b、石油伴生气从油井中与原油一起采出来的天然气，也叫溶解气、油田气等；c、凝析气凝析油逆蒸发作用而气化形成的天然气；d、煤层气从地下煤层中采出来的天然气；按状态分类:1、标准天然气是指标准状态下（0℃、1atm）的天然气。其绝对密度为0.71kg/m3，相对密度为0.59，平均热值36MJ/Nm3，约为8500千卡/Nm3。2、压缩天然气（CompressedNaturalGas简称CNG）是指把标准天然气增大压力20MPa以上的天然气。主要应用了气体可压缩性，根据气态方程，在温度不变的情况下，压力增大，体积缩小的原理，当压力在25MPa时，体积缩小为标准状态下的1/300。当压力在20MPa时，体积缩小为标准状态下的1/240。CNG热值一般38MJ/Nm3，约为9000千卡/Nm3。目前国内CNG缠绕瓶管束车最大充装天然气量可达7500Nm3；一般常用的八瓶管束车，水容积18m3，可充装4550Nm3，最大经济运输半径150公里，燃油百公里运费约为0.3元/方。以CNG为燃料的车辆叫做NGV（NaturalGasVehicle）。3、液化天然气（LiquefiedNaturalGas简称LNG）天然气在常压下，当冷却至-162℃时，则由气态变成液态，称为液化天然气（简称LNG）。LNG为低温液体，其体积缩小为同量气态体积的1/625，比重为0.425g/cm3，热值50MJ/kg，即12000千卡/kg。目前国内LNG低温槽车最大容积52.8m3，最高工作压力0.7MPa，最大充装天然气量3.3万Nm3，最大经济运输半径800Km，燃油百公里运费约为0.07元/方。4、可燃冰(IceNaturalGas简称ING)是指天然气水合物的俗称，是近20年来在海洋和冻土带发现的新型洁净能源，可以作为传统能源如石油、煤炭等的替代品。是天然气在一定压力和温度下形成的固体结晶水合物，其外观为白色类似冰雪，化学式可表示为CH4·6H2或CH4·7H2O，密度0.9g/cm3，1方天然气水合物可释放170方的天然气。可燃冰的能量密度是煤的10倍，而且燃烧后不产生任何残渣和废气,被称为能满足人类使用1000年的新能源。目前技术还不能解决海洋污染和海平面上升问题，因此还不具备开采可燃冰条件。四、天然气化学组成a、烃类气体主要是甲烷（CH4）一般占80%以上，其次为乙烷（C2H6）丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）、戊烷（C5H12）等；b、非烃气体二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氮气（N2）等；c、稀有气体氦气（Ne）、氩气（Ar）等；五、天然气主要成份a、可燃气体主要是甲烷（CH4）等烃类气体；b、酸性气体如二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）等；c、水蒸气。六、天然气主要物理性质未处理的天然气有汽油味，有时有硫化氢味。经过处理过的天然气是无色、无味、无毒和无腐蚀性的气体。主要物理性质：1、挥发性其密度为0.71kg/m3，空气为1.29kg/m3，相对密度为0.59，比空气轻（最轻的是氢气0.09），易挥发扩散；2、压缩性增压20-25Mpa体积缩小为240-300分之一；3、溶解性能溶于水和石油，为建设地下储气库提供了条件；4、燃烧性发热值一般为36MJ/Nm3，是理想的高效燃料。七、天然气爆炸极限天然气在空气中的爆炸极限是上限为15%、下限为5%。