第二章 天然气基础知识
第一节 天然气的用途
随着天然气资源的不断发现和开采，天然气的利用范围正逐步扩大，主要表现在如下几方面：
1．天然气是重要的能源，是优质燃料。天然气具有热值高、运输和使用方便、燃烧完全、干净、无烟无渣、价格便宜等优点。因此，天然气广泛用于交通、冶金、电力、轻工、化工等行业的内燃机、炼钢、热处理、发电、工业锅炉、加热炉、印染、纺织、制盐等诸多方面；同时作为生活燃料大量供应给居民。在世界的燃料消费结构中，天然气已超过20％，并在继续增长。
2．天然气是宝贵的化工原料。与其它固体或液体化工原料相比，它具有含水、含灰分极少，含硫化物等杂质极微，使用、处理方便等优点。因此，使用天然气作为化工原料，可使生产的产品成本降低，提高劳动生产率。用天然气作化工原料，可以生产近千种化工产品。目前国内外大规模生产的天然气化工产品有数十种，其中一部分是中间产品，主要有合成氨、甲醇、乙炔、甲烷氯化物、硝基甲烷、甲醛、氢氰酸、稀烃、芳烃、二硫化碳和碳黑等等。利用上述产品，可以进一步加工制造氮肥、有机玻璃、合成纤维、合成朔料、医药、溶剂、冷冻剂、灭火剂、电影胶片、炸药、高能燃料等等。而合成纤维、合成橡胶及塑料还可以进一步加工，制造出众多的工业、农业、军事和民用产品。
3．可从天然气中提炼宝贵的氦气和氩气，用于航天和电气工程；回收单质硫以制造硫酸、农药及其它硫化物产品。利用天然气可以生产出石油蛋白，作为饲料代替粮食喂养家禽、家畜和鱼类，效果很好。
总之，天然气不仅在工业、农业、国防等国民经济的各个方面发挥着重要作用，而且天然气及其产品，已广泛地应用于人们生活的各个领域之中。
第二节 天然气的组分
一、 天然气的组成
天然气是一种以饱和碳氢化合物为主要成分的混合气体，对以开采的世界各地区的天然气分析化验结果证实，不同地区，不同类型的天然气，所含组分是不同的。据有关材料统计，各类天然气中所包含的组分有100 多种， 将这些组分加以归纳，大致可以分为三大类型， 即烃类组分，含硫组分和其他组分。
1．烃类组分
碳和氢两种元素组成的有机化合物，称之为碳氢化合物， 简称为烃类化合物。烃类化合物是天然气的主要成分，大多数天然气中烃类组分含量为６０％—８０％。
烃类化合物有饱和烃，不饱和烃，环烷烃及芳香烃之分。烃分子中，碳—碳原子之间单键相连，四价的碳原子的其余价键被氢饱和，称之为饱和烃，也称为烷烃，其分子通式为：CnH2n+2 。烃分子中，碳—碳以双键相连，四价的碳原子的其余价键被氢饱和，称之为烯烃，其分子通式为：CnH2n 。烃分子中，碳—碳以三键相连，四价的碳原子的其余价键被氢饱和，称之为炔烃，炔烃的分子通式为：CnH2n-2 。分子中碳键首尾相连的烷烃，称之为环烷烃，分子中含有苯环的碳氢化合物称之为芳香烃。
天然气中的烃类组分，烷烃的比例最大，其中最简单的是甲烷，分子式为C1H4 。一般来说，大多数天然气的成分是甲烷，其含量通常为７０％—９０％。甲烷是无色，无臭，比空气轻的可燃气体，是优良的气体燃料。甲烷的化学性质相当的稳定，但经过热裂解，水蒸气转化，卤化以及硝化等反应后，可以制造出化肥，塑料，橡胶及人造纤维等，即甲烷同时是一种用途广泛的化工原料。 天然气中除甲烷组分外，还有，乙烷，丙烷，丁烷（正丁烷和异丁烷），它们在常温常压下都是气体。有些天然气中乙烷，丙烷，丁烷的含量较多，而丙烷，丁烷可以经适当加压降温而液化，这就是通常所说的液化石油气，简称液化气。液化气可以进行加工制成许多化工产品，是很宝贵的化工原料，同时也可以装入罐内，供给城市居民生活使用。
