石炭ガスは、石炭を原料とする可燃性の気体燃料であり、ガス工場から配管を通して供給されます。石炭を空気のない状態で強火で加熱することで生成されます。都市ガスは、消費者や自治体に販売するために製造されるガス燃料の総称です。[ 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 ]、可燃成分は一酸化炭素と水素のほぼ等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 ]などの発熱性ガスや揮発性炭化水素、そして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以前(1940年代から1950年代にかけてのアメリカ合衆国、1960年代後半から1970年代にかけてのイギリスとオーストラリア)、燃料と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式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、自殺の手段としてよく使われていたのは、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。頭と上半身をオーブンの中に入れると、高濃度の一酸化炭素によって瞬く間に死に至りました。[ 5 ] [ 6 ]シルヴィア・プラスがこの方法で自ら命を絶ったことは有名です。
もともとコークス製造工程の副産物として生成され、その用途は19世紀から20世紀初頭にかけて産業革命と都市化の進展に伴い発展しました。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・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様々な人工染料が製造されていました。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ていました。
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天然ガス(俗に海ガスと呼ばれていた)の大きな埋蔵量が発見されたことにより[ 7 ] [ 8 ] 、 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転換または交換され、1970年代後半には完了した。転換中の住宅で残存していたガス照明は、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ロイヤルパークスにガス街路照明がまだ残っている。
製造プロセスは、製造ガス、合成ガス、ダウソンガス、発生炉ガスなどと呼ばれるガス燃料を生成す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様々な原料を部分燃焼させることで生成されます。蒸気は水素と一酸化炭素に還元されますが、分解蒸留が発生する場合もあります。

製造ガスは、炭化とガス化という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プロセスです。ガス化とは、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。[ 9 ] [ 10 ]
最初に使用されたプロセスは、石炭の乾留と部分熱分解でした。コークス炉における石炭の高温乾留(コーキング)で発生する排ガスは、回収・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、目的の製品は、冶金用の高品質コークス(副産物としてガスを生成)か、高品質ガス(副産物としてコークスを生成)のいずれかでした。コークスプラントは通常、製錬所や高炉などの冶金施設と連携しており、ガス工場は主に都市部で利用されていました。
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操業初期の都市ガス工場の目標は、照明用ガスを最大限生産することでした。ガスの照明力は、ガス中に溶解している煤を形成する炭化水素(「照明物質」)の量と相関していました。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、油分を多く含む瀝青炭を原料として使用していました。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しますが、冶金プロセスには適さない、砕けやすく品質の低い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/ft 3)で、20 MJ/m 3(540 Btu/ft 3)前後が一般的です。
電灯の登場により、電力会社は製造ガスの新たな市場を模索せざるを得なくなりました。かつては照明用ガスをほぼ独占的に生産していたMGPは、暖房や調理、さらには冷蔵・冷房用のガス供給へと事業を転換しました。

工業用の燃料ガスは、発生炉ガス技術を使用して製造されていました。発生炉ガスは、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で製造されます。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追加すると、水性ガス反応で生成されたCOと水素(H 2)が豊富になり、燃料ガスの発熱量が増加することが発見されました。発生炉ガスの発熱量は3.7~5.6 MJ/m 3(99~150 Btu/ft 3)と非常に低くなっています。これは、発熱性ガスの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反応で、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反応で、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、煙突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ため、 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明るい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加えてブルーウォーターガスを濃縮する様々な試みがなされた。ガスオイル(ガソリンの初期の形態)は、灯油精製で生じる可燃性の廃棄物で、原油の最も軽く揮発性の高い留分(トップ)から作られていた。1875年、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産業に革命をもたらし、製造ガス時代の終わりまで標準技術であった。[ 11 ] CWG発電装置は、ガス管とバルブに直列に接続されたプロデューサー(発電機)、キャブレター、スーパーヒーターの3つの要素で構成されていた。 [ 12 ]
メイクラン(運転)中、蒸気は発電機に送られ、淡水ガスを生成します。発電機から出た温水ガスは気化器の上部に流れ込み、そこで軽質石油がガス流に注入されます。軽質石油は気化器内の白熱した格子模様の耐火レンガと接触することで熱分解されます。その後、高温の濃縮ガスは過熱器に流れ込み、そこでさらに高温の耐火レンガによってガスが分解されます。[ 13 ]

