石炭ガス

石炭ガスは石炭から作られ、配管システムを通じてユーザーに供給される可燃性のガス燃料です。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、消費者や自治体に販売するために製造されたガス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]燃焼成分は一酸化炭素と水素のほぼ同量の混合物で構成されていました。そのため、石炭ガスは非常に有毒です。^{[3]その他の成分には、}フィッシャー・トロプシュ法によって生成されるメタン^[4]などの追加の発熱性ガスや、揮発性炭化水素、および少量の二酸化炭素や窒素などの非発熱性ガスが含まれています。

天然ガスの供給と輸送が発達する前（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）、燃料と照明用のガスのほぼすべてが石炭から製造されていました。都市ガスは、自治体が所有する配管供給システムを通じて各家庭に供給されていました。これは、天然ガスと対比して合成ガス^{と呼ばれることもありました。 [5]} 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出るガスを吸入することでした。頭と上半身を器具の中に入れると、濃縮された一酸化炭素ですぐに死にました。^{[6] [7]} シルヴィア・プラスがこの方法で自らの命を絶ったことは有名です。

もともとはコークス製造工程の副産物として生成され、産業革命と都市化を背景に 19 世紀から 20 世紀初頭にかけてその用途が拡大しました。生産工程の副産物にはコールタールやアンモニアなどがあり、これらは染料および化学産業にとって重要な原料(または「化学原料」) であり、石炭ガスとコールタールからさまざまな人工染料が製造されていました。ガスが生産される施設は、製造ガス工場 (MGP) またはガス工場と呼ばれることが多かったです。

イギリスでは、1965年にノーフォークとヨークシャーの沖合の北海南部で、口語的には海ガスと呼ばれていた大量の天然ガスの埋蔵量が発見されたため^{[8] [9]} 、 1960年代後半以降、イギリスのガスコンロとガスヒーターのほとんどが高額な費用をかけて改造または交換され、1970年代後半までに完了した。改造中の住宅で残っていたガス照明は、メーターで上限が決められるか、より一般的には完全に撤去された。2023年現在、主にロンドン中心部と王立公園に、ガス街路灯がまだ残っている。

製造プロセスは、製造ガス、合成ガス、ドーソンガス、生産ガスなどと呼ばれるガス燃料を生成するために使用される他の方法とは異なります。これらのガスは、空気、酸素、または蒸気の混合物中でさまざまな原料を部分燃焼させて、蒸気を水素と一酸化炭素に還元することによって生成されますが、破壊的な蒸留も発生する場合があります。

製造ガスは、炭化とガス化の2つのプロセスによって製造されます。炭化とは、有機原料を脱揮してガスと炭化物を生成することです。ガス化は、原料を化学反応にさらしてガスを生成するプロセスです。^{[10] [11]}

最初に使用されたプロセスは、石炭の炭化と部分的な熱分解でした。コークス炉での石炭の高温炭化 (コークス化) で放出されたオフガスは、収集され、洗浄され、燃料として使用されました。プラントの目的に応じて、望ましい製品は、ガスが副産物である冶金用の高品質コークス、またはコークスが副産物である高品質ガスの生産でした。コークス工場は通常、製錬所や高炉などの冶金施設に関連付けられていますが、ガス工場は通常、都市部にサービスを提供しています。

石炭ガス、気化水ガス(CWG)、石油ガスの製造に使用される施設は、現在では一般に製造ガスプラント (MGP) と呼ばれています。

MGP の操業開始当初、公共ガス工場の目標は、照明用ガスを最大量生産することでした。ガスの照明力は、ガスに溶解している煤を形成する炭化水素 (「照明剤」) の量に関係していました。これらの炭化水素は、ガスの炎に特徴的な明るい黄色を与えます。ガス工場では通常、油分の多い瀝青炭を原料として使用します。これらの石炭は、石炭ガスに大量の揮発性炭化水素を放出しますが、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します。

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/立方フィート) で、20 MJ/m ³ (540 Btu/立方フィート) 前後が一般的です。

電気照明の出現により、公益企業は製造ガスの他の市場を探さざるを得なくなりました。かつて照明用ガスをほぼ独占的に製造していた MGP は、暖房や調理、さらには冷蔵や冷却用のガス供給へと注力するようになりました。

産業用の燃料ガスは、発生源ガス技術を使用して製造されました。発生源ガスは、ガス発生器内の白熱燃料床 (通常はコークスまたは石炭) に空気を吹き込むことによって製造されます。燃料と完全燃焼に不十分な空気との反応により一酸化炭素(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(H ₂ ) が燃料ガスに濃縮され、燃料ガスの発熱量が増加することが判明しました。発生源ガスの発熱量は 3.7 ～ 5.6 MJ/m ³ (99 ～ 150 Btu/cu ft) と非常に低くなっています。これは、発熱ガス CO/H _{2が大量の不活性}窒素(空気由来) と二酸化炭素(CO ₂ ) (燃焼由来) で希釈されているためです。

