天然气基本知识_天然气处理原理与加工艺

天然气处理原理与加工艺课件制作王云芳主讲王云芳第一章天然气基础知识第一节天然气资源及其利用第二节天然气的分类、组成和体积参比条件第三节天然气的相特性第四节天然气处理的含义及产品质量要求第五节用作城镇燃气的天然气互换性和分类第六节综合能耗及其计算方法第一节天然气资源及其利用天然气资源天然气利用天然气在能源消费中的地位一、天然气资源1.世界天气资源常规天然气资源：根据《中国能源报》2011年06月27日报道，世界天然气资源量为471万亿立方米，其中俄罗斯天然气储量居世界之首，占世界天然气储量的近23.7%，以下依次为伊朗、卡塔尔、阿联酋和沙特阿拉伯。非常规天然气：非常规天然气主要包括页岩气、致密砂岩气、煤层气和天然气水合物等。全球非常规天然气资源丰富,达4000万亿立方米,是常规天然气资源量的8.3倍。其中煤层气256万亿立方米，致密气210万亿立方米，页岩气456万亿立方米，水合物3000万亿立方米。（非常规天然气咨询网：）世界广义天然气资源量大大超过了石油，根据估计，世界广义天然气可用250年，而石油的可用年限不到45年。我国的常规天然气远景资源量达56万亿立方米，其中59%的资源分布在中西部的川渝、陕甘宁、青海和新疆四大气区，四大气区内天然气资源量约为22.4万亿立方米。除陆上四大气区外，我国近海天然气资源也十分丰富，海南、渤海、东海都是天然气富集地区。到2010年底月，全国累计探明的可开采天然气资源量超过38万亿立方米。据中国工程院介绍，我国非常规天然气资源也相当丰富，初步预测，页岩气、致密气的可采资源总量在20-36万亿立方米，煤层气地质储量为36.8万亿立方米，居世界第三位。我国境内也有丰富的水合物储藏。据专家分析,青藏高原盆地和东海、南海、黄海的大陆坡及其深海,都可能存在体积巨大的水合物。据报道,我国的南海海域蕴藏着丰富的水合物,约70万亿立方米,其能源总量大约是石油储量的一半。2.我国的天然气资源二、天然气的利用天然气是一种清洁能源和优质化工原料。它与石油相比，在清洁性、经济性、方便性和用途的广泛性有着明显的优越性。天然气的利用主要集中在发电、工业燃料、化工原料、城市居民和商业用气等几个方面、发动机燃料。天然气发电天然气发电不仅可以减少污染，而且燃气机组启动速度快，既可带基本负荷，又可用于电网调峰，可有效提高电网调峰能力，改善电网运行质量。清洁民用燃料天然气作为城市居民生活用燃料，可极大地减少城市污染，改善城市环境。我国大城市的供热正在逐步完成天然气锅炉代替燃煤锅炉的改造过程，家用燃气锅炉在新建住宅小区中的使用也正在快速发展。天然气将成为城市居民主要生活燃料。我国于2002年7月4日正式开工建设的“西气东输”工程，西起新疆塔里木盆地经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏，输送天然气到上海、浙江，供应沿线各省的民用和工业用气。这一工程的建成，不仅缓解东部经济发达地区的能源短缺问题，同时也使这一地区的空气质量将有大的改进。另据报道，西气东输二线已于2011年6月30日开工建设。来自土库曼斯坦阿姆河右岸的天然气通过该线可以直达珠三角。工程总投资约1422亿元人民币，横贯中国东西两端，年输气能力300亿立方米，并可稳定供气30年以上。天然气用作发动机燃料天然气是一种理想的车用汽油替代品。天然气的研究法辛烷值高达100以上，并可有效的降低汽车尾气对环境的污染，而费用仅为汽油的2/3～1/2。所以，世界上应用天然气的发动机的数量越来越多，截止2010年，世界上用天然气作燃料的汽车总数超过了1000万辆。近年来，我国汽车用天然气的发展也很迅速。作为化工原料天然气作为化工原料，现已逐步形成具有特色的甲烷化学与化工。以甲烷气为原料生产合成氨和甲醇的产量分别占两种产品总产量的85%和90%，构成了天燃气利用的核心。甲烷氧化偶联制乙烯和天然气经合成气转化为液体燃料等新技术也为天然气的有效利用开辟了新的途径。