本文来自微信公众号：国家人文历史（ID：gjrwls），作者：郭晔旻，头图来源：IC photo
人类社会今天广泛使用的燃料，比如煤炭与石油这样的碳氢化合物或其衍生物，都属于化石燃料（Fossil Fuel）。它们是人类没有诞生，甚至恐龙都还没有出现之前所累积而来的植物遗骸。大量植物只能产出少量的化石燃料。比如，1加仑（约合3.79公升）石油需要90吨的植物才能孕育而成，相当于面积40英亩（约合16.19万平方米）的小麦（包括种子、根部、茎部加起来的整棵小麦）。“天然气”也是其中一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。
一、古人早已发现天然气
人类利用天然气有着悠久的历史。两千年前的汉代，我国的四川盆地就有“火井”的记载。不少文人赋诗撰文，把火井的奇特景观列为四川的“四大名胜”。西晋文学家左思（公元250~305年）构思10年写成著名的“三都赋”，在其《蜀都赋》中，对天然气从井中喷出燃烧的壮丽景色有精彩的描述：
“火井沉荧于幽泉，高焰飞煽于天垂。”
生活在江南的东晋大书法家王羲之还特意写信给几千里外、远在四川的朋友询问火井的情况：“彼盐井火井皆有否？足下目见，不为欲广异闻。”可见四川的“火井”在当时已是远近闻名了。
有道是“靠山吃山，靠水吃水”。生活在“火井之乡”的古代四川人民逐渐利用点燃天然气来煮盐。随着火井煮盐业的发展，钻井技术也不断提高。清乾隆三十年（1765），在自流井气田钻成老双胜井，井深530米，日产气160立方米。就连远在北京的乾隆皇帝也知道四川“火井”的存在，专门写过一首《火井诗》。当然，爱新觉罗·弘历是中国历史上的写诗冠军，一首诗根本不稀奇。但重要的是皇帝本人也认证了天然气的用途（“亦可用煮盐”）。
从世界范围来看，天然气经常是石油的“伴生物”。近代石油工业兴起后，人们反而在很长一段时间里看不上天然气。
原因很简单，比起液态的石油，气态的天然气既难以收集，又有着火甚至爆炸的危险，看起来完全是一种弊大于利的“废气”。结果，在开采石油的过程中，被一同采出的天然气经常被白白在油田里烧掉。根据美国联邦贸易委员会在1935年提交给国会的报告，1919年至1930年间，美国浪费的天然气，比被人消耗的天然气还要多出20%，浪费的天然气有4375亿立方英尺，而美国的天然气消费量不过3520亿立方英尺。
还在天然气被“嫌弃”的时候，煤气捷足先登走上了历史舞台。
二、为什么是煤气？
把煤在隔绝空气的条件下加热（例如在炼焦炉中），随着温度升高，煤中的有机物逐渐发生分解，其中挥发性产物呈气态逸出，残留下固体物质——焦炭，这种加工方法被称为煤的干馏（简称炼焦）。经过炼焦可以得到气态产物就是煤气，也叫焦炉气。1812年，率先完成工业革命的英国在伦敦建造了世界上第一个炼焦煤气厂，生产出的煤气最初主要用于照明，因此在很长时期内被称为“照明燃气（light gas）”。
1865年，一群外商集资在上海建立了“大英自来火房”（后改名“上海英商煤气公司”），并在今天的苏州河南岸、西藏中路以西的位置建成了上海最早的煤气厂，这是上海也是中国的第一家公用事业，而上海也成为亚洲第一个使用煤气的都市。
1865年的11月1日， 煤气厂开始供气，上海人从未见过的煤气路灯取代了原先的煤油灯，在马路上大放光明。一时间，不知底细的上海市民搞不清火源何在，干脆把它叫“自来火”。这种煤气灯在上海滩上闪烁了半个多世纪，最终被更加安全的钨丝灯泡取而代之。1935年，公租界内的所有煤气灯都被拆除，上海市煤气灯照明的时代画上句号。
这时的人们已经发现了煤气在照明之外的另一个用处——烹饪和采暖。在当时的中国城市生活里，煤炭还是主要能源。两三块蜂窝煤、几根引火木柴、一把生火用的蒲扇……一天的生活往往就这样从拎着煤球（或煤饼）炉生火的烟雾缭绕中开始了。
