天然氣

天然氣（natural gas）是古代動植物深埋地下，在一定的地質條件下天然生成蘊藏的可燃氣體，為烴類和非烴類氣態混合物，其主要成分為甲烷，屬於一種化石燃料。

天然氣產於油田和天然氣田，也有少量出於煤層；除了甲烷外，通常含有乙烷、丙烷和少量碳原子數更多的烴類，以及若干不可燃的氣體，如二氧化碳、硫化氫、氮氣、氦氣等。

天然氣是火力發電的一種燃料，以其發電時雖優於煤炭發電，但在發電過程中依然會製造一定程度的碳排放。

## 生物氣體

天然氣屬於一種生物氣體，當非化石的有機物質經過厭氧腐爛時，會產生富含甲烷的氣體，這種氣體就被稱作生物氣體或生物氣。生物氣的來源地包括森林和草地間的沼澤、垃圾堆填區、下水道中的淤泥、糞肥，由細菌的厭氧分解而產生。生物氣還包括胃腸漲氣（例如：屁）。

當甲烷（生物氣）溢散到大氣層中時，它將是一種直接促使全球變暖化愈演愈烈的溫室氣體。

這種飄散的甲烷，經過有效的處理，就不會被視作一種污染物，而是一種有用的再生能源。雖說如此，天然氣依舊不是潔淨能源，也非綠能。然而，在大氣中的甲烷一旦與臭氧發生氧化反應，就會變成二氧化碳和水，因此排放甲烷所導致的溫室效應就會以二氧化碳的方式繼續存延。此外，兩者就燃燒相較而言，天然氣所產生的二氧化碳遠少於煤這類石炭紀燃料。甲烷的重要生物形式的來源是白蟻、反芻動物（如牛羊）和人類對水稻的耕種。據估計，這三者的散發量分別是每年15、75和100百萬噸（年散發總量約為1億噸）。

## 化學成分和能含量

### 化學成分

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），甲烷是最短和最輕的烴分子。但它也可能含有一些較重的烴分子，例如乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10），以及一些酸性氣體，如二氧化碳和硫化氫。而部分氣田所產的天然氣還含有二硫化碳和羰基硫等有機硫。參見天然氣冷凝物。

有機硫化物和硫化氫（H2S）是常見的雜質，在大多數需要利用天然氣的情況下都要事先將其除去。在英文的專業術語中，含硫雜質多的天然氣可被形容為「sour（酸的）」。

儘管天然氣是無色無味的，然而在被輸送至最終使用者前，還要使用硫醇為天然氣添加氣味，以助於洩漏檢測。天然氣不同於一氧化碳那般具有毒性，它本質上是對人體無害的。不過，如果天然氣處於高濃度的狀態，並使空氣中的氧氣不足以維持生命的話，還是會致人死亡的，畢竟天然氣不能用於人類呼吸。

作為燃料，天然氣也會因發生爆炸而造成傷亡。雖然天然氣比空氣輕而較為容易發散，但是當天然氣在房屋或帳篷等封閉環境中聚集的情況下，達到一定的比例時，就會觸發威力巨大的爆炸。爆炸可能會夷平整座房屋，甚至殃及鄰近的建築。甲烷在空氣中的爆炸極限下限為5%，上限為15%。

天然氣車輛發動機中要利用的壓縮天然氣的爆炸，由於氣體揮發的性質，在自發的條件下基本是不具備的，所以需要使用外力將天然氣濃度維持在5%到15%之間以觸發爆炸。

### 能含量及相關數字

每燃燒一立方米商業品質的天然氣可產生38M焦（10.6千瓦·時）的能量。在美國使用的英制單位下，相當於燃燒每一立方英尺天然氣產生1031英制熱量單位（BTU）。

在美國，天然氣經常以「撒姆」（Therm，縮寫為th，1 Therm = 100,000 BTU）為單位零售。批發交易則通常是使用「十撒姆」（Decatherms，縮寫為Dth），或採用「千十撒姆」（Thousand decatherms，縮寫為MDth），或「百萬十撒姆，縮寫為MMDth）作為單位。一個百萬十撒姆大致相當於十億立方英尺天然氣。

## 用途

### 發電

作為燃氣渦輪引擎和蒸汽渦輪發電的主要燃料，天然氣異常重要。在燃氣渦輪蒸汽渦輪聯合循環的模式下發電，能源利用的效率特別高。對自然環境而言，燃燒天然氣相比石油與煤等種類的化石燃料更為潔淨，而且產生的溫室氣體更少。在獲得相等的熱量的情況下，燃燒天然氣產生的二氧化碳較燃燒石油少30％，而相比煤則少45％。使用天然氣的聯合循環發電在可用化石燃料能源中最為潔淨。此項技術在能夠以合理的成本獲得天然氣的地方正被廣泛採用。