第二次世界大戦後、イギリスの石炭鉱業の回復は遅く、石炭不足と価格高騰を招いた。[ 14 ]
| 年 | 生産量(百万トン) | 生産コスト、ポンド/トン |
|---|---|---|
| 1947 | 197 | 2.00 |
| 1950 | 216 | 2.40 |
| 1953 | 223 | 3.05 |
| 1956 | 222 | 3.85 |
| 1959 | 206 | 4.15 |
| 1961 | 191 | 4.55 |
| 1965 | 187 | 4.60 |
| 1967 | 172 | 4.95 |
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。[ 15 ]
石炭ベースの都市ガス生産、百万サーム
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石油、製油所排ガス、軽質留分を用いた石炭ガス製造の新技術が開発されました。これらのプロセスには、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などがありました。[ 16 ]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ていました。これらの施設では、前述の化学反応プロセスが利用されていました。
都市ガス製造の原料としての石油の隆盛は、以下のグラフに示されている。1968年から1969年にかけての使用量ピークとその後の減少は、北海ガスの供給増加と一致する。北海ガスはその後数年間で主要燃料としての都市ガスに取って代わり、図示のようにガス製造の原料としての石油の衰退につながった。[ 15 ]
石油由来の都市ガス生産量、百万サーム
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1960年代までに、製造ガスは、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、臭い、汚くて、危険」(当時の市場調査の引用)と見なされ、調理用途を除いて、市場シェアをさらに失う運命にあると思われていました。調理用途では、ガスの制御性の高さから、電気と固形燃料の両方に対して顕著な優位性がありました。より効率的なガス暖炉の開発は、暖房市場におけるガスの競争への抵抗を後押ししました。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という新たな市場を開発し、ガス業界もそれに追随しました。ガス温風暖房は、設置コストの低さが強みとなった地方自治体の新築住宅において、ニッチな市場を開拓しました。これらの発展、すなわち、経営思考を商業経営(産業が生産したものを売る)からマーケティング経営(顧客のニーズと要望に応える)へと転換し、国有企業によるテレビ広告の使用を禁止していた初期のモラトリアムを解除したことで、ガス業界はその後の市場に対応できるほどの十分な期間、生き残りました。
1959年、英国ガス協議会は、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ターミナルへLNGを出荷した。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。[ 17 ]この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地域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、アルジェリアからそれぞれ1万2000トンの専用タンカー2隻でLNGを受け入れた。[ 18 ]
英国の都市ガス産業が緩やかに衰退したのは、 1965年9月17日、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でした。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存在することが発見され、どの国が埋蔵量の権利を有するべきかが定められました。
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。[ 14 ] [ 19 ]
1967年の燃料政策白書(Cmd. 3438)は、産業界に対し、「この新たな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」ため、天然ガスの利用を迅速に拡大する方向を指示しました。その結果、ピーク負荷発電や産業における低品質用途への「ガスラッシュ」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。[ 15 ] 1968年まではアルジェリアからのLNGの供給でしたが、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
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北海の天然ガス埋蔵量の開発により、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)でのガスの陸揚げが行われ、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成る、全長3,000マイル(4,800 km)を超える全国配給網の構築が可能になった。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、不要になった都市ガス製造工場の償却を含め約1億ポンドの費用をかけて、英国(北アイルランドを除く)のすべてのガス機器が都市ガスから天然ガス(主にメタン)に転換された(異なるサイズのバーナージェットを取り付けて、適切なガス/空気混合比を実現)。約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た。
イギリスの都市ガス産業は、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、復元されたガス工場博物館となっている)の操業停止とともに終焉を迎えた。[ 20 ]ポータダウンの跡地は清掃され、現在は汚染された工業用地を浄化するためのバクテリア利用に関する長期実験の対象となっている。
天然ガスは使用前の処理がほとんど必要なく、無毒です。都市ガスに含まれる一酸化炭素(CO)は極めて有毒であり、ガス中毒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発生と、居住空間への煙道ガス漏れによってのみ発生します。都市ガスと同様に、ガス漏れやバーナーの点火不良をユーザーに知らせるため、少量の悪臭物質(メルカプタン)がガスに添加されています。ガス自体には無臭です。
英国のガス産業の組織は、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。その後、1972年ガス法により、12の地域ガス委員会すべてを包含する単一の商業団体として英国ガス公社が設立され、英国全土の産業、商業、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、英国ガスは民営化され、政府による直接的な管理はなくなりました。
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(我々のエネルギー課題)」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の調達が求められています。これは、大陸間および大陸間における陸上および海底ガス輸送を可能にするパイプライン敷設技術の進歩によって可能になった戦略です。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。
ドイツは多くの点で石炭ガス研究と炭素化学において主導的な役割を果たしました。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。