今天的年轻人很难想象，当时一堆堆蜂窝煤挤放在狭窄的街巷里，每到做饭高峰期，煤烟味就会四处弥漫。煤炭含有硫、氮等杂质，在燃烧过程中会产生大量的烟尘，着实令人苦不堪言。此外，煤炭燃烧产生的灰渣等剩余物更是当时城市垃圾的一大来源。
相比之下，燃烧后不会产生渣滓的煤气就显得方便许多，而且燃烧效率也高。据说，拿一铜壶水放在煤气灶上烧开只需七分钟；在煤球炉子上把它烧开，则要二十八分钟。
因此，20世纪初，上海开始引进烧煤气的西方灶具，但这在当时是有钱人家才能用的奢侈品。要铺上管道、装上一个煤气灶，需要两根金条，一立方米的煤气价格则相当于5斤大米。当时上海的里弄分成“旧式里弄”和“新式里弄”，两者之间的评判标准是有没有煤气。
结果，直至1949年，上海煤气灶的普及率才1.9%。而全国也只有九个城市供煤气，包括上海、大连、抚顺、鞍山、沈阳、丹东、长春、锦州、哈尔滨。就连首都北京，也是到1959年才结合人民大会堂等“十大建筑”的建设，开始了以石景山钢铁公司焦化厂和北京焦化厂为气源的城市燃气供应。
1959年11月，北京炼焦化学厂第一座焦炉正式投产，年产焦炭45万吨，向城市日供气20万立方米。该厂经过改造扩建，逐步形成了年生产焦炭180万吨，每天外供焦炉煤气80万立方米的规模。
1987~1989年，该厂又先后增建了两座炼焦炉、20台煤气发生炉，使年供气量达到130万立方米，最高年供气量达到144万立方米，占全市煤气气源总量的67%，成为北京市人工煤气的主要气源厂。
不过，中国的大城市家庭真正普及煤气，已经是20世纪90年代后的事情。就拿上海来说，20世纪80年代末，仍有100万只煤球炉，还有半数城市家庭用不上煤气。为此，时任上海市长朱镕基曾说了一句话：我们决不能把上一个世纪遗留下来的落后的生活方式，带到下一个世纪。
1990年，上海市决定，要以发行债券的形式募集煤气建设资金。从1990年起的“八五”期间，在5年时间内发展了110多万户家庭用户，煤气用户普及率超过80%，这才算基本实现了上海的“煤气化”。
要普及煤气，管道与煤气灶都是小事。最大的问题是煤气从何而来。比如上海为了“消灭”100万只煤球炉，专门启动了作为国家重点工程的浦东煤气厂二期工程，还扩建了吴淞煤气厂。在很长一段时间内，受到产能所限，煤气的供应量远远不能满足人民生活的需求。
既然建设是一个耗时的过程，但老百姓告别煤球炉的要求又是刻不容缓。于是，在那段历史中便有了“液化气（LPG）”或者“钢瓶”的记忆。
三、液化气罐里装的是什么？
它其实是“液化石油气”的简称。液化石油气是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有少量的丙烯和丁烯。它是在提炼原油时生产出来，或是从石油或天然气开采过程中挥发出来的气体。这种可燃气体在室温，6个大气压的条件可以液化（体积压缩到气态的1/250），因此可以装入压力钢瓶。通常液化石油气只充满容量的85%，这样可以给钢瓶受热时的气体膨胀留出空间。
相比当时的煤气，液化气有个很显著的优势。煤气靠管道发展用户，煤气管道通到哪个地区，哪里才能使用煤气。反观液化石油气主要以液化气钢瓶供应，在液化气供应站灌气之后就可以带回家使用，要方便得多。
1964年春，周恩来总理指示国家科委要大力发展我国的油气资源综合利用事业。北京市根据这个指示，以及国家科委下达的在北京发展一部分液化石油气用户，并建成一个液化石油气灌瓶站，以确定液化石油气作为民用燃料的可行性实验项目。
1965年11月30日，北京利用锦州石油六厂液化石油气作为气源的西郊灌瓶站建成，并为4882户居民供应液化石油气。这是我国第一座供应民用液化石油气的灌瓶站。
