天然氣處理與加工工藝

天然氣學教材名稱：《天然氣處理與加工工藝》王

遇

東

著參考教材：《天然氣加工工程》

諸

林

著《天然氣處理與加工》

朱利凱著·

第一章天然氣概述·

第二章

天然氣的相特性與狀態(tài)方程計算·

第三章

天然氣水合物及其防治·

第四章

天然氣酸性組分脫除·

第五章

天然氣脫水·

第六章

硫磺回收·

第七章

尾氣處理·

第八章

天然氣凝液回收·

第九章

天然氣液化與提氦內(nèi)容提要第一章

天然氣概述天然氣含義：天然生成，并以一定壓力蘊藏于地下巖層或縫隙中的混合氣體。盡管不同的學科對天然氣的定義有所差異，但其實質(zhì)都是指的以烴類為主的一類氣體，

一般可燃。天然氣加工與處理的區(qū)別：Processing

treatment天然氣凝液回收(NGL)天然氣加工

天然氣液化(LNG)天然氣提氦(helium)Rehydration硫磺回收lphur

Recovery尾氣處理天然氣脫硫Desulfmrization天然氣脫水天然氣處理Tail

Gas

Clean-UProcessesNG

treatment第一節(jié)天然氣的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀一、我國天然氣發(fā)展歷史四川是世界上開采利用天然氣最早的地區(qū)之—

。西周時期(約公元前1100~前771年)的

《周易》中有：

“澤中有火”的記載。西漢時期出現(xiàn)天然氣井，文學家揚雄在《蜀

都賦》中謂之“火井”。在唐代，鉆井技術(shù)、規(guī)模有了較大發(fā)展，開

始使用“之軸滾筒”。宋朝出現(xiàn)“頓鉆鉆井”

,同時出現(xiàn)"卓筒

井”,這是我國鉆井史上重要里程碑。宋應星《天工開物》中有記載。我國鉆井技術(shù)約十二世紀前傳到西方1835年，我國鉆井深度突破1000米大關(guān)，而美國

在

1

8

5

9

年

才

鉆

中

一

□

2

1

6

9

米

的

土二、

天然氣發(fā)展現(xiàn)狀圖1-1各種能源市場占有率

(F)

的歷年變化預測101.00.1F/(1F)(1)世界天然氣儲量與產(chǎn)量據(jù)美國《油氣雜質(zhì)》2003年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，世界天然氣剩余可采儲量排名前幾位的儲量名列第22位。家見下表名次快

縣陽里1俄羅斯47.572伊朗26.623卡稱25.776美國5.2922中國1.511、

天然氣儲量與產(chǎn)量國名次國

家產(chǎn)量10°m31俄羅斯6278.82美國5493.63加拿大1682.94英國912.25伊朗899.99沙特阿拉伯652.412中國481.02005年世界天然氣產(chǎn)量居前幾位的國家見下表，中國以481億立方米名列世界12位。2、我國天然氣儲量與產(chǎn)量我國天然氣資源比較豐富，主要分布在中、西部地區(qū)和近

海

。截至2001年底，

我

國

獲

得

的

天

然

氣

地

質(zhì)

儲

量

為

3.01×1013m3。

但我國天然氣資源的探明程度尚不高，

目前可采

資源量的探明程度僅僅為16.7%,在我國一次能源結(jié)構(gòu)中不過占

2.5%左右。經(jīng)過近五十年的勘探，基本形成川渝、陜甘寧、塔里木及柴達木等四大氣區(qū)，海上則有鶯瓊盆地。目前已經(jīng)探明的天然氣儲量主要分布在21個

盆地之中，并且集中分布在四川、鄂爾多斯、塔里木、柴達木、瓊東南、鶯

歌海、東海、渤海灣、松遼、準葛爾、吐哈盆地等11個盆地之中。第二節(jié)天然氣組成與分類一、天然氣組成1、

烴類組成2、

非烴類組成1、

烴類組成天然氣中的烴類主要包括三種：(1)烷烴

如甲烷、乙烷、丙烷等(2)環(huán)烷烴

五員環(huán)和六員環(huán)含量較多(3)芳烴

苯、甲苯及其同系物烯烴及炔烴基本不含。影響天然氣烴類組成的因素很多，成氣原始有機質(zhì)類型、成氣演化階段、產(chǎn)狀類型、保存條件以及次生變化等都能影響其烴類組成。但從統(tǒng)計的角度來看，氣田氣的重烴含量一般較低，多數(shù)不超過10%,油田伴生氣的重烴含量相對較高，凝析氣田氣居中。氣田氣中常見的非烴氣有含硫物質(zhì)、含氧物質(zhì)及其他氣體，分述如下。(1)含硫物質(zhì)含硫物質(zhì)分為無機硫化合物和有機硫化合物，前者指硫化氫，后者包括硫醇(RSH)、

