北方地区的供暖季将到来，天然气又成了热议的话题，清洁取暖以来，北方地区多个省份散烧煤消费大幅下降，天然气替代的散烧煤约1亿吨，减排二氧化硫78万吨、氮氧化物38万吨、非化学有机物14万吨、颗粒物153万吨

随之而来的是秋冬季的雾霾天数下降、空气质量达标天数逐年增加，清洁取暖已经成为北方地区大气污染物减排的重要抓手

天然气天然存在，那它又是怎么形成，然后被开采输送到千家万户的呢？来，了解下

天然气的形成

和石油一样，天然气也是有机物质分解的产物，通常来自于过去5.5亿年中沉积下来的远古海洋微生物，这些有机物质与海底的泥浆、淤泥和沙子混合在一起，随着时间的推移逐渐被掩埋，之后在形成的密封无氧环境中，随着热量和压力的不断增加，混合物质会经历热分解过程，从而转化为碳氢化合物

5.5亿年前的远古海洋微生物

这些碳氢化合物中最轻的部分在正常条件下以气态存在，也就是我们所说的天然气，纯天然气是一种无色无味的气体，主要由甲烷组成，而甲烷是最简单、最轻的碳氢化合物，它是一种高度易燃的化合物，由一个碳原子和四个氢原子组成（化学式：CH4）

甲烷分子模型

天然气一旦形成，之后的命运取决于围岩的两个关键特征：孔隙率（porosity）和渗透率（permeability），孔隙率是指岩石颗粒中所含的空隙量，亦即块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比

孔隙率（porosity）和渗透率（permeability）的示意图

多孔性强的岩石，如砂岩，通常有5%到25%的孔隙率，这就使它们有很大的空间来储存油、水和气体等流体，而渗透性是衡量岩石中孔隙空间相互连接程度的一个指标，高渗透性岩石允许气体和液体轻易地流过岩石，而低渗透性岩石不允许液体流过

天然气形成后，由于密度较低，往往会通过岩石孔隙向地表上升，我们现在发现的大多数天然气矿床都发生在天然气迁移到一个不透水盖层下面的多孔和渗透性很强的岩石中，从而使其在到达地表并逃逸到大气之前就富集

天然气矿床有两大类：常规型和非常规型，常规天然气矿床通常伴有油气藏，天然气要么与石油混合，要么浮在上面，而非常规天然气矿床包括页岩气、致密砂岩气和煤层气等

天然气开采和使用的简短历史

人类早期对于天然气的认知来源于其从岩石或者泉水中泄露引发的明火，有时，闪电或其它火源会导致这些渗漏的气体燃烧，从而引发地面的明火甚至严重的火灾

大约在公元前900年，中国人首先开始从深井中提取可以燃烧的气体，也就是天然气，并用气体燃烧产生的热量来煮卤熬盐

到了公元一世纪，我们已经开发出了使用金属钻头插入一段挖空的竹管中将气体带到地面的天然气开采技术，而且当时最大的挖掘深度能够在软土中达到1460米

中国古代的开采工具

在西方，罗马人也知道天然气的存在，恺撒大帝（Gaius Julius Caesar）应该亲眼目睹过现法国格勒诺布尔(Grenoble)可以燃烧的泉水，而俄罗斯早期的宗教庙宇会选择建在因天然气渗漏发生燃烧形成所谓永恒的火焰的地方

在美国，第一次对天然气有目的的开采是在1821年，当时威廉·哈特(William Hart)在纽约弗雷多尼亚附近的卡纳达维河沿岸钻了一口井用以开采浅层气层，他通过掏空的圆木将气体输送到附近的一座建筑，并在那里燃烧送来的气体以供照明

1865年，the Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company成为美国第一家天然气公司， 1872年，第一条从气田到纽约罗切斯特的长距离天然气管道长达40公里，而且管道也是用空心的圆木做成

1885年，罗伯特·本森(Robert Bunsen)发明了本生灯(Bunsen Burner)，这使得人们对使用天然气作为取暖和烹饪的能源来源产生了极大的兴趣，到了1891年，在印第安纳州中部开采了一个高压天然气矿床，很快当地就修建了一条192公里的管道，将天然气输送到伊利诺伊州的芝加哥

本生灯(Bunsen Burner)

对天然气的开采和使用尽管有这些早期的努力，但由于缺乏良好的天然气分配系统，天然气的使用仅限于发现天然气的地方，在较偏远地区进行石油钻探时，大部分进入地表的天然气被简单地排放到大气中或被烧掉

