天然气利用技术及其应用

第1章天然气的分类、组成及性质

1.1天然气的分类

按产状分类天然气可分为：游离气、溶解气、吸附气及固体气;

按经济价值分类天然气可分为：常规天然气和非常规天然气；

按来源分类天然气可分为：有机来源和无机来源；

按烃类组成分为:干、湿气（富气、贫气），烃类

按组成分类天然气可分为：       气、非烃类气；

按酸气含量分为：净气、酸气

我国习惯分法：伴生气、气藏气和凝析气

伴生气：系产自油藏（含油储集层）的气，也称油田气。指在地下储集层中伴随原油共生，或呈溶解气形式溶解在原油中，或呈自由气形式在含油储集层上部游离存在的天然气。伴生气一般多为富气。

气藏气：系产自气藏（含气储集层）的气，也称气田气。指在地下储集层中均一气相存在，采出地面仍为气相的天然气。气藏气多为贫气。

凝析气：系产自具有反凝析特征气藏的气。指在地下储集层中呈均一气相存在，在开采过程中当气体温度、压力降至露点状态以下时会发生反凝析现象而析出凝析油的天然气。

1.2天然气的组成

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分是气体烃类，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（C10～C60），非烃类气体，一般为少量的N2，O2，H2，CO2，H2O， H2S及惰性气体。

1.3天然气基本物理性质

   由于天然气是由互不发生化学反应的多种单一组分气体混合而成，其组分和组成无定值。只能假设成具有平均参数的某一物质，故它的基本物性参数可由单一组分气体的性质按混合法则求得。

   天然气的物理性质指其平均分子量、密度、蒸汽压、粘度、粘度、烃露点等等。

第2章天然气富气回收利用技术

凝析气田开发需对凝析油进行稳定处理，所产生的富气含有大量C₃、C₄组分和水，由于这种富气不能直接作为燃料气利用而放空燃烧，造成资源浪费和环境污染。针对这一问题，为了到达保护环境、降本增效的目的，以北疆地区盆5气田为试点，经过对增压再处理、脱水后做燃料气等方式比选，采用了“分子筛脱水法”对该天然气处理站的富气进行了回收利用，减少了气田燃料气的用量，减少了CO₂排放量，为降低气田能耗、降低污染起到了重要作用。

2.1气田概况

表2-1-1  盆5气藏天然气组分变化表

表2-1-1数据显示：气藏天然气组分变化较大，与开发初期相比，目前组分中甲、乙烷含量由开发初期92.44％升高至目前的95.31％，丙、丁烷含量由开发初期4.5％下降至目前的2.24％。

凝液稳定工艺:凝液稳定工艺系统由脱乙烷塔、脱丁烷塔、重沸器、塔顶冷凝器、液化气缓冲罐、液化气回流泵、液化气储罐等设备组成，由于液化气组分含量较开发初期大幅降低，液化气生产系统不能生产出符合技术要求的液化石油气，实际生产仅采用脱乙烷塔对凝析油进行稳定处理。

脱乙烷塔塔顶富气组分复杂，既含水，又含有液化气及C₅以上组分。富气脱水、脱烃是富气回收利用技术研究需重点解决的问题。

2.2分子筛脱水处理法

2.2.1分子筛脱水基本原理

分子筛是人工合成的晶体型硅铝酸盐，依据其晶体内部孔穴的大小而吸附或排斥不同物质的分子，限制了比孔穴大的分子进入，起到选择性吸附作用。分子筛具有很大的比表面积（600~1200m²/g），它的孔径为分子大小，对极性和不饱和分子有较强的吸附作用，适用于去除天然气中的水分。

2.2.2分子筛脱水过程

 富气经过滤分离器除去携带的液滴后自上而下进入分子筛脱水塔，进行脱水吸附过程。脱除水后的干气经产品气粉尘过滤器除去分子筛粉尘后，作为本装置产品气输送出去。

   再生循环由两部分组成——加热与冷却。在加热期间，再生气有再生气加热器加热到200-315℃后，自下而上的进入分子筛脱水塔，进行分子筛再生过程。分子筛脱水塔顶出来的再生气经过再生气冷却器冷却后，在进入再生气分离器分离出来凝液，之后再生气可返回到湿原料气中，也可参入产品气中，还可进入工厂燃料气系统中。一旦分子筛床层被再生*之后，再生气将走再生气加热器旁通，进入分子筛脱水塔以使床层冷却下来，当冷吹气流出口温度低于50℃时，冷却过程即可停止。

