天然气

天然气（natural gas）是古代动植物深埋地下，在一定的地质条件下天然生成蕴藏的可燃气体，为烃类和非烃类气态混合物，其主要成分为甲烷，属于一种化石燃料。

天然气产于油田和天然气田，也有少量出于煤层；除了甲烷外，通常含有乙烷、丙烷和少量碳原子数更多的烃类，以及若干不可燃的气体，如二氧化碳、硫化氢、氮气、氦气等。

天然气是火力发电的一种燃料，以其发电时虽优于煤炭发电，但在发电过程中依然会制造一定程度的碳排放。

## 生物气体

天然气属于一种生物气体，当非化石的有机物质经过厌氧腐烂时，会产生富含甲烷的气体，这种气体就被称作生物气体或生物气。生物气的来源地包括森林和草地间的沼泽、垃圾堆填区、下水道中的淤泥、粪肥，由细菌的厌氧分解而产生。生物气还包括胃肠涨气（例如：屁）。

当甲烷（生物气）溢散到大气层中时，它将是一种直接促使全球变暖化愈演愈烈的温室气体。

这种飘散的甲烷，经过有效的处理，就不会被视作一种污染物，而是一种有用的再生能源。虽说如此，天然气依旧不是洁净能源，也非绿能。然而，在大气中的甲烷一旦与臭氧发生氧化反应，就会变成二氧化碳和水，因此排放甲烷所导致的温室效应就会以二氧化碳的方式继续存延。此外，两者就燃烧相较而言，天然气所产生的二氧化碳远少于煤这类石炭纪燃料。甲烷的重要生物形式的来源是白蚁、反刍动物（如牛羊）和人类对水稻的耕种。据估计，这三者的散发量分别是每年15、75和100百万吨（年散发总量约为1亿吨）。

## 化学成分和能含量

### 化学成分

天然气的主要成分是甲烷（CH4），甲烷是最短和最轻的烃分子。但它也可能含有一些较重的烃分子，例如乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10），以及一些酸性气体，如二氧化碳和硫化氢。而部分气田所产的天然气还含有二硫化碳和羰基硫等有机硫。参见天然气冷凝物。

有机硫化物和硫化氢（H2S）是常见的杂质，在大多数需要利用天然气的情况下都要事先将其除去。在英文的专业术语中，含硫杂质多的天然气可被形容为“sour（酸的）”。

尽管天然气是无色无味的，然而在被输送至最终用户前，还要使用硫醇为天然气添加气味，以助于泄漏检测。天然气不同于一氧化碳那般具有毒性，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较为容易发散，但是当天然气在房屋或帐篷等封闭环境中聚集的情况下，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。

### 能含量及相关数字

每燃烧一立方米商业品质的天然气可产生38M焦（10.6千瓦·时）的能量。在美国使用的英制单位下，相当于燃烧每一立方英尺天然气产生1031英制热量单位（BTU）。

在美国，天然气经常以“撒姆”（Therm，缩写为th，1 Therm = 100,000 BTU）为单位零售。批发交易则通常是使用“十撒姆”（Decatherms，缩写为Dth），或采用“千十撒姆”（Thousand decatherms，缩写为MDth），或“百万十撒姆，缩写为MMDth）作为单位。一个百万十撒姆大致相当于十亿立方英尺天然气。

## 用途

### 发电

作为燃气涡轮引擎和蒸汽涡轮发电的主要燃料，天然气异常重要。在燃气涡轮蒸汽涡轮联合循环的模式下发电，能源利用的效率特别高。对自然环境而言，燃烧天然气相比石油与煤等种类的化石燃料更为洁净，而且产生的温室气体更少。在获得相等的热量的情况下，燃烧天然气产生的二氧化碳较燃烧石油少30％，而相比煤则少45％。使用天然气的联合循环发电在可用化石燃料能源中最为洁净。此项技术在能够以合理的成本获得天然气的地方正被广泛采用。

燃料电池（fuel cell）技术可能最终为天然气转化为电提供更清洁的选择，但是此项技术目前还不具备价格竞争力。同样，据说天然气将约于2030年达到顶峰，晚于石油顶峰20年。而全球天然气供应将在二十一世纪八十年代中叶枯竭。

### 天然气车辆

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压缩天然气（以及液化天然气）被用作其它汽车燃料的清洁替代物。自2003年起，拥有天然气车辆最多的国家为阿根廷、巴西、巴基斯坦、意大利和印度。它的能量效率与柴油发动机相比较低，但是污染值方面，相对地在粒状污染物（Particulate matter, PM）部分是完全不存在的，且在氮氧化物的排放上，亦远较柴油车为低。主要天然气引擎采用火花点火（Spark ignition）方式引燃提供动力，与汽油引擎相同，却具有较高的辛烷值（120～130, Octane number）。因此在引擎的设计上其压缩比（Compression ratio）可以提升至11左右，弥补在能量热值上的不足，且在近年来由于引擎科技的进步，透过高压缩比，多点喷射系统（Multi injection）与涡轮增压装置（Turbo Charger），其动力输出性能已经与传统汽柴油引擎不相上下。传统汽油车也可改造成支持天然气做燃料的双燃料汽车。

