一、天然气基础知识

二、天然处理工艺

三、天然气轻烃回收工艺技术

序

煤、石油和天然气是当今世界一次能源的三大支柱。随着经济的发展，世界能源结构正在改变，由以煤为主改变为以石油、天然气为主。天然气是一种高效、清洁、使用方便的优质能源．也是重要的化工原料。具有明显的社会效益、环境效益和经济效益。天然气的用途越来越广，需求不断增加。

一、天然气基础知识

什么是天然气？

中文名称：天然气

英文名称：natural gas

定义1：一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。

定义2：地下采出的，以甲烷为主的可燃气体。它是石蜡族低分子饱和烃气体和少量非烃气体的混合物。

（一）、天然气组成分类

1、烃类

烷烃：绝大多数天然气是以CH4为主要成分，占60%～～90%(V)。同时也含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷。有的天然气还含有戊烷以上的组分，如C5～C10的烷烃。

(2) 烯烃和炔烃：天然气有时含有少量低分子烯烃如乙烯和极微量的低分子炔烃(如乙炔)。

(3) 环烷烃：天然气中有时含有少量的环戊烷和环已烷

(4) 芳香烃：天然气中的芳香烃多为苯、甲苯和二甲苯。

2、非烃类

(1) 硫化物： H2S、CS2、COS(羰基硫)、RSH(硫醇)、RSR(硫醚)、R-S-S-R(硫代羧酸和二硫化物)、C4H4S（噻吩）。

(2) 含氧化合物：CO2、CO、H2O。

(3) 其它气体：He、N2。H2 。

3、天然气的分类

天然气的分类方法通常有三种。    

(1)按照油气藏的特点和开采的方法不同，天然气可分为三类，即气田气、凝析气田气和油田伴生气。

 ①气田气是指从纯气田开采出来的天然气，它在开采过程中没有或只有较少天然汽油凝析出来。这种天然气在气藏中，烃类以单相存在，其甲烷的含量约为80％～90％（体积分数)，还古有少量的乙烷、丙烷和丁烷等，而戊烷以上的烃类组分含量很少。

 ②凝折气田气是指在开采过程中有较多天然汽油凝析出来的天然气，这种天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。

 ③油田伴生气是指油田中与石油起开采出来的天然气。在开采过程中随着压力下降到低于饱和压力时天然气从石油中分离出来。这种天然气是油藏中烃类以液相或气液两相共存．开采时与石油同时被采出，天然气中的重烃组分较多。

 (2)按照天然气中戊烷以上烃类组分的含量多少，天然气可分为干气和湿气。

 ①干气是指戍烷以上烃类(天然汽油)可凝结组分的含量低于100g/m³的天然气。干气中的甲烷含量一般在90％（体积分数）以上，乙烷、丙烷、丁烷的含量不多，戊烷以上烃类组分很少。大部分气田气都是干气。

 ②湿气是指戊烷以上烃类(天然汽油)可凝结组分的含量高于100g/m³的天然气湿气中的甲烷含量一般在80％（体积分数）以下，戊烷以上的组分含量较高，开采中可同时回收天热汽油(即凝析油)。一般情况下，油田气和部分凝析气田气可能全是湿气。

(3)按照天然气中的含硫量差别，天然气可分为洁气和酸性天然气。

①洁气通常是指不含硫或含硫量低于20mg/m³的天然气，洁气不需要脱硫净化处理，即可以进行管道输送和供一般用户使用。

②酸性天然气通常是指含硫量高于20mg/m³的天然气。酸性天然气中含硫化氢以及其他硫化物组分。一般具有腐蚀性和毒性，影响用户使用。酸性天然气必须经过脱硫处理后才能进入输气管线，否则会造成金属腐蚀。在供用户使用前一般应予脱除。

（二）、天然气处理与加工的原因

1、所有的酸气(H2S、CO2)必须脱除，从经济和环境上考虑，H2S通常转换成元素硫；

2、所有的游离液体(液烃、水)必须脱除，因为液烃和水的存在对天然气的输送影响很大；

3、所有比丙烷重的烃类也应该除去，一方面可以增加经济效益，另一方面可满足管输标准。

另外，从地层中开采出来的天然气可能携带有固体杂质，也必须除去。

从以上几方面考虑，井口气必须经过加工和处理以后才能成商品气。

（三）、天然气处理与加工的范畴

天然气处理与加工指从井口到输气管网的全部过程。包括采气管线、井场分离、集气管线、净化处理、脱水、轻烃回收、输气管网等，如下图。

单元过程：节流、闪蒸、吸收、解吸、精馏、换热、反应、吸附等。

（四）、天然气产品质量指标

1、天然气产品：

商品气(sales gas)、液化石油气(LPG)、稳定轻烃等。

2、产品技术指标

(1)热值(heat value)

(2)含硫量(sulfur content)

(3)烃露点(hydrocarbon dew point)

(4)水露点(water dew point)

(5)含水量(moisture content)

热值（heat value）

 单位体积或质量天然气的高发热量或低发热量。

 为使天然气用户能恰当地确定其加热设备，确定热值是必要的。

 天然气质量的一个重要指标就是沃泊数（Wobbe number），它是天然气最高热值与相对密度的平方根的比值。 

含硫量（sulfur content ）

 常以H2S含量或总硫（H2S及其它形态的硫）含量来表示。

 为了控制天然的腐蚀性和出于对人类自身健康和安全的考虑，一般而言，H2S含量不高于6～24mg/m³。

 油田气由于往往不含硫，故一般不进行脱硫处理。 

烃露点（hydrocarbon dew point）

 在一定压力下从天然气中开始凝结出第一滴液烃时的温度，它与天然气的压力和组成有关。

 为防止天然气在输配管线中有液烃凝结并在管道低洼处积液，影响正常输气甚至堵塞管线，目前许多国家都对商品天然气规定了脱油除尘的要求，规定了一定压力条件下天然气的最高允许烃露点。

水露点（water dew point）

 水露点指在一定压力条件下，天然气与液态水平衡时（此时，天然气的含水量为最大含水量，即饱和含水量）所对应的温度。  

 一般要求天然气水露点比输气管线可能达到的最低温度低5～6℃。

含水量（(moisture content)）

 在地层温度和压力条件下，水在天然气中通常以饱和水蒸气的形式存在，水蒸气的存在往往给天然气的集输和加工带来一系列的危害，因此，规定天然气的水蒸气含量是十分重要的。

 天然气的含水量以单位体积天然气中所含水蒸气量的多少来表示，有时也用天然气的水露点来表示。

天然气气质标准

天然气处理工艺技术

（一）、天然气脱水的主要原因

1、天然气会与其中所带的液体或水形成固体化合物，造成堵塞

阀门，设备甚至是整个管线。

2、造成腐蚀，特别是在CO2和H2S存在的情况下。

3、水会在管线中冷凝，从而造成段塞流。

4、对于长输管线，会降低管线的输气能力。减少天然气的热值。

5、外输气必须满足气体质量标准。

6、脱水能保证天然气在深冷的条件下装置能正常运行。

因此必须把大部分水脱除。

在一定温度和压力条件下、天然气的某些组分与液态水生成的一种外形像冰、但晶体结构与冰不同的笼形化合物称为天然气水合物。

1、物理性质

 ①白色固体结晶，外观类似压实的冰雪；

 ②轻于水、重于液烃 ，相对密度为0.960.98；

 ③半稳定性，在大气环境下很快分解。

天然气水合物

2、结构

 采用X射线衍射法对水合物进行结构测定发现，气体水合物是由多个填充气体分子的笼状晶格构成的晶体，晶体结构有三种类型：I、II、H型。

3、生成条件

（1）气体处于水蒸汽的过饱和状态或者有液态水，即气体和液态水共存；

（2）一定的压力温度条件——高压、低温；

（3）气体处于紊流脉动状态，如：压力波动或流向突变产生搅动，或有晶种(固体腐蚀产物、水垢等)存在都会促进产生水合物。 因此，在孔板、弯头、阀门、管线上计量气体温度的温度计井等处极易产生水合物。

4、防止水合物生成的方法

 破坏水合物的生成条件即可防止水合物的生成。主要有三种方法

（1）加热气流，使气体温度高于气体水露点；

（2）对天然气进行干燥剂脱水，使其露点降至操作温度以下；

（3）向气流中注入抑制剂。

目前广泛采用的抑制剂是水合物抑制剂，90年代以后开发的动力学抑制剂和防聚剂也日益受到重视和使用。动力学抑制剂和防聚剂的共同特点是不改变生成水合物的压力、温度条件，而是通过延缓水合物成核和晶体生长或阻止水合物聚结和生长，从而防止水合物堵塞管道。

（二）、天然气脱水方法

天然气脱水可以采用的方法有：甘醇吸收脱水、固体干燥剂吸附脱水、冷凝脱水以及国内外正在研发的膜分离脱水等。其中甘醇脱水和固体干燥剂脱水是油气田最常用的天然气脱水方法。

液体吸收法

固体吸收法

冷冻法

1、液体吸收法

甘醇脱水原理流程 

甘醇脱水工艺主要由甘醇高压吸收和常压加热再生两部分组成。

2、固体吸收法

1）、吸附剂种类 

用于天然气脱水的吸附剂主要有三种：硅胶、活性氧化铝和分子筛。

（1）、硅胶

 主要成分为SiO2，含微量Al2O3和水。用于脱水的硅胶有粉状、圆柱条状和球状三种，并有细孔（20～40Å，600～700m2／g）和粗孔（80～100 Å ，300～500 m2／g）之分。

 缺点：①与液态水接触易炸裂，因此除尽量防止液态水外，通常需要在气体进口处加一层不易为液态水破坏的吸附剂。②若气流内存在防腐剂，由于硅胶的再生温度不足以使防腐剂脱附，造成防腐剂在硅胶上结焦，影响脱水效果。③易于为液态烃堵塞。 

（2）、活性氧化铝

 主要成分为Al2O3，并含有少量其他金属化合物（Na2O、Fe2O3等）和水。活性氧化铝也有细孔（约72 Å ）和粗孔（120～130 Å）之分，商用活性氧化铝做成粒径3～7 mm的球状和圆柱条状。活性氧化铝的比表面积210～350m2／g。

 缺点：①处理酸性天然气时，氧化铝能促使H2S与气体生成COS。吸附剂加热再生时，吸附床内残留固态硫，造成堵塞，影响正常脱水。②易于为液态烃堵塞。 

（3）、分子筛 

 分子筛是一种人工合成的碱金属或碱土金属的硅铝酸盐晶体。其分子式的通式为：

 分子数与Al2O3分子数之比称为硅铝比，在数值上等于x。

（Ⅰ）分子筛的类型

 根据硅铝比的不同，分子筛分为三种类型：A型（硅铝比为2），X型（硅铝比为2.5）和Y型（硅铝比为3~6）。

 对于相同的类型（即硅铝比相同），形成分子筛的金属离子不同，分子筛的孔径不同，在几到十几个Å 。

（Ⅱ）分子筛的吸附特性

①选择吸附性：

 分子筛的孔径小于硅胶和活性氧化铝的孔径，只有分子直径小于筛孔直径的气体分子才能进入筛孔内被吸附，因此分子筛的吸附具有很强的选择性。

②优选吸附性：

 分子筛表面具有大量较强的局部电荷，为极性物质。因而，对于那些能够进入筛孔内的分子，其优先吸附其中极性强的分子。水是强极性分子，所以分子筛是干燥脱水的优良吸附剂。

③高效吸附性：

如图，三种吸附剂的湿容量与相对湿度的关系。可见，相对湿度愈小，湿容量愈小。但当相对湿度较低时分子筛仍有很好的吸附性能。

2）、吸附剂的再生

吸附剂的再生是为了除去吸附质，恢复吸附剂活性。吸附剂的再生过程就是吸附剂的脱附过程。工业上常用的再生方法是升温脱附，因为温度愈高，湿容量愈小。

 通常是用脱过水的天然气作为再生气体，将其加热到一定高温，从塔底进入，自下而上穿过整个床层，利用再生气所具有的高温使吸附剂在吸附过程中所吸附的水分汽化，并被再生气携带从顶部出塔。

 脱附完成后，吸附床层的温度很高，不利于吸附。因此需要用冷干气进行冷却，这一过程称为冷吹。冷却后的塔方可进行吸附操作。

再生气和冷吹气都是从塔底进入，这样可以确保在吸附操作中未吸附脱水的床层区域在再生操作中没有含水气流过，使吸附床层底部的吸附剂得到完全再生。

3）、吸附塔的内部结构

支撑隔栅：支撑吸附剂和瓷球重量。

 瓷球：使气流比较均匀分布，再生时顶部瓷球还有压住吸附剂、防止吸附剂被吹跑的作用。

 支撑隔栅上的丝网：防止瓷球和吸附剂漏下。

吸附剂床层上的浮动丝网：防止吸附剂漏出。

4）、吸附脱水原理流程 

为保证连续生产，流程中必须包括吸附、再生和冷吹三道工序。可以采用两塔流程或三塔流程。如图为两塔流程。

 再生气量为原料气质量流量的5％～10％。一般情况下采用脱过水的干气作为再生气。

3、冷冻法（低温分离法）

由于多组分混合气体中各组分的冷凝温度不同，在冷凝过程中高沸点组分先凝结出来，这样就可以使组分得到一定的分离。冷却温度越近，分离程度越高。现在气田上多采用高压天然气节流膨胀制冷后低温分离脱出天然气中一部分水分的方法—冷分离法。在油田伴生气脱水中采用的膨胀机制冷脱水也是一种冷分离。该方法流程简单，成本低廉。可达到的水露点略高于其降温所达到的最低温度，同时满足烃露点的要求。特别适用于高压气体；对要求深度脱水的气体，此法也可作为辅助脱水方法，将天然气中大部分水先行脱除，然后用分子筛法深度脱水。 

（二）、酸性天然气脱硫

醇胺法脱硫工艺

选择性吸收脱硫工艺

其它脱硫方法介绍

硫磺回收（克劳斯法）

（三）、轻烃回收

目的：

1、为了控制天然气的烃露点以达到商品气质量指标，以避免气液两相流动；(输送要求)

2、回收下来的液烃能带来更大的经济效益，可以用作燃料和化工原料。(利益驱动)

3、如果对于要将气体回注地层以保持储层压力，提高油气采收率时，需要尽可能地脱除Ｃ2＋。

原料：天然气(油田气、气井气、原稳气；炼厂气(催裂化气)

三、天然气轻烃回收工艺技术

1、概述 

 天然气的组成因油气田或层系不同而异。油田气、部分气田的气井气含有较多的乙烷（C2H6，常简略为C2）、丙烷（C3）、丁烷（C4）、戊烷及戊烷以上（C5+）的烃类，这些天然气称为“富气”。富气中的这些烃类可以以液体产品的形式从天然气中加以回收，这一过程称为天然气凝液（NGL）的回收，国内常称为轻烃回收。 

2、轻烃回收的方法：

主要有油吸收法、吸附法和冷冻分离法。

冷冻分离法中，可使用的制冷方法有节流膨胀制冷、热分离机制冷、透平膨胀机制冷、外加冷源制冷等。冷冻分离法的典型工艺流程有三种类型：膨胀机制冷（或称为直接膨胀制冷）、外加冷源制冷和混合制冷。混合制冷是前两者的综合。

3、低温分离法

低温分离法(冷凝分离法) 是利用原料气中各烃类组分冷凝温度不同的特点，通过制冷将原料气冷至一定温度从而将沸点较高的烃类冷凝分离并经凝液分馏分离成合格产品的方法。其最根本的特点是需要提供较低温位的冷量使原料气降温。按制冷温度的不同，低温分离法又分为浅冷分离和深冷分离工艺。冷量可有两种冷源产生，即外加冷源，膨胀机自身制冷。 

4、冷源

外加冷源：一般采用氨制冷循环，丙烷制冷循环或氟里昂制冷循环，若单独采用外冷源时一般为浅冷工艺。

 膨胀机制冷：采用膨胀机制冷的装置，靠膨胀机出口低温气体作为主要冷源，一般用于深冷工艺。

膨胀机制冷与外加冷源相结合：补充膨胀机冷量供给不足，降低高压气体的冷凝温度。

5、低温分离法流程

制冷方法一般分为

1）、相变制冷（外冷）

2）、气体膨胀制冷（内冷）

6、工艺流程的七个环节

原料气预处理-除油、游离水和泥砂；

原料气增压

净化

冷凝分离

制冷

凝液的稳定与切割

产品储罐

7、浅冷轻油回收工艺流程

8、膨胀机制冷深冷轻油回收工艺流程

9、外冷源-膨胀机制冷深冷轻油回收工艺下载本文