天然气基础知识

自然气基础学问

一、概述

自然气是从地下开采出来的一种可燃性气体,它是埋藏在地壳下面的生物有机体，经

过漫长的地质年月和简单的转化过程而形成的。

我国利用自然气有着悠久的历史，它是气体燃料中出类拔萃的新秀，具有清洁、无

毒、热值高、使用调整便利等优点，广泛用于各行各业，如熬盐、化工、化肥、冶炼、碳黑

生产，CNG汽车和城市民用等。

随着城市建设进展，城市自然气事业快速壮大，公用、民用气用户大量增加，为减

轻环境污染，自然气在各行各业不断受到重视，它是二十一世纪一种清洁、高效、优质的

环保能源。

二、自然气的种类

依据油气藏的特点，自然气可分为三类，即气田气、凝析气田气和油田伴生气。

⑴气田气热值一般为34.69MJ/Nm3(8300KCAL/Nm3),是指在开采过程中没有或只

有较少自然汽油凝析出来的自然气，这种自然气在气藏中，足类以单相存在，其甲

烷的含量约为80%〜90%,而戊烷以上的烧类组分含量很少。

⑵凝析气田气热值一般为48.36MJ/Nm3(U569KCAL/Nm3),这种自然气中戊烷以

上的组分含量较多，但是在开采中没有较重组分的原油同时采出，只有凝析油同时采出。

⑶油田伴生气热值一般为45.47MJ/Nm3(10878KCAL7Nm3),这种自然气是油藏中

烧类以液相或气液两相共存，采油时与石油同时被采出，自然气中的重危组分较多。

依据自然气中燃类组分的含量多少，自然气可分为干气和湿气。

⑴干气是指戊烷以上煌类可分散组分的含量低于100g/m'的自然气。干气中的甲

烷含量一般在90%以上，乙烷、丙烷、丁烷的含量不多，戊烷以上烧类组分很少。大部分

气田气都是干气。

⑵湿气是指戊烷以上煌类可分散组分的含量高于lOOg/d的自然气。湿气中的甲

烷含量一般在80%以下，戊烷以上的组分含量较高，开采中可同时回收自然汽油(即凝

析油)。一般状况下，油田气和部分凝析气田全可能是湿气。

依据自然气中的含硫量差别，自然气可分为洁气和酸性自然气。

⑴洁气通常是指不含硫或含硫量低于ZOnig/n?的自然气，洁气不需要脱硫净化处

理，即可以进行管道输送和一般用户使用。

⑵酸性自然气通常是指含硫量高于20mg/m3的自然气。酸性自然气中含硫化

氢以及其它硫化物组分，一般具有腐蚀性和毒性，影响用户使用。酸性自然气必需经

过脱硫净化处理后，才能进入输气管线。

三、自然气的组分

自然气是一种以饱和碳氢化合物为主要成分的混合气体，对已开采的世界各地区的

自然气分析化验结果证明，不同地区、不同类型的自然气，其所含组分是不同的。据

有关资料统计，各类自然气中包含的组分有一百多种，将这些组分加以归纳，大致可以

分为三大类，即燃类组分、含硫组分和其它组分。

只有碳和氢两种元素组成的有机化合物，称为碳氢化合物，简称燃类化合物。烧类化

合物是自然气的主要组分，大多数自然气中烧类组分含量为60%—90%。自然气

的燃类组分中，烷烧的比例最大。一般来说，大多数自然气的甲烷含量都很高，通常为

70%—90%。故通常将自然气作为甲烷来处理。

自然气中除甲烷组格外，还有乙烷、丙烷、丁烷（含正丁烷和异丁烷），它们在常温

常压下都是气体。

自然气中常含有肯定量的戊烷（碳五）、己烷（碳六）、庚烷（碳七）、辛烷（碳八）、壬烷（碳