推广天然气车辆的主要原因为天然气产量与储存量丰富，价格便宜；将一般家用天然气输送管线中燃气加压储存在高压钢瓶中，即可成为车辆使用之天然气燃料。天然气车辆排放的碳氢化合物（THC）中，80%以上为甲烷，甲烷不会因为光化学反应而与NOx反应形成臭氧（O3），以致破坏大气层，而影响环境生态，但是仍会对于温室效应产生影响，然而由于直接排放量远低于其他对于温室效应的气体排放，所以各国家制定车辆污染排放标准时将甲烷类碳氢化合物排除，仅针对非甲烷类（NMHC, Non-Methane Hydrocarbon）进行管制。

然而，因为天然气的比重甚小，其体积较其它液态燃料大，一加仑（3.785升）等效柴油所含热量约与标准状况（21℃ & l atm条件）下3.5m3天然气相当。

另外由于车辆上放置天然气储气筒的空间有限，天然气必须被压缩至220 bar左右储存于筒内；容器为了承受高压气体，其结构通常为坚固且厚重之钢材，或陆续开发复合材料与碳纤维材料之类高压容器，故相对减少可利用空间并增加车体重量。

近年来由于环保压力使然，欧美日各国竞相开发天然气车辆，并在都会区进行天然气公车实车示范以宣导使用成效；在美国更因原油年需求量中有50%来自国外，且交通运输所需能源中之96%皆须仰赖原油，因此在经济因素之额外考量下美国乃积极利用其国内现有之丰富天然气及既有管路，推行天然气车辆。

### 家用

向家庭提供的天然气被用以烹饪和取暖/制冷。CNG和LNG被用于没有公用事业管道连接的乡村家庭或便携式烤架。

### 肥料

天然气是哈柏法（Haber process）产生用于肥料生产的氨水的主要原料。

### 其它

天然气同样被用于制造纤维、玻璃、钢铁、塑料、油漆、食品制造加工以及其它产品。

C2-C4 烷烃增值的第一步是将其转化为烯烃。乙烷氧化脱氢产生乙烯，而乙烯是生产聚乙烯的原料，同时也是生产环氧乙烷、乙二醇、乙醛和其他烯烃的中间体。丙烷可以转化为丙烯、丙烯酸 和丙烯腈。

## 来源

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天然气的商业生产主要来自油田和天然气田。

天然气和石油时常并存于同样的岩层中，可在这些油井中吸取天然气。此外，在煤矿、泥盆纪页岩、地压盐水和结构紧密的砂岩中也会存在天然气。然而，从中开采天然气的成本较高，相关技术发展缓慢。

植物、垃圾、污水和动物的排泄物等有机物发酵时会产生沼气，性质类似天然气。

往时，天然气是作为废料在开采石油的过程中被烧掉的，因为相对出产的石油来说，其用途不大。但随着化石燃料的储量逐渐消耗，天然气在能源供应中所占的地位不断上升。

2005年，全球已探明的天然气总储量为179.53兆立方米。

（单位：亿立方米）资料来源

俄罗斯｜48.14万｜6328

伊朗｜27.50万｜约896.63

卡塔尔｜25.78万｜378

沙特阿拉伯｜6.75万｜656.8

阿拉伯联合酋长国｜6.06万｜458

美国｜5.60万｜5532.77

阿尔及利亚｜4.52万｜820

挪威｜4.46万｜880

委内瑞拉｜4.19万｜284

尼日利亚｜3.40万｜223.88

2009年，美国以6240亿立方米的天然气产量超过俄罗斯，成为世界第一产量国。2011年，中国天然气产量为1011.15亿立方米，首次突破1000亿立方米大关。相较2010年，同比增长7.3%。鄂尔多斯、塔里木、四川盆地是中国三大天然气主产区。2012年，中国天然气产量为1067.1亿立方米，比上年增长6.7%；累计进口天然气407.7亿立方米，比上年增长29.9%。其中，管道天然气进口占53.3%，LNG进口占46.7%。2012年天然气中国表观消费量达到1446亿立方米，比上年增长12.8%。

### 未来可能的来源

其实中国在早期建造的沼气池也是利用人畜粪便以及植物厌氧分解产生的甲烷收集，以供居民用于家用，只是规模较小一种实验性方法是使用垃圾产生的甲烷气来为城市提供能源。实验表明，甲烷气是一种经济上可行的能量来源。

在加拿大安大略省有一项计划，即从圈养在工厂化农场里的牛的肥料中获取沼气和甲烷气，来向小城镇提供能源。

## 生产与加工

天然气是通过钻井汲取，与石油汲取相似。许多天然气储量位于海底，天然气通过管道从海上的生产平台运输到岸上的采集点，其后再运到炼油厂进行提纯。

如以天然气不含硫化氢和二氧化碳杂质为前设，则加工的主要目的是去除水分和重烃。而加工的第一步骤是: 水和其它液体在重力的作用下从天然气中沉淀下来。然后，使干燥的气体通过冷却塔，在该处中，丁烷和丙烷被液化并收集起来。这些气体被称为液化石油天然气，可作为原材料出售，用以生产化学品；或者装罐出售，用作天然气炉的燃料。剩余的天然气可供应管道天然气供气网或经冷却、压缩处理成液化天然气。液化天然气比天然气占的空间少，通过油轮运输也更方便。