2C (s) + O ₂ → 2 CO （発熱性発生ガス反応）

C (s) + H ₂ O (g) → CO + H ₂（吸熱水性ガス反応）

C + 2 H ₂ O → CO ₂ + 2 H ₂（吸熱反応）

CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂（発熱性水性ガス転換反応）

窒素希釈の問題は、1850 年代にウィリアム シーメンス卿が開発したブルー 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付けます。吹き付けサイクル中の空気反応は発熱性で、床を加熱します。一方、メイク サイクル中の蒸気反応は吸熱性で、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、スタックから排出されますが、蒸気サイクルの生成物はブルー 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 H ₂で構成され、天然ガスに似た淡い青色の炎で燃焼します。BWG の発熱量は 11 MJ/m ³ (300 BTU/cu ft) です。

ブルーウォーターガスには発光体がなかった。1890年代にガスマントルが発明される以前に存在したような単純なフィッシュテールガスジェットでは、光る炎を出して燃えなかった。1860年代には、ガスオイルから発光体を取り出してブルーウォーターガスを濃縮するさまざまな試みがなされた。ガスオイル（ガソリンの初期の形態）は、灯油精製からの可燃性廃棄物であり、原油の最も軽くて揮発性の高い部分（トップ）から作られていた。1875年に、タデウス・SC・ロウは気化式水性ガスプロセスを発明した。このプロセスは、製造ガス業界に革命をもたらし、製造ガス時代の終わりまで標準技術であった。^[12] CWG発電装置は、ガスパイプとバルブに直列に接続されたプロデューサー（発電機）、気化器、および過熱器の3つの要素で構成されていた。^[13]

メイクラン中、蒸気は発電機を通過してブルーウォーターガスを生成します。発電機から熱水ガスがキャブレターの上部に流れ、そこで軽質石油がガス流に注入されます。軽質油はキャブレター内の白く熱せられた格子模様の耐火レンガと接触して熱分解されます。その後、高温の濃縮ガスは過熱器に流れ込み、そこでガスはより高温の耐火レンガによってさらに分解されます。^[14]

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起こった。^[15]

このグラフは、炭化を利用した都市ガス生産の原料としての石炭の減少を示しています。^[16]

石炭ベースの都市ガス生産、百万サーム

石油、製油所の排ガス、軽質留分を使用して石炭ガスを製造するための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、触媒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ていました。^[17]触媒リッチガスプロセスでは、天然ガスを原料として都市ガスを製造します。これらの施設では、上記の化学反応プロセスが利用されました。

都市ガス製造の原料としての石油の増加は、以下のグラフに示されています。1968/69年の使用量のピークとその後の減少は、北海ガスの入手可能性と一致しており、その後数年間で都市ガスが主要燃料として置き換えられ、ガス製造の原料としての石油の減少につながりました。^[16]

石油由来の都市ガス生産量、百万サーム

1960 年代までに、製造ガスは、エネルギー市場の主なライバルである電気と比較して、「不快で、臭い、汚くて、危険」である (当時の市場調査を引用) と考えられ、調理以外では市場シェアをさらに失う運命にあるように思われた。調理では、ガスは制御性により電気と固形燃料の両方に対して顕著な利点があった。より効率的なガス暖炉の開発により、ガスは室内暖房市場での競争に抵抗することができた。同時に、温水による全館セントラル ヒーティングの新しい市場が石油業界によって開発され、ガス業界もそれに追随した。ガス温風暖房は、設置コストが低いという利点がある新しい地方自治体の住宅で市場の隙間を見つけた。これらの開発、つまり、経営思考を商業管理(業界が生産したものを販売する) からマーケティング管理 (顧客のニーズと要望に応える) に再調整し、国有化された業界がテレビ広告を使用することを禁止した初期のモラトリアムを解除したことで、ガス業界は、今後の市場を十分に提供できるまで生き残った。

1959年、英国のガス協議会は、液化天然ガス（LNG）を海上輸送すれば、安全かつ効率的で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ターミナルに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（341 km）の高圧幹線パイプラインが建設された。^[18]パイプラインとその支線は、都市ガス製造の改質プロセスで使用する天然ガスをエリアガス委員会に供給した。1964年にはキャンベイに大規模なLNG受入プラントが稼働し、アルジェリアから2隻の専用タンカー（各12,000トン）でLNGを受け取った。^[19]

英国の都市ガス産業が徐々に衰退していったのは、1965年9月17日に掘削リグ「シージェム」がグリムズビー沖約40マイル、海底下8,000フィート（2,400メートル）以上の深さで天然ガスを発見したことがきっかけだった。その後、北海には中間線の両側に多くの大規模なガス田があることが判明し、どの国が埋蔵量の権利を持つべきかが定められた。

