甲烷的“混搭”生活

1、甲烷的“混搭”生活作者:日期:甲烷的“混搭”生活-工程論文甲烷的“混搭”生活瑞健標準狀態(tài)下，甲烷(Methane，化學分子式為CH4 )是無色、無味、無 毒、無腐蝕性、比空氣還要輕的氣體，既看不到更摸不著。結構簡單的它頭銜卻 不簡單：自然界最簡單的有機物；含碳量最小、含氫量最大的烷烴；自然界最穩(wěn) 定的有機小分子；在創(chuàng)造適合生命存在的條件中扮演重要角色； 它的選擇活化和 定向轉化被譽為化學催化領域的“圣杯”；它不僅在地球上分布很廣，而且在天 王星的大氣層中也有它的身影，這一發(fā)現(xiàn)增加了確認太陽系外存在生命的希望。當然，天文學方面的知識離我們似乎太遙遠了。在人們的現(xiàn)實生活中，甲烷又扮演著什么樣的角色

2、呢？甲烷生性平穩(wěn)但又不甘寂寞，明明是一種簡簡單單的有機物，卻硬是拉來 幾個“兄弟”混搭，闖蕩江湖。天然氣(Natural Gas )廣義上，天然氣是指自然界中天然存在的一切氣體。不過，人們常說的天然氣指的是天然蘊藏于地層中、主要由氣態(tài)低分子烴和非烴氣體組成的混合物， 如油田氣、氣田氣、煤層氣等。天然氣主要存在于油田和天然氣田，一般采用自 噴式、排水式采氣方式，技術較為簡單。天然氣中甲烷約占87%，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，有的還含有硫 化氫、氮、水氣以及微量惰性氣體，燃燒后釋放的熱量大、污染小，是一種比較 清潔的能源。通常情況下，天然氣無色、無味，人們家中所用天然氣的特殊味道， 其實是為了警

3、示天然氣泄漏而添加的人工氣味，如甲硫醇或乙硫醇等。生活中，人們經(jīng)常接觸的燃料還有液化天然氣（Liquefied NaturalGas , 簡稱LNG）。它是天然氣經(jīng)凈化、壓縮、冷卻和超低溫液化等處理后的液體，體 積約為同量態(tài)天然氣的1/625。液化天然氣可以儲存在-161.5 C、0.1MPa左右 的儲存罐內(nèi)，可用專用船或油罐車運輸，使用時需重新氣化。液化石油氣（Liquefied PetroleumGas ，簡稱 LPG）與液化天然氣很容易混淆的產(chǎn)品是液化石油氣。液化石油氣是由煉廠氣或 天然氣（包括油田伴生氣）加壓、降溫、液化得到的一種無色、揮發(fā)性氣體，主 要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，有

4、的含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物雜 質(zhì)，組成不固定。從地下開采出的天然氣中，90%是甲烷，其余是各種液化石油氣，一般可 提煉出1%3%的液化石油氣。原油的分離精煉過程也會產(chǎn)生約 3%的液化石油 氣，如果對煉油廠設備進行優(yōu)化集中提煉液化石油氣，產(chǎn)量可以達到30%40%。大多數(shù)能源企業(yè)或煉油廠都不專門生產(chǎn)液化石油氣， 但因為它是其他燃料 提煉過程中的副產(chǎn)品，所以都會有一定的產(chǎn)量?，F(xiàn)在居民家中用的燃氣多是液化石油氣，雖然人們通常把它叫做“煤氣”。煤氣又稱水煤氣，是煤在高溫下與水蒸氣作用生成的一種混合氣體，主要成分是一氧化碳和氫氣。它們的共同點是都是潔凈燃料，不同點是煤氣有高毒性， 一旦中毒后果非常

5、嚴重，而液化石油氣的毒性很小。當然，如果液化石油氣使用 不當，如燃燒時通風不好、氧氣不足等也會造成一氧化碳中毒。和天然氣一樣，為了安全起見，液化石油氣中一般會添加有警示作用的氣 體。煤層氣（Coalbed Methane ，簡稱 CBM ）同樣與煤有關，但煤層氣與煤氣的成分很不相同。煤層氣俗稱“瓦斯”， 是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附或游離方式存在、溶解于煤層水中 的烴類氣體。煤層氣是一種非常規(guī)天然氣，95%以上是甲烷組分，其余組分是二氧化碳 或氮氣。煤層氣熱值與天然氣相當，可以與天然氣混輸混用，用作民用、工業(yè)、 發(fā)電、汽車燃料和化工原料。1立方米純煤層氣的熱值相當于 0.8千克液化