用天然气凝液（NGL)为原料生产的乙烯占全球总产量的40%。三、天然气在能源消费中的地位据近20年统计，世界天然气的消费量大致以平均每年2～3%的速度在增长；在当今世界能源消费结构中，达到24%，成为三大主力之一。目前，世界正处于天然气取代石油而成为世界主要能源的过度时期，国际能源界普遍认为，今后，世界天然气产量和消费量将会以较高的速度增长，2020年以后世界天然气的产量将要超过煤和石油，成为世界最主要的能源。“十二五”期间，我国天然气消费比例将翻番，由目前在能源消费结构中占4%的比重提高到8%。21世纪将是天然气的世纪。其发展趋势见下图。1.按矿藏特点可分为：①气田气（气藏气；气层气）在地下储层中呈均一气相存在,采出地面仍为气相的天然气。从气田中开采出来的，主要成分是甲烷和乙烷。②凝析气在地下储层中呈气态，但开采到一定阶段，随储层压力下降，流体状态进入露点线内的反凝析区，部分烃类在储层及井筒中呈液态(凝析油)析出。③伴生气在地下储层中伴随原油共生，或呈溶解气形式溶解在原油中，或呈自由气形式在含油储层游离存在的天然气。与油共生，甲烷含量一般为70～80％。一、常规天然气的分类第二节天然气的分类、组成和体积参比条件2.按烃类组成可分为：①干气每m3(20,101.325kPa)天然气C+5液体含量小于13.5cm3的天然气。②湿气每m3(20,101.325kPa)天然气C+5液体含量大于13.5cm3的天然气。③贫气每m3(20,101.325kPa)天然气C+3液体含量小于100cm3的天然气。④富气每m3(20,101.325kPa)天然气C+3液体含量大于100cm3的天然气。通常，人们还习惯将脱水(脱除水蒸气)前的天然气称为湿气，脱水后水露点降低的天然气称为干气；将回收天然气凝液前的天然气称为富气，回收天然气凝液后的天然气称为贫气。此外，也有人将干气与贫气、湿气与富气相提并论。由此可见，它们之间的划分并不是卜分严格的。因此，讲课时提到的贫气与干气、富气与湿气也没有严格的区别第二节天然气的分类、组成和体积参比条件第二节天然气的分类、组成和体积参比条件在C6+的组分中，还包括：①环烷烃（甲基环戊烷、环己烷等）②芳烃（苯、甲苯、二甲苯等）天然气的组成并不是固定不变的，不仅不同地区油、气藏中采出的天然气组分差别很大，甚至同一油、气藏的不同生产井天然气组成也会不同。世界上有少数的天然气中含有大量的非烃组分，甚至主要成分是非烃气体。例如胜利油田发现了含量是99%的二氧化碳井；美国发现了含量97.4%的氮气井；我国也发现了高浓度硫化氢气井。二、天然气的组成天然气是以甲烷为主的碳氢化合物的混合物，而且这些化合物大部分是烷烃，其组成如下（详细见书第5页）：CH4C2H6C3H8C4H10C5+N2CO2H20H2SHeArXer微量(70-95%)C2+(5-30%)少量三、天然气体积计量的参比条件参比条件简写备注温度压力0℃101.325kPaNm3，m3(0℃)我国《城镇燃气设计规范》采用20℃101.325kPam3我国大部分采用15.6℃101.325kPam3(15.6℃)，m3(15℃)外国采用第二节天然气的分类、组成和体积参比条件第三节天然气的相特性烃类的相特性烃－水系统相特性烃－二氧化碳系统相特性在天然气开采、集输及处理与加工过程中，天然气往往会发生相态的变化，液态变成气相或气相变成液相。含水天然气在加工过程中会生成水合物固体或所含水蒸汽冷凝出现水相，含二氧化碳的天然气在低温下会生成固体等等。所以研究天然气的相态特性以及含水和二氧化碳天然气的相态特性，对于指导天然气的开采和加工具有重大的指导意义。本章要研究的相态体系为：FH－气、固相平衡线HD－固、液相平衡线HC－气、液相平衡线H点－三相点C点－临界点（Pc,Tc)气体、过热蒸汽、超临界流体的区别(一)纯组分的P-T图压缩液体气体超临界气体过热蒸汽一、烃类的相态特性(二)两组份及多组分体系①M点温度：气、液能够平衡共存的最高温度，称为临界冷凝温度（TM）。