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。^{[15] [20]}

1967 年の燃料政策白書(Cmd. 3438) は、業界に対し、天然ガスの使用を迅速に拡大し、「この新しい国産エネルギー源の利点をできるだけ早く国が享受できるようにする」という方向性を示しました。その結果、ピーク負荷発電や産業における低品質用途での使用に「ガスへの殺到」が起こりました。

天然ガスの供給量の伸びは下のグラフに示されています。^[16] 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供給可能になりました。

天然ガス利用可能、数百万サーム

北海の天然ガス埋蔵量の開発により、イージントン、バクトン、セントファーガスでのガスの陸揚げが実現し、国中を走る2本の平行かつ相互接続されたパイプラインからなる、3,000マイル (4,800 km) を超える全国的な配給網の構築が可能になりました。これが全国送電システムになりました。グレートブリテン (北アイルランドを除く) のすべてのガス機器は、1967年から1977年の間に、不要になった都市ガス製造工場の償却を含め約1億ポンドの費用で都市ガスから天然ガス (主にメタン) に転換されました (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り)。ほぼ1,300万の家庭用、40万の商業用、および6万の工業用顧客のガス使用機器がすべて転換されました。

英国の都市ガス産業は、1987年に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、ポータダウン、キャリクファーガス。キャリクファーガスのガス工場は現在、修復されたガス工場博物館となっている）の操業が停止されたことで終了した。^[21]ポータダウンの敷地は清掃され、現在は汚染された工業用地を浄化するための細菌利用の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する必要がないだけでなく、無毒です。都市ガスに含まれる一酸化炭素 (CO) は、非常に有毒であり、ガスによる中毒事故や自殺は日常茶飯事です。天然ガス器具による中毒は、不完全燃焼による CO の発生と、居住空間への煙道漏れによってのみ発生します。都市ガスと同様に、ガスには少量の悪臭物質 (メルカプタン) が添加されており、ガス漏れやバーナーの点火不良をユーザーに知らせます。ガス自体には臭いはありません。

英国ガス産業の組織は、まず1965年ガス法により、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の権限を与えることで、これらの変化に適応しました。次に、1972年ガス法により、英国ガス公社が12の地域ガス委員会すべてを包含する単一の商業団体として設立され、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器具の調達、流通、販売が可能になりました。1986年に英国ガスは民営化され、政府はもはや同社を直接管理していません。

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元々の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ました。

2006 年 1 月の DTI エネルギー レビュー「Our Energy Challenge」で報告されているように、北海の天然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行われています。この戦略は、パイプライン敷設技術の発達により可能になりました。パイプライン敷設技術により、大陸間および大陸間を陸路および海底でガスを輸送できます。天然ガスは今や世界の商品です。このような供給源は、輸入に伴うあらゆるリスクにさらされています。

モンティ・パイソンは、1970年に第2シリーズを開始したエピソードの一部として、「ニュー・クッカー・スケッチ」で、石炭から北海ガスへの転換と、一部の人々が遭遇した困難をパロディ化した。

19 世紀には、歴史的な気球飛行の動力源として石炭ガスが何度か使用されました ( 『The Aeronauts 』を参照)。

ドイツは、多くの点で石炭ガス研究と炭素化学をリードしてきました。アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマンの努力により、ドイツの化学産業全体が誕生しました。研究者たちは石炭ガス廃棄物を原料として新しいプロセスを開発し、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ました。

第二次世界大戦中、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生産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ため、ドイツ経済は石炭ガスに依存していました。

• タールエアロゾル（タール抽出装置、凝縮装置/スクラバー、 1912年の電気集塵装置）
• 軽油蒸気（油洗浄）
• ナフタリン（油・タール洗浄）
• アンモニアガス（スクラバー）
• 硫化水素ガス（浄化箱）
• シアン化水素ガス（浄化装置）

• 高品質の軽油（自動車燃料として使用）と原料コークス（製鉄用に転用）の損失は、大規模なタール問題につながります。CWG（気化水性ガス）タールは、原料としては石炭ガス化タールよりも価値が低くなります。タール水エマルジョンは、販売できない水と低品質の副産物があるため、処理が経済的ではありません。

CWG タールには軽い多環芳香族炭化水素が豊富に含まれており、ピッチの製造には適していますが、化学前駆物質は乏しいです。

• CWG 生成のためのさまざまな「バックラン」手順により、燃料消費量が削減され、CWG セットでの瀝青炭の使用による問題に対処するのに役立ちます。
• 高圧パイプライン溶接の発達により、大規模な都市ガスプラントの建設と MG 業界の統合が促進され、天然ガスの台頭の基盤が整いました。
• ガス灯に代わって電気照明が使われるようになりました。MG 産業の最盛期は 1920 年代半ばでした。
• 1936年頃。ルルギガス化装置の開発。石油不足のため、ドイツはガス化/合成燃料の研究を継続。

