Угольный газ — это легковоспламеняющееся газообразное топливо , получаемое из угля и подаваемое потребителю по трубопроводной распределительной системе. Он образуется при сильном нагревании угля в отсутствие воздуха. Городской газ – это более общий термин, относящийся к промышленному газообразному топливу, производимому для продажи потребителям и муниципалитетам. [1]
Исходный угольный газ был получен реакцией газификации угля [2] , поэтому горючий компонент состоял из смеси окиси углерода и водорода примерно в равных объемных количествах. Таким образом, угольный газ очень токсичен . [3] Другие составы содержат дополнительные теплотворные газы, такие как метан , [4] производимые процессом Фишера-Тропша , и летучие углеводороды вместе с небольшими количествами некалорийных газов, таких как диоксид углерода и азот .
До развития поставок и транспортировки природного газа — в 1940-х и 1950-х годах в США и в конце 1960-х и 1970-х годов в Великобритании и Австралии — почти весь газ для топлива и освещения производился из угля. Городской газ поставлялся в домохозяйства через муниципальные газораспределительные системы. Иногда его называли синтез-газом , в отличие от природного газа. [5] В то время популярным методом самоубийства было вдыхание газа из незажженной духовки. Если голова и верхняя часть тела будут помещены внутрь прибора, концентрированный угарный газ быстро убьет. [6] [7] Сильвия Плат, как известно, закончила свою жизнь таким методом.
Первоначально созданный как побочный продукт процесса коксования , его использование расширилось в 19 и начале 20 веков, следуя промышленной революции и урбанизации . Побочные продукты производственного процесса включали каменноугольную смолу и аммиак , которые были важным сырьем (или «химическим сырьем ») для красильной и химической промышленности , при этом широкий спектр искусственных красителей производился из каменноугольного газа и каменноугольной смолы. Объекты, на которых производился газ, часто назывались заводами по производству промышленного газа (МГП) или газовыми заводами .
В Соединенном Королевстве открытие крупных запасов природного газа, или морского газа, как его называли в просторечии, в южной части Северного моря у берегов Норфолка и Йоркшира в 1965 году [8] [9] привело к дорогостоящей конверсии или замене большинство газовых плит и газовых обогревателей в Великобритании, начиная с конца 1960-х годов, причем этот процесс завершился к концу 1970-х годов. Любое освещение остаточного газа, обнаруженное в переоборудованных домах, было либо отключено на счетчике, либо, что чаще всего, вообще удалено. По состоянию на 2023 год некоторое газовое уличное освещение все еще сохраняется, в основном в центре Лондона и Королевских парках.
Процесс производства отличается от других методов, используемых для производства газообразного топлива , известного под разными названиями : синтез-газ , газ Доусона и продюсерский газ . Эти газы производятся путем частичного сжигания широкого спектра сырья в некоторой смеси воздуха, кислорода или пара с целью восстановления последнего до водорода и монооксида углерода, хотя может также происходить некоторая деструктивная перегонка .
Промышленный газ может быть получен двумя процессами: карбонизацией или газификацией . Карбонизация относится к удалению летучих веществ из органического сырья с образованием газа и угля . Газификация – это процесс подвергания сырья химическим реакциям, в результате которых образуется газ. [10] [11]
Первым использованным процессом была карбонизация и частичный пиролиз угля . Отходящие газы, образующиеся при высокотемпературной карбонизации ( коксовании ) угля в коксовых печах, собирались, очищались и использовались в качестве топлива. В зависимости от цели завода желаемым продуктом был либо высококачественный кокс для металлургического использования, где побочным продуктом был газ, либо производство высококачественного газа, где побочным продуктом был кокс. Коксохимические заводы обычно связаны с металлургическими предприятиями, такими как плавильные заводы или доменные печи , тогда как газовые заводы обычно обслуживают городские районы.
Установка, используемая для производства угольного газа, карбюраторного водяного газа (CWG) и нефтяного газа, сегодня обычно называется заводом по производству промышленного газа (MGP).
В первые годы работы MGP целью газового завода было производство наибольшего количества осветительного газа. Светящая способность газа зависела от количества растворенных в нем сажеобразующих углеводородов («осветителей»). Эти углеводороды придали газовому пламени характерный ярко-желтый цвет. Газовые заводы обычно используют в качестве сырья нефтеносные каменные угли. Эти угли выделяют большое количество летучих углеводородов в угольный газ, но оставляют после себя рассыпчатый кокс низкого качества, непригодный для металлургических процессов.
