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目前人們的環(huán)保意識提高，世界需求干凈能源的呼聲高漲，各國政府也透過立法程序來傳達這種趨勢，天然氣曾被視為最干凈的能源之一，再加上1990年中東的波斯灣危機，加深美國及主要石油消耗國家研發(fā)替代能源的決心，因此，在還未發(fā)現真正的替代能源前，天然氣需求量自然會增加。

形成原因

天然氣與石油生成過程既有聯(lián)系又有區(qū)別：石油主要形成于深成作用階段，由催化裂解作用引起，而天然氣的形成則貫穿于成巖、深成、后成直至變質作用的始終；與石油的生成相比，無論是原始物質還是生成環(huán)境，天然氣的生成都更廣泛、更迅速、更容易，各種類型的有機質都可形成天然氣——腐泥型有機質則既生油又生氣，腐植形有機質主要生成氣態(tài)烴。因此天然氣的成因是多種多樣的。歸納起來，天然氣的成因可分為生物成因氣、油型氣和煤型氣。近年來無機成因氣尤其是非烴氣受到高度重視，這里一并簡要介紹，最后還了解各種成因氣的判別方法。

生物成因氣　

概念

生物成因氣—指成巖作用（階段）早期，在淺層生物化學作用帶內，沉積有機質經微生物的群體發(fā)酵和合成作用形成的天然氣。其中有時混有早期低溫降解形成的氣體。生物成因氣出現在埋藏淺、時代新和演化程度低的巖層中，以含甲烷氣為主。

形成條件

生物成因氣形成的前提條件是更加豐富的有機質和強還原環(huán)境。

最有利于生氣的有機母質是草本腐植型—腐泥腐植型，這些有機質多分布于陸源物質供應豐富的三角洲和沼澤湖濱帶，通常含陸源有機質的砂泥巖系列最有利。硫酸巖層中難以形成大量生物成因氣的原因，是因為硫酸對產甲烷菌有明顯的抵制作用，p優(yōu)先還原SO42-→S2-形成金屬硫化物或pS等，因此CO2不能被p還原為CH4。

甲烷菌的生長需要合適的地化環(huán)境，首先是足夠強的還原條件，一般Eh<-300mV為宜（即地層水中的氧和SO42-依次全部被還原以后，才會大量繁殖）；其次對pH值要求以靠近中性為宜，一般6.0～8.0，最佳值7.2～7.6；再者，甲烷菌生長溫度O～75℃，最佳值37～42℃。沒有這些外部條件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷氣。

化學組成

生物成因氣的化學組成幾乎全是甲烷，其含量一般>98%，高的可達99%以上，重烴含量很少，一般<1%，其余是少量的N2和CO2。因此生物成因氣的干燥系數（Cl/∑C2+）一般在數百～數千以上，為典型的干氣，甲烷的δ13C1值一般-85～-55‰，最低可達-100‰。世界上許多國家與地區(qū)都發(fā)現了生物成因氣藏，如在西西伯利亞683-1300米白堊系地層中，發(fā)現了可采儲量達10.5萬億立方米的氣藏。中國柴達木盆地（有些單井日產達1百多萬方）和上海地區(qū)（長江三角洲）也發(fā)現了這類氣藏。

油型氣　

概念

油型氣包括濕氣（石油伴生氣）、凝析氣和裂解氣。它們是沉積有機質特別是腐泥型有機質在熱降解成油過程中，與石油一起形成的，或者是在后成作用階段由有機質和早期形成的液態(tài)石油熱裂解形成的。

形成與分布

與石油經有機質熱解逐步形成一樣，天然氣的形成也具明顯的垂直分帶性。

在剖面最上部（成巖階段）是生物成因氣，在深成階段后期是低分子量氣態(tài)烴（C2～C4）即濕氣，以及由于高溫高壓使輕質液態(tài)烴逆蒸發(fā)形成的凝析氣。在剖面下部，由于溫度上升，生成的石油裂解為小分子的輕烴直至甲烷，有機質亦進一步生成氣體，以甲烷為主石油裂解氣是生氣序列的最后產物，通常將這一階段稱為干氣帶。

由石油伴生氣→凝析氣→干氣，甲烷含量逐漸增多，故干燥系數升高，甲烷δ13C1值隨有機質演化程度增大而增大。

對中國四川盆地氣田的研究（包茨，1988）認為，該盆地的古生代氣田是高溫甲烷生氣期形成的，從三疊系→震旦系，干燥系數由小到大（T：35.5→P：73.1→Z：387.1），重烴由多到少。川南氣田中，天然氣與熱變?yōu)r青共生，說明天然氣是由石油熱變質而成的。