九）、和癸烷（碳十）。大多数自然气中不饱和烧的总含量小于1%。有的自然气中含有

少量的环戊烷和环己烷。有的自然气中含有少量的芳香烧，其多数为苯、甲苯和二甲苯。

自然气中的含硫组分，可分为无机硫化物和有机硫化物两类。

无机硫化物组分，只有硫化氢，分子式为HzS。硫化氢是一种比空气重、可燃、有毒、

有臭鸭蛋气味的气体。硫化氢的水溶液叫硫氢酸，显酸性，故称硫化氢为酸性气体。有水

存在的状况下，硫化氢对金属有猛烈的腐蚀作用，硫化氢还会使化工生产中常用的催化剂

中毒而失去活性（催化力量减弱）。

自然气中有时含有少量的有机硫化物组分，例如硫醇、硫酸、二硫酸、二硫化碳、

拨基硫、曝酚、硫酚等。有机酸化物对金属的腐蚀不及硫化氢严峻，但使催化剂失去活性。

大多数有机硫有毒、具有臭味、会污染大气。

自然气中含有硫化物时，必需经过脱硫净化处理，才能进行管输和利用自然气中，

除去垃类和含硫组分之外，还有二氧化碳及一氧化碳、氧和氮、氢、氮、氢以及水汽。故

二氧化碳是酸性气体，溶于水生成碳酸，对金属设备腐蚀严峻，通常在自然气脱硫工艺

中，将二氧化碳同硫化氢一起尽量脱除。二氧化碳在自然气中的含量，对于个别气井而

言，可高达10%以上。一氧化碳在自然气中的含量甚微。

自然气中有微量氧，多数自然气中含有氮，一般其含量在10%以下，也有高达

50%、甚至更多的。如美国某气EE生产的自然气中，氮的含量高达94%。自然气中氢、

氮、氧的含量极低，一般都在1%以下。自然气大多含有饱和水蒸气，随着温度降低，

水汽会不断冷凝为水。自然气中凝析出的水，会影响管输工作，假如自然气中含有硫

化氢和二氧化碳，会腐蚀设备及管道，故对自然气中的水汽应进行脱除处理。

四、自然气的性质

自然气分子质置自然气是由多种组分组成的混合气体，无明确的分子式，也就

无明确的相对分子质量。自然气的相对分子质量，是依据自然气各组分的相对分子质

量和它们的体积组成，用求和法计算的，通常称为视相对分子质量，简称相对分子质量。

相对分子质量与其组分的相对分子质量、组成、温度及压力有关。在低压条件下，压

力变化对气体粘度的影响不明显；气体粘度随温度的上升而增大；气体粘度随相对分子质

量的增大而减小；非燃类气体的粘度比是类气体的粘度高。在高压条件下，气体粘度随压

力的增大而增大；气体粘度随温度的增高而降低；气体的粘度随相对分子质量的增大而降

低。

自然气中的主要烧类组分甲烷，一般状况下，其体积组成为95%以上，故可以用甲

烷的粘度代替自然气粘度。

自然气的热值单位数量的自然气完全燃烧所放出的热量。自然气的主要组分

烧类。是由碳和氢构成的，氢在燃烧时生成水并被汽化，由液态变为气态，这样，一部分

燃烧热能就消耗于水的汽化。消耗于水的汽化的热叫汽化热（或蒸发潜热）。将汽化热计算

在内的热值叫全热值（高热值），不计算汽化热的热值叫净热值（低热值）。由于自然气

燃烧时汽化热无法利用，工程上通常用低热值即净热值。

自然气含水量指自然气中水汽的含量。自然气含水量的多少，通常用确定湿

度、相对湿度和露点来表示。确定湿度，是指单位数量自然气中所含水蒸气的质量，单

位是g/m）自然气为水汽饱和时的确定湿度，称之为饱和确定湿度，或简称饱和湿度。