天然气中还含有一定量的戊烷 （C5）乙烷（C6）庚烷 （C7）辛烷 (C8) 任烷 (C9) 和葵烷 (C10) 等含量较多的烷烃，简称为碳五以上的组分，它们在常温常压下是液体，是一种天然汽油的主要成分。在天然气开采中，上述组分凝析为
液态而被回收，称之为凝析油，是一种天然气的汽油，可以用作汽车的燃料。至于含碳量更多的烷烃，在天然气中的含量级少。
不饱和烃烯烃及炔烃，在天然气中的含量很少，大多数天然气中不饱和烃的总含量小于1%。有些天然气中含有少量的环戊烷和环己烷。有些天然气中含有少量的芳香烃，其多数为苯，甲苯及二甲苯，上述组分，常常可以和凝析油一起从天然气中分离出来。
2．含硫组分
天然气中含硫组分，可以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H2S 。硫化氢是一种比空气重，可燃，有毒，有臭鸡蛋气味的气体，硫化氢的水溶液叫氢硫酸，显酸性，故称硫化氢为酸性气体。有水存在的情况下，硫化氢对金属有强烈的腐蚀做用，硫化氢还会使化工生产中的催化剂中毒而失去活性（催化能力减弱）。因此天然气中含有硫化氢，必须经过脱硫处理，才能进行管输和利用。由脱硫工艺可知，在进行天然气脱硫的同时，可以回收硫化氢，并将其转化成硫磺及进一步加工成硫化工产品。
3．其它组分
天然气中，除去烃类和含硫组分外，相对而言，较为多件的组分还有二氧化碳，氧和氮，氢，氦，氩以及水汽。
二氧化碳是无色，无臭，比空气重的不可燃气体，溶于水生成碳酸，故二氧化碳也是酸性气体。有水存在的情况下，二氧化碳对金属设备及管线腐蚀严重，通常在天然气脱硫工业中，尽量将二氧化碳和硫化氢一起除去二氧化碳在天然气中的含量，对个别气井而言 ，可以高达10% 以上，一氧化碳在天然气中的含量甚微。
在某些天然气中发现有微量氧，大多数天然气中含有氮，一般情况下其含量都在 １０％以下，个别的天然气中也有高达５０％，甚至更高，例如美国某气田生产的天然气中，氮的含量高达９４％。天然气中的氢，氩，氦的含量极地一般在１％以下。
大多数含有饱和水蒸气，即水气。随着天然气的开采输送，天然气温度降低，其中的水汽会不断冷凝为液态水，天然气中凝析出的液态水会影响管输工作，如果遇上二氧化碳和硫化氢，会腐蚀金属设备及管道，故天然气中的饱和水汽，应
进行脱除。
二、天然气的成分表示法
为了了解天然气的组成，可以对天然气组分作全面分析，目前采用的分析仪器为气相色谱仪，主要有美国惠普和日本岛津系列气相色谱仪。表示天然气组成有三种方法：摩尔组成、体积组成、和质量组成。
1．摩尔组成
这是目前最长用的一种表示方法，等于该组分的摩尔数与天然气的摩尔数之比值，常用符号yi表示气中组分i的摩尔组成，其表达式为：
yi=ni
∑n
i=1n i
式中 ni——气组分i的摩尔数；
∑n
i=1ni——气体总摩尔数。
2、体积组成
天然气中某组分的体积组成，是指该组分的体积量与天然气的体积量之比值，也常用符号yi表示气中组分i的体积组成；其表达式为：
yi=Vi
∑V
i=1n i
式中 Vi——气组分i的体积；
∑V
i=1ni——气体总体积。
3．质量组成
天然气中某些组分的质量组成，是指该组分的质量与天然气的质量之比值，用符号Gi表示为：
Gi=mimi =mmi
式中： gi—— 天然气 i组分的质量组成； mi—— 天然气 i组分的质量，kg、g； m—— 天然气的质量，kg、g 。
利用上式，可以计算天然气某组分的质量组成。