如果天然气含有硫化氢和二氧化碳杂质，则加工过程还需去除硫化氢和二氧化碳。加工的第一步是在吸收塔中采用醇胺水溶液吸收天然气中的硫化氢和二氧化碳。第二步是将离开吸收塔的天然气在另一个吸收塔中采用甘醇水溶液吸收水分，离开的天然气外输供用户使用。第三步是将吸收了硫化氢与二氧化碳的醇胺溶液通入再生塔加热减压处理，蒸发出的硫化氢与二氧化碳成为酸性气，干净的醇胺溶液返回吸收塔重复使用。第四步是将酸性气与空气进行部分燃烧，使部分硫化氢氧化为二氧化硫。剩余硫化氢与二氧化硫通过克劳斯反应生成硫磺和水。通过多级反应，可以回收酸性气中大部分的硫化氢。

## 储存与运输

在利用天然气的过程中的主要难题在位储存与运输。纵然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有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。

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当地，或是运至如管道这类能将天然气进一步输送的配送点该处。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接收站，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。

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此前，开采石油的过程中被一同采出的天然气因为将其销售没有利润，就毫无作为地在油田中被烧掉（英文称为flaring，燃烧废气的意思）。根据美国联邦贸易委员会在1935年提交给国会的报告，1919年至1930年间美国全国浪费的天然气，比被人消耗的天然气还要多出20%，浪费的天然气有4375亿立方英尺，而美国的天然气消费量为3520亿立方英尺。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日后开采，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，将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丘，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。

## 安全

天然气原本无色无臭，为使泄露可以被人嗅到，防止可能出现的爆炸，天然气供应商会加入一种像烂鸡蛋似“臭味”的化学药剂，如早期的乙硫醇或现今的四氢噻吩。

在煤矿业，因为存在瓦斯燃气的危险，需要使用瓦斯探头和对燃气安全的设备如戴维灯。在天然气中加入气味是由于1937年间的新伦敦学校爆炸，在学校建筑物中外泄的瓦斯没被注意到，其随后被引爆并造成3百多名师生死亡的事故。

近年来天然气爆炸已很少发生。个人住宅、小型企业和轮船最易受到内部的天然气外泄影响。通常，爆炸会造成很大的损毁，但建筑物不会倒下。在这个情况下，在里面的民众只会有轻度到中度的受伤。偶尔，瓦斯会聚成比较高浓度而造成致死的爆炸，在过程中夷平一个或多个建筑物。通常瓦斯在室外很容易消散，但在特定的天气条件下也有可能会聚集到危险的分量。而且，考虑到上千万的使用燃油的建筑物，使用天然气的危险度相对低得多。跟众所周知不同，天然气中加入的气味是无毒的，但有些天然气会生产一些酸性气体，包含了硫化氢，而这些气体是有毒性的。

抽取天然气或者石油（水力压裂）会放出重金属、矿物质、放射性物质等有害物质导致水源污染，从而威胁当地生态环境和居民身体健康。这种技术并被认为对环境带来了极大的伤害，包括使自来水自燃，引发小幅地震等。反对者指出潜在的环境影响，包括地下水的污染，淡水耗损，空气质量的风险，气体和水力压裂化学品迁移到地表面，泄漏和回流的表面污染，以及这些问题对健康的影响Environmental impact of hydraulic fracturing（如癌症、血液疾病、神经系统损伤、呼吸问题、生殖发育、流产、死胎、月经周期紊乱）也会让地层压力下降，而这种压降又会导致地表下沉，地表下沉则可能影响生态系统、地表水流、排供水系统、以及建筑地基等等。

## 天然气危机

### 北美

许多政治家和知名人士已在北美公开发表有关于天然气危机可能发生的谈话，其中包括美国前能源部长史宾塞·亚伯拉罕（Spencer Abraham）、美联储主席艾伦·格林斯潘（Alan Greenspan）以及加拿大安大略省能源部长德怀特·邓肯（Dwight Duncan）。

在美国，明显的天然气危机就是过去几年中不断增涨的价格。这是因为本土供应的下降和发电站需求量的增加。价格如此之高使得许多工业用户，主要是石化企业，不得不关闭他们的工厂，导致原本的员工失业。格林斯潘已经为天然气危机提出了一个解决方案，那就是重视液化天然气（LNG）。

这个解决方案是资本密集性的，由于对本地发展持反对态度的人士而在政治上引起了激烈的争议。因为在公众的认知中，天然气接收站有爆炸的危险，特别是在美国9/11恐怖袭击之后。美国国土安全部（United States Department of Homeland Security）负责维持本土安全，根据在2004年马萨诸塞州波士顿的民主会议上通过的安全计划安排，美国本土仅保留六个天然气接收站。