4.2　天然气的性质

4.2.1　天然气的基本性质

天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，主要成分为甲烷，也包括一定量的乙烷、丙烷和重质碳氢化合物，还有少量的氮气、氧气、二氧化碳和硫化物。

甲烷是最简单的有机化合物，也是最简单的脂肪族烷烃。甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原子组成的，图4-3为甲烷的分子结构示意图。

甲烷燃烧的产物是二氧化碳和水，反应式如下：

CH₄+2O₂ CO₂+2H₂O　　+0.803MJ

甲烷的相对密度为0.5547（空气=1），沸点-161.5℃，自燃点537.78℃，能与空气混合形成爆炸性气体，爆炸极限为5.0%～15.0%（体积分数）。

一般介绍天然气的主要成分为甲烷，但事实上天然气还含有硫化氢（H₂S）、氰化氢（HCN）等有毒气体以及少量氮气和微量的氦、氩等惰性气体，甚至某些地区的天然气以二氧化碳为主要成分（甚至高达99%以上）。2003年底重庆的井喷毒气伤人事件，就是混杂在天然气中的H₂S、HCN等使人中毒。

4.2.2　天然气的分类和组成

（1）天然气的分类

目前发现和利用的天然气有六大类：油型气、煤成气、生物成因气、无机成因气、水合物气和深海水合物圈闭气。人们日常所说的天然气通常指天然气田、油田伴生气和煤田伴生气。

天然气田气也称气藏气、气层气，它在地下储集层中呈现单一的气相，采出地面就是气相的天然气。这类气的主要成分是甲烷，其次有少量的乙烷、丙烷、丁烷和非烃类气体。

伴生气又可细分为油田伴生气和煤田伴生气。

油田伴生气在地下储集层中伴随原油共生，伴生气以溶解的方式溶解在原油中或以自由气的形式在含油储集层的上部游离存在（这种气也称气顶气）。当伴生气随原油采出地面后，要与原油进行初步分离再进一步加工。

煤田伴生气也称煤层气，俗称瓦斯。其主要成分为高纯度甲烷，是成煤过程中生成的并以吸附和游离状态赋存于煤层及周岩的自储式天然气体，属于非常规的天然气。我国煤矿高瓦斯煤层气是我国常规天然气最现实、最可靠的替代能源。

在采煤工业中，煤层气是矿井致爆的主要因素，被称为煤矿“第一杀手”。因此研究煤层气的开发利用，既可以有效解决煤矿瓦斯治理问题，保障采煤安全，又可提供新的洁净能源资源。对加强环境保护，并为下游产品提供丰富的基础原料具有十分重要的意义。

伴生气一般都是富气，甲烷成分高，也含有一定的乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以上的烃类，有时还有少量的非烃类气体。

凝析气是指在地下储集层中呈现均一气相，在开采过程中由于气体温度、压力降至露点状态以下发生反凝析现象而析出油的天然气。凝析气除了含有甲烷、乙烷外，还含有丙烷、丁烷及以上的烃类，直至天然的汽油和柴油组分等。

（2）天然气的组成

科学家们认为，天然气的形成多数与古生物有关。在地质历史中，海洋里生存着大量的生物，它们在生长过程中具有分泌钙质骨骼的能力。在水深、温度、光照和海水含盐度适宜的条件下，这些生物一代又一代地繁殖，便形成了坚固的生物礁。在漫长的地质史中形成的礁体厚度巨大，它们死亡后，被沉积物覆盖并埋藏在地层深部，在长期的地质作用下逐渐成为石油和天然气形成的物质基础。在低温条件下，有机质可由细菌作用形成生物生成气；在超成熟阶段的高温变质作用下，可生成大量的甲烷气；在煤系地层中，可产生大量煤层气。天然气中甲烷以外的组分在低温高压下液化得到的液态产物称为天然气液体。而包括甲烷在内的各种天然气在-160℃和相应的压力下液化处理后得到的产物称为液化天然气。

从组成上讲，天然气可分为干气和湿气。一般将甲烷含量大于90%的天然气称为干气，而低于90%的称为湿气。湿气中乙烷、丙烷、丁烷及C₄以上烃类占有一定含量。

按来源分，天然气可分为三类，即纯气井生产的气井气（干气）、凝析气井气（湿气）和油田伴生气。随油田不同，油田伴生气的气量相差较大。

表4-5列出了四川天然气组分及参数，以此可作其他地区天然气产品的参考。

4.2.3　天然气的商业标准

天然气商品的质量要求不是按其组成，而是按照经济效益、安全卫生和环境要求等几方面的因素进行综合考虑确定的。因此不同的国家或地区都有不同的商品天然气的质量标准。我国在1989年由原中国石油天然气总公司发布了第一个行业标准《天然气》，标准代号SY 7514—88（见表4-6）。

通常商品天然气的质量标准包含有以下几项指标。

（1）热值

热值是表示天然气质量的最主要的指标之一。热值是指燃烧一定体积或质量的燃气所能放出的热量，也称燃气的发热量，可分为高位热值和低位热值。高位热值是指规定量的气体完全燃烧，所生成的水蒸气完全冷凝成水而释放出的热量。低位热值是指规定量的气体完全燃烧，燃烧产物的温度与天然气初始温度相同，所生成的水蒸气保持气相而释放出的热量，燃气的高、低位热值通常相差为10%左右。日本和大多数北美国家习惯于使用燃气的高位热值，我国和大多数欧洲国家习惯于用低位热值。

天然气的低位热值在31～44MJ/m³的范围，而人工燃气，如焦炉煤气、压力气化煤气的低位热值在15～18MJ/m³之间，这说明天然气的热值大约为人工燃气的2倍左右。

（2）华白（Wobb）指数

华白指数是代表燃气特性的一个参数。在燃气工程中，对不同类型燃气间进行互换时，要考虑衡量热流量大小的特性指数。当燃烧器喷嘴前压力不变时，华白指数W与燃气热值H成正比，与燃气相对密度的平方根成反比，华白指数定义为：

　　 （4-1）

式中　W——华白指数，也称热负荷指数；

H——燃气热值，kJ/m³；

d——燃气相对密度（设空气的d=1）。

设两种燃气的热值和密度均不相同，但只要它们的华白指数相等，就能在同一燃气压力下在同一燃具上获得同一热负荷。如果其中一种燃气的华白指数较另一种大，则热负荷也较另一种大，因此华白指数又称热负荷指数。如果两种燃具有相同的华白指数，则在互换时能使燃具保持相同的热负荷和一次空气系数。如果置换气的华白指数比基准气大，则在置换时燃具热负荷将增大，而一次空气系数将减小，因此华白指数是一个互换性指数。各国规定在两种燃气互换时华白指数的变化不大于±（5%～10%）。

（3）烃露点

天然气中除了主要成分甲烷之外，还含有其他烃类，这些烃类组分含碳量增加，其露点随之降低。在此规定了在某一压力下，天然气最高的烃露点数值。此项要求主要用来防止在输气或配气管道中有液态烃析出。

（4）水露点

是指在输气管道压力状态下天然气中水的露点，此项要求用来防止输气或配气管道中有液态水析出。

（5）硫含量

天然气中的硫含量通常用H₂S含量和总硫含量表示。一般要求天然气中的硫化氢含量不高于6～20mg/m³。对天然气中总硫含量一般要求小于480mg/m³。

（6）二氧化碳含量

二氧化碳也是天然气中的酸性组分，而且二氧化碳还是不可燃组分。因此，一般都规定天然气中二氧化碳含量不高于2%～3%。