Угольный газ — это горючее газообразное топливо , производимое из угля и поставляемое потребителю через трубопроводную систему распределения. Он производится при сильном нагревании угля в отсутствие воздуха. Городской газ — более общий термин, относящийся к газообразному топливу, производимому для продажи потребителям и муниципалитетам. [1]
Исходный угольный газ был получен в результате реакции газификации угля, [2] а горючий компонент состоял из смеси оксида углерода и водорода в примерно равных объемных количествах. Таким образом, угольный газ является высокотоксичным . [ 3] Другие составы содержат дополнительные теплотворные газы, такие как метан , [4] произведенный в процессе Фишера-Тропша , и летучие углеводороды вместе с небольшими количествами нетеплотворных газов, таких как диоксид углерода и азот .
До развития поставок и передачи природного газа — в 1940-х и 1950-х годах в Соединенных Штатах и в конце 1960-х и 1970-х годах в Великобритании и Австралии — почти весь газ для топлива и освещения производился из угля. Городской газ поставлялся в домохозяйства через муниципальные трубопроводные системы распределения. Иногда его называли синтетическим газом , в отличие от природного газа. [5] В то время частым методом совершения самоубийства было вдыхание газа из неразогретой духовки. Когда голова и верхняя часть тела помещались внутрь прибора, концентрированный угарный газ быстро убивал. [6] [7] Сильвия Плат , как известно, покончила с собой этим методом.
Первоначально созданный как побочный продукт процесса коксования , его использование развивалось в 19-м и начале 20-го веков вслед за промышленной революцией и урбанизацией . Побочные продукты процесса производства 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 угольного газа и каменноугольной смолы. Учреждения, где производился газ, часто назывались заводами по производству искусственного газа (MGP) или газовыми заводами .
В Соединенном Королевстве открытие крупных запасов природного газа, или морского газа, как его называли в разговорной речи, в южной части Северного моря у берегов Норфолка и Йоркшира в 1965 году [8] [9] привело к дорогостоящей переделке или замене большинства газовых плит и газовых обогревателей в Великобритании, начиная с конца 1960-х годов, процесс был завершен к концу 1970-х годов. Любое остаточное газовое освещение, обнаруженное в домах, которые переоборудовались, либо было закрыто на счетчике, либо, что чаще, 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 получения газообразного топлива , известного под разными названиями: искусственный газ , синтез-газ , газ Доусона и генераторный газ . Эти газы производятся путем частичного сжигания широкого спектра исходного сырья в смеси воздуха, кислорода или пара, чтобы восстановить последний до водорода и оксида углерода, хотя может также происходить некоторая деструктивная дистилляция .
Искусственный газ может быть получен двумя способами: карбонизацией или газификацией . Карбонизация относится к удалению летучих веществ из органического сырья с получением газа и угля . Газификация - это процесс подвергания сырья химическим реакциям, в результате которых выделяется газ. [10] [11]
Первым использованным процессом была карбонизация и частичный пиролиз угля . Отходящие газы , выделяющиеся 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, при этом газ был побочным продуктом, либо производство высококачественного газа, при этом кокс был побочным продуктом. Коксовые заводы обычно связаны с металлургическими предприятиями, такими как плавильные печи или доменные печи , в то время как газовые заводы обычно обслуживали городские районы.
Установка, используемая для производства угольного газа, карбюраторного водяного газа (КВГ) и нефтяного газа, сегодня обычно называется заводом по производству искусственного газа (ЗПГ).
В первые годы работы MGP целью газового завода было производство наибольшего количества осветительного газа. Осветительная способность газа была связана с количеством образующих сажу углеводородов («осветительных веществ»), растворенных в нем. Эти углеводороды придавали газовому пламени характерный ярко-желтый цвет. Газовые заводы обычно использовали в качестве сырья маслянистые битуминозные угли. Эти угли выделяли большое количество летучих углеводородов в угольный газ, но оставляли после себя рассыпчатый, низкокачественный кокс, непригодный для металлургических процессов.
