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石炭ガスは、石炭から作られ、ガス工場から配管配給システムを介してユーザーに供給される可燃性の気体燃料です。石炭を空気のない状態で強く加熱すると生成されます。都市ガスは、消費者や自治体への販売用に製造された気体燃料を指す、より一般的な用語です。[ 1 ]
元々の石炭ガスは石炭ガス化反応によって生成され、[ 2 ]可燃成分は体積比でほぼ等量の一酸化炭素と水素の混合物であった。そのため、石炭ガスは非常に毒性が高い。[ 3 ]他の組成には、フィッシャー・トロプシュ法によって生成されるメタンなどの追加の発熱性ガス[ 4 ]、揮発性炭化水素、二酸化炭素や窒素などの少量の非発熱性ガスが含まれる。
天然ガスの供給と輸送が発達する以前、つまり米国では1940年代から1950年代、英国とオーストラリアでは1960年代後半から1970年代にかけて、燃料や照明用のガスはほぼすべて石炭から製造されていました。都市ガスは、自治体が所有するパイプ配給システムを通じて各家庭に供給されていました。当時、自殺の一般的な方法は、火のついていないオーブンからガスを吸い込むことでした。頭と上半身をオーブンの中に入れると、高濃度の二酸化炭素ですぐに死に至ります。[ 5 ]シルヴィア・プラスはこの方法で命を絶ちました。
コークス製造工程の副産物として生成されたこのガスは、産業革命と都市化の進展に伴い、19世紀から20世紀初頭にかけてその利用が拡大した。製造工程の副産物には、コールタールとアンモニアがあり、これらは染料・化学工業にとって重要な原料（または「化学原料」）であった。石炭ガスとコールタールからは、多種多様な合成染料が製造された。このガスを生産する施設は、しばしば製造ガス工場（MGP）またはガス工場と呼ばれた。
英国では、1965年にノーフォークとヨークシャー沖の南北海で天然ガス（俗に言う海ガス）の大規模な埋蔵量が発見された[ 6 ] [ 7 ]ことから、1960年代後半以降、英国のガスコンロとガスヒーターのほとんどがガス化または交換され、1970年代後半までにそのプロセスが完了しました。ガス化される住宅で見つかった残留ガス照明は、メーターで塞がれるか、より一般的には完全に撤去されました。2023年現在、ガス街路灯は主にロンドン中心部と王立公園に残っています。
製造プロセスは、製造ガス、合成ガス、ダウソンガス、プロデューサーガスなどと呼ばれる他の気体燃料の生成方法とは異なります。これらのガスは、空気、酸素、または水蒸気の混合物中で様々な原料を部分燃焼させ、水蒸気を水素と一酸化炭素に還元することによって製造されますが、場合によっては乾留も行われます。
製造ガスは、炭化またはガス化の2 つのプロセスで製造できます。炭化とは、有機原料から揮発分を除去してガスとチャーを生成するプロセスです。ガス化とは、原料を化学反応にかけ、ガスを生成するプロセスです。[ 8 ] [ 9 ]
最初に用いられたプロセスは、石炭の炭化と部分熱分解でした。コークス炉での石炭の高温炭化（コークス化）によって発生する排ガスは回収され、洗浄されて燃料として使用されました。工場の目的によって、目的とする製品は冶金用の高品質コークス（ガスは副産物）か、高品質ガスの製造（コークスは副産物）のいずれかでした。コークス工場は通常、製錬所や高炉などの冶金施設に併設され、ガス工場は通常、都市部にガスを供給していました。
石炭ガス、炭化水ガス（CWG）、および石油ガスを製造するために使用される施設は、今日では一般的に製造ガスプラント（MGP）と呼ばれている。
MGP操業の初期段階では、ガス会社の目標は、照明用ガスを最大限生産することであった。ガスの照明力は、ガス中に溶解している煤生成炭化水素（「照明剤」）の量に関係していた。これらの炭化水素が、ガスの炎に特徴的な明るい黄色を与えていた。ガス工場では、一般的に油分を多く含む瀝青炭を原料として使用していた。これらの石炭は、石炭ガス中に大量の揮発性炭化水素を放出するが、冶金プロセスには適さない、もろくて低品質のコークスを残す。