燃料電池（fuel cell）技術可能最終為天然氣轉化為電提供更清潔的選擇，但是此項技術目前還不具備價格競爭力。同樣，據說天然氣將約於2030年達到頂峰，晚於石油頂峰20年。而全球天然氣供應將在二十一世紀八十年代中葉枯竭。

### 天然氣車輛

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壓縮天然氣（以及液化天然氣）被用作其它汽車燃料的清潔替代物。自2003年起，擁有天然氣車輛最多的國家為阿根廷、巴西、巴基斯坦、義大利和印度。它的能量效率與柴油發動機相比較低，但是污染值方面，相對地在粒狀污染物（Particulate matter, PM）部分是完全不存在的，且在氮氧化物的排放上，亦遠較柴油車為低。主要天然氣引擎採用火花點火（Spark ignition）方式引燃提供動力，與汽油引擎相同，卻具有較高的辛烷值（120～130, Octane number）。因此在引擎的設計上其壓縮比（Compression ratio）可以提升至11左右，彌補在能量熱值上的不足，且在近年來由於引擎科技的進步，透過高壓縮比，多點噴射系統（Multi injection）與渦輪增壓裝置（Turbo Charger），其動力輸出性能已經與傳統汽柴油引擎不相上下。傳統汽油車也可改造成支持天然氣做燃料的雙燃料汽車。

推廣天然氣車輛的主要原因為天然氣產量與儲存量豐富，價格便宜；將一般家用天然氣輸送管線中燃氣加壓儲存在高壓鋼瓶中，即可成為車輛使用之天然氣燃料。天然氣車輛排放的碳氫化合物（THC）中，80%以上為甲烷，甲烷不會因為光化學反應而與NOx反應形成臭氧（O3），以致破壞大氣層，而影響環境生態，但是仍會對於溫室效應產生影響，然而由於直接排放量遠低於其他對於溫室效應的氣體排放，所以各國家制定車輛污染排放標準時將甲烷類碳氫化合物排除，僅針對非甲烷類（NMHC, Non-Methane Hydrocarbon）進行管制。

然而，因為天然氣的比重甚小，其體積較其它液態燃料大，一加侖（3.785公升）等效柴油所含熱量約與標準狀況（21℃ & l atm條件）下3.5m3天然氣相當。

另外由於車輛上放置天然氣儲氣筒的空間有限，天然氣必須被壓縮至220 bar左右儲存於筒內；容器為了承受高壓氣體，其結構通常為堅固且厚重之鋼材，或陸續開發複合材料與碳纖維材料之類高壓容器，故相對減少可利用空間並增加車體重量。

近年來由於環保壓力使然，歐美日各國競相開發天然氣車輛，並在都會區進行天然氣公車實車示範以宣導使用成效；在美國更因原油年需求量中有50%來自國外，且交通運輸所需能源中之96%皆須仰賴原油，因此在經濟因素之額外考量下美國乃積極利用其國內現有之豐富天然氣及既有管路，推行天然氣車輛。

### 家用

向家庭提供的天然氣被用以烹飪和取暖/製冷。CNG和LNG被用於沒有公用事業管道連接的鄉村家庭或可攜式烤架。

### 肥料

天然氣是哈柏法（Haber process）產生用於肥料生產的氨水的主要原料。

### 其它

天然氣同樣被用於製造纖維、玻璃、鋼鐵、塑料、油漆、食品製造加工以及其它產品。

C2-C4 烷烴增值的第一步是將其轉化為烯烴。乙烷氧化脫氫產生乙烯，而乙烯是生產聚乙烯的原料，同時也是生產環氧乙烷、乙二醇、乙醛和其他烯烴的中間體。丙烷可以轉化為丙烯、丙烯酸 和丙烯腈。

## 來源

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天然氣的商業生產主要來自油田和天然氣田。

天然氣和石油時常併存於同樣的岩層中，可在這些油井中吸取天然氣。此外，在煤礦、泥盆紀頁岩、地壓鹽水和結構緊密的砂岩中也會存在天然氣。然而，從中開採天然氣的成本較高，相關技術發展緩慢。