6、石油 氣。煤層氣在空氣中的濃度達到5%16%時遇明火會爆炸，這也是煤礦瓦斯 爆炸事故的根源。采煤之前，如果先開采煤層氣，煤礦瓦斯爆炸率將降低70% 85% ;如果不先開采煤層氣，采煤過程中煤層氣就會排放到大氣當中，其溫室效應約為二氧化碳的21倍，對生態(tài)環(huán)境破壞性極強。所以，煤層氣的開發(fā)利用有 一舉多得的功效。我國煤層氣資源豐富，居世界第三，如用于發(fā)電每年可發(fā)電近300億千瓦時。中國工程院編制我國煤層氣開發(fā)利用戰(zhàn)略研究顯示，到 2030年，我 國煤層氣產(chǎn)量有望達到900億立方米。這一產(chǎn)量與1個新的億噸級原煤產(chǎn)量、 1.5個三峽水電站的年發(fā)電量和1個大慶油田的原油當量相當。頁巖氣(Shale Ga

7、s )從頁巖層中開采出來的天然氣即頁巖氣，是一種主要以吸附或游離狀態(tài)存 在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中的天然氣。一般頁巖儲層厚幾百 米，發(fā)育地區(qū)常伴生有常規(guī)油氣資源。在不發(fā)育具有工業(yè)價值的油氣資源的區(qū)域， 也可能存在頁巖氣。頁巖氣是當前十分活躍的一種能源，但人類對它們的認識可以追溯到很久以前，只是因為采集比天然氣困難等原因而沒有被開發(fā)利用。頁巖氣成分與常規(guī)天然氣一樣，以甲烷為主，所以可以用天然氣管道輸送。頁巖的性質(zhì)比較致密，因此開發(fā)過程需要采取增產(chǎn)措施，如水力壓裂等。與天然氣相比，頁巖氣有開采壽命長、生產(chǎn)周期長的優(yōu)點，頁巖氣井能夠長期穩(wěn) 定地產(chǎn)氣。目前，它與煤層氣、致密氣共同構成當

8、今世界三大非常規(guī)天然氣。致密氣（Tight Gas）致密氣即致密砂巖氣，是指滲透率小于0.1毫達西的砂巖地層天然氣，還 有孔隙度低（V 12% ）、含氣飽和度低（V 60% ）、含水飽和度高（40% ）、一般 無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油氣流下限等特點。致密氣和頁巖氣作為兩種重要的非常規(guī)天然氣資源，已經(jīng)逐漸成為天然氣 產(chǎn)量的主要增長點。但實際上，頁巖氣層是致密氣層的一種形式： 前者為1微達 西以下，后者的滲透率為0.1毫達西以下，兩者相差一般在100500倍。所以， 非常規(guī)儲層開采出來結果的可能 3種：如果高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，是常規(guī)天然氣；衰減較慢， 是致密氣；衰減很快是頁巖氣。近幾年，我國致密氣地質(zhì)

9、儲量年增約 3000億立方米，致密氣正在改變著 我國的天然氣生產(chǎn)格局，將成為我國擴大非常規(guī)天然氣生產(chǎn)的主力。可燃冰（Natural Gas Hydrates ）甲烷可以形成籠狀的水合物，即甲烷被包裹在“籠”里。甲烷含量超過99%的天然氣水合物又稱為甲烷水合物?？捎?mCH4 nH2碟表示，m代表水 合物中的氣體分子，n為水合指數(shù)（即水分子數(shù)）。天然氣水合物是天然氣的主 要成分甲烷與水在高壓低溫條件下結晶形成的冰狀物，通常存在于永久凍土帶或大陸邊緣的海域，因其點火就著，俗稱“可燃冰”。1立方米可燃冰相當于164立方米天然氣，燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳僅為煤 炭的一半，可有效減少地球溫室效應，因此成為備

10、受矚目的新能源。 但可燃冰主 要儲存于海底或寒冷地區(qū)的永久凍土帶，較難尋找和勘探，開采利用難度大、成本高，稍有泄漏都會帶來災難性后果。目前，世界上還沒有找到一種安全可 行的開采方法。沼氣（Marsh gas ，Biogas）沼氣是有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境中，在一定的溫度、濕度、酸堿度的條件下， 通過微生物發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃氣體。由于它最初是在沼澤、湖泊、池塘中 發(fā)現(xiàn)的，所以人們叫它“沼氣”。沼氣的可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重烴等，不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等氣體。在沼氣中， 甲烷含量為55%70%，熱值較低、 利用價值不高，但當它被提純到 93%以上時就可以成為生物天然氣。目前，沼氣的燃氣經(jīng)濟價值不菲。歐洲為了擺脫對俄羅斯的天然氣依賴， 已經(jīng)形成了可觀的沼氣一生物天然氣產(chǎn)業(yè)，在 2009年歐盟25國生物天然氣產(chǎn) 量達到300億立方米。在我國，綜合利用沼氣池是改變農(nóng)村環(huán)境的一個重要途 徑。除了上述幾種形式，甲烷還以油田伴生氣、凝析氣、坑氣、煤制氣等“身 份”出現(xiàn)?？梢姡淄榈慕Y構雖然簡單，但其外在包裝形式卻是多樣的。但是， 不管是以什么樣的形式出現(xiàn)，甲烷有一個特點是需要時時刻刻牢記