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天然气基础知识 管网运行部 天然气简介天然气的发现和早期应用天然气的发现和早期应用 在公元前6000年到公元前2000年间，伊朗首先发现了从地表渗出的天然气。许多早期的作家都曾描述过中东有原油从地表渗出的现象，特别是在今日阿塞拜疆的巴库地区。渗出的天然气刚开始可能用作照明，崇拜火的古代波斯人因而有了永不熄灭的火炬。中国利用天然气是在约公元前900年。中国在公元前211年钻了第一个天然气气井，据有关资料记载深度为150米（500英尺）。在今日重庆的西部，人们通过用竹竿不断的撞击来找到天然气。天然气用作燃料来干燥岩盐。后来钻井深度达到1000米，至1900年已有超过1100口钻井。直到1659年在英国发现了天然气，欧洲人才对它有所了解，然而它并没有得到广泛应用。从1790年开始，煤气成为欧洲街道和房屋照明的主要燃料。在北美，石油产品的第一次商业应用是1821年纽约弗洛德尼亚地区对天然气的应用。他们通过一根小口径导管将天然气输送至用户，用于照明和烹调。一、什么是天然气 天然气天然气是指动、植物通过生物、化学作用及地质变化作用，在不同地质条件下生成、转移，在一定的压力下储集，埋藏在深度不同的地层中的优质可燃气体。燃气的种类：天然气、液化石油气、人工煤气、沼气天然气一般可分为五种：气田气、油田伴生气、凝析气田气、煤层气、矿井气 天然气的压力单位的换算关系 1atm=0.101325 Mpa =101.325 Kpa =101325 pa =10.33 mH2O =760 mmHg =1 bar二、天然气的基本性质天然气的主要成分以饱和烃为主，主要是甲烷，乙烷、丙烷、丁烷、戊烷含量不多，少量非烃类气体一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气、硫化氢、水蒸气及微量的惰性气体氦（He）、氩（Ar）。天然气比空气轻，易挥发，不易聚集，安全性能好。天然气中各组分均可彻底燃烧，燃烧后不产生灰粉等固体杂质，是完全清洁的燃料。天然气的沸点是指101325Pa压力下液体沸腾时的温度。天然气中主要成分甲烷的沸点是-162.6oC。天然气的沸点是-162.49 oC。露点：饱和蒸气经冷却或加压，立即处于过饱和状态，当遇到接触面或凝结核便液化成露，这时的温度称为露点密度：其密度大约是0.75-0.8Kg/Nm3相对密度：天然气的相对密度是指相同压力和相同温度条件下，天然气的密度和空气密度之比，大约为0.58-0.62二、天然气的基本性质天然气是无色无味无毒无腐蚀性，易燃易爆的气体。在天然气泄露时，为了易于被人们发现，消除漏气，要求对天然气加臭。加臭标准是达到爆炸下限浓度的20%能被查觉。我国目前采用的加臭剂为四氢噻吩（THT)和乙硫醇(EM)。天然气的主要成分是甲烷（CH4），它本身是一种无毒可燃的气体。同其它所有燃料一样，天然气的燃烧需要大量氧气（O2）。如果居民用户在使用灶具或热水器时不注意通风，室内的氧气会大量减少，造成天然气的不完全燃烧。不完全燃烧的后果就是产生有毒的一氧化碳（CO），最终可能导致使用者中毒（反应式见下）。2CH4+3O22CO+4H2O爆炸极限：可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体浓度范围称为爆炸极限。当空气中含有天然气浓度增加到不能引起爆炸浓度点称为爆炸上限，因为燃烧产生的热量不足以弥补散失的热量；当空气中含有天然气浓度减少到不能引起爆炸浓度点称为爆炸下限；因为无法维持继续燃烧。天然气的爆炸极限是515%，（占空气中体积%）。三、天然气的燃烧特性天然气的临界参数：参看：临界状态图.dwg状态方程：PV=ZnRT Z-压缩因子 当燃气压力低于1MPa和温度在10-20摄氏度时，视为理想气体。当压力很高，温度很低时用理想气体状态方程误差很大，故用实际气体状态方程。热值：1 Nm3燃气完全燃烧放出的热量称为热值，（高热值、低热值），高热值大于低热值，差一个烟气中所含水蒸气以冷凝状态所释放的汽化潜热。汽化潜热是指在常压下液体沸腾时，1Kg饱和液体变为同温度的饱和蒸汽所吸收的热量。