Угольный или коксовый газ обычно имеет теплотворную способность от 10 до 20 мегаджоулей на кубический метр (от 270 до 540 БТЕ/куб. фут); типичными являются значения около 20 МДж/м 3 (540 БТЕ/куб. фут).
Появление электрического освещения заставило коммунальные службы искать другие рынки сбыта для искусственного газа. МГП, которые когда-то производили почти исключительно световой газ, переключили свои усилия на поставку газа для отопления и приготовления пищи, и даже охлаждения и охлаждения.
Топливный газ для промышленного использования был получен с использованием технологии генераторного газа . Генераторный газ производится путем продувки воздуха через раскаленный топливный слой (обычно кокс или уголь ) в газогенераторе. Реакция топлива с недостаточным для полного сгорания воздухом производит оксид углерода (CO); эта реакция является экзотермической и самоподдерживающейся. Было обнаружено, что добавление пара к входящему воздуху газогенератора увеличит теплотворную способность топливного газа за счет обогащения его CO и водородом (H 2 ), полученными в результате реакций водяного газа. Генераторный газ имеет очень низкую теплотворную способность от 3,7 до 5,6 МДж/м 3 (от 99 до 150 БТЕ/куб. фут); поскольку теплотворные газы CO/H 2 разбавлены большим количеством инертного азота (из воздуха) и диоксида углерода (CO 2 ) (от сгорания)
Проблема разбавления азота была преодолена с помощью процесса голубого водяного газа (BWG), разработанного в 1850-х годах сэром Уильямом Сименсом . Раскаленный топливный слой попеременно продувался воздухом, а затем паром. Реакции воздуха во время цикла продувки являются экзотермическими, нагревая слой, в то время как реакции пара во время цикла изготовления являются эндотермическими и охлаждают слой. Продукты воздушного цикла содержат некалорийный азот и выбрасываются в дымовую трубу, в то время как продукты парового цикла сохраняются в виде голубого водяного газа. Этот газ состоит почти полностью из CO и H 2 и горит бледно-голубым пламенем, похожим на природный газ. BWG имеет теплотворную способность 11 МДж/м 3 (300 БТЕ/куб. фут).
Синий водяной газ не имел источников света; он не горел бы светящимся пламенем в простой газовой струе типа «рыбий хвост», как это было до изобретения газовой мантии в 1890-х годах. В 1860-х годах были предприняты различные попытки обогатить BWG источниками света из газойля. Газойль (ранняя форма бензина) был горючим отходом от переработки керосина , полученным из самых легких и летучих фракций (верхних фракций) сырой нефти. В 1875 году Таддеус С. К. Лоу изобрел процесс получения карбюраторного водяного газа. Этот процесс произвел революцию в газовой промышленности и был стандартной технологией до конца эпохи искусственного газа. [12] Генераторная установка CWG состояла из трех элементов: производителя (генератора), карбюратора и пароперегревателя, соединенных последовательно с газовыми трубами и клапанами. [13]
Во время запуска пар будет проходить через генератор, чтобы получить голубой водяной газ. Из генератора горячий водяной газ будет проходить в верхнюю часть карбюратора, где легкие нефтяные масла будут впрыскиваться в газовый поток. Легкие масла будут подвергаться термокрекингу, когда они вступят в контакт с раскаленными добела огнеупорными кирпичами внутри карбюратора. Горячий обогащенный газ затем будет поступать в пароперегреватель, где газ будет далее крекироваться более горячими огнеупорными кирпичами. [14]
После Второй мировой войны медленное восстановление британской угольной промышленности привело к дефициту угля и высоким ценам. [15]
На этом графике показано снижение использования угля в качестве сырья для производства городского газа с использованием карбонизации. [16]
Производство бытового газа на основе угля, млн. терм
Были разработаны новые технологии производства угольного газа с использованием нефти, хвостовых газов нефтеперерабатывающих заводов и легких дистиллятов. Процессы включали процесс Lurgi , каталитический риформинг , каталитический процесс обогащенного газа, паровой риформинг обогащенного газа и процесс рециркуляции газа с гидрогенизатором . [17] Каталитический процесс обогащенного газа использовал природный газ в качестве сырья для производства городского газа. Эти предприятия использовали описанные выше процессы химических реакций.
