石油和天然气

1.2.2　石油和天然气

石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉。石油的主要产地在发展中国家，如中东地区已探明的石油储量占世界的60%以上。就目前已查明的储量看，主要的含油带集中在北纬20°～48°。

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世界两大产油带

世界两大产油带，一个是长科迪勒地带，北起阿拉斯加和加拿大，经美国西海岸到南美委内瑞拉、阿根廷；另一个是特提斯地带，从地中海经中东到印度尼西亚。

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石油输出国组织（OPEC）

沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特和南美的委内瑞拉5国的石油出口量曾占世界总出口量的80%，它们在20世纪60年代初就成立了“石油输出国组织（OPEC）”。目前，OPEC共有12个成员国，它们是阿尔及利亚、伊朗、伊拉克、科威特、厄瓜多尔、沙特阿拉伯、利比亚、尼日利亚、卡塔尔、委内瑞拉、安哥拉和阿联酋。此外，过往成员包括印度尼西亚和加蓬。OPEC旨在通过消除有害的、不必要的价格波动，确保国际石油市场上石油价格的稳定，保证各成员在任何情况下都能获得稳定的石油收入，并为石油消费国提供足够的、经济的、长期的石油供应。

石油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往与石油资源有关。现代生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。

位于我国东海的大型油田——春晓油田已投入生产，据勘测，东海石油、天然气的储量十分丰富，仅石油就足够中国用80年。

2003年以来中国石油天然气集团公司天然气产量快速增长，由2003年的248亿立方米增长到2008年的617亿立方米，年均增加74亿立方米，年均增长幅度达到20%，为满足国内天然气需求快速增长提供了资源保证。

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2008—2009年国际石油价格走势

2008年，国际油价经历了过山车般的大起大落，以7月4日为分水岭，呈现出明显的倒“V”字走势。OPEC限产、库存下降、发展中国家需求旺盛、美元疲软、剩余产能短缺、政治紧张局势可能导致供应中断的担心和投机基金的炒作，使国际油价从2008年初的90美元/桶连续6个月上涨至145美元/桶以上。7月中旬开始，美元汇率的上升以及由美国金融危机引发的对全球经济增长的忧虑对石油需求的负面影响增强，尤其是美国及其他发达国家石油需求的大幅下降，使国际油价大幅震荡下跌并屡屡破位，2009年2月份为30余美元/桶。随后，国际油价又有上升，10月份在80美元/桶左右。

1.石油和天然气的成因

世界上对石油的成因存在着不同的观点，从18世纪70年代到现在，先后有几十种假说，大致可分为无机生成学说和有机生成学说两大派。当前，石油地质学界普遍承认，石油和天然气的生源物是生物，特别是低等的动物和植物。它们先后聚集于海洋或湖沼的黏土底质之中，如果是还原环境的话，这些生物遗体就被保存下来。

在19世纪石油工业开始时期曾有无机成因说，主要以碳化物说及宇宙说为代表。碳化物说认为，地球核心部分的重金属碳化物和从地表渗透下来的水发生作用，可以产生烃类。宇宙说认为，当地球处于熔融状态时，烃类就存在于它的气圈里，随着地球的逐渐冷凝，烃类被岩浆吸收，就在地壳中生成了石油。无机生成石油理论认为碳氢化合物可在地下深处产生，并沿裂缝周期性上升，不仅在沉积层内，而且在岩浆岩和多孔火山岩内积聚。为了证明无机生成石油理论，已经有科学家通过实验室模拟地球深处的条件无机合成出了石油。另外，在绝无生命存在的空间星体上，也已发现类似于石油和天然气的物质。这似乎在证明无机生成石油的理论并非是没有根据的。可以预料，无机生成石油理论在未来将是能源科技发展前沿的重要依据。

天然气是蕴藏在地层中的烃和非烃气体的混合物，天然气的生成范围比液烃（石油）的生成范围要宽得多。在低温条件下，有机质可由细菌作用形成生物生成气；在“液烃窗”内有与石油共生的伴生气；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。人们已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。