煤型氣　

概述

煤型氣是指煤系有機質（包括煤層和煤系地層中的分散有機質）熱演化生成的天然氣。

煤田開采中，經常出現大量瓦斯涌出的現象，如四川合川縣一口井的瓦斯突出，排出瓦斯量竟高達140萬立方米，這說明，煤系地層確實能生成天然氣。

煤型氣是一種多成分的混合氣體，其中烴類氣體以甲烷為主，重烴氣含量少，一般為干氣，但也可能有濕氣，甚至凝析氣。有時可含較多Hg蒸氣和N2等。

煤型氣也可形成特大氣田，1960S以來在西西伯利亞北部K2、荷蘭東部盆地和北海盆地南部P等地層發(fā)現了特大的煤型氣田，這三個氣區(qū)探明儲量22萬億立方米，占世界探明天然氣總儲量的1/3弱。據統(tǒng)計（M.T哈爾布蒂，1970），在世界已發(fā)現的26個大氣田中，有16個屬煤型氣田，數量占60%，儲量占72.2%，由此可見，煤型氣在世界可燃天然氣資源構成中占有重要地位。中國煤炭資源豐富，據統(tǒng)計有6千億噸，居世界第三位，聚煤盆地發(fā)育，現已發(fā)現有煤型氣聚集的有華北、鄂爾多斯、四川、臺灣—東海、鶯歌海—瓊東南、以及吐哈等盆地。經研究，鄂爾多斯盆地中部大氣區(qū)的氣多半來自上古生界C-P煤系地層（上古∶下古氣源=7∶3或6∶4），可見煤系地層生成天然氣的潛力很大。

成煤作用與煤型氣的形成

成煤作用可分為泥炭化和煤化作用兩個階段。前一階段，堆積在沼澤、湖泊或淺海環(huán)境下的植物遺體和碎片，經生化作用形成煤的前身——泥炭；隨著盆地沉降，埋藏加深和溫度壓力增高，由泥炭化階段進入煤化作用階段，在煤化作用中泥炭經過微生物酶解、壓實、脫水等作用變?yōu)楹置�；當埋藏逐步加深，已形成的褐煤在溫度、壓力和時間等因素作用下，按長焰煤→氣煤→肥煤→焦煤→瘦煤→貧煤→無煙煤的序列轉化。

實測表明，煤的揮發(fā)分隨煤化作用增強明顯降低，由褐煤→煙煤→無煙煤，揮發(fā)分大約由50%降到5%。這些揮發(fā)分主要以CH4、CO2、pO、N2、Np等氣態(tài)產物的形式逸出，是形成煤型氣的基礎，煤化作用中析出的主要揮發(fā)性產物見圖5-9。

1．煤化作用中揮發(fā)性產物總量 端口

2、CO2 3.pO 4. CH4 5.Np 6.pS

從形成煤型氣的角度出發(fā)，應該注意在煤化作用過程中成煤物質的四次較為明顯變化（煤巖學上稱之為煤化躍變）：

第一次躍變發(fā)生于長焰煤開始階段，碳含量Cr=75-80%,揮發(fā)分Vr=43%，Ro=0.6%；

第二次躍變發(fā)生于肥煤階段，Cr=87%,Vr=29%,Ro=1.3%；

第三次躍變發(fā)生煙煤→無煙煤階段，Cr=91%，Vr=8%,Ro=2.5%；

第四次躍變發(fā)生于無煙煤→變質無煙煤階段，Cr=93.5%,Vr=4%，Ro=3.7%，芳香族稠環(huán)縮合程度大大提高。

在這四次躍變中，導致煤質變化最為明顯的是第一、二次躍變。煤化躍變不僅表現為煤的質變，而且每次躍變都相應地為一次成氣（甲烷）高峰。

煤型氣的形成及產率不僅與煤階有關，而且還與煤的煤巖組成有關，腐殖煤在顯微鏡下可分為鏡質組、類脂組和惰性組三種顯微組分，中國大多數煤田的腐殖煤中，各組分的含量以鏡質組最高，約占50～80%，惰性組占10～20%（高者達30～50%），類脂組含量最低，一般不超過5%。

在成煤作用中，各顯微組分對成氣的貢獻是不同的。長慶油田與中國科院地化所（1984）在成功地分離提純煤的有機顯微組分基礎上，開展了低階煤有機顯微組分熱演化模擬實驗，并探討了不同顯微組分的成烴貢和成烴機理。發(fā)現三種顯微組分的最終成烴效率比約為類脂組：鏡質組：惰性組=3:1:0.71，產氣能力比約為3.3:1:0.8，說明惰性組也具一定生氣能力。

無機成因氣　

地球深部巖漿活動、變質巖和宇宙空間分布的可燃氣體，以及巖石無機鹽類分解產生的氣體，都屬于無機成因氣或非生物成因氣。它屬于干氣，以甲烷為主，有時含CO2、N2、He及pS、Hg蒸汽等，甚至以它們的某一種為主，形成具有工業(yè)意義的非烴氣藏。

甲烷

無機合成：CO2 + p → CH4 + pO 條件：高溫（250℃）、鐵族元素

地球原始大氣中甲烷：吸收于地幔，沿深斷裂、火山活動等排出

板塊俯沖帶甲烷：大洋板塊俯沖高溫高壓下脫水，分解產生的H、C、CO/CO2→CH4

CO2

天然氣中高含CO2與高含烴類氣一樣，同樣具有重要的經濟意義，對于CO2氣藏來說，有經濟價值者是CO2含量>80%（體積濃度）的天然氣，可廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、氣象、醫(yī)療、飲食業(yè)和環(huán)保等領域。中國廣東省三水盆地沙頭圩水深9井天然氣中CO2含量高達99.55%，日產氣量500萬方，成為有很高經濟價值的氣藏。

