天然气
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天然气（Natural Gas）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。
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（沼气）。生物气的来源地包括森林和草地间的沼泽、垃圾填埋场、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），胃肠气最通常来自于牛羊等家畜。
当甲烷散逸到大气层中时，它将是一种直接促使全球变暖愈演愈烈的温室气体。这种飘散的甲烷，就会被视作一种污染物，而不是一种有用的能源。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相对短暂。而且就燃烧而言，天然气要比煤这类石炭纪燃料产生的二氧化碳要少得多。甲烷的重要生物形式来源是白蚁、反刍动物（如牛羊）和人类对土地的耕种。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）。
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[编辑] 化学成分和能含量
[编辑] 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。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。
[编辑] 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38兆焦（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。
[编辑] 用途
[编辑] 发电
作为燃气涡轮和蒸汽涡轮发电的主要原料，天然气非常重要。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，燃烧天然气比起石油和煤之类化石燃料要更加清洁，产生更少的温室气体。获得同样的热量，燃烧天然气产生的二氧化碳比燃烧石油要少30％，比煤要少45％。 [1]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，据说天然气将在2030年左右达到顶峰，比石油顶峰晚了20年。全球天然气供应将在二十一世纪八十年代中叶枯竭。
[编辑] 天然气车辆
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，但是污染值部分,相對地在粒狀污染物部分(Particle,PM)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(Compress 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。 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灌入高壓鋼瓶，使鋼瓶壓力保持在220 bar左右，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)，致破壞大氣層，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，僅針對非甲烷類進行管制(NMHC, Non-Methane Hydrocarbon)。 然而天然氣因為比重小，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。
[编辑] 家用
向家庭提供的天然气被用来烹饪和取暖/制冷。CNG被用于没有公用事业管道连接的乡村家庭或便携式烤架。
[编辑] 肥料
天然气是哈勃固氨法(Haber process)产生用于肥料生产的氨水的主要原料。
[编辑] 其它
天然气同样被用于制造纤维、玻璃、钢铁、塑料、油漆以及其它产品。
[编辑] 来源
天然氣和石油常常並存于同樣的岩層中，可以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。
在以前，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地位不斷上升。
2005年，全球已探明的天然气总储量为179.53万亿立方米。
| 国家 | 储量 | 年产量 |
|---|---|---|
| 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 |
| 阿联酋 | 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 |
[编辑] 未来可能的来源
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。
There is also the possibility that with the source separation of organic materials from the waste stream that by using an anaerobic digester, the methane can be used to produce useable energy. This can be improved by adding other organic material (plants as well as slaughter house waste) to the digester.
[编辑] 储存与运输
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。
油罐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，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。
[编辑] Safety
In any form, a concentrated, rotten-egg like scent (such as mercaptan/ethanethiol) is deliberately added to the otherwise colorless and odorless gas, so that leaks can be detected by smell before an explosion occurs. In mines, sensors are used and mining apparatus has been specifically developed to avoid ignition sources (e.g. the Davy lamp). Adding scent to natural gas began after the 1937 New London School explosion. The buildup of gas in the school went unnoticed, and killed three hundred students and faculty when it ignited.
Explosions caused by natural gas leaks occur a few times each year. Individual homes, small businesses and boats are most frequently affected when an internal leak builds up gas inside the structure. Frequently, the blast will be enough to significantly damage a building but leave it standing. In these cases, the people inside tend to have minor to moderate injuries. Occasionally, the gas can collect in high enough quantities to cause a deadly explosion, disintegrating one or more buildings in the process. The gas usually dissipates readily outdoors, but can sometimes collect in dangerous quantities if weather conditions are right. Also, considering the tens of millions of structures that use the fuel, the individual risk of using natural gas is very low.
Contrary to popular belief, natural gas and the odorant that's added to it,is non-toxic, though some gas fields yield 'acid gas' or 'sour gas' containing hydrogen sulfide. This untreated gas is toxic.
Extraction of natural gas (or oil) leads to decrease in pressure in the reservoir. This in turn may lead to subsidence at ground level. Subsidence may affect ecosystems, waterways, sewer and water supply systems, foundations etc.
[编辑] 天然气危机
[编辑] 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讲话。这些人中包括美国前能源部长斯潘塞·亚伯拉罕(Spencer Abraham)、美联储主席阿伦·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，天然气危机的显著特点就是过去几年中不断增涨的天然气价格。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并引发了失业。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，而且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。因为在公众的理解中，LNG的终端有爆炸的危险，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LNG的终端，非常之紧。
Infrastructure issues to establish new or expanded LNG terminals are non-trivial, to say the least, especially when taken together with high capitalization needs of each subsystem. LNG terminals require a very spacious—at least 38.5m deep—harbor, as well as being sheltered from wind and waves. These "suitable" sites are thus deep in well populated seaports, which are also burdened with right of way concerns for LNG pipelines, or conversely, required to also host the LNG expansion plant facilities and end use (petrochemical) plants amidst the high population densities of major cities (with the associated fumes, multiple serious risks to safety).
Typically, to attain "well sheltered" waters, suitable harbor sites are well up rivers or estuaries, which are unlikely to be dredged deep enough. Since these very large vessels must move slowly and ponderously in restricted waters, the transit times to and from the terminal become costly, as multiple tugs and security boats shelter and safeguard the large vessels. Operationally, LNG tankers are (for example, in Boston) effectively given sole use of the harbor, forced to arrive and depart during non-peak hours, and precluded from occupying the same harbor until the first is well departed. These factors increase operating costs and make capital investment less attractive.