2.石油和天然气的组成

石油分为天然石油和人造石油两种。天然石油（即原油）是从油田（油矿）中开采出来的；人造石油则是从油页岩中或煤炭经干馏或合成的方法提炼出来的。世界各地所产的石油不尽相同，但无论何种原油或石油产品其主要成分都是碳（C）、氢（H）两种元素。石油的主要成分是烃类有机物。石油中含有多少种烃至今尚无法说明，但大量的研究发现，各种石油或石油产品基本上由4类烃组成，即烷烃、环烷烃、芳烃和烯烃，说明石油是一种碳氢化合物的混合物。石油中含硫、氮、氧的化合物都是非烃类化合物，它们的含量虽然不高，但对炼制过程和成品油的质量影响很大。例如硫化物除对金属有腐蚀作用外，还会恶化油品的使用性能，影响汽油的抗爆性。对于这些有害的化合物，一定要加以清除，并设法进行综合利用。

天然气的主要成分是甲烷（CH₄），也有少量乙烷（C₂H₆）和丙烷（C₃H₈）等低碳烷烃以及二氧化碳、氢气、硫化物等非烃类物质。甲烷含量高的称干气或贫气；C₂以上烷烃含量较高的称湿气。它和石油伴生，但埋藏部位一般较深。据国际经验，每吨石油大概伴有1000米³的天然气，所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天然气归并在一起。天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物CO₂和H₂O都是无毒物质，并且热值也很高（56千焦·克^－1），管道输送也很方便。

3.石油的炼制

石油由许多种特性不一的碳氢化合物混合而成，其直接利用的途径很少。为了使石油中的各种组分都能发挥效能，必须通过炼制过程把它们一一提取出来。从油井采出的原油中常含有轻质气态烃类，并携带有少量水、盐和泥沙。因此，在进行炼制以前需要对原油进行预处理，将油气分开，沉降泥沙，并采用电法或化学法脱盐、脱水，然后将其运送到炼化厂，加工成为人们需要的能源产品。在石油炼制过程中，主要工艺过程包含原油分馏、催化裂化、催化重整和加氢等。

（1）分馏

碳氢化合物的沸点随碳原子数增加而升高，在加热时，沸点低的烃类先气化，经过冷凝先分离出来，借此可以把沸点不同的化合物进行分离，这种方法叫分馏。分馏属于物理变化，所得产品叫馏分。

分馏过程在一个高塔里进行，分馏塔里有精心设计的层层塔板，塔板间有一定的温差，以此得到不同的馏分。分馏先在常压下进行，获得低沸点的馏分，然后在减压状况下获得高沸点的馏分。每个馏分中还含有多种化合物，可以进一步再分馏。表1-6列举了石油分馏的产品和用途。图1-1是石油分馏示意图。

图1-1　石油分馏示意图

表1-6　石油分馏的产品和用途

在石油炼制过程中，沸点最低的C₁～C₄馏分是气态烃，来自分馏塔的废气和裂化炉气，统称石油气，其中有不饱和烃，也有饱和烃。不饱和烃，如乙烯（C₂H₄）、丙烯（C₃H₆）、丁烯（C₄H₈）都有双键，容易发生加成反应和聚合反应，所以这些烯烃都是宝贵的化工原料。将石油气中不饱和烃分离后，剩下的饱和烃中以丁烷（C₄H₁₀）为主，它的沸点为－0.5℃，稍加压力即可液化，存储于高压钢瓶中，当打开阀门减压时即可气化点燃使用。

在30～180℃沸点范围内可以收集C₅～C₆馏分，这是工业常用溶剂，这个馏分的产品也叫溶剂油。

在30～205℃沸点范围内可以收集C₅～C₁₁馏分，这是需要量很大的汽油馏分。按各种烃的组成不同又可以分为航空汽油、车用汽油、溶剂汽油等。

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石油化工的重要原料——乙烯

乙烯以O₂为催化剂在150℃、20MPa条件下可制得高压聚乙烯，日常生活中用的食品袋、食品匣、奶瓶等就是用这种材料成型的。若用TiCl₄作催化剂在100℃、常压下，则可制得强度较高的低压聚乙烯，它可制造脸盆、水桶等器皿。乙烯在KMnO₄催化下可加水成为乙二醇，它是制造涤纶的原料之一。众多的乙烯产品广泛用于工农业、交通、军事等领域。乙烯是现代石油化学工业的一个龙头产品，是一个国家综合国力的标志之一。