天然气的热值大约是40MJ/Nm3。三、天然气的燃烧特性着火温度：燃气与空气混合物开始燃烧反应的自燃的最低温度。燃烧温度：燃气按燃烧反应方程式完全燃烧时产生的理论理论温度。燃烧速度：垂直于燃烧焰面，火焰向燃烧气体方向传播的速度，就是火焰传播速度。华白数：是一项控制然具热负荷恒定状况的指标。在燃气工程中对不同类型燃气间互换时，要考虑衡量热流量大小的特性指数。W=Qh/S1/2 Qh天然气的高热值 S天然气的相对密度 燃烧势：是反映燃气燃烧火焰所产生离焰、回火、黄焰和不完全燃烧倾向性和一项反映燃具燃气燃烧稳定的状态的综合指标。回火：火焰缩回燃烧器内部而熄灭的现象 脱火：火焰飞离燃烧器头部而熄灭的现象三、天然气的燃烧特性过剩空气系数：实际供给的空气量V与理论空气需要量之比V0,即a=V/V0 通常a1。在工业设备中，a一般控制在1.051.2；在民用燃具中a一般控制在1.31.8。a过小，使燃烧不完全，燃料化学热不能充分发挥；a过大，则增加燃气体积，降低炉膛温度，增加排烟热的损失，其结果都是使加热设备的热效率降低。理论空气需要量：指每立方米（或公斤）燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需的空气量。理论空气需要量也是燃气完全燃烧所需的最小空气量。CmHn+(m+n/4)O2=mCO2+n/2H2O CH4+2O2=CO2+2H2O 因此：20.219.52大气式燃烧：天然气在进入燃烧器燃烧之前，已预先混入部分空气（称一次空气），其余所需的空气靠扩散供给（称二次空气）的燃烧称为大气式燃烧。扩散式燃烧：在天然气进入燃烧器之前不预先混入空气的情况下，空气过剩系数=0。此时，燃烧所需的空气靠空气扩散这种燃烧称为扩散式燃烧，是一种很原始的燃烧方式。三、天然气的燃烧特性为什么天然气灶具和液化石油气灶具不能互换使用？1、因为两种燃气的热值不同，天然气的热值是40MJ/Nm3，液化石油气的热值是104.65MJ/Nm3 2、两种燃气的燃烧速度，理论空气量、压力、比重均不同，而设计灶具时却是根据各自的特性来决定灶具各部分尺寸的。若液化石油气通过天然气灶具由于一次空气量不足，点火后使液化石油气不能充分燃烧，从火孔喷出长而无力的黄火焰，因此不同气源的灶具不能互换。关于天然气灶具一般来说：灶具的额定压力为2000pa，灶前压力不得低于1800pa。灶具的工作原理：燃气通过输气管至燃气阀，燃气阀开启后，燃气从喷嘴喷出，进入引射器。依靠本身压能从周围大气吸入一部分燃烧所需的空气进入混合管。在引射器的混合管内燃气和空气进行混合，经扩压管进入燃烧器头部，自火孔流出。遇火源后进行燃烧。为了燃烧完全，在燃烧器的火孔出处及上部，补充燃烧所需的全部空气量。关于天然气灶具家用灶具为什么发生黄火？如何排除？燃气不完全燃烧时产生黄色火焰，火焰软弱无力，热效率低，主要原因：预混一次空气或二次空气供给不足。其次，管道内存有杂质。再次，供气压力过低。最后，喷嘴尺寸不合适，火盖的火孔不畅通。措施：1、增加进风面积 2、清理风门，清除引射器内的污物。3、适当调高调压器出口压力。4、更换合适的喷嘴。5、清除火盖的火孔，喷嘴的污物，保持畅通。关于天然气灶具家用灶具为什么发生回火？如何排除？是因为燃气和空气的混合气体离开火孔的速度小于燃烧速度所产生。其次，火孔孔径越大越容易回火。再次，火孔出口速度分布不均匀或出现旋涡时，易造成流速小于燃烧速度而回火。最后，燃气与空气混合气体，预热温度越高越易回火，因为燃烧速度随温度升高而增加。措施：1、调整压力到额定压力；2、清理喷嘴内孔保持通畅疏通火盖及引射器污物 3、调整锅底和燃烧器之间的距离 4、可能燃烧时间过长，关闭冷却后再点燃 5、调整门窗开度。四、其他燃气常识什么是什么是LNGLNG 当天然气在大气压下，冷却至约-162时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，缩写为LNG）。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，天然气液化是一个低温过程，在温度不超过临界温度（-82摄氏度），对气体进行加压0.1MPa以上，液化后其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右，热值为59J/t。