硫

醚(RSR′)、

二硫醚(RSSR')、

羰基硫(COS)、二硫化碳(CS?)、

噻吩(C?H?S)

等。2、非烴類組成天然氣中的含硫物質(zhì)占絕大部分的是硫化氫，各種有機硫總和通常不超過

1

%

。油田伴生氣基本不含硫化氫。(2)含氧物質(zhì)包括二氧化碳(CO?)、

一氧化碳(CO)、

水蒸汽(H?O)。天然氣中一氧化碳含量通常不高。天然氣中二氧化碳含量

一般占百分之幾，高的可達百

分之幾十。天然氣從地層開采出來時，通常為水汽所飽和，其絕 對含水汽量由天然氣的溫度而寧(3)其他氣體天然氣中有時會發(fā)現(xiàn)存在如下的一些氣體：

N?

、H?

、Hg

蒸氣及氦氣等惰性氣體。這些氣體在天然氣

中的含量一般都很少，或者只是在某些地區(qū)的天然氣中才會被發(fā)現(xiàn)。

一旦這些氣體在天然氣中含量較高時，

就有必要回收，以提高天然氣加工處理的經(jīng)濟附加值。二、

天然氣的分類1、

天然氣分類原則可以按照不同的角度對天然氣進行分類，以滿足對天然氣研究、

加工、利用的需要，舉例如下：·按照烴類組成劃分為：干氣、濕氣、貧氣、富氣；·按照天然氣來源劃分：有機來源和無機來源；·按照生儲蓋組合劃分：自身自儲型、古生新儲型和新生古儲型；·

按天然氣相態(tài)劃分：游離氣、溶解氣、吸附氣、固體氣(天然氣水合物);·按有機母質(zhì)類型劃分：腐殖氣(煤型氣)、腐泥氣(油型氣)、腐殖腐泥氣(陸源有機氣);·按有機質(zhì)演化階段劃分；生物氣、生物-熱從天然氣加工處理過程的角度出發(fā)，習慣上對天然氣有三種分類方法，介紹如下：天然氣按礦藏特點不同可分為純氣田天然氣、凝析氣田天然氣和油

田伴生氣。前兩者合稱為非伴生氣，后者叫做伴生氣。2、

天然氣分類(1)按照礦藏特點分類(2)

按天然氣烴類組成分類·

干氣：1基方井口流出物中Cs以上重烴液體含

量低于<10cm3?！?/p>

濕氣：1基方井口流出物中Cs以上重烴液體含

量高于>10cm3?！?/p>

貧氣：1基方井口流出物中C3以上烴類液體含

量低于<100cm3?！?/p>

富氣：1基方井口流出物中C3以上烴類液體含

量高于>100cm3。(3)按酸氣含量分類按酸氣(硫化物和CO?)

含量的多少，天然氣可分為酸性氣和潔氣。

H?S

含量>20mg/m3

稱為第三節(jié)

天然氣性質(zhì)與用途一、天然氣性質(zhì)

由于天然氣是復雜組分的混合物，其中主要組分的物理化學性質(zhì)將決定天然氣的性質(zhì)。下面對天然氣幾種基本理化性質(zhì)進行介紹。定義：天然氣分子量也叫視分子量或平均分子量，指天然氣中各組分

的摩爾分率與其分子量的乘積再求和所得結(jié)果。分子量計算式：Mg=y;:

天然氣i組份摩爾分率，m;:

天然氣i組份的分子量∑ym1、

天然氣分子量2、

天然氣密度·定義：單位體積天然氣所擁有的質(zhì)量?！っ芏扔嬎闶剑篩g=Y?

天然氣相對密度

Pg

天然氣密度

Pair干燥空氣密度

·

定義：單位質(zhì)量天然氣升高1℃吸收的熱量。

·

比熱計算式：CN

乏y,cCn:

天然氣比熱

C;:

天然氣i組份比熱當已知天然氣密度或視分子量，亦可查經(jīng)驗圖得常壓下比熱?；蛴捎嬎愎降玫?、天然氣比熱4、

天然氣的焓·

理想氣體焓H。可通過查書中圖得到，也可用計算公式獲得?！。

…B?

i:i

組份常數(shù)

Hi。:焓kcal/kg(1)H?