生活小贴士　　　　

当烧菜进行到一半突然断气时，可以在罐子外浇一点热水，甚至在气罐上敷上一块热毛巾，火会立刻大起来。这是为什么呢？

城市居民用石油液化气的主要成分就是丁烷，另外还含有在液化时带进的一定量的戊烷（C₅H₁₂）和己烷（C₆H₁₄），它们的沸点分别是36℃和69℃。用户在室温下打开阀门时，这些杂质由于沸点较高，在室温下不能气化，而以液态沉积于钢瓶中。所以，加温实际上是使戊烷（C₅H₁₂）和己烷（C₆H₁₄）气化，它们同样是可燃气体，可使时间燃烧时间延长。

汽油主要用于汽化器或发动机（汽油机），是汽车和螺旋桨式飞机的燃料。汽油质量的好坏，不仅对行驶（飞行）的里程有很大影响，而且也直接关系到发动机的使用寿命。汽油的质量标准涉及许多方面，抗爆性是其中重要的一个方面。汽油的抗爆性是指汽油发动机在汽缸中燃烧时抵抗爆炸的能力，可用辛烷值度量，汽油的辛烷值越高，其抗爆性越好。

提高辛烷值的方法有两种：在汽油中加入添加剂，通过石油馏分的化学转化来改变汽油的烃类组成，以获得高辛烷值的汽油。几十年来，在汽油中添加抗爆剂四乙基铅一直是提高汽油辛烷值的主要方法。但四乙基铅会导致铅中毒，危及肾脏和神经，所以国内外已限制汽油中铅的加入量，逐步实行低铅化和无铅化。目前，人们一方面通过研究和开发新的提高汽油辛烷值的调合剂，例如甲基叔丁基醚（MTBE）、二茂铁［（C₂H₅）₂Fe］、五羰基铁［Fe（CO）₅］等，以此代替四乙基铅作为汽油的抗爆剂。另一方面，通过改进炼油技术，发展能生产高辛烷值汽油组分的炼油新工艺，如采用催化裂化、催化重整、烷基化、异构化、加氢裂化等方法来提高汽油辛烷值，尽可能降低汽油的含铅量。

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汽油牌号的根据——辛烷值

一般规定，具有很高抗爆性的异辛烷的辛烷值为100，最容易产生爆震的正庚烷的辛烷值为0。汽油的辛烷值等于与其具有相同爆震倾向的参比燃料中所含的异辛烷的体积分数，例如90号汽油就是爆震倾向相当于90%的异辛烷和10%的正庚烷混合的汽油。汽油牌号的数值和辛烷值相同，而且汽油的牌号越大表示汽油的抗爆性能越好，其质量也越高。

提高蒸馏温度，依次可以获得煤油（C₁₁～C₁₆）和柴油（C₁₅～C₁₈）。它们又分为许多品级，分别用于喷气飞机、重型卡车、拖拉机、轮船、坦克等。

在我国的工业、农业、交通和国防事业中，柴油的用量相当可观。高质量的柴油最主要是要有良好的燃烧性能。如果燃烧初期生成的过氧化物不足，最初喷入的燃料不能迅速自燃，燃烧时滞燃期太长，就会使喷入燃烧室的柴油积聚，并造成在汽缸内慢慢氧化自燃。这将与后面喷入的燃料同时燃烧，使汽缸内的压力急剧增加而发生爆震。燃烧性能越差的柴油，燃烧时滞燃期越长，压力增加越激烈，爆震也越严重。这就要求柴油具有较好的自动氧化链式反应能力，在这一点上正好与汽油相反。

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评定柴油抗爆性的指标——十六烷值

自燃点为205℃的正十六烷是抗爆性很好的柴油机标准燃料，将它的十六烷值定为100；自燃点高达529℃的α-甲基萘是抗爆性很差的柴油机标准燃料，将它的十六烷值定为0。由于α-甲基萘容易氧化变质，现在已选用自燃点为427℃的2，2，4，4，6，8，8-七甲基壬烷作为标准燃料，它的十六烷值为15。柴油的十六烷值是通过各种比例混合的标准燃料在标准的柴油发动机上对比评定而确定的。轻柴油的十六烷值不能低于45，重柴油的十六烷值则没有规定。

