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1、天然气与液化天然气（LNG）知识一、天然气组成天然气是由煌类和非煌类组成的复杂混合物。大多数天然气的主要成份是气体烧类，此外还含有少量非烧类气体。天然气中的煌类基本上是烷烧，通常以甲烷为主，还有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、以及少量的己烷以上烧类。在中有时还含有极少量的环烷烧（如甲基不戊烷）及芳香烧（如苯、甲苯）。天然气中的非煌类气体，一般为少量的氮气、氧气、氢气、二氧化碳、水蒸气、硫化氢，以及微量的惰性气体如氮、氮、掠等。天然气中的水蒸气一般呈饱和状态。天然气的组成并非固定不变，不仅不同地区油、气藏中采出的天然气组成判别很大，甚至同一油、气藏的不同生产井采出的天然气组成也会有很大的区别。1、根据化
2、学组成的不同分类（1）干性天然气：含甲烷90%以上的天然气。（2）湿性天然气：除主要含甲烷外，还有较多的乙烷、丙烷、丁烷等气体。2、根据天然气的来源分类（1）纯天然气：气藏中通过采气井开采出来的天然气称为气井气。这种气体属于干性气体，主要成分是甲烷。（2）油田伴生气：系指在油藏中与原油呈平衡接触的气体，包括游离气和溶解在原油中的溶解气两种。油田气是与石油伴生的，是天然气的一种，从化学组成来说属于湿性天然气。开采时与原油一起打出，气油比（3t）一般在2（500范围内。这种气体中含有60%90%的甲烷，10Q40%的乙烷、丙烷、丁烷和高碳烷燃。（3）凝析气田气：是含有容易液化的丙烷和丁烷成分的富天
3、然气。这种气体通常含有甲烷85%90%,碳三到碳五约2%5%。可采用压缩法、吸附法或低温分离法，将后者分离出去制液化石油气。（4）矿井气口从井下煤层抽出的矿井气，习惯称为矿井瓦斯气。二、天然气燃烧特性天然气最主要的成分是甲烷，基本不含硫，无色、无臭、无毒、无腐蚀性，具有安全、热值高、洁净和应用广泛等优点，目前已成为众多发达国家的城市必选燃气气源。城市燃气应按燃气类别及其燃烧特性指数（华白数W和燃烧势CP）分类，并应控制其波动范围。华万且4d白数W按式（1）计算：式中：W一华白数，MJm3（kcalm3）;Qg-燃气高热值,MJm3（kcalm3）；d一燃气相对密度（空气相对密度为DO燃烧势CP
4、按式2计算：LoH2+0.6（CmHn+C）+03CH4V-Z-X-TVX7式中:K=1+0.0054x0；CP燃烧势；H2一燃气中氢含量，%（体CmHn燃气中除甲烷以外的碳氢化合物含量，%（体积）；CO燃气中一氧化碳含量，%（体积）；CH4一一燃气中甲烷含量，%（体积）；d一一燃气相对密度（空气相对密度为D;K一一燃气中氧含量修正系数；02一一燃气中氧含量，%（体积）。天然气的储运天然气是以气态燃用，但储运方式有管输天然气、压缩天然气、液化天然气等多种形式。另外，目前还在发展天然气水合物。三、压缩天然气（CNG）压缩天然气（CNG）是通过压缩机加压的方式，将天然气压缩至容器，增加容器存储体积
5、的天然气运输方式。一般情况下，天然气经过几级压缩，达到20MPa的高压，在用气时在经减压阀降压使用。在20MPa高压下，天然气的压缩比可以达到276。CNG在生产和利用过程中成本相对较低，能耗低。但是由于采用笨重的高压气瓶，导致CNG单车运输量比较小，运输成本高。因此，一般认为该种方式只适合为距离气源地近、用气量小的城市供应燃气。CNG项目的特点：与LNG相比，设备相对简单、投资少；与管道天然气相比要灵活，因为管道一旦建设好以后，无法根据市场的需要发生转移。四、液化天然气（LNG）当天然气在大气压下，冷却至约-162C时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（LiquefiedNatural
6、Gas,缩写为LNG）OLNG体积约为同量气态天然气体积的1/625,密度在450kgm3左右。可见液化天然气具有较大的气液体积比，便于运输。另外，由于LNG的燃点及爆炸极限高于汽油，所以不易发生爆炸，安全性能好。LNG项目包括液化工厂、低温储槽和再气化工厂的建设。液化和再气化工厂的经济可行性由年产量和最高供气量决定。由于LNG属于以低温液体,其生产、储运及利用过程中都需要相应的液化、保温和气化设备，投资额高。这种运输形式只有在规模发展较大时才具有合理的经济性能。管输天然气(PNG)管输天然气是通过管道直接将天然气输运到用户点的一种运输方式，主要针对气源地用户或与气源地通过陆地相连的国家之间天
