北方地區的供暖季將到來，天然氣又成了熱議的話題，清潔取暖以來，北方地區多個省份散燒煤消費大幅下降，天然氣替代的散燒煤約1億噸，減排二氧化硫78萬噸、氮氧化物38萬噸、非化學有機物14萬噸、顆粒物153萬噸

隨之而來的是秋冬季的霧霾天數下降、空氣質量達標天數逐年增加，清潔取暖已經成為北方地區大氣汙染物減排的重要抓手

天然氣天然存在，那它又是怎麼形成，然後被開採輸送到千家萬戶的呢？來，瞭解下

天然氣的形成

和石油一樣，天然氣也是有機物質分解的產物，通常來自於過去5.5億年中沉積下來的遠古海洋微生物，這些有機物質與海底的泥漿、淤泥和沙子混合在一起，隨著時間的推移逐漸被掩埋，之後在形成的密封無氧環境中，隨著熱量和壓力的不斷增加，混合物質會經歷熱分解過程，從而轉化為碳氫化合物

5.5億年前的遠古海洋微生物

這些碳氫化合物中最輕的部分在正常條件下以氣態存在，也就是我們所說的天然氣，純天然氣是一種無色無味的氣體，主要由甲烷組成，而甲烷是最簡單、最輕的碳氫化合物，它是一種高度易燃的化合物，由一個碳原子和四個氫原子組成（化學式：CH4）

甲烷分子模型

天然氣一旦形成，之後的命運取決於圍巖的兩個關鍵特徵：孔隙率（porosity）和滲透率（permeability），孔隙率是指岩石顆粒中所含的空隙量，亦即塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態下總體積的百分比

孔隙率（porosity）和滲透率（permeability）的示意圖

多孔性強的岩石，如砂岩，通常有5%到25%的孔隙率，這就使它們有很大的空間來儲存油、水和氣體等流體，而滲透性是衡量岩石中孔隙空間相互連接程度的一個指標，高滲透性岩石允許氣體和液體輕易地流過岩石，而低滲透性岩石不允許液體流過

天然氣形成後，由於密度較低，往往會通過岩石孔隙向地表上升，我們現在發現的大多數天然氣礦床都發生在天然氣遷移到一個不透水蓋層下面的多孔和滲透性很強的岩石中，從而使其在到達地表並逃逸到大氣之前就富集

天然氣礦床有兩大類：常規型和非常規型，常規天然氣礦床通常伴有油氣藏，天然氣要麼與石油混合，要麼浮在上面，而非常規天然氣礦床包括頁岩氣、緻密砂岩氣和煤層氣等

天然氣開採和使用的簡短歷史

人類早期對於天然氣的認知來源於其從岩石或者泉水中洩露引發的明火，有時，閃電或其它火源會導致這些滲漏的氣體燃燒，從而引發地面的明火甚至嚴重的火災

大約在公元前900年，中國人首先開始從深井中提取可以燃燒的氣體，也就是天然氣，並用氣體燃燒產生的熱量來煮滷熬鹽

到了公元一世紀，我們已經開發出了使用金屬鑽頭插入一段挖空的竹管中將氣體帶到地面的天然氣開採技術，而且當時最大的挖掘深度能夠在軟土中達到1460米

中國古代的開採工具

在西方，羅馬人也知道天然氣的存在，愷撒大帝（Gaius Julius Caesar）應該親眼目睹過現法國格勒諾布爾(Grenoble)可以燃燒的泉水，而俄羅斯早期的宗教廟宇會選擇建在因天然氣滲漏發生燃燒形成所謂“永恆的火焰”的地方

在美國，第一次對天然氣有目的的開採是在1821年，當時威廉·哈特(William Hart)在紐約弗雷多尼亞附近的卡納達維河沿岸鑽了一口井用以開採淺層氣層，他通過掏空的圓木將氣體輸送到附近的一座建築，並在那裡燃燒送來的氣體以供照明

1865年，the Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company成為美國第一家天然氣公司， 1872年，第一條從氣田到紐約羅切斯特的長距離天然氣管道長達40公里，而且管道也是用空心的圓木做成

1885年，羅伯特·本森(Robert Bunsen)發明了本生燈(Bunsen Burner)，這使得人們對使用天然氣作為取暖和烹飪的能源來源產生了極大的興趣，到了1891年，在印第安納州中部開採了一個高壓天然氣礦床，很快當地就修建了一條192公里的管道，將天然氣輸送到伊利諾伊州的芝加哥

本生燈(Bunsen Burner)

對天然氣的開採和使用盡管有這些早期的努力，但由於缺乏良好的天然氣分配系統，天然氣的使用僅限於發現天然氣的地方，在較偏遠地區進行石油鑽探時，大部分進入地表的天然氣被簡單地排放到大氣中或被燒掉