Рост использования нефти в качестве сырья для производства городского газа показан на графике ниже. Пик использования в 1968/9 и последующий спад совпадают с доступностью газа из Северного моря, который в течение следующих нескольких лет вытеснил городской газ в качестве основного топлива и привел к снижению использования нефти в качестве сырья для производства газа, как показано на рисунке. [16]
Производство городского газа на основе нефти, млн. терм
К 1960-м годам искусственный газ, по сравнению со своим главным конкурентом на энергетическом рынке, электричеством, считался «отвратительным, вонючим, грязным и опасным» (цитируя маркетинговые исследования того времени) и, казалось, был обречен на дальнейшую потерю доли рынка, за исключением приготовления пищи, где его управляемость давала ему заметные преимущества как по сравнению с электричеством, так и с твердым топливом. Разработка более эффективных газовых каминов помогла газу противостоять конкуренции на рынке отопления помещений. Одновременно нефтяная промышленность развивала новый рынок центрального отопления всего дома горячей водой , и газовая промышленность последовала ее примеру. Газовое воздушное отопление нашло рыночную нишу в новом жилье местных органов власти, где низкие затраты на установку давали ему преимущество. Эти разработки, переориентация управленческого мышления с коммерческого управления (продажа того, что производит отрасль) на маркетинговое управление (удовлетворение потребностей и желаний клиентов) и отмена раннего моратория, запрещавшего национализированным отраслям использовать телевизионную рекламу , сохранили 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. Methane Pioneer доставил партию СПГ из Лейк-Чарльз, штат Луизиана , США, на новый терминал СПГ на острове Канви , в устье Темзы в Эссексе, Англия. От острова Канви до Брэдфорда был построен магистральный трубопровод высокого давления длиной 212 миль (341 км). [18] Трубопровод и его ответвления обеспечивали региональные газовые управления природным газом для использования в процессах риформинга для производства городского газа. В 1964 году на острове Канви был введен в эксплуатацию крупномасштабный завод по приему СПГ, который принимал СПГ из Алжира в двух специальных танкерах, каждый из которых имел грузоподъемность 12 000 тонн. [19]
Медленный спад в газовой промышленности 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 по обе стороны от срединной линии, определяющей, какие страны должны иметь права на эти запасы, находится множество крупных газовых месторождений.
В рамках пилотного проекта клиенты острова Канви были переведены с городского газа на природный газ, поставляемый с завода СПГ на острове Канви. [15] [20]
Белая книга топливной политики 1967 года (Cmd. 3438) указала отрасли направление быстрого наращивания использования природного газа, чтобы «дать возможность стране как можно скорее воспользоваться преимуществами этого нового местного источника энергии». В результате произошел «ажиотаж на газ» для использования в пиковой нагрузке при выработке электроэнергии и в низкосортных целях в промышленности.
Рост доступности природного газа показан на графике ниже. [16] До 1968 года это происходило за счет поставок СПГ из Алжира, пока с 1968 года не стал доступен газ из Северного моря.
Доступен природный газ, миллионы терм
Эксплуатация газовых запасов Северного моря , влекущая за собой погрузку газа в Изингтоне , Бактоне и Сент-Фергусе, сделала возможным строительство национальной распределительной сети протяженностью более 3000 миль (4800 км), состоящей из двух параллельных и взаимосвязанных трубопроводов, пролегающих по всей стране. Это стало Национальной системой передачи . Все газовое оборудование в Великобритании (но не в Северной Ирландии) было переведено (путем установки форсунок разного размера для получения правильной смеси газа и воздуха) с бытового газа на природный газ (в основном метан ) в период с 1967 по 1977 год на сумму около 100 миллионов фунтов стерлингов, включая списание избыточных производственных предприятий бытового газа. Все газоиспользующее оборудование почти тринадцати миллионов бытовых, четырехсот тысяч коммерческих и шестидесяти тысяч промышленных потребителей было переведено. В ходе этих мероприятий было обнаружено и выведено из эксплуатации множество опасных приборов.