饱和湿度是肯定压力和温度下自然气的水汽最大含量。自然气的饱和湿度随着温度的

上升而增大，随着压力的上升而降低。

在肯定压力下，自然气的含水量刚达到饱和湿度时的温度，称之为自然气的水露

点。露点是肯定压力下自然气为水汽饱和时的温度；是肯定压力下，自然气中刚有一

滴露珠消灭时的温度。

当自然气的温度降低到其露点温度时，就会凝析出液态水。自然气管输时，必需

将水汽尽量脱除，使其露点降低到输压条件下的输气温度以下。这样在输送过程中就不会

消灭液态水。

自然气的可燃性限和爆炸限可燃气体与空气的混合物进行稳定燃烧时，可燃气体

在混合气体中的最低浓度称为可燃下限，最高浓度称为可燃上限，可燃下限与可燃上限之

间的浓度范围称为可燃性界限，简称可燃性限。

可燃气体与空气的混合物，在封闭系统中遇明火发生爆炸时，足燃气体在混合气体中

的最低浓度称为爆炸下限，其最高浓度称为爆炸上限，爆炸上限与爆炸下限之间的可燃气

体的浓度范围，称为爆炸界限，简称爆炸限。

压力对可燃气体的可燃性限有很大影响，如当压力低于6665Pa时，自然气与空气

的混合气体遇明火不会发生爆炸c而在常温常压下，自然气的可燃性限为5%〜15%；

随着压力上升，爆炸限急剧上升，当压力为1.5Xl（fPa时，其爆炸上限高达58%。

自然气净化

1、自然气的杂质及危害

从气井中产生的自然气，往往含有气体、液体和固体杂质。液体杂质有水和油，固

体杂质有泥砂，岩石颗粒，气体杂质有H2S、C02等。这些杂质如不准时除掉，会对采气、

输气、脱硫和用户带来很大危害，影响生产的正常进行。其主要危害有：

⑴增加输气阻力，使管线输送力量下降。含液量越高，气流速度越低，越易在管线

低凹部位积液，形成液堵，严峻时甚至中断输气。

⑵含硫水会腐蚀管线和设备

⑶自然气中的固体杂质在高速流淌时会冲蚀管壁

(4)使自然气流量测量不准。

因此清除自然气中的固体、液体、汽体杂质，削减对管线设备、仪表的危害是自

然气净化的目的。

节流效应

自然气在流经节流装置和元件时，流速增加，体积膨胀、压力急剧降低的现象叫

做节流效应。

自然气流经节流体时，由于孔板孔口的横截面积比管道的内截面积小，自然气

要经过孔口，必需形成流属束收缩，增大流速。在挤过节流孔后，流速由于流通面积的

变大和流束的扩大而降低。所以，自然气流经节流体时，流速会变大，静压会降低。

由于水平流淌的自然气具有两种能量，即动能和势能，这两种能量在肯定条件下

可以相互转化。自然气流经节流体时，流速增加，动能增加；静压降低，压力能降低。

自然气流过节流体后，流速降低，动能降低；静压上升，压力能也上升。

由于节流体的节流效应，也产生了能量的节流损失。另外，自然气中的二氧化碳、

水分、硫化物更简洁在节流处产生水合物，冬天产生冰堵现象，影响正常输气生产和管

线平安。所以，应定时排污，或者安装伴热装置。

四、主要参数

1、主要成分：CH4(甲烷)，另外含有少量的其他烷燃

以及氮、二氧化碳、硫化氢、水份等。

2、临界温度：-82.3C,临界压力4.58MPa。

3、沸点：-162℃(latm),着火点：650℃

4、低热值：8800Kcal/Nm3(36.96MJ/Nm3)

5、高热值：9700Kcal/Nm3(40.98MJ/Nm3)