1912 年以前は、石炭ガスをアンモニア液で洗浄することによって 「一次」(低温タール)であるde:Urteerが抽出されていました。
ベンゼンサブプラント:大規模なガス工場で使用され、石油を充填した垂直タンクを複数備え、ガスをバブリングすることで石炭ガスからベンゾール(BTX)を抽出します。ベンゾールは石油に溶解し、蒸気分離プラントを経て別売されます。
排気装置(精製トレインを通る一貫した流れを確保):ポンプはレトルトからガスを排出し、圧力の上昇を防止します。圧力の上昇はガスの漏れや分解の原因となります。
| プロセスフェーズ | 対象となる問題 / 不純物 | |
|---|---|---|
| スクラバー(洗浄機) | 湿式浄化 | アンモニアと軽油: 水または油を使用してアンモニアガスを溶解し、軽油蒸気 ( BTX ) を捕捉する塔。 |
| 浄水器(「鉄スポンジ」) | 乾式精製 | 硫化水素 (H 2 S): 湿った酸化鉄 (酸化鉄) のトレイは硫黄と反応します。また、シアン化水素もターゲットになります。 |
| ナフタレンワッシャー | 専門的な洗浄 | 「ナフタレン特有」: 防虫剤の結晶が配管を詰まらせるのを防ぐためのオイル洗浄。 |

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。コールタールからは、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が作られています。
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。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
| 会社 | ガス、ライト、コークス | サウスメトロポリタン | コマーシャル | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 年 | 1913 | 1920 | 1934 | 1913 | 1920 | 1934 | 1913 | 1920 | 1934 |
| 炭化石炭、トン | 1,988,241 | 2,279,253 | 3,011,227 | 1,125,779 | 1,211,857 | 1,118,573 | 187,291 | 235,406 | 244,644 |
| ガス生産量、百万立方フィート | 29,634 | 35,149 | 51,533 | 14,097 | 15,182 | 15,034 | 3,702 | 4,340 | 3,487 |
| コカコーラ製造、トン | 1,246,624 | 1,469,220 | 1,867,038 | 695,214 | 743,982 | 664,555 | 117,057 | 158,899 | 159,019 |
| コークス製造量、石炭1トンあたりハンドレッドウェイト(20ハンドレッドウェイト=1トン) | 12.54 | 12.89 | 12時40分 | 12.35 | 12.28 | 11.88 | 12.50 | 13.50 | 13.00 |
| コールタール製造量、百万ガロン | 19.88 | 20.5 | 31.32 | 10.81 | 11.27 | 12.97 | 1.97 | 0.94 | 2.39 |
| 製造されたコールタール、石炭1トンあたりのガロン数 | 10.0 | 9.0 | 10.4 | 9.6 | 9.3 | 10.7 | 10.5 | 9.4 | 9.8 |
| アンモニア性液体製造量、百万ガロン | 59.25 | 61.77 | 71.06 | 36.93 | 37.93 | 36.69 | 5.94 | 6.54 | 7.41 |
| アンモニア液製造量(石炭1トンあたりのガロン数) | 29.8 | 27.1 | 23.6 | 32.8 | 31.3 | 32.8 | 31.7 | 27.8 | 30.3 |
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、次のようなさまざまな生成物が回収されました。
硫酸の製造に使用されます。
肥料の製造に使用されます。
英国では、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、後にこれらの多くが市営ガス会社となりました。1948年には、合計1,062のガス会社が存在しました。 1948年ガス法に基づき、民間企業(全体の約3分の2)と市営ガス会社(約3分の1)の両方が国有化されました。その後、 1972年ガス法に基づき、さらなる再編が行われました。詳細については、British Gas plcをご覧ください。
鉄鋼業界のコークス炉副産物工場を除き、英国では石炭ガスはもはや生産されていません。石炭ガスは、最初は石油由来のガス、後に北海天然ガスに置き換えられました。
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