• 1935 年の米国公益事業持株会社法により、米国内の統合コークス・ガス会社は強制的に分割されました。
• CO / Hから液体燃料を合成するフィッシャー・トロプシュ法
  ₂ガス。
• ハーバー・ボッシュアンモニア法は、産業用水素の大きな需要を生み出します。

• 天然ガス産業の発展。天然ガスのエネルギー含有量は 37 MJ/m ³で、都市ガスのエネルギー含有量は 10～20 MJ/m ³です。
• 石油化学製品は、化学原料の原料としてのコールタールの価値の多くを失わせます。（BTX、フェノール、ピッチ）
• 木材保存のためのクレオソートの使用が減少。
• 石炭/天然ガスの直接注入により、冶金用コークスの需要が減ります。高炉に必要なコークスの量が 25 ～ 40% 削減されます。
• BOF と EAF は、旧式のキューポラ炉を処理します。鉄スクラップのリサイクルにおけるコークスの必要性を減らします。新しい鉄鋼の必要性を減らします。
• 鋳鉄と鋼はアルミニウムとプラスチックに置き換えられます。
• 無水フタル酸の生産は、ナフタレンの触媒酸化から o-キシロール法に移行します。

• 水素をガス中のタール状蒸気と反応させてガスを触媒的にアップグレードする
• 米国におけるコークス製造の衰退は、コールタール危機につながる。コールタールピッチは、 EAF /アルミニウムの炭素電極の生産に不可欠であるからだ。米国は現在、中国からコールタールを輸入しなければならない。
• _{CO/H 2}混合物の水素化によるメタノール製造プロセスの開発。
• メタノールからガソリンを製造するモービルMガスプロセス
• 南アフリカのSASOL石炭処理プラント。
• 石炭を直接水素化して液体燃料と気体燃料にする
• ダンクニ石炭コンプレックスは、インドで唯一、コルカタで石炭ガス（都市ガス）を生産している工場である。この工場は、 1973年の石油危機後の1974年のインド政府の 燃料政策委員会の勧告に基づいて建設された。この工場は改良された低温炭化法を使用して都市ガスと軟質コークスを生産している。この工場は1990年代にはキシレノール、クレゾール、フェノールなどのさまざまな化学物質を生産していた。^{[22] [23]}

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した。染料、サルファ剤などの医薬品、サッカリン、および数十種類の有機化合物がコールタールから作られています。^[要出典]

ロンドンの主要3ガス会社が使用する石炭と生産する都市ガスおよび副産物は表にまとめられている。^{[24] [25] [26]}

コークスは無煙燃料として、また水性ガスや発生炉ガスの製造に使用されます。

コールタールは分留され、次のような様々な生成物が回収された。

• 道路用タール
• ベンゾール、自動車燃料
• クレオソート、木材防腐剤
• フェノール、プラスチックの製造に使用される
• クレゾール、消毒剤

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、独立した企業によって製造されていましたが、英国では、これらの多くが後に市営サービスになりました。1948 年には、合計 1,062 のガス会社がありました。全体の約 3 分の 2 を占める民間企業と、約 3 分の 1 を占める市営ガス会社は、1948年のガス法に基づいて国有化されました。1972年のガス法に基づいて、さらに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の副産物工場以外では、英国では石炭ガスはもはや生産されていない。最初は石油から作られたガスに、その後は北海からの天然ガスに置き換えられた。

• ダンプ（採掘）
• 環境修復
• ガス照明
• ガスワークスパーク
• ガス化炉
• ガスメーター
• ガス工場
• 製造ガスの歴史
• 照明ガス
• モンドガス
• ウッドガス

• エヴァラード、スターリング (1949)。『ガス・ライト・アンド・コークス社の歴史 1812-1949』。ロンドン: アーネスト・ベン社。(ロンドン・ガス博物館のために 1992 年にロンドン: A&C ブラック (出版社) 社から再版。ISBN 0-7136-3664-5。) 

• バーティ・キング、H. (1985)。『新しい炎：1783年から1984年にかけてのイギリスにおけるガスによる商業、家庭、産業生活の変化』タヴィストック：グラフミター。ISBN 0-948051-00-0。
• ピーブルズ、マルコムWH（1980）。ガス産業の進化。ロンドンおよびベイジングストーク：マクミラン。ISBN 0-333-27971-9。
• Fressoz, JB (2007)。「パリとロンドンにおけるガス灯論争、技術的リスク、専門知識、規制、1815-1850年」。都市史ジャーナル。33 (5): 729–755。doi :10.1177/0096144207301418。S2CID  143904635。