植物、垃圾、污水和動物的排泄物等有機物發酵時會產生沼氣，性質類似天然氣。

往時，天然氣是作爲廢料在開採石油的過程中被燒掉的，因爲相對出產的石油來説，其用途不大。但隨著化石燃料的儲量逐漸消耗，天然氣在能源供應中所佔的地位不斷上升。

2005年，全球已探明的天然氣總儲量為179.53兆立方米。

（單位：億立方米）資料來源

俄羅斯｜48.14萬｜6328

伊朗｜27.50萬｜約896.63

卡達｜25.78萬｜378

沙烏地阿拉伯｜6.75萬｜656.8

阿拉伯聯合大公國｜6.06萬｜458

美國｜5.60萬｜5532.77

阿爾及利亞｜4.52萬｜820

挪威｜4.46萬｜880

委內瑞拉｜4.19萬｜284

奈及利亞｜3.40萬｜223.88

2009年，美國以6240億立方米的天然氣產量超過俄羅斯，成為世界第一產量國。2011年，中國天然氣產量為1011.15億立方米，首次突破1000億立方米大關。相較2010年，同比增長7.3%。鄂爾多斯、塔里木、四川盆地是中國三大天然氣主產區。2012年，中國天然氣產量為1067.1億立方米，比上年增長6.7%；累計進口天然氣407.7億立方米，比上年增長29.9%。其中，管道天然氣進口占53.3%，LNG進口占46.7%。2012年天然氣中國表觀消費量達到1446億立方米，比上年增長12.8%。

### 未來可能的來源

其實中國在早期建造的沼氣池也是利用人畜糞便以及植物厭氧分解產生的甲烷收集，以供居民用於家用，只是規模較小一種實驗性方法是使用垃圾產生的甲烷氣來為城市提供能源。實驗表明，甲烷氣是一種經濟上可行的能量來源。

在加拿大安大略省有一項計劃，即從圈養在工廠化農場裡的牛的肥料中獲取沼氣和甲烷氣，來向小城鎮提供能源。

## 生產與加工

天然氣是通過鑽井汲取，與石油汲取相似。許多天然氣儲量位於海底，天然氣通過管道從海上的生產平台運輸到岸上的採集點，其後再運到煉油廠進行提純。

如以天然氣不含硫化氫和二氧化碳雜質為前設，則加工的主要目的是去除水分和重烴。而加工的第一步驟是: 水和其它液體在重力的作用下從天然氣中沉澱下來。然後，使乾燥的氣體通過冷卻塔，在該處中，丁烷和丙烷被液化並收集起來。這些氣體被稱為液化石油天然氣，可作為原材料出售，用以生產化學品；或者裝罐出售，用作天然氣爐的燃料。剩餘的天然氣可供應管道天然氣供氣網或經冷卻、壓縮處理成液化天然氣。液化天然氣比天然氣占的空間少，通過油輪運輸也更方便。

如果天然氣含有硫化氫和二氧化碳雜質，則加工過程還需去除硫化氫和二氧化碳。加工的第一步是在吸收塔中採用醇胺水溶液吸收天然氣中的硫化氫和二氧化碳。第二步是將離開吸收塔的天然氣在另一個吸收塔中採用甘醇水溶液吸收水分，離開的天然氣外輸供使用者使用。第三步是將吸收了硫化氫與二氧化碳的醇胺溶液通入再生塔加熱減壓處理，蒸發出的硫化氫與二氧化碳成為酸性氣，乾淨的醇胺溶液返回吸收塔重複使用。第四步是將酸性氣與空氣進行部分燃燒，使部分硫化氫氧化為二氧化硫。剩餘硫化氫與二氧化硫通過克勞斯反應生成硫磺和水。通過多級反應，可以回收酸性氣中大部分的硫化氫。

## 儲存與運輸

在利用天然氣的過程中的主要難題在位儲存與運輸。縱然天然氣管道的方案是非常經濟的，但在需要穿越大洋的情況下並不可行。

另外，北美地區的許多現有天然氣管線已有接近運輸能力上限的事實，促使了一些氣候寒冷地方的政治人物公開談及潛在的天然氣短缺問題。

槽車只能短途運輸液化天然氣（Liquefied Natural Gas，縮寫為LNG）或壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，縮寫為CNG），而液化天然氣油輪則可以橫渡大洋來運輸液化天然氣。遠洋輪船會直接運輸到最終使用者當地，或是運至如管道這類能將天然氣進一步輸送的配送點該處。但是這種方式會因需要額外的設施在生產地點進行氣體的液化或壓縮而花費更多的資金，這種額外設施稱為液化天然氣接收站，並且還相應需要在最終使用者或輸入管道的設施那裡進行氣化或減壓的處理。

