天然气

罗马人也知道天然气，据说凯撒大帝目睹了法国格勒诺布尔附近的“燃烧的春天”。俄罗斯早期的宗教寺庙围绕着燃烧的天然气渗漏形成“永恒的火焰”的地方建造。

在美国，第一次有意使用天然气发生在 1821 年，当时威廉·哈特 (William Hart) 在纽约弗雷多尼亚 (Fredonia) 附近的加拿大韦溪 (Canadaway Creek) 沿岸钻了一口井以挖掘浅层气穴。他将气体通过空心圆木输送到附近的一座建筑物，在那里他将其燃烧以进行照明。 1865 年，Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company 成为美国第一家天然气公司。 1872 年，第一条长距离天然气管道从气田延伸至纽约罗彻斯特，全长 25 英里（40 公里）。它也使用空心原木作为管道。罗伯特·本生 (Robert Bunsen) 于 1885 年开发的本生灯使人们对使用天然气作为取暖和烹饪来源以及照明用途产生了兴趣。 1891 年，在印第安纳州中部开采了一个高压天然气矿床，并建造了一条 120 英里（192 公里）的管道，将天然气输送到伊利诺伊州的芝加哥。

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，天然气只能在发现天然气的地方使用。在更偏远地区，作为石油钻探的一部分而到达地表的大部分天然气只是排放到大气中，或者在日夜照亮油田的巨大耀斑中燃烧掉。到 1910 年代，石油公司意识到这种做法正在损害他们的潜在利润，于是他们开始了一项积极的计划，在美国各地的大都市区安装天然气管道。直到二战之后，这条管道计划才覆盖了足够多的城镇，使天然气成为替代电力和煤炭的有吸引力的替代品。

到 2000 年，美国有 600 多个天然气加工厂与超过 300,000 英里（480,000 公里）的主要运输管道相连。在世界范围内，前苏联、加拿大、中国和中东的阿拉伯海湾国家也蕴藏着大量天然气。

原材料

原天然气由多种气体组成。主要成分是甲烷。其他成分包括乙烷、丙烷、丁烷和许多其他可燃烃。未加工的天然气还可能含有水蒸气、硫化氢、二氧化碳、氮气和氦气。

在处理过程中，许多这些组件可能会被移除。某些物质（例如乙烷、丙烷、丁烷、硫化氢和氦气）可能会被部分或完全去除以作为单独的商品进行加工和销售。其他成分（例如水蒸气、二氧化碳和氮气）可能会被去除，以提高天然气的质量或使天然气更容易通过管道远距离运输。

由此产生的加工天然气主要包含甲烷和乙烷，尽管没有“典型”天然气这样的东西。某些其他成分可能会添加到处理过的气体中，以赋予其特殊的品质。例如，添加一种称为硫醇的化学物质，使气体具有独特的气味，警告人们泄漏。

制造过程

用于提取、加工、运输、储存和分配天然气的方法取决于原料气的位置和成分以及最终用户对天然气的位置和应用。以下是用于生产用于家庭取暖和烹饪的天然气的典型操作序列。

提取

• 1 一些地下天然气储层处于足够的内部压力下，气体可以在没有额外帮助的情况下向上流动并到达地球表面。然而，大多数井需要一个泵将气体（和石油，如果存在）带到地面。最常见的泵有一根长杆，连接到井深处的活塞上。杆被交替向上拉，然后被一根横梁插入井中，横梁在垂直支撑的顶部缓慢上下摆动。这种配置通常被称为马头泵，因为摇臂末端的牵引机构的形状类似于马头。
• 2 当原始天然气到达地表时，它会与可能存在的任何石油分离，并通过管道输送到附近的中央天然气加工厂。数百口井可能都注入同一工厂。

