天然气化工工艺学 第01章 天然气资源

1天然气资源1.1天然气的形成和分布1.2天然气的开采1.3天然气的组成与性质1.4天然气的应用及前景1.5我国天然气的利用现状1.6我国天然气发展战略

天然气的形成过程分为生物催化、热降解、热裂解几个阶段：(1)生物催化阶段：有机质在厌氧菌作用下部分被完全分解成简单分子；部分被分解为生物化学单体，分解产物相互作用，形成较复杂的高分子固态化合物(煤炭）。(2)热降解阶段：随着埋藏深度的增加，温度和压力不断升高，高分子固态化合物发生热降解和聚合加氢等作用，转化生成气态烃类(天然气)和液态烃类(石油)。(3)热裂解阶段：温度和压力随埋藏深度的增加进一步升高，催化分解和热降解的生成物发生热分解反应，即高分子烃分解成低分子烃，液态烃裂解为气态烃，最终形成以甲烷为主的天然气。1.1天然气的形成和分布《天然气化工工艺学》第1章常规天然气天然气依其成因和储存状态可分为常规天然气和非常规天然气。

生物化学气热解化学气（按所处热演化阶段分类）（按成烃母质分类）非常规天然气致密岩石气煤层气（瓦斯）水溶性天然气天然气水合物（可燃冰,CH4:99%）深层气1.1.2天然气的储存状态《天然气化工工艺学》第1章油层气65-80%煤层气表1.2全球常规和非常规天然气资源量资源种类资源量(1012m3)沉积盐游离气资源量常规天然气400～6001790～4680致密低渗透沉积层气600～3000煤层气100～350低渗页岩气690～730基岩游离气资源量1100×104水溶性天然气3.4×10415～25×104天然气水合物12～22×104《天然气化工工艺学》第1章1.1.3天然气资源和分布天然气资源极其丰富，仅常规天然气可供人类开发利用200-300年，非常规天然气潜力更为巨大。水合物具有多面体笼性结构，根据笼性结构的不同，分为Ⅰ型和Ⅱ型，见下图：

构成水合物的分子主要有：水分子、甲烷、乙烷、二氧化碳等弱极性分子

世界天然气资源分布极为不均，常规天然气主要集中在俄罗斯和中东，其可采储量约占世界总储量的34%和35.6%。中国：居世界第15位表1.3Cedligaz估算的全球天然气常规资源量(1012m3)项目已累计产量可采储量剩余资源量初始资源量北美洲拉丁美洲欧洲前苏联非洲中东亚洲29.03.68.118.52.44.64.26.68.28.255.811.758.515.027～3422～2713～16222～25023～28115～13631～3655～6225～3020～23240～27015～30120～14035～40世界总量70.4164.0453～527520～595《天然气化工工艺学》第1章天然气分布我国天然气总资源量为53×1012m3，预测可采资源量为14×1012m3。现已累计探明可采储量为2.8×1012m3，目前剩余可采储量为2.2×1012m3，居世界第15位。主要分布在四川、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、准格尔、松辽等六大盆地；人均占有低，开发潜力大；煤层气远景资源为世界煤层气总资源的10％；

海域天然气水合物主要分布在南海，相当于7000亿吨石油；鄂尔多斯、吐哈、准格尔、四川、塔里木等盆地的深层气藏的远景资源量丰富。《天然气化工工艺学》第1章1.1.4我国天然气概况

我国天然气年产量逐年增加，但在现有能源结构和消耗结构中，天然气只占3％，远低于世界平均水平25％和亚洲平均水平8.8％。表1.5我国1999～2005年天然气产量年分19992000200120022003200420052010产量/108m3250262303326341410500800(预计)《天然气化工工艺学》第1章1.1.5我国天然气的利用现状现代使用最广泛的钻机是转盘旋转钻机。钻井设备按功能可分为旋转系统、吊升系统、循环系统和动力系统。常用采气法包括：(1)天然气井依靠气压能量将天然气井中喷出；(2)在采石油中，一般均伴同采出天然气，每吨石油可伴生天然气30～300立方米；(3)煤层气开采，通常采用抽气系统从煤层中和煤井巷道中抽出煤层气。

《天然气化工工艺学》第1章1.2天然气的开采钻井的最后一道工序是完井；

完井目的是为了使油、气层与井筒更好的连通；完井有利于减小油、气进入井中的阻力，隔离水层，增加产量；完井方法主要有裸眼完井、射孔完井、衬管完井和尾管完井。《天然气化工工艺学》第1章1.2.2完井结构《天然气化工工艺学》第1章1.3天然气的组成与性质

天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体,以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。烃类气体：主要成分CH4；低含量C2H6、C3H8、C4H10