到了1910左右，美國的石油公司意識到這種簡單粗暴處理天然氣的方法會使他們失去潛在的一大塊利潤，於是他們開始了一項在美國的大城市所在地區安裝天然氣管道的計劃，直到第二次世界大戰之後，這一項目的管道才到達足夠多的城鎮，組網成功，使天然氣成為比電力和煤炭更有吸引力的替代品

目前在世界範圍內，美國、俄羅斯、加拿大、中國和中東的阿拉伯海灣國家都擁有大量的天然氣儲量

天然氣的開採和運輸

一些地下天然氣儲集層處於足夠的內部壓力下，天然氣可以在沒有外部干涉的情況下向上流動併到達地球表面，然而，大多數油井都需要磕頭機將天然氣(和石油，如果存在)帶到地面

動圖來自視頻《Natural Gas 101》

當原始天然氣到達地表時，它會與石油分離，並通過管道輸送到附近的天然氣處理廠，在美國，大約75%的天然氣來自地下儲層，那裡幾乎沒有石油

這種天然氣比油井中的天然氣更容易加工，但是無論天然氣的來源如何，大多數天然氣都含有汙垢、沙子和水蒸氣，在進一步處理之前必須將其清除，以防止設備和管道受到汙染和腐蝕

油井附近的泥土和沙子可以用過濾器或捕集器清除，然後將氣體通過裝有固體乾燥劑顆粒的塔（例如氧化鋁或硅膠）或通過液體乾燥劑（如乙二醇）以除去水蒸氣，初步處理過的原料天然氣經淨化、乾燥後可進一步加工或直接送壓氣站，泵入主輸管道

如果原料天然氣中含有大量的丙烷、丁烷等重烴氣體，則這些氣體將被分離出來並單獨銷售，處理的常見方法是將原料天然氣通過一個裝有吸收油（石腦油、煤油或柴油）的封閉高塔鼓泡起來，當氣體與冷油接觸時，較重的碳氫化合物氣體凝結成液體並被吸收進油中，較輕的碳氫化合物氣體，如甲烷和乙烷，不會凝結成液體並流出塔頂

處理示意圖

大約85%的丙烷和幾乎所有的丁烷和較重的碳氫化合物都是通過這種方式獲得的，然後將吸收油蒸餾以除去被吸收的碳氫化合物，這些碳氫化合物在分餾塔中被分離成單獨的組分

此時，天然氣中含有甲烷、乙烷和少量未被吸收的丙烷，而且還含有不同數量的二氧化碳、硫化氫、氮和其他物質，另外，乙烷的一部分有時會被分離出去以用作各種化學過程中的原料，為了實現乙烷的分離，需要進一步降低氣體中的水蒸氣，然後對氣體進行重複壓縮和膨脹循環以冷卻乙烷並將其液化儲存

而有一些地區開採天然氣會含有較高比例的二氧化碳和硫化氫，這些化學物質可以與氣體中的剩餘水蒸氣反應形成酸，從而導致腐蝕，這時候需要將氣體通過塔向上流動，同時在頂部注入與溶劑(如單乙醇胺)混合的水噴霧來對其進行去除，溶劑與化學品發生反應後的溶液從塔底部排出，然後做進一步的處理

天然氣中二氧化碳和硫化氫的處理

如果一些開採的天然氣還含有很高比例的氮，因為氮氣不燃燒，所以它會降低了天然氣的熱值，也必須對其進行處理，處理方法是在二氧化碳和硫化氫被除去後，氣體經過低溫蒸餾過程液化並分離氮

如果要利用原料天然氣中的氮氣（如美國工業用氮的主要來源就是天然氣），則是在除去氮氣後進行，這涉及到一個複雜的蒸餾和淨化過程以將氮從其他氣體中分離出來

因為天然氣無色、無味、無毒，所以在加工過程中會將硫醇（低級的硫醇有強烈且令人厭惡的氣味）注入處理後的天然氣中，使其具有獨特氣味以便在洩漏時可以被察覺到

之後將天然氣通過管道輸送到壓氣站，在那裡壓力增加到約1380—10350 kPa，接著增壓的天然氣通過安裝在地下的管道運輸到千家萬戶，另外大約每160公里會有另一個壓縮機來提高氣體壓力，以彌補氣體與管壁之間摩擦造成的壓力損失，保持氣體流動，在將氣體通過管道輸送到每個家庭之前，壓力會降低到約1.7kPa

最後

天然氣是一種潔淨環保的優質能源，幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質，燃燒時產生二氧化碳少於其他化石燃料，造成溫室效應較低，因而能從根本上改善環境質量

同時，天然氣無毒、易散發，比重輕於空氣，不宜積聚成爆炸性氣體，是較為安全的燃氣，但是使用的時候仍要注意