Газовая промышленность Великобритании прекратила свое существование в 1987 году, когда прекратилась деятельность последних заводов по производству городского газа в Северной Ирландии (Белфаст, Портадаун и Каррикфергус; газовый завод Каррикфергуса теперь является восстановленным музеем газового завода). [21] Территория Портадауна была очищена и теперь является объектом долгосрочного эксперимента по использованию бактерий для очистки загрязненных промышленных земель.
Помимо того, что природный газ требует небольшой обработки перед использованием, он нетоксичен; окись углерода (CO) в бытовом газе сделала его чрезвычайно ядовитым, случайные отравления и самоубийства газом 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 бытовым газом, в газ добавляется небольшое количество неприятно пахнущего вещества ( меркаптана ), чтобы указать пользователю на утечку или не зажженную горелку, при этом газ не имеет собственного запаха.
Организация британской газовой промышленности адаптировалась к этим изменениям, во-первых, с помощью Закона о газе 1965 года, который уполномочил Газовый совет приобретать и поставлять газ двенадцати областным газовым управлениям . Затем Закон о газе 1972 года сформировал British Gas Corporation как единую коммерческую организацию, охватывающую все двенадцать областных газовых управлений, позволяя им приобретать, распределять и продавать газ и газовые приборы промышленным, коммерческим и бытовым потребителям по всей Великобритании. В 1986 году British Gas была приватизирована, и правительство больше не имеет над ней прямого контроля.
В эпоху добычи газа в Северном море многие первоначальные чугунные газовые трубы , установленные в городах для подачи бытового газа, были заменены пластиковыми .
Как сообщалось в обзоре DTI Energy Review «Наша энергетическая проблема» за январь 2006 года, газовые ресурсы Северного моря истощаются быстрее, чем предполагалось, и поставки газа в Великобританию осуществляются из удаленных источников, стратегия, которая стала возможной благодаря развитию технологий прокладки трубопроводов, позволяющих транспортировать газ по суше и по морю через континенты и между ними . Природный газ в настоящее время является мировым товаром . Такие источники поставок подвержены всем рискам любого импорта.
Группа «Монти Пайтон» спародировала переход с угля на североморский газ и прыжки через обручи, с которыми некоторые сталкивались, в своем «Новом скетче о плите» в рамках эпизода, начавшегося во втором сезоне в 1970 году.
Угольный газ использовался в качестве топлива для нескольких исторических подъемов воздушных шаров в 19 веке (см. Воздухоплаватели ).
Во многих отношениях Германия заняла лидирующее положение в исследовании угольного газа и углеродной химии. Благодаря трудам Августа Вильгельма фон Гофмана появилась 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 .
Во время Второй мировой войны экономика Германии опиралась на угольный газ, поскольку нехватка нефти вынудила нацистскую Германию разработать синтез Фишера-Тропша для производства синтетического топлива для самолетов и танков.
Побочные продукты производства угольного газа включали кокс , каменноугольную смолу , серу и аммиак , и все они были полезными продуктами. Красители, лекарства, такие как сульфапрепараты , сахарин и десятки органических соединений производятся из каменноугольной смолы. [ необходима цитата ]
В таблице приведены данные по потреблению угля, а также производству городского газа и побочных продуктов тремя крупнейшими газовыми компаниями Лондона. [24] [25] [26]
Кокс используется в качестве бездымного топлива, а также для производства водяного газа и генераторного газа .
Каменноугольную смолу подвергали фракционной перегонке для получения различных продуктов, в том числе
Используется в производстве серной кислоты.
Используется в производстве удобрений.
Угольный газ изначально производился независимыми компаниями, но в Соединенном Королевстве многие из них позже стали муниципальными службами . В 1948 году в общей сложности 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 . Более подробную информацию см. в British Gas plc .
За исключением предприятий по производству побочных продуктов коксовых печей сталелитейной промышленности, угольный газ в Великобритании больше не производится. Сначала его заменил газ, полученный из нефти, а затем природный газ из Северного моря .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )