天然气
【摘要】本论文分为五部分详细的介绍了天然气相关内容，其中包括天然气的种类、成分、
性质等基本情况，还包括天然气的安全运输与储存。通过本文的介绍，我们可以清楚的了解到天然气的安全运输和储存。 【关键词】天然气 性质 储存
天然气，是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。天然气燃烧后无废渣、废水产生，相较煤炭、石油等能源有使用安全、热值高、洁净等优势。
天然气是指自然界中天然存在的一切气体，包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种自然过程形成的气体。天然气主要存在于油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气中，也有少量出于煤层。天然气又可分为伴生气和非伴生气两种。伴随原油共生，与原油同时被采出的油田气叫伴生气；非伴生气包括纯气田天然气和凝析气田天然气两种，在地层中都以气态存在。凝析气田天然气从地层流出井口后，随着压力和温度的下降，分离为气液两相，气相是凝析气田天然气，液相是凝析液，叫凝析油。
与煤炭、石油等能源相比，天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化硫也很少。天然气燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值高、洁净等优势。但是，对于温室效应，天然气跟煤炭、石油一样会产生二氧化碳。因此，不能把天然气当做新能源。
1.天然气的概况
1.1天然气的种类
天然气应用包括以下几个方面。
（1）民用燃料。天然气价格低廉、热值高、安全性能、环境性能好，是民用燃气的首选燃料。
（2）工业燃料。以天然气代替煤，用于工厂采暖，生产用锅炉以及热电厂燃气轮机锅炉。
（3）工艺生产。如烤漆生产线，烟叶烘干、沥青加热保温等。
（4）化工原料。如以天然气中甲烷为原料生产氰化钠，黄血盐钾，赤血盐
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钾等。
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（5）压缩天然气汽车。用以解决汽车尾气污染问题。
1.2天然气的成分
天然气的主要成分是甲烷(CH4)，甲烷是最短和最轻的烃分子.它也可能会含有一些较重的烃分子，例如乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)，还有一些不定量的含有气体的硫磺，参见天然气冷凝物。
有机硫化物和硫化氢(H2S)是常见的杂质，在大多数利用天然气的情况下都必须预先除去.含硫杂质多的天然气用英文的专业术语形容为“sour(酸的)”。
尽管天然气是无色无味的，然而在送到最终用户之前，还要用硫醇来给天然气添加气味，以助于泄漏检测.天然气不像一氧化碳那样具有毒性，它本质上是对人体无害的.不过如果天然气处于高浓度的状态，并使空气中的氧气不足以维持生命的话，还是会致人死亡的，毕竟天然气不能用于人类呼吸。
作为燃料，天然气也会因发生爆炸而造成伤亡.虽然天然气比空气轻而容易发散，但是当天然气在房屋或帐篷等封闭环境里聚集的情况下，达到一定的比例时，就会触发威力巨大的爆炸。爆炸可能会夷平整座房屋，甚至殃及邻近的建筑。甲烷在空气中的爆炸极限下限为5%，上限为15%。
天然气车辆发动机中要利用的压缩天然气的爆炸，由于气体挥发的性质，在自发的条件下基本是不具备的，所以需要使用外力将天然气浓度维持在5%到15%之间以触发爆炸。
2．天然气的性质
天然气的主要成分是甲烷，化学式为CH₄，甲烷是一种无色无味的气体，密度为0.717g/L ，极难溶于水，通常情况下，甲烷比较稳定，在特定条件下，可与某些物质发生反应，甲烷在空气里燃烧生成二氧化碳和水，发出淡蓝色的明亮火焰，甲烷不能是高猛酸碱和溴水褪色。
（1）天然气是一种易燃易爆气体，和空气混合后，温度只要达到550℃就燃烧。在空气中，天然气的浓度只要达到5-15%就会爆炸。
（2）天然气无色，比空气轻，不溶于水。一立方米气田天然气的重量只有同体积空气的55%左右，一立方米油田伴生气的重量，只有同体积空气的75%左右。
（3）天然气的主要成分是甲烷，本身无毒，但如果含较多硫化氢，则对人有毒害作用。如果天然气燃烧不完全，也会产生一氧化碳等有毒气体。
（4）天然气的热值较高，一立方米天然气燃烧后发出的热量是同体积的人工煤气（如焦炉煤气）的两倍多，即35.6-41.9兆焦/立方米（约合8500-10000千卡/立方米）。
（5）天然气可液化，液化后其体积将缩小为气态的六百分之一。每立方米天然气完全燃烧需要大约十立方米空气助燃。
（6）一般油田伴生气略带汽油味，含有硫化氢的天然气略带臭鸡蛋味。天然气的主要成分是甲烷，甲烷本身是无毒的，但空气中的甲烷含量达到10%以上时，人就会因氧气不足而呼吸困难，眩晕虚弱而失去知觉、昏迷甚至死亡。
天然气中如含有一定量的硫化氢时，也具有毒性。硫化氢是一种具有强烈臭鸡蛋味的无色气味，当空气中的硫化氢浓度达到0.31毫克/升时，人的眼、口、鼻就会受到强烈的刺激而造成流泪、怕光、头痛、呕吐；当空气中的硫化氢含量达到1.54毫克/升时，人就会死亡。因此，国家规定：对供应城市民用的天然气，每立方米中硫化氢含量要控制在20毫克以下。
3.天然气的运输
液化天然气车船运输过程的安全主要有两方面：一方面是液化天然气车船储槽的储存安全，一方面是液化天然气运输过程的安全，包括车船行驶、LNG装卸等。
3.1船运安全
3.1.1LNG运输船
为了液化天然气海上运输安全，LNG运输船的安全措施必须十分严格。以使用很多的MOSS球罐LNG船为例，主要的安全措施如下：
(1)球罐特制。由于罐内储存超低温液体会引起内部收缩，在结构上考虑避免收缩时的压力，设置储罐的支撑固定装置；为防止储罐超压或负压，专门装设安全阀；储罐开口暴露设置在甲板上。
(2)加强隔热。隔热的目的一是防止船体结构过冷；二是防止向储罐内漏入热量。LNG储槽的隔热结构由内部核心隔热部分和外层覆壁组成。
针对不同的储槽日蒸发率要求，内层核心隔热层的厚度和材料也不同，LNG储槽的隔热板采用多层结构，由数层泡沫板组合而成。所采用的有机材料泡沫板需要满足低可燃性、良好的绝热性和对LNG的不溶性。在MOSS型船的球形储罐中，沿舱裙结构的漏热通常要占储罐总漏热量的30%，采用一块不锈钢板插在铝和钢质裙之间形成热阻，可明显减少漏热，日蒸发率从通常的0.2%降到0.1%。
(3)BOG处理。LNG储槽的隔热结构并不能完全防止LNG的蒸发，每天仍会有0.15～0.3%的蒸发量。这些蒸发气体(BOG)可以用作LNG船发动机燃料和其他加热设备的燃料。为了船舶的安全经济运行，采用再液化装置可以控制低温液体的压力和温度。为保证储存安全，也可以减小储槽保温层厚度，降低船舶造价，增加运量。
(4)采用二次阻挡层。在球罐泄漏时，把已泄漏的LNG保留一定时间，使船体构件不要降低到它的允许温度以下。以避免船体发生损坏或着火爆炸的重大事故。
(5)采用双层壳体。在船舶的外壳体和储槽间形成保护空间，从而减小了槽船因碰撞导致储槽意外破裂的危险性。
(6)为了安全，设置各种计量、测量和报警设施。
3.1.2船舶装卸
LNG船舶运输安全，除了LNG船舶安全外，船舶装卸安全也是重要方面。为此，在卸载设施、储罐和其他相关部位上必须采用相应的安全措施。
(1)卸载设施。在卸料臂上安装紧急关闭(ESD)阀和卸料臂紧急脱离系统(ERS)；LNG装船泵安装紧急关闭装置。
(2)储罐。为防止装满系统，将装船泵和储罐灌注管路上的ESD阀隔开；断开装置可人工或自动操作；使用液位报警器；防止超压或负压，采用导向操纵安全阀和自压安全阀。
(3)其他措施。LNG码头和靠近卸料臂处、蒸发器、LNG泵等位置设置低温探测器；在LNG建筑物内、管线法兰、卸料臂及蒸发器旁设置气体探测器；在LNG建筑物内、储罐顶盖上、码头及工艺区设置火警探测器。
3.2车运安全
3.2.1LNG汽车槽车
LNG槽车的安全主要是防止超压和消除燃烧的可能性(禁火、禁油、消除静电)。
（1）防止超压。防止槽车超压的手段主要是设置安全阀和爆破片等超压泄放装置。根据低温领域的运行经验，在储罐上必须有两套安全阀在线安装的双路系统，并设一个转换，当其中一路安全阎需要更换或检修时，可以转换到另一路上，维持至少一套安全阀系统在线使用。在低温系统中，安全阀由于冻结而不能及时开启所造成的危险应该引起重视。安全阀冻结大多是由于阀门内漏，低温介质不断通过阀体而造成的。一般通过目视检查安全阀是否结冰或结霜来判断。发现问题必须及时更换。
为了运输安全，槽车上除了设置安全阀和爆破片外，还可以设置公路运输泄放阀。在槽车的气相管路上设置一个降压调节阀，作为第一道安全保护，该阀的泄放压力远低于罐体的最高工作压力和安全阀起跳压力。它仅在槽车运行时与气相空间相通；而在罐车装载时，用截止阀隔离降压调节阀使其不起作用。
（2）泵送LNG槽车上工作压力低，设置公路运输泄放阀的作用是： ①罐内压力低，降低了由静压引起的内筒压力，有利于罐体的安全保护； ②如果罐内压力升高，降压调节阀先缓慢开启以降低压力，防止因安全阀起跳压力低而造成LNG的突然大流量泄放，既提高了安全性，又防止了LNG的外泄；
③罐体的液相管、气相管出口处应设置紧急切断阀，该阀一般为气动的球阀或截止阀，通气开启，放气截止，阀上的汽缸设置易熔塞，易熔塞为伍德合金，其熔融温度为(70±5)℃。当外界起火燃烧温度达到70℃时，易熔塞熔化，在内部气压(0.1MPa)作用下，将熔化了的伍德合金吹出并泄压。泄压后的紧急切断阀在弹簧作用下迅速关闭，达到截断装卸车作业的目的。
4.天然气的储存
在天然气利用过程中的主要困难是储存与运输。天然气管道的方案是非常经济的，但在需要穿越大洋的情况下并不可行。 另外，北美地区的许多现有天然气管线已经接近运输能力上限的事实，促使了一些气候寒冷地方的政治人物公开谈及潜在的天然气短缺问题。
具有贮藏罐的液化天然气运输船槽车只能短途运输液化天然气（Liquefied Natural Gas，缩写为LNG）或压缩天然气（Compressed Natural Gas，缩写为CNG），而液化天然气油轮则可以横渡大洋来运输液化天然气。远洋轮船会直接运输到最终用户那里，或是运到像管道这类能将天然气进一步输送的配送点那里。但是这种方式会因需要额外的设施在生产地点进行气体的液化或压缩而花费更多的资金，这种额外设施称为液化天然气站，并且还相应需要在最终用户或输入管道的设施那里进行气化或减压的处理。
在过去，开采石油的过程中被一同采出的天然气因为销售起来没有利润，就被白白地在油田里被烧掉（英文称为flaring，燃烧废气的意思）。如今，为了避免给地球大气增加温室气体污染，这种浪费的做法在许多国家是被法律禁止的。而且许多公司现在还认识到，将来通过液化天然气、压缩天然气或其他到最终用户的运输方式，能够从这种的天然气中获取商业价值。因此，这些气体被重新注入地层以待以后开采，这被称为地下天然气储存。它也有助于石油的抽取，因为这样增加了地下的压力。二十世纪七十年代末，一项在沙特阿拉伯发明的名为“Master Gas System”（气体治理系统）的技术，把那些天然气用于海水淡化所需的发电、加热之中，从而使石油开采不再需要废气燃烧（flaring）。类似的还有一些同样释放甲烷气体的垃圾填埋场，它们也加装了设备来捕捉甲烷发电。
天然气经常以压缩天然气的形态储存在盐穹(salt dome)，天然气井中采空后遗留的地下洞穴，或者以液化天然气的形态储存于气罐中。
在市场需求低迷的时候，天然气就会注入这些地方储存起来，待到需求旺盛的时候提取。存贮点设在最终用户附近最有助于满足不断波动的需求，但实际操作中也可能有各种阻碍的因素。
【参考文献】
[1]http://www.chinanews.com/ny/2010/07-08/2389550.shtml
[2]http://www.jsntyz.edu.cn/newweb/teachingshow/200212/jiangwei/trq_xz.htm
[3]http://news.gasshow.com/News/SimpleNews.aspx?newsid=182690 [4]http://www.baiinfo.com/article/tianranqi/6899/4601751.html [5]顾安忠等.液化天然气技术.北京：机械工业出版社，2004
[6]徐孝先等.液化天然气的运输方式及其特点.油气储运，Vok 25第25卷2006.3
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