Угольный или коксовый газ обычно имел теплоту сгорания от 10 до 20 мегаджоулей на кубический метр (от 270 до 540 БТЕ/куб футов); типичными являются значения около 20 МДж/м 3 (540 БТЕ/куб футов).
Появление электрического освещения заставило коммунальные предприятия искать другие рынки сбыта промышленного газа. MGP, которые когда-то почти исключительно производили осветительный газ, переключили свои усилия на поставку газа для отопления и приготовления пищи, и даже для охлаждения и охлаждения.
Топливный газ для промышленного использования получен по технологии генераторного газа . Производственный газ получают путем продувки воздуха через раскаленный слой топлива (обычно кокса или угля ) в газогенераторе. Реакция топлива с недостаточным количеством воздуха для полного сгорания приводит к образованию угарного газа (CO); эта реакция является экзотермической и самоподдерживающейся. Было обнаружено, что добавление пара к входному воздуху газогенератора увеличивает теплотворную способность топливного газа за счет обогащения его CO и водородом (H 2 ), образующимися в результате реакций водяного газа. Добывающий газ имеет очень низкую теплоту сгорания – от 3,7 до 5,6 МДж/м 3 (от 99 до 150 БТЕ/куб футов); потому что теплотворные газы CO/H 2 разбавлены большим количеством инертного азота (из воздуха) и углекислого газа (CO 2 ) (из сгорания).
Проблема разбавления азота была решена с помощью процесса «голубого водяного газа» (BWG), разработанного в 1850-х годах сэром Уильямом Сименсом . Слой раскаленного топлива будет попеременно продуваться воздухом, а затем паром. Реакции воздуха во время цикла продувки являются экзотермическими, нагревая слой, тогда как реакции пара во время цикла создания являются эндотермическими и охлаждают слой. Продукты воздушного цикла содержат некалорийный азот и выбрасываются в дымовую трубу, а продукты парового цикла сохраняются в виде синего водяного газа. Этот газ почти полностью состоит из CO и H 2 и горит бледно-голубым пламенем, похожим на природный газ. BWG имеет теплоту сгорания 11 МДж/м 3 (300 БТЕ/куб футов).
Голубому водному газу не хватало источников света; он не мог гореть светящимся пламенем в простой газовой струе типа «рыбий хвост», которая существовала до изобретения газовой мантии в 1890-х годах. В 1860-х годах предпринимались различные попытки обогатить BWG осветителями из газойля. Газойль (ранняя форма бензина) представлял собой легковоспламеняющийся отход переработки керосина , получаемый из самых легких и летучих фракций (верхних фракций) сырой нефти. В 1875 году Таддеус С.К. Лоу изобрел процесс карбюрации водяного газа. Этот процесс произвел революцию в промышленности промышленного газа и был стандартной технологией до конца эры промышленного газа. [12] Генераторная установка CWG состояла из трех элементов; генератор (генератор), карбюратор и пароперегреватель, соединенные последовательно с газопроводами и клапанами. [13]
Во время пробного запуска через генератор будет пропускаться пар для производства синей воды в газ. Из генератора горячий водяной газ поступал в верхнюю часть карбюратора, где в газовый поток впрыскивались легкие нефтяные масла. Легкие масла подвергались термическому растрескиванию при контакте с раскаленными добела шашечными огнеупорными кирпичами внутри карбюратора. Горячий обогащенный газ затем поступал в пароперегреватель, где газ подвергался дальнейшему крекингу с помощью большего количества горячих огнеупорных кирпичей. [14]
После Второй мировой войны медленное восстановление британской угольной промышленности привело к нехватке угля и высоким ценам. [15]
На этом графике показано сокращение использования угля в качестве сырья для производства городского газа с использованием карбонизации. [16]
Производство городского газа на основе угля, млн терм
Разработаны новые технологии получения угольного газа с использованием нефти, хвостовых газов нефтепереработки и легких дистиллятов. Процессы включали процесс Лурги , каталитический риформинг , процесс каталитического обогащения газа, паровой риформинг богатого газа и процесс рециркуляции газа в гидрогенизаторе . [17] В процессе каталитического обогащения газа в качестве сырья для производства городского газа использовался природный газ. На этих объектах использовались процессы химических реакций, описанные выше.