2.2.3分子筛脱水工艺的特点

1）分子筛脱水工艺优点

①在吸附质浓度很低或者较高温度的情况下，分子筛仍有很强的吸附能力，脱水效果好；

②控制程序简单，易于实现自动化控制；

③设备较少，可做成橇装装置，占地少，易搬运；

④属静设备，能耗低，便于管理；

⑤一次性投入相对较低；

2）分子筛脱水工艺的缺点

①吸附剂使用寿命短，一般2~3年就得更换；

②脱烃效果差。

2.3 工艺技术特点

2.3.1 脱水分子筛

装置采用了3A－EMP脱水分子筛，其优良性能体现于：

1）比表面大。其比表面高达900~1000m²/g。较大的比表面减少了分子筛的用量，提高了脱水效率，可使富气露点降至≤-40℃。

2）热稳定性高。zui高可耐受350℃高温。其良好的耐热性充分保证了分子筛的再生效果，有效防止加热再生时造成的孔道坍塌。

2.3.2 完善的加热技术

1）主、副加热器协调工作，有利于调节加热强度，确保再生效果，降低设备能耗。

2）多点温度传感器监控，准确显示、控制加热器出口、再生气出口和冷却器出口温度，控制参数输入PLC中央处理器处理，并按设定程序控制再生系统参数。

2.3.3 封闭式内循环再生

再生系统由循环风机─加热器─再生塔─冷却器─分离器组成封闭式内循环系统，仅需极少成品天然气即可达到分子筛的再生效果，节约投资。再生系统设置有减压阀和补压阀，维持系统内的天然气压力恒定，保证再生效果。

2.4效果评价

该装置投用后，日均回收富气6500m³，日耗电411KWh。CO₂日排放量减少20.48吨，收到良好的经济效益和社会效益。

第3章.天然气发电

3.1 发电技术概况

天然气发电的流程和使用的设备与燃煤电厂不同燃煤电厂生产流程是：

燃煤电厂发电流程为：

图3-1-1燃煤电厂发电流程

天然气发电生产流程为：

图3-1-2天然气发电生产流程

燃气轮机排气温度可高达430℃以上，通过废热锅炉产生的蒸汽既进一步用来发电，也可用来供热，提高了热效率。世界上利用天然气发电普遍采用燃气—蒸汽联合电厂（CCGT ）电厂的形式。天然气发电热效率较高, 燃煤电厂的热效率仅为35%~38%，而燃气—蒸汽联合循环电厂的热效率则高达50%~60%。现有火电厂可改用天然气做燃料。燃煤电厂改造为燃气电厂，在环保、节省人力、运输及工业用水费用等方面均有显著效益。

3.2联合循环发电的优点

1）电厂的整体循环效率高。常规燃煤电厂的热效率已很难有突破性的提高。依据统计，1998年我国6000KW以上火电机组的平均供电标煤耗每千瓦时为406克，折算的平均供电效率为30.3%。而联合循环发电的热效率则远高于这一数据。埕岛电厂采用的MS9001E燃气轮发电机组基本负荷燃用天然气时的功率为123.4MW，热效率为33.79%，配置余热锅炉和汽轮发电机组成180MW等级的联合循环，其热效率为47%~49%。

2）对环境污染极小。在各种型式的发电装置中，联合循环电厂的另一个主要优点是它能适应环保要求，被称为“清洁电厂”。因为采用油或天然气为燃料，燃烧产物没有灰渣，不用灰渣排放；燃烧效率高，并且燃烧产物中CO₂含量少。

3）在同等条件下，单位（比）投资较低。根据国内建设不同容量燃煤电厂和联合循环电厂的有代表性的实际投资综合分析，按燃煤电厂机组的系列容量折算，单位投资比燃气蒸汽联合循环电厂贵；而且燃机目前国内仅能生产36MW级度以下的设备，若按我国目前进口设备政策，燃气机组能返包10%~30%给国内厂家生产，其价格将更低。