目前世界上已發(fā)現的CO2氣田藏主要分布在中—新生代火山區(qū)、斷裂活動區(qū)、油氣富集區(qū)和煤田區(qū)。從成因上看，共有以下幾種：

無機成因 ：

① 上地幔巖漿中富含CO2氣體當巖漿沿地殼薄弱帶上升、壓力減小，其中CO2逸出。

② 碳酸鹽巖受高溫烘烤或深成變質可成大量CO2，當有地下水參與或含有Al、Mg、Fe雜質，98～200℃也能生成相當量CO2，這種成因CO2特征：CO2含量>35%，δ13CCO2>-8‰。

③ 碳酸鹽礦物與其它礦物相互作用也可生成CO2，如白云石與高嶺石作用即可。

另外，有機成因有：

生化作用

熱化學作用

油田遭氧化

煤氧化作用

N2

N2是大氣中的主要成分，據研究，分子氮的最大濃度和逸度出現在古地臺邊緣的含氮地層中，特別是蒸發(fā)鹽巖層分布區(qū)的邊界內。氮是由水層遷移到氣藏中的，由硝酸鹽還原而來，其先體是NH4+。

N2含量大于15%者為富氮氣藏，天然氣中N2的成因類型主要有：

① 有機質分解產生的N2：100-130℃達高峰，生成的N2量占總生氣量的2.0%，含量較低；（有機）

② 地殼巖石熱解脫氣：如輝綠巖熱解析出氣量，N2可高達52%，此類N2可富集；

③ 地下鹵水（硝酸鹽）脫氮作用：硝酸鹽經生化作用生成N2O+N2；

④ 地幔源的N2：如鐵隕石含氮數十～數百個ppm；

⑤ 大氣源的N2：大氣中N2隨地下水循環(huán)向深處運移，混入最多的主要是溫泉氣。

從同位素特征看，一般來說最重的氮集中在硝酸鹽巖中，較重的氮集中在芳香烴化合物中，而較輕的氮則集中在銨鹽和氨基酸中。

pS

全球已發(fā)現氣藏中，幾乎都存在有pS氣體，pS含量>1%的氣藏為富pS的氣藏，具有商業(yè)意義者須>5%。

據研究（Zhabrew等，1988），具有商業(yè)意義的pS富集區(qū)主要是大型的含油氣沉積盆地，在這些盆地的沉積剖面中均含有厚的碳酸鹽一蒸發(fā)鹽巖系。

自然界中的pS生成主要有以下兩類：

① 生物成因（有機）：包括生物降解和生物化學作用；1

② 熱化學成因（無機）：有熱降解、熱化學還原、高溫合成等。根據熱力學計算，自然環(huán)境中石膏（CaSO4）被烴類還原成pS的需求溫度高達150℃，因此自然界發(fā)現的高含pS氣藏均產于深部的碳酸鹽—蒸發(fā)鹽層系中，并且碳酸鹽巖儲集性好。

稀有氣體（He、Ar、…）

這些氣體盡管在地下含量稀少，但由于其特殊的地球化學行為，科學家們常把它們作為地球化學過程的示蹤劑。

He、Ar的同位素比值3He/4He、40Ar/36Ar是查明天然氣成因的極重要手段，因沿大氣→殼源→殼、幔源混合→幔源，二者不斷增大，前者由1.39×10-6→>10-5，后者則由295.6→>2000。

此外，根據圍巖與氣藏中Ar同位素放射性成因，還可計算出氣體的形成年齡（朱銘，1990）。

氣態(tài)碳與氫氣直接反應

主要內容地球上的所有元素都無一例外地經歷了類似現在太陽上的核聚變的過程，當碳元素由一些較輕的元素核聚變形成后的一定時期里，它與原始大氣里的氫元素反應生成甲烷，隨著溫度下降，氧氣變得越來越活潑，它氧化、聚合了甲烷形成了石油分子，由于長時間的氧化、聚合，石油分子越來越大，形成了大量的近似瀝青的物質，當早期地球頻繁的火山熔巖噴發(fā)在瀝青上時，由于熔巖密度大，沉入石油底部對其隔絕空氣加強熱，導致碳氫鍵斷裂，釋放氫氣，形成煤炭。（一部分石油分子不是甲烷經氧化、聚合而形成的，它們是在地球溫度較高時，由碳、氫直接形成不飽和烴聚合而成的）

各種成因氣識別標志

自然界中天然氣分布很廣，成因類型繁多且熱演化程度不同，其地化特征亦多種多樣，因此很難用統(tǒng)一的指標加以識別。實踐表明，用多項指標綜合判別比用單一的指標更為可靠（戴金星，1993）。天然氣成因判別所涉及的項目看，主要有同位素、氣組分、輕烴以及生物標志化合物等四項，其中有些內容判別標準截然，具有絕對意義，有些內容則在三種成因氣上有些重疊，只具有一定的相對意義。

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