第二章 天然气基础知识
第一节 天然气的用途
随着天然气资源的不断发现和开采，天然气的利用范围正逐步扩大，主要表现在如下几方面：
1．天然气是重要的能源，是优质燃料。天然气具有热值高、运输和使用方便、燃烧完全、干净、无烟无渣、价格便宜等优点。因此，天然气广泛用于交通、冶金、电力、轻工、化工等行业的内燃机、炼钢、热处理、发电、工业锅炉、加热炉、印染、纺织、制盐等诸多方面；同时作为生活燃料大量供应给居民。在世界的燃料消费结构中，天然气已超过20％，并在继续增长。
2．天然气是宝贵的化工原料。与其它固体或液体化工原料相比，它具有含水、含灰分极少，含硫化物等杂质极微，使用、处理方便等优点。因此，使用天然气作为化工原料，可使生产的产品成本降低，提高劳动生产率。用天然气作化工原料，可以生产近千种化工产品。目前国内外大规模生产的天然气化工产品有数十种，其中一部分是中间产品，主要有合成氨、甲醇、乙炔、甲烷氯化物、硝基甲烷、甲醛、氢氰酸、稀烃、芳烃、二硫化碳和碳黑等等。利用上述产品，可以进一步加工制造氮肥、有机玻璃、合成纤维、合成朔料、医药、溶剂、冷冻剂、灭火剂、电影胶片、炸药、高能燃料等等。而合成纤维、合成橡胶及塑料还可以进一步加工，制造出众多的工业、农业、军事和民用产品。
3．可从天然气中提炼宝贵的氦气和氩气，用于航天和电气工程；回收单质硫以制造硫酸、农药及其它硫化物产品。利用天然气可以生产出石油蛋白，作为饲料代替粮食喂养家禽、家畜和鱼类，效果很好。
总之，天然气不仅在工业、农业、国防等国民经济的各个方面发挥着重要作用，而且天然气及其产品，已广泛地应用于人们生活的各个领域之中。
第二节 天然气的组分
一、 天然气的组成
天然气是一种以饱和碳氢化合物为主要成分的混合气体，对以开采的世界各地区的天然气分析化验结果证实，不同地区，不同类型的天然气，所含组分是不同的。据有关材料统计，各类天然气中所包含的组分有100 多种， 将这些组分加以归纳，大致可以分为三大类型， 即烃类组分，含硫组分和其他组分。
1．烃类组分
碳和氢两种元素组成的有机化合物，称之为碳氢化合物， 简称为烃类化合物。烃类化合物是天然气的主要成分，大多数天然气中烃类组分含量为６０％—８０％。
烃类化合物有饱和烃，不饱和烃，环烷烃及芳香烃之分。烃分子中，碳—碳原子之间单键相连，四价的碳原子的其余价键被氢饱和，称之为饱和烃，也称为烷烃，其分子通式为：CnH2n+2 。烃分子中，碳—碳以双键相连，四价的碳原子的其余价键被氢饱和，称之为烯烃，其分子通式为：CnH2n 。烃分子中，碳—碳以三键相连，四价的碳原子的其余价键被氢饱和，称之为炔烃，炔烃的分子通式为：CnH2n-2 。分子中碳键首尾相连的烷烃，称之为环烷烃，分子中含有苯环的碳氢化合物称之为芳香烃。
天然气中的烃类组分，烷烃的比例最大，其中最简单的是甲烷，分子式为C1H4 。一般来说，大多数天然气的成分是甲烷，其含量通常为７０％—９０％。甲烷是无色，无臭，比空气轻的可燃气体，是优良的气体燃料。甲烷的化学性质相当的稳定，但经过热裂解，水蒸气转化，卤化以及硝化等反应后，可以制造出化肥，塑料，橡胶及人造纤维等，即甲烷同时是一种用途广泛的化工原料。 天然气中除甲烷组分外，还有，乙烷，丙烷，丁烷（正丁烷和异丁烷），它们在常温常压下都是气体。有些天然气中乙烷，丙烷，丁烷的含量较多，而丙烷，丁烷可以经适当加压降温而液化，这就是通常所说的液化石油气，简称液化气。液化气可以进行加工制成许多化工产品，是很宝贵的化工原料，同时也可以装入罐内，供给城市居民生活使用。