4）调峰性能好，启停快捷。燃机从启动到带满负荷运行，一般不到 20分钟，快速启动时，时间可更短。若以50MW电厂为例：联合循环电厂启动热态为60分 ，温态为90分，冷态为120分钟可带满负荷。而汽轮机电厂启动至满负荷为：热态90分，温态180分，冷态为300分。因而燃机电厂是城市备用或调峰机组的*选择。
    5）建厂周期短，且可分段投产由于制造厂内完成了zui大的可能装配且分部调试后直接集装运往现场，安装在预制好的现场基础上，施工安装简便，建厂周期短， 投产快。   

6）电厂用电率低。燃机电厂一般厂用率不到2%，而燃煤电厂大机组用电率都在 5~6%。

3.3效果评价

天然气联合循环发电机组自二十世纪90年代开始在我国逐步应用与推广，现已积累了一定的建设和使用经验。由于天然气联合循环电厂的一些*优势，从环境保护、提高能源效率出发，发展天然气联合循环机组是合理的。

第4章.天然气汽车

目前，我国一些大城市的汽车尾气排放是城市污染的主要源头，因此，发展清洁能源汽车已经成为刻不容缓的选择。CNG以其能耗低、废物排放少而受到各国欢迎，是*的的车用代替能源。

4.1我国天然气发展概况

20世纪80年代中期，我国引进了部分CNG加气站设备，在四川建立了我国*个CNG加气站；1993年中石油天然气总公司系统引进国外有关技术并于1996年将加气站装置和汽车改装部件引进技术国产化，技术标准规范化；1999年全国清洁汽车行动协调领导小组成立，启动了北京、天津、上海等12个试点地区的清洁能源推广应用工作，在CNG汽车推广应用和加气站建设方面取得的成效。截止到2004年我国一些地区共有天然气汽车20多万辆。

4.2以CNG作为汽车燃料与汽油相比的优点

1）降低污染，改善大气环境.天然气燃烧比较*，不易积碳，CO、NOx和微粒的排放均比汽油低，排气污染明显降低。机动车尾气主要有害成分是CO、HC（碳氢化合物）、NO、NO2等。资料显示，以天然气作为汽车燃料比汽油燃料相比可减少排放90%CO、90%SO2、72%HC、39%NOx、24%CO2、无粉尘排放，对改善城市环境有显著作用。

2） CNG汽车有较高的安全性.天然气的爆炸下限是5%，比汽油高4%，甲烷燃点为645摄氏度，比汽油高218摄氏度，相比不易点燃。甲烷密度低，相对密度为0.55左右，泄露的气体会很快在空气中散发，在自然环境中难以形成遇火爆燃的条件。一旦压缩天然气泄露，漏点周围会形成低温区，使天然气燃烧困难。因此CNG是一种相当安全的汽车燃料。

3）我国经济正处于高速发展阶段，汽车数量以100万辆/年的速度递增，对汽油资源的需求量增大，我国每年需要进口大量的缘由、成品油和LPG。使用燃气汽车可以缓解此种矛盾。

4.3CNG汽车的发展前景

1）汽车保有量的飞速增长、石油资源和环保的严峻形势，决定了发展天然气汽车成为解决能源问题和环境问题的重要途径。

2）“十一五”期间，新型清洁能源汽车一杯列入《国家科技发展中长期规划》，国家将继续组织实施涉及各种清洁能源汽车的重大科技项目，重点支持包括天然气汽车在内的整车、零部件等关键技术，将进一步促进天然气汽车的发展。

3）我国天然气资源大规模开发及管道建设步伐加快使发展CNG和加气站成为可能。根据我国天然气利用规划，近十年“西气东输”、“陕京二线”等一大批输气管道及沿线城市燃气管道相继建成，我国大规模利用天然气的基础设施逐步完善，天然气加气站也将逐步形成网络。

第5章 城市用天燃气

5.1城市燃气供气系统

城市天然气利用工程供气系统由城市门站、城区配气站、CNG加气站、城市高压储气管线（或球罐）、中压管网、工业用户管线、户室管线等组成。压力分为三级：高压储气管线≤4.0MPa（或球罐储气≤1.2MPa）；中压管网≤0.4MPa；户室≤3000Pa。门站在满足城市规划的前提下，应尽量靠近城市；城区配气站根据城市规模大小合理布局；工业用户由门站或城区配气站直供；CNG加气站可与门站或城区配气站配套建设，也可从高压管线直接接管建设；户室用气采用楼栋调压。