也就是说，在有限空间内空气含天然气5-15%就会发生爆炸，当浓度低于5％时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当浓度为9.5％时，其爆炸威力最大(氧和天然气完全反应)；当浓度在15％以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧，每燃烧1方天然气需要18方空气，由于空气中氧气不足，造成燃烧不彻底而产生一氧化碳，会发生中毒现象，平时使用时要经常通风，这也是混空的原因之一。闪爆，就是当易燃气体在一个空气不流通的空间里，聚集到一定浓度后，一旦遇到明火或电火花就会立刻燃烧膨胀发生爆炸。一般情况只是发生一次性爆炸，如果易燃气体能够及时补充还将多次爆炸。八、天然气的化学反应甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原子组成，燃烧产物主要是二氧化碳和水。CH4+2O2点燃CO2+2H2O九、天然气的水露点天然气露点是控制天然气储运过程中不产生液态物质的重要指标，分为水露点和烃露点：ａ、水露点指天然气在一定压力下析出液态水时的最高温度；ｂ、烃露点指天然气在一定压力下析出液态烃时的最高温度；十、富气、贫气、干气、湿气、商品天然气和纯净天然气富气是指含C3、C4和C5等重碳成分较高的天然气，一般占10%以上；贫气是指含C3、C4和C5等重碳成分较少的天然气，一般占10%以下；干气是指经过轻烃回收处理后的外输的天然气；湿气是指含有水蒸汽的天然气；商品天然气是指进入干线输气管道的天然气；纯净天然气是指酸性气体含量甚微的天然气。十一、天然气有关标准1）管输天然气标准国家标准《输气管道工程设计规范》（GB50251-94）规定：管输天然气在最高输送压力下的水露点低于环境温度5℃，而烃露点不得高于最低环境温度。2）城镇商品天然气标准国家标准《城镇燃气设计规范》（GB50028-93）规定：a、固体颗粒含量〈10mg/Nm3；b、H2S含量〈20mg/Nm3；c、CO〈10mg/Nm3；3）车用压缩天然气标准国家标准《车用压缩天然气标准》（GB18047-2000）规定：项目技术指标高位发热量，MJ/m3＞31.4总硫（以硫计），mg/m3≤200硫化氢，mg/m3≤15二氧化碳yco2，％≤3.0氧气yo2，％≤0.5水露点，℃在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，水露点不应高于-13℃；当最低气温低于-8℃，水露点应比最低气温低5℃注：本标准中气体体积的标准参比条件是101.325kPa，20℃十二、天然气与煤层气、煤气的区别煤层气其实是天然气的一种类型，俗称“瓦斯”，是与煤层伴生而有毒的混合气体，主要含有甲烷和一氧化碳，当矿井下空气中瓦斯浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿事故的重要根源。为此煤层气亦被称为“煤矿第一杀手”。煤气，也叫人工煤气，主要成分是一氧化碳，可分为三种：1）干馏煤气：是对煤进行干馏所获得的气体产物，主要成分是CO和H2，也含有较高的甲烷，热值为16.7MJ/Nm3。2）气化煤气：包括水煤气和发生炉煤气，是水和焦碳在调温下反应得到的气体，主要成分是CO和H2，热值分别为水煤气10.5MJ/Nm3、发生炉煤气5.4MJ/Nm3。由于水煤气和发生炉煤气发热值低，而且毒性大，不可以单独作为城市燃气的气源使用。因为一氧化碳是有毒气体，空气中含量为0.1%，就会引起中毒，如果含量大于1%，就可能致人死亡。3）高炉煤气：是高炉炼铁时产生的尾气，主要成分为CO和N2，热值是4.2MJ/Nm3。主要作为炼焦炉的燃料。十三、压缩天然气与液化天然气的异同点二者均为天然气，只是状态不同、热值不同。压缩天然气是气态，高压常温，压力一般为20MPa以上；而液化天然气是液态，常压低温，温度一般低于-161℃，LNG热值要高于CNG热值。