7、然气运送。管道长度对于PNG方式有一定要求。对于距离气源地较远的地区，只有当用气量较大时才会具有较好经济性。由于海底管道的建造和维护费用高，当天然气的海上运输距离较长时,将会倾向于采用LNG船运输。与LNG项目不同，PNG项目既不需要液化工厂也不需要再气化工厂。管道基本建设投资是影响项目经济可行性的主要决定因素。基本建设投资额随着管线距离、管线走向、地理环境和负荷系数的变化而变化。天然气井口价格也对PNG项目的经济可行性有较大影响。当天然气的进口价格一定时，运输距离是决定其贸易方式的主要因素。如果输送距离高于临界点，LNG项目将更加可行。据英国BP公司提供数据，管道天然气和液化天然气运输成本运
8、输距离的临界值大致在4000-5000公里间。五、其他技术除了上述三种已经成熟的天然气存储技术，各国还在积极探寻其他更经济有效方式。其中包括天然气水合物(NGH,NaturalGasHydrate,简称GasHydrate)和吸附天然气(ANG,AdsorptionNaturalGas)等。天然气水合物资源是世界能源开发的下一个主要目标。海底的天然气水化物资源丰富，其开发利用技术已成为一个国际能源领域的热点。天然气水合物是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲
9、烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物（MethaneHydrate）o在标准状况下，1单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体。但是根据目前的发展来看，该技术距离工业应用的成熟水平还有一定的距离。吸附天然气技术是利用一些诸如活性炭等多孔性固体物质对气体的吸附特性进行储气。由于这种新型的储气方式也要求在一定的压力作用下（通常为3MPa-4MPa）方能最大限度地提高气体附量（如在储存压力为3.5MPa时，理论储气量可达其容积体积的150倍），因此从一定意义上讲，该储存方式同属压力储存。但由于储存压力较CNG大为降低，因此容器重量相应减轻，安全性相对提高。当储气容器的
10、改良同样是减轻车辆无效载重、提高空间利率、减缓容器内外壁腐蚀等部题的最根本方法。目前该技术的关键部分：吸附剂以及热能储存器的开发已有了较大进展。作为天然气储存的一种方式，由于单位存储介质的吸附量还比较小，还不能在工业中得到大规模的应用。目前只有少数机构可以将其应用到天然气汽车上。六、LNG基本性质天然气的主要组分是甲烷，其临界温度为一83C,故在常温下,无法仅靠加压将其液化。通常的液化天然气（LiqUefiedNaturalGas,简称LNG）大多存储在温度为一162、压力为0.1MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的600多倍，体积能量密度为汽油的72%,十分有利于输送和储存。液化
11、天然气是经过净化处理(脱水、脱烧、脱酸性气体)后，采用节流膨胀及外加冷源冷却的工艺使得天然气液化的。预处理主要包括的清除，以免低温下冻结、堵塞。天然气液化装置按用途可分为两大类，即基本负荷型天然气液化装置和调峰型天然气液化装置。基本负荷型天然气液化装置由天然气预处理系统、液化系统、储存系统、控制系统、装卸设施和消防系统等组成。由于项目投资巨大，LNG项目大多由壳牌、道达尔等大型跨国石油公司与资源拥有国政府合资建设。基本负荷型天然气液化装置的液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。20世纪60年代最早建设的天然气液化装置，采用当时技术成熟的级联式液化流程。到70年代又转而采用流程大为简
12、化的混合制冷剂液化流程(MRC)。80年代后，新建与扩建的基本负荷型天然气液化装置则几乎无一例外地采用APCI公司的丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3MRC)o调峰型天然气液化装置是小流量的天然气液化装置，并非常年连续运行。因此，调峰型液化流程要求具有高效、灵活、简便、低成本的特点。一般，对于管道气压力较高的情况，为充分利用其压力能,可考虑使用膨胀机液化流程。选择调峰型LNG液化流程，必须根据具体的设计要求和外围条件对上述因素进行综合考虑，即对不同液化流程的投资成本、比功耗、运行要求以及灵活性进行全面对比，才能最终决定采用何种液化流程。天然气液化工厂的工艺流程不同，出厂LNG的温度和压力也有所不