②N点压力：气、液能够平衡共存的最高压力，称为临界冷凝压力（PN）③TM-TC、PN-PC并不重合④反凝析现象：由JH线和LK线说明(三)相特性的实际应用原油储层：在泡点线上边，储层为液体，即原油层。凝析气储层：在露点线外，气体储层，开采中（降压）有液体析出，所以叫凝析气储层。天然气储层：DD’线有液体析出，称为富天然气层；EE’线为“干”（或“贫”）天然气层。不论是气田气还是伴生气，从井口采出后都含有饱和水。天然气中含有的这种饱和水蒸气的量通称为天然气的含水量；以液态的形式存在于天然气中水，我们称之为游离水或液态水。天然气中水的危害：①降低了天然气的热值和输气管道的输送能力。②当温度降低或压力增加时，天然气中的水会呈液相析出，在管道或设备中造成积液，增加流动压降，加速天然气中酸性组分对管道和设备的腐蚀。③液态水在冰点时会结冰，在高压低温下形成水合物，堵塞管道或阀门。因此，在天然气的加工处理过程中，首先要除去天然气中的水。二、烃-水体系相特性预测方法用图来查取天然气的水含量。根据天然气的温度、压力及酸性组分含量来确定其水含量。应用状态方程来进行多组份平衡计算来求取天然气中的水含量，如用SRK、PR等方程。1.不含酸性组分的天然气含水量预测（见图1－6）(一)天然气含水量及其预测方法图解法热力学模型法应用图1－6时应注意以下几点：①图中水合物形成曲线（虚线）以下是水合物形成区，气体和水合物呈平衡状态。②水合物曲线以上是液态水析出区，气体与液态水之间程平衡。③纵坐标是相对密度为0.6，并与纯水接触时天然气的饱和含水量,单位为g/103m3。④已知天然气的含水量和压力，可查天然气的水露点。⑤当天然气的相对密度不是0.6或者气体与含盐水接触时，应对天然气的含水量进行校正，其校正方法如下当气体相对密度不是0.6时，可从附图中查得校正系数CRD，其定义式为：的气体含水量6.0相对密度为的气体含水量RD相对密度为RDC当气体与盐水接触时，可从附图中查得校正系数CB，其定义式为：水量与纯水接触时的气体含水量与盐水接触时的气体含BC因此，当气体密度不是0.6，且与盐水接触时，含水量W为BRDCCWW0985.0W0—由图1－6查得的未经校正天然气含水量，g/103m32.含酸性组分的天然气水含量预测)(985.02222SHSHCOCOHCHCsWyWyWyW式中：WS－酸性天然气的含水量，g/103m3;yHC－酸性天然气中除CO2和H2S外所有组分的摩尔分数。yCO2,yH2S－酸性天然气中CO2和H2S的摩尔分数。WHC－由图1－6查得的天然气含水量，（已用附图校正）WCO2－纯CO2的含水量，由图2－8查得。WH2S－纯硫化氢的含水量，由图2－9查得。（1）坎贝尔（Campbell）法当天然气中的酸性组分低于40％时，用下式计算其含水量（2）Wichert法Wichert等提出了一种确定含酸性组分的天然气水含量的图解法，此法是先用其它方法得到脱除酸性组分后的天然气水含量(可利用图1—6查得)，再由其提供的图1—8查得含酸性组分与脱除酸性组分的天然气水含量比值，从而计算出酸性天然气的含水量。当天然气中同时含有CO2时，将CO2的摩尔含量乘以0.75折算成H2S的当两含量。其适用条件为：压力≤70MPa，温度≤175℃，H2S含量≤(55％(X)）其用法如红虚线所示。3.水合物区域的含水量4.天然气水露点/水含量的预测在确定水合物形成区域的天然气水含量时，因为此时天然气中的水和水合物达成平衡，所以应确定气体与水合物呈平衡时的天然气水含量。（二）天然气水合物在一定的条件（高压、低温）下，天然气中的某些组分能与其所含水分形成固体水化物，这种天然气水合物是白色结晶体，相对密度为0.96－0.98，外观类似于松散的冰或致密的雪，可浮在水面上或沉在液烃中。这种固体水合物会堵塞输送管道和设备，影响天燃气的开采和加工。因此，必须弄清水合物的结构、性质、形成机理和形成