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天然气是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。它主要存在于油田以及天然气田,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体。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。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延长下去。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。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),还有一些酸性气体,如二氧化碳和硫化氢。部分气田所产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,在大多数利用天然气的情况下都要先除去。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。

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%。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。

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。

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),致破坏大气层,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。

然而天然气因为比重小,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3.5m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来烹饪和取暖/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。

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