Рост использования нефти в качестве сырья для производства городского газа показан на графике ниже. Пик использования в 1968/9 году и последующий спад совпадают с наличием газа Северного моря, который в течение следующих нескольких лет вытеснил городской газ в качестве основного топлива и привел к сокращению использования нефти в качестве сырья для производства газа, как показано. [16]
Добыча городского газа на основе нефти, млн терм
К 1960-м годам промышленный газ, по сравнению со своим главным конкурентом на энергетическом рынке, электричеством, считался «неприятным, вонючим, грязным и опасным» (цитируя исследование рынка того времени) и, казалось, был обречен на дальнейшую потерю доли рынка, за исключением для приготовления пищи, где его управляемость давала ему заметные преимущества перед электричеством и твердым топливом. Разработка более эффективных газовых каминов помогла газу противостоять конкуренции на рынке отопления помещений. Одновременно нефтяная промышленность развивала новый рынок центрального отопления домов горячей водой , а ее примеру последовала газовая промышленность. Газовое воздушное отопление нашло свою рыночную нишу в новом муниципальном жилье, где низкие затраты на установку дали ему преимущество. Эти события, переориентация управленческого мышления с коммерческого управления (продажа того, что производит отрасль) на управление маркетингом (удовлетворение потребностей и желаний клиентов), а также снятие раннего моратория, запрещающего национализированным отраслям использовать телевизионную рекламу , спасли газовую промышленность. достаточно долго, чтобы обеспечить жизнеспособный рынок для того, что должно было произойти.
В 1959 году Газовый совет Великобритании продемонстрировал, что сжиженный природный газ (СПГ) можно безопасно, эффективно и экономично транспортировать на большие расстояния по морю. Компания Mthan Pioneer отправила партию СПГ из Лейк-Чарльза, штат Луизиана , США, на новый терминал СПГ на острове Канви , в устье Темзы в Эссексе, Англия. Магистральный трубопровод высокого давления длиной 212 миль (341 км) был построен от острова Канви до Брэдфорда. [18] Трубопровод и его ответвления обеспечивали региональные газовые советы природным газом для использования в процессах реформирования для производства городского газа. В 1964 году на Канви был введен в эксплуатацию крупный завод по приему СПГ, который принимал СПГ из Алжира в двух специализированных танкерах по 12 000 тонн каждый. [19]
Медленный упадок городской газовой промышленности в Великобритании был вызван открытием природного газа буровой установкой Sea Gem 17 сентября 1965 года примерно в сорока милях от Гримсби , на глубине более 8000 футов (2400 м) ниже морского дна. Впоследствии было обнаружено, что в Северном море имеется множество крупных газовых месторождений по обе стороны от срединной линии, определяющей, какие страны должны иметь права на запасы.
В рамках пилотной схемы потребители на острове Канви были переведены с городского газа на природный газ, подаваемый с завода СПГ на острове Канви. [15] [20]
Белая книга топливной политики 1967 года (Cmd. 3438) указала отрасли на скорейшее наращивание использования природного газа, чтобы «позволить стране как можно скорее воспользоваться преимуществами этого нового местного источника энергии». В результате произошел «порыв к использованию газа» для производства электроэнергии при пиковых нагрузках и для низкосортного использования в промышленности.
Рост доступности природного газа показан на графике ниже. [16] До 1968 года это были поставки СПГ из Алжира, пока с 1968 года не стал доступен газ из Северного моря.
Наличие природного газа, миллионы терм
Разработка запасов газа в Северном море , повлекшая за собой поставку газа в Исингтон , Бактон и Сент-Фергюс, сделала возможным строительство национальной распределительной сети протяженностью более 3000 миль (4800 км), состоящей из двух параллельных и взаимосвязанных трубопроводов, проходящих по всей длине Северного моря. страна. Это стало Национальной системой передачи . В период с 1967 по 1977 год все газовое оборудование в Великобритании (кроме Северной Ирландии) было переведено (путем установки форсунок горелок разного размера для получения правильной газовоздушной смеси) с городского газа на природный газ (в основном метан ). стоимостью около 100 миллионов фунтов стерлингов, включая списание ненужных городских заводов по производству газа. Переоборудовано все газоиспользующее оборудование почти тринадцати миллионов бытовых, четырехсот тысяч коммерческих и шестидесяти тысяч промышленных потребителей. В ходе этих учений было обнаружено и выведено из эксплуатации множество опасных приборов.