十四、液化天然气与液化石油气的区别液化天然气主要成分是甲烷、乙烷，要在很低（-161℃）的温度下保存，体积是气态的625倍，液态热值51MJ/kg，气态热值42MJ/Nm3；而LPG主要成分是丙丁烷和丙丁烯，一般保存温度是-60℃，体积是气态的250倍，气态热值11000大卡/Nm3，折算液态热值45.6MJ/kg。因此，液化天然气热值比液化石油气的热值高。十五、天然气的优越性1、天然气是高热值对的能源能源价值是以做功的能力来衡量。作为燃料，以燃烧时产生的热量来量度。能源物质的热值大致等于各元素燃烧热之和。化石能源的主要成分是氢元素和碳元素，氢的总热值为142MJ/kg,碳的总热值为52MJ/kg。因此氢含量高化石能源热值也越高，天然气的主要化学成分是甲烷（CH4），氢碳比为4：1，相比之下，石油为2：1，煤为1：1，柴薪为1：10，由此可见，天然气是化石燃料中氢碳比最高的燃料，因而是化石燃料中热值最高的能源。项目柴薪煤石油天然气总热值（KJ/kg）6280-837441868-4605520934-2930854428氢碳比（原子比）1：101：12：14：12、天然气是环境污染小的能源燃烧排放物极少是天然气利用优于其他能源的最大特点。天然气不含固体颗粒物，硫含量极微，燃烧后排放的SO2与燃油和燃煤相比微不足道；天然气不含化合氮，燃烧后排放的NOx极少，而且易于通过改进燃烧技术和尾气处理进一步减少排放量。与其它化石能源相比，天然气的碳含量低而氢含量高，是燃烧后温室气体（CO2）排放量最少的能源。相同发热量下各种化石燃料炭排放量是天然气0.61、LPG0.71、汽油0.80、煤油0.82、柴油0.84、原油0.85、重油0.88、烟煤1.09、无烟煤1.143、天然气是利用效率高的能源使用天然气可以十分显著地提高工业和民用（商业用）能源利用效率，如：工业燃煤锅炉效率50-60%，燃气锅炉效率80-90%；家庭燃煤炉灶具效率20-25%，燃气灶效率55-65%；发电站燃煤蒸汽发电效率一般40%，而燃气联合循环发电效率60%；合成氨是高能耗工业，世界约90%的合成氨用天然气生产，吨氨天然气耗量大幅度下降。4、天然气是安全可靠的能源天然气也属于甲级易燃、易爆的危险化学品，但在现有燃料中其安全性最为可靠。如下表：燃料名称燃点爆炸极限密度比空气挥发性天然气6505-15%小易LPG4901.5-9.1%大难汽油4251.4-7.6%大难柴油2600.5-4.1%大难天然气爆炸下限和燃点，都比液化石油气和汽柴油都高出许多，不易燃烧和爆炸；天然气相对密度为0.6左右，比空气1.29轻，泄漏的天然气很快会在空气中散发，且爆炸极限范围窄，在自然环境难以形成遇火爆燃条件，而空气中含有10%液化石油气，人在该气体中5分钟就会麻醉；一旦压缩天然气从储罐或管路中泄漏，在泄漏点周围会立即形成低温区，使天然气燃烧困难。十六、LNG的六大优点1）LNG体积比同质量的天然气小625倍，所以可用汽车轮船很方便地将LNG运到没有天然气的地方使用。2）LNG储存效率高，占地少。投资省，10m3LNG储存量就可供2万户居民1天的生活用气。1户居民天然气用量0.3方/日，10方/月。3）LNG是优质的车用燃料，与汽油相比，具有辛烷值高、抗爆性能好、发动机寿命长。燃料费用低。环保性能好等优点。它可将汽油汽车尾气中HC减少72%，NOx减少39%，CO减少90%，SOx、Pb降为零。4）LNG汽化潜热高，液化过程中的冷量可回收利用。5）由于LNG汽化后密度很低，只有空气的一半左右，稍有泄漏立即飞散开来，不致引起爆炸。6）由于LNG组分较纯，燃烧完全，燃烧后生成二氧化碳和水，所以它是很好的清洁燃料，有利于保护环境，减少城市污染。十七、LNG的生产、运输、储存LNG的生产工艺一般分以下三种：一是阶式混和制冷工艺，二是混和阶式制冷工艺，三是压缩、膨胀制冷工艺。LNG工厂主要设备有压缩机、膨胀机、换热器、分离器