天然气中还含有一定量的戊烷 （C5）乙烷（C6）庚烷 （C7）辛烷 (C8) 任烷 (C9) 和葵烷 (C10) 等含量较多的烷烃，简称为碳五以上的组分，它们在常温常压下是液体，是一种天然汽油的主要成分。在天然气开采中，上述组分凝析为
液态而被回收，称之为凝析油，是一种天然气的汽油，可以用作汽车的燃料。至于含碳量更多的烷烃，在天然气中的含量级少。
不饱和烃烯烃及炔烃，在天然气中的含量很少，大多数天然气中不饱和烃的总含量小于1%。有些天然气中含有少量的环戊烷和环己烷。有些天然气中含有少量的芳香烃，其多数为苯，甲苯及二甲苯，上述组分，常常可以和凝析油一起从天然气中分离出来。
2．含硫组分
天然气中含硫组分，可以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H2S 。硫化氢是一种比空气重，可燃，有毒，有臭鸡蛋气味的气体，硫化氢的水溶液叫氢硫酸，显酸性，故称硫化氢为酸性气体。有水存在的情况下，硫化氢对金属有强烈的腐蚀做用，硫化氢还会使化工生产中的催化剂中毒而失去活性（催化能力减弱）。因此天然气中含有硫化氢，必须经过脱硫处理，才能进行管输和利用。由脱硫工艺可知，在进行天然气脱硫的同时，可以回收硫化氢，并将其转化成硫磺及进一步加工成硫化工产品。
3．其它组分
天然气中，除去烃类和含硫组分外，相对而言，较为多件的组分还有二氧化碳，氧和氮，氢，氦，氩以及水汽。
二氧化碳是无色，无臭，比空气重的不可燃气体，溶于水生成碳酸，故二氧化碳也是酸性气体。有水存在的情况下，二氧化碳对金属设备及管线腐蚀严重，通常在天然气脱硫工业中，尽量将二氧化碳和硫化氢一起除去二氧化碳在天然气中的含量，对个别气井而言 ，可以高达10% 以上，一氧化碳在天然气中的含量甚微。
在某些天然气中发现有微量氧，大多数天然气中含有氮，一般情况下其含量都在 １０％以下，个别的天然气中也有高达５０％，甚至更高，例如美国某气田生产的天然气中，氮的含量高达９４％。天然气中的氢，氩，氦的含量极地一般在１％以下。
大多数含有饱和水蒸气，即水气。随着天然气的开采输送，天然气温度降低，其中的水汽会不断冷凝为液态水，天然气中凝析出的液态水会影响管输工作，如果遇上二氧化碳和硫化氢，会腐蚀金属设备及管道，故天然气中的饱和水汽，应
进行脱除。
二、天然气的成分表示法
为了了解天然气的组成，可以对天然气组分作全面分析，目前采用的分析仪器为气相色谱仪，主要有美国惠普和日本岛津系列气相色谱仪。表示天然气组成有三种方法：摩尔组成、体积组成、和质量组成。
1．摩尔组成
这是目前最长用的一种表示方法，等于该组分的摩尔数与天然气的摩尔数之比值，常用符号yi表示气中组分i的摩尔组成，其表达式为：
yi=ni
∑n
i=1n i
式中 ni——气组分i的摩尔数；
∑n
i=1ni——气体总摩尔数。
2、体积组成
天然气中某组分的体积组成，是指该组分的体积量与天然气的体积量之比值，也常用符号yi表示气中组分i的体积组成；其表达式为：
yi=Vi
∑V
i=1n i
式中 Vi——气组分i的体积；
∑V
i=1ni——气体总体积。
3．质量组成
天然气中某些组分的质量组成，是指该组分的质量与天然气的质量之比值，用符号Gi表示为：
Gi=mimi =mmi
式中： gi—— 天然气 i组分的质量组成； mi—— 天然气 i组分的质量，kg、g； m—— 天然气的质量，kg、g 。
利用上式，可以计算天然气某组分的质量组成。