6、爆炸范围：下限为5%,上限为15%

7、气态密度：0.75Kg/Nm3,为空气的0.58倍。

8、华白指数：44.94MJ/Nm3

9、燃烧势：45.18

以上数据按CH4含量约为97%的自然气参数，为近似值。

五、自然气的类别

类别基准燃气界限燃气波动范围（％）

W(MJ/m3)CPW(MJ/m3)CPWCP

4T18.02516.7-19.3022-57-7-7-12-128

6T26.42924.5-28.225-65-7-7-14-124

10T43.83341.2-47.331-34-6-8-6-3

12T53.54048.1-57.836-88-10-8-10-120

13T56.54154.3-58.840-94-4-4-3-129

六、自然气的燃烧

1、燃烧

自然气和氧气在达到肯定浓度及肯定温度下可以燃烧，燃烧产物主要是水和二氧化

碳，当氧气不足时，燃烧会产生co。

CH4+2O2=CO2+2H2O

lNm3自然气燃烧需要2Nm3氧气（即需要约10Nm3空气）

因此从平安角度讲，使用自然气的厨房需要良好通风；卫生间内安装旧式的直排式热

水器是相当危急的。

2、爆炸

自然气在室内空气中的含量达到5%-15%时,一遇明火或高温物体，甚至开关电灯时

所产生的电火花，都可引起门窗紧闭的房间发生爆炸。

自然气中含有少量的硫化氢气体，国家有关规范要求，一立方米自然气中硫化氢含

量小于或等于20亳克，它具有臭皮蛋气味，并且硫化氢气体还是一种猛烈的神经性毒物。

为保证使用平安，城市燃气内添加臭剂（通常为四制嘎吩），臭剂量15〜20mg/Nm3,

保证自然气在空气中浓度达到1%时即可闻到。

3、华白数

华白数是一项把握燃具热负荷恒定状况的指标。是燃气互换性指标，色白数在土10%内的

两种燃气可以互换。W=Qh/Sl/2

W-华白数；

Qh-自然气的高热值；

S-自然气的相对密度；

4、燃烧势

燃烧势是反映燃气燃烧火焰所产生离焰、回火、黄焰和不完全燃烧的倾向性的一项反映燃具

燃气燃烧稳定的状态的综合指标。是不同类型燃气间互换时燃烧稳定状态的特性指数。

Cp=K{H2+0.6（CmHn+Co）+0.3CH4}/Sl/2K=1+0.0054022

5、热值

单位体积自然气完全燃烧可放出的热量称为自然气的热值，单位KJ/Nm3。

热值分高热值和低热值两种。

自然气的高热值在数值上大于低热值，区分是高热值指烟气中所含水蒸气以冷凝状态所释

放的汽化潜热。

6、着火温度

指燃气与空气的混合物开头进行燃烧反应的自燃的最低温度。甲烷着火温度为540°C。

7、燃烧速度

垂直于燃烧焰面，火焰向未燃烧气体方向传播的速度叫做燃烧速度。甲烷最大燃烧速度为

0.38米/秒。

8、自然气的临界参数

当温度低于某一数值时，对气沐进行加压，都可以等温压缩成液体，但当高于该温度时,

无论加多大压，都不能使气体液化。可使气体压缩成液体的这个极限温度称为该气体的临界

温度。当温度等于临界温度时，使气体液化时所必需的最低压力称为临界压力。此时的状态

称为临界状态。气体在临界状态下的温度、压力、比体积、密度分别称为临界温度、临界压

力、临界比体积和临界密度。自然气的临界温度为-82.3C,临界压力4.58MPa。

9、各种热值

1千克标准煤的热值为29.308兆焦（7011KCal）

1度电（IKWh）的发热量为3.6兆焦（860KCal）

1千克重油的热值：10000KCAL/千克

汽油：10313KCAL/千克柴油：U014KCAL/T一克

10、民用建筑的采暖、空调及生活热水热负荷的计算

Qn=qXAX10-3Qn—采暖热负荷，KW：

q-采暖热指标，W/m2,A-采暖建筑物的建筑面积，m2

采暖热指标推举值

建筑物住宅学校医院旅馆商店食堂餐厅影剧大礼堂体育

类型办公托幼院展馆

览馆

热指标58-6460-8065-8040-7065-80115-14095-115115-165

W/m2

七、城市自然气热值和杂质含量的要求

1、自然气发热量，总硫、硫化氢含量、水露点指标应符合现行国家标准〈自然气）GB17820

的一类气或二类气的规定。

天然气的技术指标GB17820

项目一类二类三类试验方法

高位发热量（MJ/n?）>31.4GB\T11062

总硫（以硫计mg/m3）(100W200W460GB\T11061

硫化氢(mg/m3)W6W20W460GB\T11060.1

二氧化碳（％体积分数）W3.0GB\T13610

水露点（℃）在天然气交换点的压力和温度条GB\T17283

2、在自然气交接点的压力和瘀糜炳然靠熊水豳榔麟蝇低麻环境温度低5℃,

自然气中不应有固态、液态i戈搅漏榭版5℃

注：1、标准中气体体积的标准参比条件是101.325Kpa,20℃c

2、取样方法按GB\T13609。

八、自然气的储存与运输

1、管道输送

自然气在常温下不能液化，通常保持在肯定压力下接受管道输送。峨市间自然气管

道输送造价较高，通常需要较大规模用气量才可能实施长输管道工程。城市内自然气通常

全部接受管道输送至各用户。

2、CNG（压缩自然气）

将自然气压缩到20MPa,压缩后体积缩小约220倍，接受气瓶车运输至城市门站减

压供应城市用气，或压缩后供应CNG汽车作为燃料。

CNG储存效率较高，但是由于压力很高，需多级压缩，耗能较高，同时气瓶金属耗量

格外大，因此CNG汽车运输效率很低，因此通常为近距离小规模运输。一般为200公里，

最大400公里。

3、LNG（液化自然气）

将自然气深度冷冻，通常约-162C（即latm下，自然气的沸点温度），此时液化后

的体积约缩小约600多倍，接受低温槽车（国际间接受低温槽船）运输至城市气化站气化为

常温自然气供应城市用气。

LNG储存温度很低，储存压力略高于常压，储存效率高，单位体积运输费用较低。

国际间自然气贸易中LNG所占比重逐年增加，我国正在大力引进国外的LNG。

我国自然气资源分布不均，目前国内已有多座中小型LNG液化厂，并有多座正在建

设，极大的促进了国内自然气事业的进展。LNG的掩盖范围约10（X）-3000公里，每1000

公里运费约0.5元（指40立方米槽车）。

九、城市燃气管网压力级制

城镇燃气设计压力（表压）分级

名称压力(MPa)