到了1910左右，美国的石油公司意识到这种简单粗暴处理天然气的方法会使他们失去潜在的一大块利润，于是他们开始了一项在美国的大城市所在地区安装天然气管道的计划，直到第二次世界大战之后，这一项目的管道才到达足够多的城镇，组网成功，使天然气成为比电力和煤炭更有吸引力的替代品

目前在世界范围内，美国、俄罗斯、加拿大、中国和中东的阿拉伯海湾国家都拥有大量的天然气储量

天然气的开采和运输

一些地下天然气储集层处于足够的内部压力下，天然气可以在没有外部干涉的情况下向上流动并到达地球表面，然而，大多数油井都需要磕头机将天然气(和石油，如果存在)带到地面

动图来自视频《Natural Gas 101》

当原始天然气到达地表时，它会与石油分离，并通过管道输送到附近的天然气处理厂，在美国，大约75%的天然气来自地下储层，那里几乎没有石油

这种天然气比油井中的天然气更容易加工，但是无论天然气的来源如何，大多数天然气都含有污垢、沙子和水蒸气，在进一步处理之前必须将其清除，以防止设备和管道受到污染和腐蚀

油井附近的泥土和沙子可以用过滤器或捕集器清除，然后将气体通过装有固体干燥剂颗粒的塔（例如氧化铝或硅胶）或通过液体干燥剂（如乙二醇）以除去水蒸气，初步处理过的原料天然气经净化、干燥后可进一步加工或直接送压气站，泵入主输管道

如果原料天然气中含有大量的丙烷、丁烷等重烃气体，则这些气体将被分离出来并单独销售，处理的常见方法是将原料天然气通过一个装有吸收油（石脑油、煤油或柴油）的封闭高塔鼓泡起来，当气体与冷油接触时，较重的碳氢化合物气体凝结成液体并被吸收进油中，较轻的碳氢化合物气体，如甲烷和乙烷，不会凝结成液体并流出塔顶

处理示意图

大约85%的丙烷和几乎所有的丁烷和较重的碳氢化合物都是通过这种方式获得的，然后将吸收油蒸馏以除去被吸收的碳氢化合物，这些碳氢化合物在分馏塔中被分离成单独的组分

此时，天然气中含有甲烷、乙烷和少量未被吸收的丙烷，而且还含有不同数量的二氧化碳、硫化氢、氮和其他物质，另外，乙烷的一部分有时会被分离出去以用作各种化学过程中的原料，为了实现乙烷的分离，需要进一步降低气体中的水蒸气，然后对气体进行重复压缩和膨胀循环以冷却乙烷并将其液化储存

而有一些地区开采天然气会含有较高比例的二氧化碳和硫化氢，这些化学物质可以与气体中的剩余水蒸气反应形成酸，从而导致腐蚀，这时候需要将气体通过塔向上流动，同时在顶部注入与溶剂(如单乙醇胺)混合的水喷雾来对其进行去除，溶剂与化学品发生反应后的溶液从塔底部排出，然后做进一步的处理

天然气中二氧化碳和硫化氢的处理

如果一些开采的天然气还含有很高比例的氮，因为氮气不燃烧，所以它会降低了天然气的热值，也必须对其进行处理，处理方法是在二氧化碳和硫化氢被除去后，气体经过低温蒸馏过程液化并分离氮

如果要利用原料天然气中的氮气（如美国工业用氮的主要来源就是天然气），则是在除去氮气后进行，这涉及到一个复杂的蒸馏和净化过程以将氮从其他气体中分离出来

因为天然气无色、无味、无毒，所以在加工过程中会将硫醇（低级的硫醇有强烈且令人厌恶的气味）注入处理后的天然气中，使其具有独特气味以便在泄漏时可以被察觉到

之后将天然气通过管道输送到压气站，在那里压力增加到约1380—10350 kPa，接着增压的天然气通过安装在地下的管道运输到千家万户，另外大约每160公里会有另一个压缩机来提高气体压力，以弥补气体与管壁之间摩擦造成的压力损失，保持气体流动，在将气体通过管道输送到每个家庭之前，压力会降低到约1.7kPa

最后

天然气是一种洁净环保的优质能源，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，造成温室效应较低，因而能从根本上改善环境质量

同时，天然气无毒、易散发，比重轻于空气，不宜积聚成爆炸性气体，是较为安全的燃气，但是使用的时候仍要注意