起初，液化气的产能限制了它的普及。比如杭州作为堂堂省会城市，直到1973年前都不知液化气为何物。当年秋天，时任法国总统蓬皮杜访问杭州。为接待所需，浙江省和杭州市有关部门在江苏南京紧急购置液化气灶具，再从上海市调来液化石油气。蓝色火苗这才第一次在西子湖畔升起。
进入20世纪80年代之后，随着我国石油化工业的发展，大中城市逐渐开始以液化气作为气源或辅助气源，液化气终于作为一种优质燃料进入百姓家庭使用。比如，到1980年末，北京的液化石油气居民用户达到了70.2万户，帮助全市城镇居民炊事气化率提高到了62.5%。出于安全考虑，当时各地的交通部门规定，公交车、地铁、出租车一律不允许载运液化钢瓶。
因此，很多城市居民会在自己的自行车后面加装了一个钩子，用来挂液化气钢瓶，每个月踩着自己的自行车去换一次液化气钢瓶。这也成为一个时代的记忆。
耐人寻味的是，人工煤气与液化气两雄相争，结果谁也没有笑到最后。1997年9月，陕甘宁盆地第一条天然气管道进京（当年用气量为1.8亿立方米），开启了当代中国天然气大发展的时代。1999年，上海的部分居民也首先用上了东海平湖气田直接送出的天然气来代替煤气，掀开了上海燃气史上新的一页。
刚刚为消灭煤球炉立下汗马功劳的人工煤气转眼间成了天然气的取代对象。2006年7月15日，北京市焦化厂进入全面停产程序，人工煤气从此退出了北京市燃气供应的历史舞台，北京市民不再使用人工煤气。
第二年6月末，上海的天然气用户数也首度超越人工煤气用户。天然气成为上海燃气第一“大户”。2015年6月27日，位于嘉定区安亭镇墨玉路 540 号的延峰伟世通汽车饰件系统有限公司接入了天然气。这是上海最后一户人工煤气用户，意味着使用了一个半世纪的人工煤气就此告别申城，上海实现了城市燃气“全天然气化”。
四、天然气逆袭
为什么在进入石油时代之初并不受待见的天然气会在20世纪后期成功逆袭呢？
首先，液化石油气，按热量计算，的确比天然气还更胜一筹（50179 kj/kg(m3)）。但它属于石油炼制中产生的“二次能源”，而不是天然气这样自然界本身就有的“一次能源”。液化石油气多了加工的过程，成本也就高了许多。
就拿上海告别人工煤气前夕的2014年为例，当时天然气的能源标准价格是2.27元/千克标准煤，与煤气的2.11元/千克标准煤相差无几。但液化石油气的价格却是4.3元/千克标准煤，高出一倍作用。再加上更换液化气钢瓶到底不如打开气阀开关方便，天然气的胜出实在也是情理之中的。
再与煤气相比，以“平均低位发热量”计算，煤气是17354kj/kg(m3)，还比不上煤炭（20908kj/kg(m3) ），而天然气就高得多了，可以达到35544 kj/kg(m3)，是煤气发热量的差不多一倍。这一点在生活里的直观反映就是天然气点着后不冒黑烟，起蓝火苗，火力旺。
不过，因为天然气需要长距离输送所需压力大，而且天然气燃烧过程中需要的氧气比其他燃气需要的氧气要多，人工煤气燃器具和使用天然气燃器具不能混用。起初，有的居民对此不理解，“我那个灶眼连蟑螂都钻进去了，天然气就进不去？”如今看来，不过付之一笑而已。
五、天然气的安全探索
当然，无论是煤气还是天然气，都还有一个安全问题。在科学上有个“爆炸极限”的概念，天然气的爆炸极限是5%~15%。也就是说，天然气在空气中的浓度为5%~15%的范围内，遇火即会发生爆炸。相比之下，焦炉煤气的“爆炸极限”是4.72%~37.54%。可见上限更高，下限更低，也就是更加容易爆炸。
1814年，英国纽卡斯尔、卡尔迪弗等好几家煤矿相继发生了因矿灯明火引起的煤气爆炸事故，造成上千人伤亡，场面非常惨烈。英国甚至宣布举国哀悼。第二年，汉弗里·戴维为此制作出世界上第一盏安全矿灯——灯的火苗周围装了一层薄而透明的玻璃罩，灯的上部装有细密的铜丝网。这样的矿灯既亮又不怕风，还有效避免了明火爆炸和火灾。