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柴油牌号的根据——凝固点

0号表示该号柴油的凝固点是0℃，这样的柴油只适用于最低温度在4℃以上的地区；－35号表示柴油凝固点是零下35℃。柴油的用量很大，地区性的四季温差又很大，只有根据气温选用不同凝固点的柴油，才能既保证供应又合理使用资源。往直馏柴油中加入高分子聚合物可以降低其凝固点，如乙烯—醋酸乙烯酯共聚物的作用是使油中的蜡析出时只形成微小的结晶，不会堵塞燃油过滤器，更不会凝固。一般加入质量分数为0.05%的降凝剂就可使柴油的凝固点降低10～20℃。

蒸馏温度在350℃以下所得各馏分都属于轻油部分，在350℃以上各馏分则属重油部分。重油的碳原子数在16～40之间，其中有润滑油、凡士林、石蜡、沥青等，各有用途。

（2）裂化

为了将石油蒸馏过程中剩余的重组分裂解为轻组分，更多地获得价值较高的产品，还需要对其进行裂化。裂化是将重油等大分子烃类分裂成汽油、柴油等小分子烃类的一种炼制方法。由于内燃机的发展，汽油和柴油的用量猛增，直馏汽油和柴油已远远不能满足要求，重油裂化是制取高质量汽油的主要途径。常用的裂化方式有热裂化、催化裂化和加氢裂化3种，其中普遍应用的裂化方式是催化裂化。催化裂化是在硅酸铝和合成沸石等催化剂作用下使重油裂化成小的分子烃，反应产物是C₁～C₁₀的烃，既有饱和烃又有不饱和烃。裂解产物的种类和数量随催化剂和温度、压力等条件不同而异。对于不同质量的原油，催化剂的选择和温度、压力的控制也不相同。我国原油成分中重油比例较大，所以催化裂化就显得特别重要。经过30多年的研究和实践，我国已开发出适用于我国各种原油的一系列铝硅酸盐分子筛型催化剂。经催化裂化，从重油中能获得更多乙烯、丙烯、丁烯等化工原料，也能获得较多较好的汽油。

（3）催化重整

这是石油工业中另外一个重要过程。催化重整是指在加热、氢压和催化剂存在的条件下，将汽油馏分中的烃类分子结构重新排列成新的分子结构，使原油蒸馏所得的轻汽油馏分转变成富含芳烃的高辛烷值汽油（重整汽油），并副产液化石油气和氢气。现用催化剂是贵金属铂（Pt）、铱（Ir）和铼（Re）等，它们的价格比黄金贵得多，化学家们巧妙地选用便宜的多孔性氧化铝或氧化硅为载体，在表面上浸渍0.1%的贵金属，汽油在催化剂表面只要20～30秒就能完成重整反应。

（4）加氢精制

这是提高油品质量的过程。蒸馏和裂解所得的汽油、煤油、柴油中都混有少量含N或含S的杂环有机物，在燃烧过程中会生成NO_x及SO₂等酸性氧化物，当环保问题日益受关注时，对油品中N、S含量的限制也就更加严格。现行的办法是用催化剂在一定温度和压力下使H₂和这些杂环有机物起反应生成NH₃、H₂S，留在油品中的只是碳氢化合物，这就是加氢精制。

在石油工业中，常把原油预处理、常压蒸馏和减压蒸馏叫作一次加工，这是物理变化过程。而裂化、催化重整和加氢精制等则叫二次加工，它们都属于化学变化过程，这些过程都涉及催化剂，催化剂的研制是石油化工不可或缺的组成部分。三次加工主要指对二次加工产生的各种气体进行进一步的加工，以生产高辛烷值的汽油组分和各种化学品，包括石油烃烷基化、烯烃叠合、石油烃异构化等。习惯上将石油炼制过程很不严格地分为这三类过程。