处理中

• 3 美国大约 75% 的未加工天然气来自几乎没有石油的地下储层。这种气体比油井中的气体更容易加工。无论来源如何，大多数未加工的天然气都含有污垢、沙子和水蒸气，必须在进一步处理之前将其除去，以防止设备和管道受到污染和腐蚀。污垢和沙子通过井附近的过滤器或陷阱去除。通常通过使气体通过填充有固体干燥剂（例如氧化铝或硅胶）颗粒的塔，或通过液体干燥剂（例如乙二醇）来去除水蒸气。净化和干燥后，原料气可以进一步处理，也可以直接送到压缩机站，然后泵入主输送管道。
• 4 如果原料天然气中含有大量较重的烃类气体，如丙烷和丁烷，则将这些物质去除，单独出售。最常见的方法是将原料气鼓泡通过一个装有冷吸收油（类似于煤油）的封闭式高塔。当气体与冷油接触时，较重的碳氢化合物气体会凝结成液体并被困在油中。较轻的碳氢化合物气体，如甲烷和乙烷，不会凝结成液体并从塔顶流出。大约 85% 的丙烷以及几乎所有的丁烷和较重的碳氢化合物都以这种方式捕集。然后对吸收油进行蒸馏以除去被捕获的烃，这些烃在分馏塔中被分离成单独的组分。
• 5 此时，天然气包含甲烷、乙烷和少量未被捕获的丙烷。它还可能含有不同量的二氧化碳， 描绘了从地下来源到家庭使用的天然气生产的图表。硫化氢、氮气和其他材料。有时会去除一部分乙烷，用作各种化学工艺的原料。为实现这一目标，使用多种方法之一进一步减少气体中的水蒸气，然后对气体进行反复压缩和膨胀循环，以冷却乙烷并将其以液体形式捕获。
• 6 一些天然气含有高百分比的二氧化碳和硫化氢。这些化学物质会与气体中剩余的水蒸气反应形成酸，从而导致腐蚀。它们通过使气体向上流过塔而去除，同时在顶部注入与溶剂（例如单乙醇胺）混合的水喷雾。溶剂与化学品发生反应，溶液从塔底排出以进行进一步处理。
• 7 一些天然气还含有高比例的氮。因为氮气不燃烧，所以会降低天然气的热值。二氧化碳和硫化氢被去除后，气体通过低温蒸馏过程液化和分离氮气。步骤 6 和 7 中的过程有时被称为“升级”天然气，因为天然气现在更清洁，燃烧得更热。
• 8 如果要捕获氦气，则在去除氮气后进行。这涉及复杂的蒸馏和纯化过程，以将氦气与其他气体分离。天然气是美国工业氦气的主要来源。

运输

• 9 硫醇被注入加工过的天然气中，使其发出独特的警告气味，然后气体通过管道输送到压缩机站，在那里压力增加到大约 200-1,500 psi (1,380-10,350 kPa)。然后通过安装在地下的几条主要管道之一将天然气输送到全国各地。这些管道的直径范围为 20 到 42 英寸（51 到 107 厘米）。大约每 100 英里（160 公里），另一台压缩机会提高气体压力，以弥补气体与管壁之间摩擦造成的微小压力损失。这使气体保持流动。
• 10 当加压天然气到达其最终目的地附近时，有时会被注入地下进行储存。枯竭的地下天然气和油藏、称为含水层的多孔岩层或地下盐穴可用于储存气体。这可确保在较冷的冬季期间供应充足。

分发

• 11 当需要天然气时，将其从地下储存库中抽出，并通过管道以高达 1,000 psi (6,900 kPa) 的压力运输。这些管道将天然气输送到将要使用的城市或地区。
• 12 压力降至 60 psi (410 kPa) 以下，气体分布在遍布整个区域的地下管道中。在气体通过管道输送到每个房屋或企业之前，压力会进一步降低到大约 0.25 psi (1.7 kPa)。

质量控制

天然气在空气中很容易燃烧，如果大量突然点燃，会剧烈爆炸。由于天然气泄漏，整个建筑物都被强大的爆炸夷为平地。在其他情况下，人们会在慢慢充满天然气的封闭房间中窒息。因为天然气是无味的，所以在气体中加入了恶臭的硫醇，所以即使是很小的泄漏也会立即引起注意。为了保护高压地下天然气管道，一条亮黄色的塑料胶带被埋在管道上方几英尺的地下，以警告可能在该地区挖掘的人。这样，他们将在实际撞击下面的管道之前揭开胶带。作为额外的预防措施，警告标志也沿着管道的整个长度放置在地面上。

未来

由于天然气是清洁燃烧，因此被视为机动车辆的替代燃料。压缩天然气 (CNG) 汽车和卡车已经在许多地区上路。使用需要高温的工业过程的公司也转向天然气而不是其他燃料，以减少其工厂排放的空气污染。这包括参与制造钢铁、玻璃、陶瓷、水泥、纸张、化学品、铝和加工食品的公司。