13、同，如某液化工厂出厂LNG温度约为一162C,压力为常压；某液化工厂出厂LNG温度约为一145,压力为0.35MPa0LNG物性数据某液厂LNG的物性如下：分子量：17.3；气化温度：-162.3C(常压1.053bar)；临界温度:-82.5；液相密度：440kgNm3;气相密度：0.75kgNm3(15.5)；燃点：650；热值：8700kcalNm3;气化潜热：0.51MJKg(121KcalKgC运动粘度:12.072106m2s;燃烧势：45.18CP；华白数：54.23MJm3；爆炸极根上限15.77%下限4.91%七、LNG特点天然气液化后，体积缩小600多倍，可以在公路、铁路、
14、船舶上实现经济运输。2.储存效率高、占地少、投资省。3.建设模式机动灵活，可由小到大，由点到面，逐步投入和发展。4.LNG可作为优质清洁的车用燃料，有效减少汽车尾气排放对大气的污染,应用前景广阔。5.LNG的气化过程,释放出大量的冷量,有很高的综合利用价值。6.LNG生产使用较液化石油气更为安全可靠。其燃点为650,比汽油高230,爆炸极限为5%15%,气相密度为0.772kgNm3左右，比空气轻得多，稍有泄漏立即飘逸飞散，不致引起爆炸。7.当LNG气化与空气的混合物浓度达到爆炸极限范围内时，遇到明火、火星即可发生爆炸，一旦爆炸将会酿成较大事故。8.LNG火灾灭火后在未切断可燃气体的气源或易燃
15、可燃液体液源的情况下，遇到火源或高温将发生复燃、复爆。故LNG一旦燃烧，只有在完全切断气源或有非常可行、可靠的安全措施的情况下，方可灭火，否则只能在安全保护下让其安全燃烧掉。否则，将引起复燃，复爆，造成更大的损失。9.LNG在液化过程中已经脱除了H20、重燃类、H2S等杂质，是一种十分清洁的能源，其燃烧尾气不会对大气造成污染。八、LNG的蒸发蒸发气的物理性质LNG作为一种沸腾液体大量的储存于绝热储罐中。任何传导至储罐中的热量都会导致一些液体蒸发为气体，这种气体称为蒸发气。其组分与液体的组分有关。一般情况下，蒸发气包括20%的氮，80%的甲烷和微量的乙烷。其含氮量是液体LNG中含氮量的20倍。当
16、LNG蒸发时，氮和甲烷首先从液体中气化，剩余的液体中较高相对分子质量的炫类组分增大。对于蒸发气体，不论是温度低于-113C的纯甲烷，还是温度低于-85C含20%氮的甲烷，它们都比周围的空气重。在标准条件下，这些蒸发气体的密度大约是空气密度的0.6倍。闪蒸如同任何一种液体，当LNG已有的压力降至其沸点压力以下时，例如经过阀门后，部分液体蒸发，而液体温度也将降到此时压力下的新沸点，此即为闪蒸。由于LNG为多组分的混合物，闪蒸气体的组分与剩余液体的组分不一样，其原因与上面“蒸发气的物理性质”中所述的原因类似。作为指导性数据，在压力为IXIO5Pa2X105Pa时的沸腾温度条件下，压力每下降lX103
17、Pa,I3的液体产生大约0.4kg的气体。较精确地计算闪蒸如LNG类多组分液体所产生的气体和剩余液体的数量及组分都是复杂的。应用有效的热力学或装置模拟的软件包，结合适当的数据库，可以在计算机上进行闪蒸计算。九、LNG的溢出LNG溢出物的特征当LNG倾倒至地面上时(例如事故溢出)，最初会猛烈沸腾，然后蒸发速率将迅速衰减至一个固定值，该值取决于地面的热性质和周围空气供热情况。所示，如果溢出发生在热绝缘的表面，则这一速率将极大地降低。表中的数据是根据实验结果确定的。当溢出发生时，少量液体能产生大量气体，通常条件下1个体积的液体将产生约600个体积的气体；材料60s后单位面积的速率/(kgm2h)骨料
18、480湿沙240干沙195水190标准混凝土130轻胶体混凝土65当溢出发生在水上时，水中的对流非常强烈，足以使所涉及范围内的蒸发速率保持不变。LNG的溢出范围将不断扩展，直到气体的蒸发总量等于泄漏产生的液态气体总量。气体云团的膨胀和扩散最初，蒸发气体的温度几乎与LNG的温度一样，其密度比周围空气的密度大。这种气体首先沿地面上的一个层面流动，直到气体从大气中吸热升温后为止。当纯甲烷的温度上升到约T13C,或LNG蒸发气的温度上升到约-80（与组分有关），其密度将比周围空气的密度小。然而，当气体与空气混合物的温度增加使得其密度比周围空气的密度小时，这种混合物将向上运动。溢出、蒸汽云的膨胀和扩散是