但问题在于，老百姓日常在家里用煤气，总不能为了防止爆炸、在头上一直顶着矿灯。更重要的是，煤气无色无味，却又含有致命的一氧化碳。1902年9月28日，法国作家左拉就是在巴黎的寓所里取暖，不料烟囱堵塞，夜间煤气中毒，窒息而死。
类似这样的事情多了，为了防止煤气泄漏而不被人察觉，人们特意在煤气中加入微量的硫醇，煤气一旦泄露，就有了恶臭的味道，不至于浑然不觉了。反观天然气，其主要成分是甲烷，不像一氧化碳那样具有毒性，它本质上是对人体无害的。尽管天然气不能用于人类呼吸，但比起煤气总归安全得多。
当然，再怎么安全也达不到100%，也没法彻底杜绝燃气爆炸的案例。
1985年1月10日，英国伦敦南部普特尼（Putney）的一幢豪华公寓发生重大爆炸，8名居民死亡。1999年6月，美国柏林翰姆镇（Bellingham）的一条燃气管道破裂着火，烧死两名儿童和一名18岁的年轻人，还使8人受伤。燃气事故一旦发生，常规做法是关闭相关阀门、切断燃气供应，逐步减少燃气外泄直至停止；同时设置警戒区，严禁一切可能的点火源进入，严防意外火灾和爆炸。
接下来是分析事故原因。拿普特尼公寓爆炸来说，最后调查发现，爆炸是由于可燃气体从燃气总管的铸铁管的裂缝中泄漏到大楼里，而裂纹是由于不同沉降引起的管道上的不均匀载荷造成的。发生在美国的爆炸事件在后来的调查中发现，早在1996年，管道里已经存在3处畸变。
实际上，无论是苏联、美国、还是欧洲，管道腐蚀都排在事故原因的前两位。柏林翰姆的事故发生后，美国在2002年专门修订了《2002年管道安全改进法》，规定“将通过最近10年内的必要检测来防止油气管道泄露和破裂事故的发生，确保美国国内油气管道的安全。而更多的问题管道将在5年内完成检测。以后的所有管道都必须每7年检测一次”。当然话说回来，再完善的安全规章，也是需要人去遵守的……
不过，要将燃气事故按制造、供给、使用三个阶段划分，又以消费阶段（用气阶段）为最多，原因主要是使用不慎。比如，1984年的日本燃气事故统计里，消费阶段有92件（共141起），造成61人死亡（共64人）。为保障居民用气安全，日本政府和企业大力推广燃气泄漏报警器，据说如今这已是家家必备装置。目前，日本燃气泄漏和爆炸事故率远远低于其他发达国家，自然与其关系不小。
一波未平一波又起，21世纪后，“全球变暖”成为众人瞩目的议题。包括天然气在内的“化石燃料”在燃烧过程中会排放二氧化碳（比如天然气燃烧的化学方程式：CH4+2O2===CO2+2H2O），对“全球变暖”实在难辞其咎，因此处境也变得日益尴尬。
这几年，“低碳”“去碳化”逐渐成为热词。偏偏在这种不利的“风向”里，天然气与其他“化石燃料”的命运变得迥然不同。比如欧洲算是能源“去碳化”的急先锋，包括风电、太阳能发电这样的“零碳排放”可再生能源发电已经占德国电力消费的半壁江山。在这种情况下，当地对天然气的依赖不减反增。“北溪-2”管道工程之所以在美、欧、俄之间闹得沸沸扬扬，很大一个原因是这条管道建成后，预计每年能运输550亿立方米天然气，足够2600万户家庭使用。既然是如此之大的香饽饽，难怪欧洲一直顶着美国的强大压力——实在是舍不得啊！
所以，天然气虽然也是“化石燃料”，但相比于煤炭与石油，碳排放量要低得多。以碳排放系数衡量，天然气是1.6298kgCO2/kgce，不到煤炭的60%（2.7677CO2/kgce），比汽油（1.9904CO2/kgce）也要低不少。既然天然气高效、安全，碳排放量又显著低，可以预见，它在未来很长时间里仍旧会是人类社会不可或缺的一种能源。
本文来自微信公众号：国家人文历史（ID：gjrwls），作者：郭晔旻，编辑：詹茜卉，校对：苗祎琦