為天然氣理想氣體已知P,T條件下天然氣某組分焓求算已知組成的天然氣混合物的焓按下

式求算：5、

天然氣的熵理想氣體狀態(tài)熵給定溫度下理想氣體狀態(tài)熵計算S.

°為任一組分=H壓力對熵的影響由PiTzer

計算一定P,T條件下混合物熵Sm計算昆合天然氣各組分常壓下粘度可由經(jīng)驗圖查的。低壓天然氣粘度若已知天然氣的視分子量Mg

或相對密度yg欲求某一壓力P和溫度T狀態(tài)下的粘度，可由圖查得0.1Mpa

下的粘度市糧捆所給狀態(tài)算出對比壓力Ppn由圖1-14查得粘度比μ/μ1,則所求粘度μ為6、天然氣粘度二、

天然氣的用途1、

商品天然氣質(zhì)量指標目前商品天然氣主要是管輸天然氣、車用壓縮天然氣和液化天然氣3種。除了某些特殊情況外，作為

工業(yè)和民用燃料的天然氣一般也采用管輸天然氣的質(zhì)量標準。我國天然氣國家標準GB17820-1999

的技術(shù)要求見表3。2、

天然氣的主要用途·天然氣發(fā)電；·作為基本有機化工原料，制甲醇、氮肥；·城市燃氣事業(yè)，特別是居民生活用氣·壓縮天然氣汽車；·

天然氣處理的副產(chǎn)品用途,如CO?

,硫磺、氦氣。不同類型天然氣，其形成機制與富集規(guī)律不同。富甲烷天然氣成氣作用有三種：1、

微生物的生態(tài)演替過程富含有機質(zhì)的沉積物中的微生物生態(tài)演替作用和相應的地球化學環(huán)境的變化，導

致一定條件下，甲烷生成菌占優(yōu)勢，甲烷成

為此演替過程的終結(jié)產(chǎn)物。此過程分為三階第四節(jié)天然氣成因與組分分析方法一、天然氣成因·第一階段——發(fā)酵菌作用階段·第二階段——脫氫菌作用階段·第三階段——產(chǎn)甲烷菌作用階段反應式：

4H?

+HCO?

+H+CH?

+3H?OCH

COO-

+H+沉積巖中的有機質(zhì)(煤、干酪根)和液烴，在熱裂解和熱降解作

用下，發(fā)生“岐化”

,部分芳烴聚合，另一部分形成低分子烷烴，甲烷因自由焓低，穩(wěn)定性高得以保存下來。煤化作用如：4C?6H??O?C?7H?5O?o+4CO?+3CH?+2H?O泥碳

褐煤2、

有機質(zhì)的熱裂解和熱降解過程(1)無機成氣地層深處礦石在高溫下發(fā)生化學反應，巖石分解產(chǎn)生氫、碳及碳的氧化物，

進一步又在高溫高壓下合成甲烷。這是無機合成。(2)化石作用成氣另一種無機成氣是地球形成初期CH?

氣保留在地幔和地殼中，后通過地層斷裂、火山活動等使甲烷釋放出來。3、

無機成氣作用1、

天然氣全組分分析天然氣組份上百種，采用氣相色譜法可測出其全部組份。2、天然氣中含硫化合物分析(1)直接法：色譜分析(2)氧化法：將硫化物高溫氧化成SO?

,

對

SO?

檢測確定硫。二、天然氣組分分析將硫化物在高溫、催化劑存在下加氫還原成H?S,

再對H?S

進行檢測。碘量法：碘量法屬于經(jīng)典的含硫物測定方法，屬還原法。原理是讓硫

化物高溫催化加氫還原成H?S,

用Zn(Ac)?

溶液吸收H?S,

生成ZnS

沉淀，加碘液(碘過剩)反應，以淀粉作指示劑用Na?S?O?

標準液回滴。(3)還原法ZnS+I?=ZnI?+S2Na?S?O?+I?=2NaI+Na?S?O?

(連四硫酸鈉)含硫量計算：

Ws=(Vr-V)N?/?S?O?2-

×E?·

上式中Ws——含硫量

(mg);V——

回滴時所用Na?S?O?

標準液的體積

(ml);·Vp——

空白試驗所耗Na?S?O?

體積

(ml);Es——S

分子量，

N——

摩爾濃度。碘量法反應式：3、CO?

測定(1)NaOH

法

：用一定量NaOH

溶液(過量)吸收CO?

得Na?CO?CO?

+2Na