石炭またはコークス炉ガスの発熱量は、通常1立方メートルあたり10～20メガジュール（270～540 Btu/ft³ ）であり、 20 MJ/m³ （540 Btu/ft³ ）前後が一般的である。
電灯の普及により、電力会社は製造ガスの新たな販路を模索せざるを得なくなった。かつてはほぼ照明用ガスのみを生産していたガス製造会社は、暖房や調理用、さらには冷蔵や冷却用のガス供給へと事業の軸足を移した。
工業用燃料ガスは、発生器ガス技術を用いて製造されます。発生器ガスは、ガス発生器内で白熱した燃料床（一般的にはコークスまたは石炭）に空気を吹き込むことによって作られます。燃料が完全燃焼に不十分な空気と反応すると、一酸化炭素（CO）が生成されます。この反応は発熱反応であり、自己持続的です。ガス発生器の入力空気に水蒸気を加えると、水性ガス反応によって生成されたCOと水素（H₂ ）が燃料ガスに濃縮され、発熱量が増加することがわかりました。発生器ガスの発熱量は3.7～5.6 MJ/m³ （99～150 Btu/ft³ ）と非常に低く、これは発熱ガスであるCO/H₂が、空気中の不活性窒素と燃焼によって生成された二酸化炭素（CO₂ ）によって希釈されているためです。
窒素希釈の問題は、1850年代にウィリアム・シーメンス卿によって開発されたブルーウォーターガス（BWG）プロセスによって克服されました。白熱燃料床に空気と蒸気を交互に吹き込みます。吹き込みサイクル中の空気反応は発熱反応で、燃料床を加熱しますが、蒸気反応は吸熱反応で、燃料床を冷却します。空気サイクルからの生成物には非発熱性の窒素が含まれており、煙突から排出されますが、蒸気サイクルからの生成物はブルーウォーターガスとして保持されます。このガスはほぼ完全にCOとH₂で構成されており、天然ガスに似た淡青色の炎で燃焼します。BWGの発熱量は11 MJ/m³ （300 BTU/cu ft）です。
青水ガスには光源が不足していたため、1890年代にガスマントルが発明される以前の単純な魚尾型ガスジェットでは明るい炎で燃焼しなかった。1860年代には、軽油から得られる光源で青水ガスを濃縮する様々な試みが行われた。軽油（ガソリンの初期形態）は、原油の最も軽く揮発性の高い留分（トップ）から作られる灯油精製の可燃性廃棄物であった。1875年、サデウス・S・C・ロウはキャブレター式水ガス法を発明した。この方法は製造ガス産業に革命をもたらし、製造ガス時代の終焉まで標準技術となった。[ 10 ] CWG発生装置は、ガス管とバルブで直列に接続された発生器（ジェネレータ）、キャブレター、過熱器の3つの要素で構成されていた。 [ 11 ]
製造運転中、蒸気は発生器を通過して青水ガスを生成する。発生器から高温の水ガスはキャブレターの上部に送られ、そこで軽質石油がガス流に注入される。軽質油はキャブレター内部の白熱した市松模様の耐火レンガに接触すると熱分解される。高温で濃縮されたガスはその後過熱器に流れ込み、そこでさらに耐火レンガによって分解される。[ 12 ]
第二次世界大戦後、イギリスの石炭採掘産業の回復が遅れたため、石炭不足と価格高騰が生じた。[ 13 ]
このグラフは、炭化法を用いた都市ガス製造の原料としての石炭の減少を示している。[ 14 ]
石油、製油所のテールガス、軽質留出物を使用して石炭ガスを製造する新しい技術が開発されました。プロセスには、ルルギプロセス、接触改質、接触リッチガスプロセス、リッチガスの水蒸気改質、ガスリサイクル水素化プロセスが含まれます。[ 15 ]接触リッチガスプロセスは、天然ガスを原料として使用して都市ガスを製造します。これらの施設は、上述の化学反応プロセスを利用します。
都市ガス製造の原料としての石油の台頭は、下のグラフに示されています。1968/9年のピーク使用量とその後の減少は、北海ガスの入手可能性と一致しており、その後数年間で北海ガスが主要燃料として都市ガスに取って代わり、ガス製造の原料としての石油の減少につながりました。[ 14 ]
