4.2　天然氣的性質

4.2.1　天然氣的基本性質

天然氣無色、無味、無毒且無腐蝕性，主要成分為甲烷，也包括一定量的乙烷、丙烷和重質碳氫化合物，還有少量的氮氣、氧氣、二氧化碳和硫化物。

甲烷是最簡單的有機化合物，也是最簡單的脂肪族烷烴。甲烷的分子結構是由一個碳原子和四個氫原子組成的，圖4-3為甲烷的分子結構示意圖。

甲烷燃燒的產物是二氧化碳和水，反應式如下：

CH₄+2O₂ CO₂+2H₂O　　+0.803MJ

甲烷的相對密度為0.5547（空氣=1），沸點-161.5℃，自燃點537.78℃，能與空氣混合形成爆炸性氣體，爆炸極限為5.0%～15.0%（體積分數(shù)）。

一般介紹天然氣的主要成分為甲烷，但事實上天然氣還含有硫化氫（H₂S）、氰化氫（HCN）等有毒氣體以及少量氮氣和微量的氦、氬等惰性氣體，甚至某些地區(qū)的天然氣以二氧化碳為主要成分（甚至高達99%以上）。2003年底重慶的井噴毒氣傷人事件，就是混雜在天然氣中的H₂S、HCN等使人中毒。

4.2.2　天然氣的分類和組成

（1）天然氣的分類

目前發(fā)現(xiàn)和利用的天然氣有六大類：油型氣、煤成氣、生物成因氣、無機成因氣、水合物氣和深海水合物圈閉氣。人們日常所說的天然氣通常指天然氣田、油田伴生氣和煤田伴生氣。

天然氣田氣也稱氣藏氣、氣層氣，它在地下儲集層中呈現(xiàn)單一的氣相，采出地面就是氣相的天然氣。這類氣的主要成分是甲烷，其次有少量的乙烷、丙烷、丁烷和非烴類氣體。

伴生氣又可細分為油田伴生氣和煤田伴生氣。

油田伴生氣在地下儲集層中伴隨原油共生，伴生氣以溶解的方式溶解在原油中或以自由氣的形式在含油儲集層的上部游離存在（這種氣也稱氣頂氣）。當伴生氣隨原油采出地面后，要與原油進行初步分離再進一步加工。

煤田伴生氣也稱煤層氣，俗稱瓦斯。其主要成分為高純度甲烷，是成煤過程中生成的并以吸附和游離狀態(tài)賦存于煤層及周巖的自儲式天然氣體，屬于非常規(guī)的天然氣。我國煤礦高瓦斯煤層氣是我國常規(guī)天然氣最現(xiàn)實、最可靠的替代能源。

在采煤工業(yè)中，煤層氣是礦井致爆的主要因素，被稱為煤礦“第一殺手”。因此研究煤層氣的開發(fā)利用，既可以有效解決煤礦瓦斯治理問題，保障采煤安全，又可提供新的潔凈能源資源。對加強環(huán)境保護，并為下游產品提供豐富的基礎原料具有十分重要的意義。

伴生氣一般都是富氣，甲烷成分高，也含有一定的乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以上的烴類，有時還有少量的非烴類氣體。

凝析氣是指在地下儲集層中呈現(xiàn)均一氣相，在開采過程中由于氣體溫度、壓力降至露點狀態(tài)以下發(fā)生反凝析現(xiàn)象而析出油的天然氣。凝析氣除了含有甲烷、乙烷外，還含有丙烷、丁烷及以上的烴類，直至天然的汽油和柴油組分等。

（2）天然氣的組成

科學家們認為，天然氣的形成多數(shù)與古生物有關。在地質歷史中，海洋里生存著大量的生物，它們在生長過程中具有分泌鈣質骨骼的能力。在水深、溫度、光照和海水含鹽度適宜的條件下，這些生物一代又一代地繁殖，便形成了堅固的生物礁。在漫長的地質史中形成的礁體厚度巨大，它們死亡后，被沉積物覆蓋并埋藏在地層深部，在長期的地質作用下逐漸成為石油和天然氣形成的物質基礎。在低溫條件下，有機質可由細菌作用形成生物生成氣；在超成熟階段的高溫變質作用下，可生成大量的甲烷氣；在煤系地層中，可產生大量煤層氣。天然氣中甲烷以外的組分在低溫高壓下液化得到的液態(tài)產物稱為天然氣液體。而包括甲烷在內的各種天然氣在-160℃和相應的壓力下液化處理后得到的產物稱為液化天然氣。