Городская газовая промышленность Великобритании прекратила свое существование в 1987 году, когда прекратилась работа последних городских заводов по производству газа в Северной Ирландии (Белфаст, Портадаун и Каррикфергус; газовый завод Каррикфергус теперь является отреставрированным газовым заводом-музеем). [21] Территория Портадауна была очищена, и в настоящее время на ней проводится долгосрочный эксперимент по использованию бактерий с целью очистки загрязненных промышленных земель.
Помимо того, что природный газ не требует незначительной обработки перед использованием, он нетоксичен; угарный газ (CO) в городском газе сделал его чрезвычайно ядовитым, случайное отравление газом и самоубийство стали обычным явлением. Отравление от газовых приборов происходит только из-за неполного сгорания, в результате которого образуется CO и утечки дымохода в жилые помещения. Как и в случае с городским газом, к газу добавляется небольшое количество вещества с неприятным запахом ( меркаптана ), чтобы указать пользователю на утечку или незажженную горелку, причем газ не имеет собственного запаха.
Организация британской газовой промышленности адаптировалась к этим изменениям, во-первых, благодаря Закону о газе 1965 года, наделив Газовый совет полномочиями приобретать и поставлять газ двенадцати региональным газовым советам . Затем Закон о газе 1972 года сформировал Британскую газовую корпорацию как единую коммерческую организацию, охватывающую все двенадцать региональных газовых советов, что позволило им приобретать, распространять и продавать газ и газовое оборудование промышленным коммерческим и внутренним потребителям по всей Великобритании. В 1986 году компания British Gas была приватизирована, и правительство больше не имеет над ней прямого контроля.
В эпоху газа Северного моря многие из оригинальных чугунных газовых труб , установленных в городах и поселках для городского газа, были заменены пластиковыми .
Как сообщается в обзоре DTI Energy «Наши энергетические вызовы» за январь 2006 г., газовые ресурсы Северного моря истощаются быстрее, чем ожидалось, и поставки газа в Великобританию изыскиваются из отдаленных источников. Эта стратегия стала возможной благодаря развитию событий в технологии прокладки труб, позволяющие транспортировать газ по суше и под водой через континенты и между ними . Природный газ теперь является мировым товаром . Такие источники поставок подвержены всем рискам любого импорта.
Монти Пайтон пародировал переход с угля на газ Северного моря и прыжки через обручи, с которыми некоторые сталкивались, в своем «Наброске новой плиты» как часть эпизода, вторая серия которого началась в 1970 году.
Угольный газ использовался для питания нескольких исторических подъемов на воздушных шарах в 19 веке (см. «Аэронавты» ).
Во многих отношениях Германия лидировала в исследованиях угольного газа и химии углерода. Благодаря трудам Августа Вильгельма фон Гофмана возникла вся немецкая химическая промышленность. Используя отходы угольного газа в качестве сырья, исследователи разработали новые процессы и синтезировали природные органические соединения, такие как витамин С и аспирин .
Немецкая экономика полагалась на угольный газ во время Второй мировой войны, поскольку нехватка нефти вынудила нацистскую Германию разработать синтез Фишера-Тропша для производства синтетического топлива для самолетов и танков.
Побочными продуктами производства угольного газа были кокс , каменноугольная смола , сера и аммиак , и все это были полезные продукты. Красители, лекарства, такие как сульфамидные препараты , сахарин и десятки органических соединений производятся из каменноугольной смолы. [ нужна цитата ]
Используемый уголь, а также городской газ и побочные продукты, производимые тремя крупнейшими газовыми компаниями Лондона, суммированы в таблице. [24] [25] [26]
Кокс используется как бездымное топливо, а также для производства водяного и генераторного газа .
Каменноугольную смолу подвергали фракционной перегонке для извлечения различных продуктов, в том числе
Используется при производстве серной кислоты.
Используется при производстве удобрений.
Угольный газ первоначально производился независимыми компаниями, но в Соединенном Королевстве многие из них позже стали муниципальными службами . В 1948 г. насчитывалось 1062 газовых предприятия. Как частные компании (около двух третей от общего числа), так и муниципальные газовые предприятия (около одной трети) были национализированы в соответствии с Законом о газе 1948 года . Дальнейшая реструктуризация произошла в соответствии с Законом о газе 1972 года . Для получения более подробной информации см. British Gas plc .
За исключением заводов по производству побочных продуктов коксовых печей сталелитейной промышленности, угольный газ в Великобритании больше не производится. Его заменил сначала газ, добываемый из нефти, а затем природный газ из Северного моря .
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)