1960年代までに、製造されたガスは、エネルギー市場における主要なライバルである電気と比較して、「不快で、臭くて、汚くて、危険」（当時の市場調査の引用）と見なされ、さらに市場シェアを失う運命にあるように見えた。ただし、調理においては、その制御の容易さから、電気と固体燃料の両方に対して顕著な優位性があった。より効率的なガスストーブの開発は、ガスが室内暖房市場での競争に耐えるのに役立った。同時に、石油業界は温水による全館セントラルヒーティングの新しい市場を開拓しており、ガス業界もそれに続いた。ガス温風暖房は、設置コストが低いことから有利となる新しい地方自治体住宅でニッチ市場を見つけた。これらの発展、つまり、経営思考が商業管理（業界が生産したものを売ること）からマーケティング管理（顧客のニーズと欲求を満たすこと）へと再編成されたこと、そして国有企業によるテレビ広告の使用を禁じていた初期のモラトリアムが解除されたことが、ガス業界を救い、将来に向けて実行可能な市場を提供するのに十分な期間を保った。
1959年、英国のガス評議会は、液化天然ガス（LNG）を海上輸送で安全かつ効率的、経済的に長距離輸送できることを実証した。メタン・パイオニア号は、米国ルイジアナ州レイクチャールズから、英国エセックス州テムズ川河口のキャンベイ島にある新しいLNGターミナルまでLNGを輸送した。キャンベイ島からブラッドフォードまで、全長212マイル（341km ）の高圧幹線パイプラインが建設された。[ 16 ]このパイプラインとその支線は、地域ガス会社に天然ガスを供給し、都市ガス製造のための改質プロセスに使用された。1964年には、キャンベイ島に大規模なLNG受入プラントが稼働し、アルジェリアからそれぞれ12,000トンの専用タンカー2隻でLNGを受け入れた。[ 17 ]
英国における都市ガス産業の緩やかな衰退は、 1965年9月17日、グリムズビー沖約40マイル、海底2,400メートル（8,000フィート）以上の海底で、掘削リグ「シー・ジェム」が天然ガスを発見したことがきっかけとなった。その後、北海には、埋蔵量に対する権利をどちらの国が持つべきかを定める中央線の両側に、多くの大規模なガス田が存在することが判明した。
試験的な計画では、キャンベイ島の顧客は都市ガスからキャンベイのLNGプラントから供給される天然ガスに切り替えられました。[ 13 ] [ 18 ]
1967年の燃料政策白書（Cmd. 3438）は、天然ガスの利用を迅速に拡大し、「この新たな国内エネルギー源の利点をできるだけ早く享受できるようにする」よう産業界に指示した。その結果、ピーク時の電力発電や産業における低品位用途において、天然ガスの利用が急速に拡大した。
天然ガスの供給量の増加は、下のグラフに示されています。[ 14 ] 1968年まではアルジェリアからのLNG供給によるものでしたが、1968年からは北海ガスが利用可能になりました。
北海ガス田の開発、すなわちイージントン（ヨークシャー） 、バクトン（ノーフォーク）、セント・ファーガス（アバディーンシャー）へのガス陸揚げにより、全長3,000マイル（4,800km ）を超える全国配給網の建設が可能になった。この配給網は、国を縦断する2本の並行した相互接続されたパイプラインから構成されている。これが全国送電システムとなった。1967年から1977年にかけて、約1億ポンドの費用をかけて、グレートブリテン島（北アイルランドを除く）のすべてのガス設備が、都市ガスから天然ガス（主にメタン）に転換された（適切なガス/空気混合比を得るために、異なるサイズのバーナージェットを取り付けることによって）。この費用には、不要になった都市ガス製造工場の償却費も含まれている。約1,300万の家庭用、40万の商業用、6万の産業用顧客のすべてのガス使用設備が転換された。この作業中に多くの危険な機器が発見され、使用停止となった。
英国の都市ガス産業は、北アイルランドの最後の都市ガス製造工場（ベルファスト、ポートダウン、キャリックファーガス。キャリックファーガス工場は現在、修復されたガス工場博物館となっている）の操業が停止した1987年に終焉を迎えた。[ 19 ]ポートダウンの敷地は清掃され、現在は汚染された工業用地の浄化を目的としたバクテリアの使用に関する長期実験の対象となっている。