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此前，開採石油的過程中被一同采出的天然氣因為將其銷售沒有利潤，就毫無作為地在油田中被燒掉（英文稱為flaring，燃燒廢氣的意思）。根據美國聯邦貿易委員會在1935年提交給國會的報告，1919年至1930年間美國全國浪費的天然氣，比被人消耗的天然氣還要多出20%，浪費的天然氣有4375億立方英呎，而美國的天然氣消費量為3520億立方英呎。如今，為了避免給地球大氣增加溫室氣體污染，這種浪費的做法在許多國家是被法律禁止的。而且許多公司現在還認識到，將來通過液化天然氣、壓縮天然氣或其他到最終使用者的運輸方式，能夠從這種的天然氣中獲取商業價值。因此，這些氣體被重新注入地層以待日後開採，這被稱為地下天然氣儲存。它也有助於石油的抽取，因為這樣增加了地下的壓力。二十世紀七十年代末，一項在沙烏地阿拉伯發明的名為「Master Gas System」（氣體治理系統）的技術，將那些天然氣用於海水淡化所需的發電、加熱之中，從而使石油開採不再需要廢氣燃燒（flaring）。類似的還有一些同樣釋放甲烷氣體的垃圾填埋場，它們也加裝了設備來捕捉甲烷發電。

天然氣經常以壓縮天然氣的形態儲存在鹽丘，天然氣井中采空後遺留的地下洞穴，或者以液化天然氣的形態儲存於氣罐中。在市場需求低迷的時候，天然氣就會注入這些地方儲存起來，待到需求旺盛的時候提取。存貯點設在最終使用者附近最有助於滿足不斷波動的需求，但實際操作中也可能有各種阻礙的因素。

## 安全

天然氣原本無色無臭，為使洩露可以被人嗅到，防止可能出現的爆炸，天然氣供應商會加入一種像爛雞蛋似「臭味」的化學藥劑，如早期的乙硫醇或現今的四氫噻吩。

在煤礦業，因為存在瓦斯燃氣的危險，需要使用瓦斯探頭和對燃氣安全的設備如戴維燈。在天然氣中加入氣味是由於1937年間的新倫敦學校爆炸，在學校建築物中外洩的瓦斯沒被注意到，其隨後被引爆並造成3百多名師生死亡的事故。

近年來天然氣爆炸已很少發生。個人住宅、小型企業和輪船最易受到內部的天然氣外洩影響。通常，爆炸會造成很大的損毀，但建築物不會倒下。在這個情況下，在裡面的民眾只會有輕度到中度的受傷。偶爾，瓦斯會聚成比較高濃度而造成致死的爆炸，在過程中夷平一個或多個建築物。通常瓦斯在室外很容易消散，但在特定的天氣條件下也有可能會聚集到危險的份量。而且，考慮到上千萬的使用燃油的建築物，使用天然氣的危險度相對低得多。跟眾所周知不同，天然氣中加入的氣味是無毒的，但有些天然氣會生產一些酸性氣體，包含了硫化氫，而這些氣體是有毒性的。

抽取天然氣或者石油（水力壓裂）會放出重金屬、礦物質、放射性物質等有害物質導致水源污染，從而威脅當地生態環境和居民身體健康。這種技術並被認為對環境帶來了極大的傷害，包括使自來水自燃，引發小幅地震等。反對者指出潛在的環境影響，包括地下水的污染，淡水耗損，空氣品質的風險，氣體和水力壓裂化學品遷移到地表面，洩漏和回流的表面污染，以及這些問題對健康的影響Environmental impact of hydraulic fracturing（如癌症、血液疾病、神經系統損傷、呼吸問題、生殖發育、流產、死胎、月經週期紊亂）也會讓地層壓力下降，而這種壓降又會導致地表下沉，地表下沉則可能影響生態系統、地表水流、排供水系統、以及建築地基等等。

## 天然氣危機

### 北美

許多政治家和知名人士已在北美公開發表有關於天然氣危機可能發生的談話，其中包括美國前能源部長史賓塞·亞伯拉罕（Spencer Abraham）、美聯儲主席艾倫·格林斯潘（Alan Greenspan）以及加拿大安大略省能源部長德懷特·鄧肯（Dwight Duncan）。

在美國，明顯的天然氣危機就是過去幾年中不斷增漲的價格。這是因為本土供應的下降和發電站需求量的增加。價格如此之高使得許多工業使用者，主要是石化企業，不得不關閉他們的工廠，導致原本的員工失業。格林斯潘已經為天然氣危機提出了一個解決方案，那就是重視液化天然氣（LNG）。

這個解決方案是資本密集性的，由於對本地發展持反對態度的人士而在政治上引起了激烈的爭議。因為在公眾的認知中，天然氣接收站有爆炸的危險，特別是在美國9/11恐怖襲擊之後。美國國土安全部（United States Department of Homeland Security）負責維持本土安全，根據在2004年麻薩諸塞州波士頓的民主會議上通過的安全計劃安排，美國本土僅保留六個天然氣接收站。