什么是什么是CNGCNG和和LPGLPG 压缩天然气(Compressed Natural Gas,简称CNG)是天然气加压(超过3,600磅/平方英寸)到20-25MPa，再经过高压深度脱水并以气态储存在容器中。它与管道天然气的组分相同。CNG可作为车辆燃料利用。液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,简称LPG)经常容易与LNG混淆，其实它们有明显区别。LPG的主要组分是丙烷（超过95%），还有少量的丁烷。LPG在适当的压力下以液态储存在储罐容器中，常被用作炊事燃料。四、其他燃气常识生物气：各种有机物质在隔绝空气的条件下发酵，在微生物作用下经生化作用产生的可燃气体，亦称沼气。其组分为甲烷和二氧化碳，还有少量氮和一氧化碳。热值约为22MJ/Nm3。重油制气：也可称油制气，将原料重油放入工业炉内经压力、温度及催化剂的作用，重油即裂解，生成可燃气体，副产品有粗苯和碱渣等。气化煤气：将其原料煤或焦碳放入工业炉（发生炉、水煤气炉等）里燃烧，并通入空气、水蒸气，使其生成以一氧化碳和氢为主的可燃气体。凝析气田气：含石油轻质馏分的气体。为方便运输，天然气经过加工还可形成。煤层气：从井下煤层抽出的矿井气。矿井瓦斯：开采煤炭时采集的矿井气。石油伴生气：伴随石油开采一块出来的气体称为石油伴生气。四、其他燃气常识天然气用途天然气用途 天然气主要可用于发电，以天然气为燃料的燃气轮机电厂的废物排放水平大大低于燃煤与燃油电厂，而且发电效率高，建设成本低，建设速度快；另外，燃气轮机启停速度快，调峰能力强，耗水量少，占地省。我国工业燃料占天然气总消费量的35%，天然气主要用于锅炉燃料、金属、冶炼、瓷砖类建材烧制等。天然气也可用作化工原料。化工领域是天然气的第二用户，近四分之一的天然气被用作化工原料，其中90%以上用于生产化肥。以天然气为原料经合成甲醇进一步生产烯烃（乙烯、丙烯及丁烯）的MTO工艺已成为国际各大石油公司技术投入的热点，它在21世纪可与传统的石油路线竞争。以天然气为原料的一次加工产品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近20个品种，经二次或三次加工后的重要化工产品则包括甲醛、醋酸、碳酸二甲酯等50个品种以上。以天然气为原料的化工生产装置投资省、能耗低、占地少、人员少、环保性好、运营成本低。天然气广泛用于民用及商业燃气灶具、热水器、采暖及制冷，也用于造纸、冶金、采石、陶瓷、玻璃等行业，还可用于废料焚烧及干燥脱水处理。四、其他燃气常识 以天然气作为燃料的汽车叫做天然气汽车。天然气汽车在国内外都有迅猛发展之势。据测算汽车尾气污染占城市大气污染的50%，天然气汽车的一氧化碳、氮氧化物与碳氢化合物排放水平都大大低于汽油、柴油发动机汽车。天然气作为燃料燃烧完全、结炭少、减少气阻和爆震。会使发动机使用寿命延长23倍，大修理间隔里程延长22.5万公里，降低维修费用50%，1立方米天然气热值相当于1.1升汽油，而其价格明显低于汽油，天然气价格比汽油价格低2040%，我国天然气汽车以每年百万辆速度递增，预计2020年全国汽车拥有量将达到3000万辆，石油每年耗6亿吨，所以开发以气代油具有战略意义。五、天然气发展状况我国天然气资源十分丰富，为加快天然气工业的发展，把天然气工业列为鼓励发展行业，计划在2010年前建成“两纵、两横、四枢纽、五气库”贯穿中国大江南北的输气格局，并确定天然气利用的主要方向是天然气发电、城市燃气、天然气化工、天然气汽车。21世纪前10年将是我国天然气生产和利用的高速发展的时期，在这一时期内，有关部门将加大对天然气工业人力和物力投入，有计划、有组织地大规模勘探、开发天然气资源，保护环境，提高人民生活水平。天然气在世界能源结构中所占的比例一直呈上升趋势，1950年仅占9.8%，到1996年已占23.6%。1997年世界天然气消费量达2.37万亿立方米，预计2010年天然气消费量将达4万亿立方米，居各种能源之首，二十一世纪将是天然气世纪。