天然ガスは使用前にほとんど処理を必要としないだけでなく、無毒です。都市ガスに含まれる一酸化炭素（CO）は極めて毒性が強く、ガス中毒やガスによる自殺が頻繁に発生していました。天然ガス器具による中毒は、不完全燃焼によって発生するCOと、煙突からのガス漏れが居住空間に漏れることによってのみ起こります。都市ガスと同様に、天然ガスにも少量の悪臭物質（メルカプタン）が添加されており、ガス漏れや点火されていないバーナーがあることをユーザーに知らせます。天然ガス自体には臭いはありません。
英国のガス産業の組織は、これらの変化に対応するため、まず1965年のガス法によってガス評議会に12の地域ガス委員会へのガスの調達と供給権限を与えました。次に、1972年のガス法により、12の地域ガス委員会すべてを包含する単一の商業組織としてブリティッシュ・ガス・コーポレーションが設立され、英国全土の産業、商業、および家庭の顧客に対してガスおよびガス機器の調達、流通、販売が可能になりました。1986年、ブリティッシュ・ガスは民営化され、政府はもはや直接的な管理権を持っていません。
北海ガスの時代には、都市ガス用に町や都市に設置されていた鋳鉄製のガス管の多くがプラスチック製のものに置き換えられた。
2006年1月に発行されたDTIエネルギーレビュー「私たちのエネルギー課題」で報告されているように、北海ガス資源は予想よりも速いペースで枯渇しており、英国へのガス供給は遠隔地からの調達が求められています。これは、陸上および海底で大陸間を横断してガスを輸送することを可能にするパイプライン敷設技術の発展によって実現した戦略です。天然ガスは今や世界的な商品となっています。こうした供給源は、あらゆる輸入に伴うリスクにさらされています。
ドイツは、石炭ガス研究と炭素化学において、多くの点で先駆的な役割を果たした。アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマンの尽力により、ドイツの化学産業全体が発展した。研究者たちは、石炭ガス廃棄物を原料として新たなプロセスを開発し、ビタミンCやアスピリンなどの天然有機化合物を合成した。
第二次世界大戦中、ドイツ経済は石炭ガスに依存していた。石油不足により、ナチス・ドイツは航空機や戦車用の合成燃料を製造するためにフィッシャー・トロプシュ合成法を開発せざるを得なかったからである。
1912年以前は、「一次」（低温タール）は、アンモニア水で洗浄することによって石炭ガスから抽出されていた。
ベンゾール抽出プラント：大規模なガス工場で使用され、石油オイルを充填した一連の垂直タンクで構成されていた。このタンクにガスを通気させることで、石炭ガスからベンゾール（BTX）を抽出した。抽出されたベンゾールは石油オイルに溶解し、蒸気分離プラントを通して分離され、別々に販売された。
排気装置（精製工程全体を通して一定の流量を確保する）：ポンプは、圧力の上昇を防ぐためにレトルトからガスを吸い出す。圧力の上昇は、ガスの漏洩や分解の原因となる。
石炭ガス製造の副産物には、コークス、コールタール、硫黄、アンモニアなどがあり、これらはすべて有用な製品であった。染料、サルファ剤などの医薬品、サッカリン、そして数十種類の有機化合物はコールタールから作られる。
ロンドンの主要3ガス会社が使用する石炭、都市ガス、および副産物は、表にまとめられています。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
コークスは無煙燃料として、また水性ガスや発生ガスの製造に使用される。
硫酸の製造に使用される。
肥料の製造に使用される。
石炭ガスは当初、独立系企業によって製造されていましたが、英国ではこれらの企業の多くが後に自治体サービスとなりました。1948年には、ガス事業体は合計1,062社ありました。民間企業（全体の約3分の2）と自治体ガス事業体（約3分の1）は、1948年ガス法に基づいて国有化されました。 1972年ガス法に基づいて、さらなる再編が行われました。詳細については、British Gas plc を参照してください。
鉄鋼業界のコークス炉副産物工場を除けば、英国ではもはや石炭ガスは生産されていない。石炭ガスはまず石油由来のガスに、その後は北海産の天然ガスに取って代わられた。
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