天然氣
| 天然氣 | ||
|---|---|---|
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| 常規 | ||
| 其他名稱 | 沼澤氣, 濕地氣 | |
| 分子式 | CH4 (四氫化碳) | |
| 外觀 | 無色氣體, 藍色火焰 | |
| 性質 | ||
| 密度 和 狀態 | 0.717 kg/m3, gas | |
| 熔點 | −182.5°C (90.6 K) 在 1 atm 25 °C (298 K) 在 1.5 GPa |
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| 沸點 | −161.6°C (111.55 K) | |
| 三相點 | 90.7 K, 0.117 bar | |
| 危險因素 | ||
| 物質安全數據表 | 物質安全數據表 | |
| 歐規分類 | 高度易燃 (F+) | |
| NFPA 704 |
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| R 相 | R12 | |
| S 相 | S2, S9, S16, S33 | |
| 燃點 | −188°C | |
| 自燃溫度 | 482-632°C | |
| 最高燃燒溫度: | 2148°C | |
| 爆炸極限 | 5–15% | |
| 相關合成物 | ||
| 相關烷烴 | 乙烷 丙烷 |
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| 相關合成物 | 甲醇 甲基氯 |
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| Except where noted otherwise, data are given for materials in their standard state (at 25 °C, 100 kPa) Infobox disclaimer and references |
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| See methane for a more complete list. | ||
天然氣（Natural Gas）是一種主要由甲烷組成的氣態化石燃料。它主要存在於油田和天然氣田，也有少量出於煤層。
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（沼氣）。生物氣的來源地包括森林和草地間的沼澤、垃圾填埋場、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），胃腸氣最通常來自於牛羊等家畜。
當甲烷散逸到大氣層中時，它將是一種直接促使全球變暖愈演愈烈的溫室氣體。這種飄散的甲烷，就會被視作一種污染物，而不是一種有用的能源。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相對短暫。而且就燃燒而言，天然氣要比煤這類石炭紀燃料產生的二氧化碳要少得多。甲烷的重要生物形式來源是白蟻、反芻動物（如牛羊）和人類對土地的耕種。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）。
目錄 |
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。它也可能會含有一些較重的烴分子，例如乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10），還有一些不定量的含有氣體的硫磺，參見天然氣冷凝物。
有機硫化物和硫化氫（H2S）是常見的雜質，在大多數利用天然氣的情況下都必須預先除去。含硫雜質多的天然氣用英文的專業術語形容為「sour（酸的）」。
儘管天然氣是無色無味的，然而在送到最終用戶之前，還要用硫醇來給天然氣添加氣味，以助於泄漏檢測。天然氣不像一氧化碳那樣具有毒性，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容易發散，但是當天然氣在房屋或帳篷等封閉環境里聚集的情況下，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38兆焦（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
作為燃氣渦輪和蒸汽渦輪發電的主要原料，天然氣非常重要。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，燃燒天然氣比起石油和煤之類化石燃料要更加清潔，產生更少的溫室氣體。獲得同樣的熱量，燃燒天然氣產生的二氧化碳比燃燒石油要少30％，比煤要少45％。 [1]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，據說天然氣將在2030年左右達到頂峰，比石油頂峰晚了20年。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
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)，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。
家用
向家庭提供的天然氣被用來烹飪和取暖/製冷。CNG被用於沒有公用事業管道連接的鄉村家庭或攜帶型烤架。
肥料
天然氣是哈伯固氨法(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、油漆以及其它產品。
來源
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，全球已探明的天然氣總儲量為179.53萬億立方米。
| 國家 | 儲量 | 年產量 |
|---|---|---|
| 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 |
| 阿聯 | 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 |
未來可能的來源
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里的牛的肥料中獲取沼氣和甲烷氣，來向小城鎮提供能源。
儲存與運輸
在天然氣利用過程中的主要困難是儲存與運輸。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經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用戶那裡，或是運到像管道這類能將天然氣進一步輸送的配送點那裡。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站，並且還相應需要在最終用戶或輸入管道的設施那裡進行氣化或減壓的處理。
在過去，開採石油的過程中被一同采出的天然氣因為銷售起來沒有利潤，就被白白地在油田裡被燒掉（英文稱為flaring，燃燒廢氣的意思）。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用戶的運輸方式，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以後開採，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，把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穹(salt dome)，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于氣罐中。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。存貯點設在最終用戶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
一種濃縮的象爛雞蛋似的"氣味"(如硫醇，目前主要是四氫噻吩)被故意加進原本無色無臭的液化天然氣中,使泄露可以被人嗅到,防止可能出現的爆炸。 在煤礦業，因為存在瓦斯燃氣的危險而需要使用瓦斯探頭和對燃氣安全的設備如安全礦燈. 在天然氣中加入氣味是在1937年New London School explosion，由於在學校建築物中外洩的瓦斯沒被注意到，隨後被引爆造成3百多人師生死亡。
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）導致地層壓力下降，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講話。這些人中包括美國前能源部長斯潘塞·亞伯拉罕(Spencer Abraham)、美聯儲主席阿倫·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，天然氣危機的顯著特點就是過去幾年中不斷增漲的天然氣價格。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用戶，主要是石化企業，不得不關閉他們的工廠並引發了失業。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，而且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。因為在公眾的理解中，LNG的終端有爆炸的危險，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LNG的終端，非常之緊。
參見
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