19、复杂的问题，通常用计算机模型来进行预测，只有在这方面有能力的机构才能进行这种预测。随着溢出，由于大气中的水蒸气的冷凝作用将产生，雾，云。当这种，雾，云可见时（在日间且没有自然界的雾），此种可见“雾”云可用来显示蒸发气体的运动，并且给出气体与空气混合物可燃性范围的保守指示。在压力容器或管道发生溢出时，LNG将以喷射流的方式洒到大气中，且同时发生节流（膨胀）和蒸发。这一过程与空气强烈混合同时发生。大部分LNG最初作为空气溶胶的形式被包容在气云之中。这种溶胶最终将与空气进一步混合而蒸发。着火和爆炸对于天然气/空气的云团，当天然气的体积浓度为5%15%时就可以被引燃和引爆。池火直径大于IOm的着火LN
20、G池,火焰的表面辐射功率（SEP）非常高，并且能够用测得的实际正向辐射通量及所确定的火焰面积来计算。SEP取决于火池的尺寸、烟的发散情况以及测量方法。SEP随着烟尘炭黑的增加而降低。压力波的发展和后果没有约束的天然气云以低速燃烧时，在气体云团中产生小于5X103Pa的低超压。在拥挤的或受限制的区域（如密集的设备和建筑物），可以产生较高的压力。天然气在常温下不能通过加压液化，实际上,必须将温度降低到约-80C以下才能在任意压力下液化。这意味着包容任何数量的LNG,例如在两个阀门之间或无孔容器中，都有可能随着温度的提高使压力增加，直到导致包容系统遭到破坏。因此，成套装置和设备都应设计有适当尺寸的排
21、放孔和/或泄压阀。其他物理现象翻滚是指大量气体在短时间内从LNG容器中释放的过程，除非采取预防措施或对容器进行特殊设计，翻滚将使容器受到超压。在储存LNG的容器中可能存在两个稳定的分层或单元，这是由于新注入的LNG与密度不同的底部LNG混合不充分造成的。在每个单元内部遗体密度是均匀的，但是底部单元液体的密度不大于上部单元液体的密度随后，由于热量输入到容器中而产生单元间的传热、传质及液体表面的蒸发，单元之间的密度将达到均衡并且最终混为一体。这种自发的混合称之为翻滚，而且与经常出现的情况一样，如果底部单元液体的温度过高（相对于容器蒸汽空间的压力而言），翻滚将伴随着蒸汽逸出的增加，有时这种增加速度快
22、且量大。在有些情况下，容器内部的压力增加到一定程度将引起泄压阀的开启。早期曾假设，当上层密度大于下层密度时，就会发生翻转，由此产生翻转的名称，较近期的研究表明，情况并非如此，而是如前所述出现快速混合。潜在翻滚事故出现之前，通常有一个时期其气化速率远低于正常情况。因此应密切检测汽化速率以保证液体不是在积蓄热量。如果对此有怀疑，则应设法使液体循环一促进混合。通过良好的储存管理，翻滚可以防止，最好将不同来源的组分不同的LNG分罐储存。如果做不到，在注入储罐时应保证充分混合。用于调峰的LNG中，高含氮在储罐子逐日停止后不久也可能引起翻滚经验表明，预防此类型翻滚的最好方法是保持LNG的含氮量低于1%,并
23、且密切监测气体速率。快速相变当温度不同的两种液体在一定条件下接触时，可产生爆炸力。当LNG与水接触时，这种称为快速相变（RPT）的现象就会发生。尽管不发生燃烧，但是这种现象具有爆炸的所有其他特征。LNG洒到水面上而引发的RPT是罕见的，而且影响也有限。与实验结果相符的通用理论可简述如下。当两种温差很大的液体直接接触时，如果较热液体的热力学（开氏）温度大于较冷液体沸点的LI倍时，后者温度将迅速上升，其表层温度可能超过自发核化温度（当液体中产生气泡时）。在某些情况下，过热液体将通过复杂的链式反应机制在短时间内蒸发，而且以爆炸的速率产生蒸气。例如，将LNG或液态氮置于水上的实验中，液体之间能够通过机械冲击产生密切接触并引发快速相变。许多研究项目正在进行中，以便更好地理解RPT,量化此现象的烈度以及确定正确的预防措施。沸腾液体膨胀蒸汽爆炸任何液体处于或接近其沸腾温度，并且承受高于某一确定值的压力时，如果由于压力系统失效而突然获得释放,将以极高的速率蒸发。已经有记录如此猛烈的膨胀曾将整个破裂的容器抛出几百米。这种现象叫做沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE)。沸腾液体膨胀蒸汽爆炸在LNG装置上发生的可能性极小。这或者是由于储存LNG的容器将在低压下发生破坏，而且蒸气产生的速率很低；或者是由于LNG是在绝热的压力容器和管道中储存和输送，这类容器和管道具有内在的防火保护能力。