、C5H12；含量极少C7H16及以上烃类。非烃类气体：CO2、CO、N2、H2、H2S、H2O及微量惰性气体He、Ar等。《天然气化工工艺学》第1章1.3.2天然气及其组分的物化性质天然气各组分的理想气体热容的公式为：各组分饱和蒸汽压的计算公式为：各组分气体粘度的计算公式为：T为温度，K；A、B、C、D为温度系数，它们的下标表示不同物性，可在附表中查得各种物质的数据。H——燃气(混合气体)的高热值或低热值(kJ/m3)；Hi——燃气中各可燃组分的高热值或低热值(kJ/m3)；yi

——燃气中各可燃组分的体积分数(%)。

《天然气化工工艺学》第1章1.3.3天然气的热值定义：1m3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的体积热值，简称热值，单位为kJ/m3或MJ/m3。

热值分类：高热值(HHV,水蒸气为冷凝水状态);低热值(LHV,水蒸气为蒸汽状态)。实际使用的燃气其热值可以直接用热量计测定，或由各单一气体的热值根据混合法则进行计算：AcommonmethodofrelatingHHVtoLHVis:

HHV=LHV+Hvx(nH2O,out/nfuel,in)

whereHvistheheatofvaporizationofwater,n(H2O,out)isthemolesofwatervaporizedandn(fuel,in)isthenumberofmolesoffuelcombusted.[1]FuelMJ/kgMJ/LBTU/lbkJ/molParaffinsMethane50.009—21,504802.34Ethane47.794—20,5511,437.2Propane46.357—19,9342,044.2Butane45.752—19,6732,659.3Lowerheatingvalueforsomeorganiccompounds(at15.4oC)[3]

LHV

《天然气化工工艺学》第1章爆炸极限：可燃气体和空气混合遇明火能引起爆炸的可燃气体浓度范围。爆炸上(下)限：在这种混合物中，当可燃气体的含量增加(减少)到不能形成爆炸混合物时的那一含量。只含有可燃气体的混合气体爆炸极限计算式：1.3.4天然气的爆炸极限L——爆炸下(上)限(V%)；

Li——混合气体中各可燃气体的爆炸下(上)限(V%)；

yi——混合气体中各可燃气体的体积分数(%)。《天然气化工工艺学》第1章含惰性气体的爆炸极限当混合气体中含有惰性气体时，其爆炸极限计算式：L—含有惰性气体的燃气爆炸下(上)限(体积分数%)；Lf—为混合物可燃部分的爆炸下(上)限(体积分数%)；B—惰性气体的体积分数(%)。《天然气化工工艺学》第1章爆炸极限实例CH4：5-15v%（若低于5v%或者高于15v%,则会因为天然气在空气中的含量不足或者过剩而不会发生爆炸。）H2

：7-75v%;CH3OH：5.5-44v%；苯：1.2-8v%；甲苯:1.2-7v%;NH3:15-30.2V%;H2S:4.3-45v%

《天然气化工工艺学》第1章城市居民应用：城市民用燃气的首选燃料；天然气发电：特点—环境污染小、热效率高、占地少，定员少、投资省、调峰性能好、发电成本低；天然气汽车：压缩天然气(CNG)汽车、吸附天然气(ANG)汽车和液化天然气(LNG)汽车；

燃料电池：质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池。1.4天然气的应用及前景1.4.2天然气的化工应用《天然气化工工艺学》第1章表1.121997年美国以及西欧天然气作为化工原料的利用结构产品美国西欧消费量/(108m3/a)比例％消费量/(108m3/a)比例％氨甲醇乙炔羰基化合物氢氰酸二硫化碳甲烷氯化物122.6341.045.586.297.050.3367.022.43.13.43.90.297.317.817.48.53.61.10.266.712.211.95.82.50.80.1合计192.92100145.9100当前天然气化工仍以合成氨和甲醇为主(甲醇转化）。天然气制液体燃料(GTL-FTS)路线

碳一化工的三个层次天然气、煤层气和焦炉气等含烃气体合成气H2+CO(H2/CO≈2)醇醚类：CH3OH,CH3OCH3烃类:轻烯烃(C2、C3烯、LPG)、馏分油其它气体：H2、H2/N2下游产品：(1)精细化学品；

(2)精制油品、优质蜡第一层次第二层次第三层次天然气（甲烷）(1)CH3OH；碳纳米管+H2(2)轻烃和油品甲烷酰基化产品直接转化通俗“术语”用法按天然气中烃类组分分类可分为干气与湿气、贫气与富气。干气：C5+小于10mL(l)/m3(g)天然气；湿气：C5+大于10mL(l)/m3(g)天然气(油性）；贫气：C3+小于100mL(l)/m3(g)天然气；富气：C3+大于100mL(l)/m3(g)天然气；华白指数：表示热负荷的参数（发热指数）。具有相同华白