從組成上講，天然氣可分為干氣和濕氣。一般將甲烷含量大于90%的天然氣稱為干氣，而低于90%的稱為濕氣。濕氣中乙烷、丙烷、丁烷及C₄以上烴類占有一定含量。

按來源分，天然氣可分為三類，即純氣井生產的氣井氣（干氣）、凝析氣井氣（濕氣）和油田伴生氣。隨油田不同，油田伴生氣的氣量相差較大。

表4-5列出了四川天然氣組分及參數(shù)，以此可作其他地區(qū)天然氣產品的參考。

4.2.3　天然氣的商業(yè)標準

天然氣商品的質量要求不是按其組成，而是按照經(jīng)濟效益、安全衛(wèi)生和環(huán)境要求等幾方面的因素進行綜合考慮確定的。因此不同的國家或地區(qū)都有不同的商品天然氣的質量標準。我國在1989年由原中國石油天然氣總公司發(fā)布了第一個行業(yè)標準《天然氣》，標準代號SY 7514—88（見表4-6）。

通常商品天然氣的質量標準包含有以下幾項指標。

（1）熱值

熱值是表示天然氣質量的最主要的指標之一。熱值是指燃燒一定體積或質量的燃氣所能放出的熱量，也稱燃氣的發(fā)熱量，可分為高位熱值和低位熱值。高位熱值是指規(guī)定量的氣體完全燃燒，所生成的水蒸氣完全冷凝成水而釋放出的熱量。低位熱值是指規(guī)定量的氣體完全燃燒，燃燒產物的溫度與天然氣初始溫度相同，所生成的水蒸氣保持氣相而釋放出的熱量，燃氣的高、低位熱值通常相差為10%左右。日本和大多數(shù)北美國家習慣于使用燃氣的高位熱值，我國和大多數(shù)歐洲國家習慣于用低位熱值。

天然氣的低位熱值在31～44MJ/m³的范圍，而人工燃氣，如焦爐煤氣、壓力氣化煤氣的低位熱值在15～18MJ/m³之間，這說明天然氣的熱值大約為人工燃氣的2倍左右。

（2）華白（Wobb）指數(shù)

華白指數(shù)是代表燃氣特性的一個參數(shù)。在燃氣工程中，對不同類型燃氣間進行互換時，要考慮衡量熱流量大小的特性指數(shù)。當燃燒器噴嘴前壓力不變時，華白指數(shù)W與燃氣熱值H成正比，與燃氣相對密度的平方根成反比，華白指數(shù)定義為：

　　 （4-1）

式中　W——華白指數(shù)，也稱熱負荷指數(shù)；

H——燃氣熱值，kJ/m³；

d——燃氣相對密度（設空氣的d=1）。

設兩種燃氣的熱值和密度均不相同，但只要它們的華白指數(shù)相等，就能在同一燃氣壓力下在同一燃具上獲得同一熱負荷。如果其中一種燃氣的華白指數(shù)較另一種大，則熱負荷也較另一種大，因此華白指數(shù)又稱熱負荷指數(shù)。如果兩種燃具有相同的華白指數(shù)，則在互換時能使燃具保持相同的熱負荷和一次空氣系數(shù)。如果置換氣的華白指數(shù)比基準氣大，則在置換時燃具熱負荷將增大，而一次空氣系數(shù)將減小，因此華白指數(shù)是一個互換性指數(shù)。各國規(guī)定在兩種燃氣互換時華白指數(shù)的變化不大于±（5%～10%）。

（3）烴露點

天然氣中除了主要成分甲烷之外，還含有其他烴類，這些烴類組分含碳量增加，其露點隨之降低。在此規(guī)定了在某一壓力下，天然氣最高的烴露點數(shù)值。此項要求主要用來防止在輸氣或配氣管道中有液態(tài)烴析出。

（4）水露點

是指在輸氣管道壓力狀態(tài)下天然氣中水的露點，此項要求用來防止輸氣或配氣管道中有液態(tài)水析出。

（5）硫含量

天然氣中的硫含量通常用H₂S含量和總硫含量表示。一般要求天然氣中的硫化氫含量不高于6～20mg/m³。對天然氣中總硫含量一般要求小于480mg/m³。

（6）二氧化碳含量

二氧化碳也是天然氣中的酸性組分，而且二氧化碳還是不可燃組分。因此，一般都規(guī)定天然氣中二氧化碳含量不高于2%～3%。