高压A2.5<PW4.0

燃气管道B1.6<PW2.5

次高压A0.8<PWL6

燃气管道

B0.4<PW0.8

中压A0.2<PW0.4

燃气管道B0.01WPW0.2

低压燃气管道P<0.01

十、自然气水合物

1、什么是自然气水合物

自然气水合物结构简单而又极不稳定，它由自然气中的某些组分与水组成。自然

气水合物是一种白色结晶固体，外观形似松散的冰，或者致密的雪，密度为0.80〜0.90g

/cm3o自然气水合物是一种笼形晶状包络物，即水分子借氢键结合成笼形晶格，而气

体分子则在分子间力作用下被包围在晶格笼形孔室中。

自然气某些组分的水合物分子式为：CH4•6H20,C2H68H20,C3H8•17H20,

C4H10-17H20,II2S-6H20,C02・6H20。戊烷以上烷烽一般不形成水合物。

2、水合物形成和存在条件

一是自然气中有足够的水蒸汽并有液滴存在；

二是自然气处于适宜的温度和压力状态，即相当高的压力和相当低的温度。

3、水合物对输气生产的影响

水合物在输气干线或输气站某些管段（如弯头）、阀门、节流装置等处形成后，自然气

的流通面积减小，形成局部堵塞，其上游的压力增大，流量减小，下游的压力降低，因而

影响了正常输气和平稳为用户供气。同时，水合物若在节流孔板处形成，会影响计量自然

气流量的精确性。假如形成的水合物不准时排解，越来越多，堵塞越来越严峻,

以至于使上游自然气压力上升较大，引起担忧全事故发生。水合物形成堵塞时，下游用

户自然气流量会削减，以至影响用户的生产。为此，输气工应当重视自然气水合物形

成的危害，极积防止水合物形成，当水合物已形成时，应准时排解它。

4、防止水合物形成的方法

自然气中饱和水蒸汽是形成水合物的内因，温度和压力是形成水合物的外因。所以，

防止水合物形成可从两方面考虑，一是提高自然气的温度，二是削减自然气中水汽的

含量。

1、提高自然气的温度，即在节流阀前对自然气加温，或者敷设平行于输气管线

的伴热管线，使自然气流淌温度保持在自然气中的水露点温度以上，可以防止自然

气水合物的生成。

2、脱除自然气中的水汽，降低自然气的水露点，也可以防止水合物生成。脱除

自然气中的水汽，即对自然气进行干燥，然后再送人输气管道。

5、解除水合物堵塞的措施

一是降压，二是加热，三是注防冻剂。

1、降压解堵法，将部分自然气放空，降低输气管的压力，破坏水合物的形成条件,

即相应降低了形成水合物的温度，在水合物的形成温度刚一低于输气管线的气流温度时，

水合物就马上开头分解。这种水合物分解进行得很快速，整个操作过程仅需要10分钟左

右，这是由于当水合物的结晶壳刚开头液化时，水合物马上自管壁脱落下来，并被排出的

气流从输气管带出。

2、加热解堵法，即加热自然气，提高自然气的温度，破坏自然气水合物的形

成条件。

3、注入甲醵等防冻剂解堵法。甲醇有毒，操作人员应留意爱护自身不受侵害。解堵

后，管线内有凝析水和防冻剂，要准时用将其排出。

防冻剂

自然气水合物是自然气的某些组分（如甲烷）与水形成的结晶体，这种结晶体要在

气体中有足够的饱和水蒸气，即气体和水蒸气混合物中的水蒸气分压大于水合物的蒸气分

压时，水合物才能形成和存在。要分解水合物，就得削减气体中水分的含量，使水蒸气分

压低于水合物的蒸汽压。向输气管道某部位生成水合物处注人防冻剂，分解水合物，解除

堵塞，就是基于削减气体中水分含量这一道理进行的。

作为防冻剂，它主要的或基本性能，是具有良好的亲水性，即能吸取大量水分，削减

气体中的水分含量，使自然气的水蒸气分压低于水合物的蒸气压。其次是毒性应小、价

格廉价等，以有利于操作、削减污染、降低输气成本。

压缩自然气

一、概述

压缩自然气（CNG）是将管道自然气经过脱水、脱硫后用压缩机将自然气压力增加

到20-25Mpa。

目前主要应用于汽车燃料、城市小区、工业用户等领域。

压缩自然气具有清洁、储存效率高、运输使用便利、快捷等优点。

压缩自然气的应用还可解决管道施工困难的城市人口密集地区的清洁燃料供应问

题，从而有效提高城市气化率.解决部分需要