5.2城市民用天然气调峰方案

城市居民用气客观存在用气高峰问题，解决调峰是设计方案必须认真考虑的问题。人工煤气由于压力低，一般采用球罐储气解决调峰。由于天然气压力较高，在考虑调峰方案时应充分利用天然气的压力资源。。

压力管道储气，一般有三种方式可供选择。
　　1）输气干线末端储气。即加大进门站前的输气管道直径，达到增加储气量的目的。四川内江市天然气供气工程采用了此方案。
　  2）在城市外围建一条直径较大的高压储气管线，代替球罐储气。正在设计的武汉市天然气供气工程采用了此方案。
　　3）有条件时，建一条与城区配气站相连接的高压储气管道，因储气设施靠近集中用户，调峰效果*。芜湖市城市天然气利用工程推荐了此方案，得到了专家和业主的认可。

　压力管道储气选择何种方式，要作技术经济比较，应选择安全可靠、调峰效果，投资省、管理方便的管道储气方式。

5.3城市天然气利用工程如何保证工业与民用都达到*效果

一套供气系统，要确保工业与民用气使用都感到满意，四川的常规作法是在站内实施工业与民用气分输。其优点有以下几点：

1）工业与民用气互不干拢。民用气高峰时，不影响工业用气平稳供气；工业用户因装置故障紧急切断气源，不会造成中压管网蹩压，以致产生灾害性后果。

2）有利计量管理和输差考核，便于发现计量误差及其原因。

3）有利于集中管理，降低运行成本。

5.4与液化石油气相比，天然气用作城镇燃气时具有以下特点

1）天然气比空气轻，它的密度一般是空气的0.55～0.85倍。因此，它泄漏后会扩散到空气的上部，并且容易漂浮和逸散。相反，液化石油气的气体比空气重，它的密度一般是空气的1.5～2.0倍，因此，它泄漏后会沉积到空气的下部，还可以由高处流向低处，积存在通风不好和不易扩散的地方。

2）天然气和人工燃气一样，都是由管道送到用户家中，不像液化石油气那样要用钢瓶装运与使用，用完后还必须换瓶，因而使用起来省时、省力。尤其是对于居住在高层建筑的用户，或对于老弱病残的用户来讲，其方便性就更为明显。当然，对于散居的用户居民，采用瓶装的液化石油气可不受居住区域、地点和条件的限制，因此也是灵活方便的。

3）天然气的主要成分是甲烷，而液化石油气的主要成分为丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。

因此，甲烷*燃烧后生成的烟气中由碳原子燃烧生成的二氧化碳含量zui少。也就是说，天然气*燃烧生成的烟气中的二氧化碳含量，比液化石油气*燃烧生成的烟气中二氧化碳的含量要少，这对减少大气层的温室效应是有利的。此外，天然气中含硫、氮少，生成的烟气中二氧化硫及氧化氮等均较少。因此，采用天然气作燃气更有利于环境保护。

5.5城市燃气效果评价　

管输天然气除在组分、热值、比重及用途等方面与人工煤气不同外，重要的是管输天然气具有压力高，易燃易爆；管道和站内的阀门及其连接处易泄漏，管线或阀门检修难度较大，处理不当，易出安全事故；当泄漏的天然气在空气中的体积比在5～15%时，遇明火会发生爆炸等特点。因此，城市天然气利用工程在设计思路、设计指导思想、工艺流程、设备选型、储气方案、调峰方案，以及工程的施工、系统的运行、维护和管理等都与人工煤气有着相当大的差异，应采取不同的方法来对待。

本文通过对富气回收，天然气联合循环发电，天然气汽车以及城市用天然气的介绍，更确切的说明了我国近年来在天然气的利用技术以及广泛应用上取得的成果。天然气富气的回收利用技术，减少了CO₂排放量，为降低气田能耗、降低污染起到了重要作用；而天然气联合循环发电的一些*优势也正在日益显现，这不仅保护了环境而且大大提高了能源利用效率；天然气在汽车上的应用我们大家是有目共睹的，他既可以快速有效地改善汽车尾气带来的环境问题，又能缓解我国资源供需的不平衡；城市燃气的使用相比较而言更为清洁、安全和方便。由此可看出天然气具有经济性，环保性，安全性，天然气的出现很大程度上解决了目前资源紧张的问题，同时也进一步改善了空气污染问题。