석탄 가스
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1. 개요
석탄 가스는 석탄을 가열하여 얻는 가연성 가스로, 1792년 윌리엄 머독에 의해 처음 추출되었다. 초기에는 가스등에 사용되었으며, 이후 도시 가스를 대체하는 천연 가스의 등장과 전기 조명의 보급으로 1920년대 중반 쇠퇴기에 접어들었다. 석탄 가스 제조 과정에서 다양한 부산물이 발생하며, 환경 문제, 경제성, 안전 문제 등 여러 과제를 안고 있다.
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| 석탄 가스 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 다른 이름 | 석탄 가스 타운 가스 조명 가스 |
| 역사적 맥락 | |
| 발명 | 1792년, 윌리엄 머독 |
| 사용 중단 | 1970년대 (대부분 지역에서 천연 가스로 대체) |
| 구성 성분 | |
| 주요 성분 | 수소 (H₂) 메탄 (CH₄) 일산화탄소 (CO) |
| 기타 성분 | 질소 (N₂) 이산화탄소 (CO₂) 암모니아 (NH₃) 벤젠 (C₆H₆) 나프탈렌 (C₁₀H₈) 황화수소 (H₂S) 에틸렌 (C₂H₄) |
| 이전 구성 성분 | 수성 가스 혼합으로 인한 추가적인 일산화탄소 |
| 특성 | |
| 밀도 | 공기보다 가벼움 (약 0.4 ~ 0.55) |
| 발열량 | 20 ~ 22 MJ/m³ (500 ~ 550 BTU/ft³) |
| 냄새 | 독특하고 불쾌한 냄새 (첨가제 첨가) |
| 독성 | 일산화탄소 중독 위험 |
| 생산 | |
| 생산 방법 | 석탄 건류 (고온 열분해) 또는 석탄 가스화 |
| 부산물 | 코크스 석탄 타르 암모니아수 유황 |
| 용도 | |
| 주요 용도 | 조명 난방 요리 |
| 역사적 용도 | 가스등 가스 레인지 가스 보일러 가스 냉장고 |
| 안전 | |
| 위험성 | 폭발 가능성 일산화탄소 중독 위험 |
| 안전 조치 | 누출 감지 시스템 환기 일산화탄소 경보기 |
| 환경 영향 | |
| 영향 | 대기 오염 (생산 및 연소 시) 온실 가스 배출 토양 및 지하수 오염 (가스 공장 부지) |
| 대체 | |
| 대체 연료 | 천연 가스 |
| 추가 정보 | |
| 참고 | 합성 가스 |
2. 역사
1792년 윌리엄 머독이 구형 금속 용기에서 석탄을 가열하여 가연성 가스를 추출한 것이 석탄 가스 역사의 시초로 여겨진다.[28]
석탄 가스 제조에는 크게 탄화와 가스화 두 가지 공정이 사용되었다.[10][11]
가스등에 이용되었으며, 영국에서는 1810년 초부터, 미국에서는 1820년경부터 전문 회사가 설립되었다.[28]
독일은 여러 면에서 석탄 가스 연구와 탄소 화학 분야를 선도했다. 아우구스트 빌헬름 폰 호프만의 노력으로 독일 화학 산업 전체가 발전했다. 연구자들은 석탄 가스 폐기물을 원료로 사용하여 비타민 C와 아스피린과 같은 천연 유기 화합물을 개발하고 합성했다.
제2차 세계 대전 동안 독일 경제는 석탄 가스에 의존했는데, 석유 부족으로 인해 나치 독일은 항공기와 탱크용 피셔-트롭쉬 공정을 개발하여 합성 연료를 생산해야 했다.
1936년경 Lurgi 가스화기가 개발되었다. 독일은 석유 부족으로 인해 가스화/합성 연료에 대한 연구를 계속했다.
미국에서 1935년 공익 사업 지주 회사법은 통합 코크스 및 가스 회사의 해체를 강제했다.
3. 제조 공정
초기 제조 가스 공장(MGP)은 주로 조명용 가스 생산을 목표로 했으며, 가스 불꽃의 밝기를 높이기 위해 역청탄을 사용했다. 전기 조명의 등장 이후에는 난방, 요리, 냉장 등 다른 용도로 전환되었다.
산업 현장에서는 생산 가스 기술이 활용되었다. 코크스나 석탄 층에 공기를 불어넣어 일산화 탄소(CO)를 생성하고, 증기를 추가하여 수소(H2)를 생성하여 발열량을 높였다. 하지만 질소와 이산화 탄소로 인해 발열량이 낮았다.
이후 윌리엄 지멘스 경이 개발한 청색 수성 가스(BWG) 공정은 공기와 증기를 번갈아 사용해 질소 희석 문제를 해결하고 발열량을 높였다. 1875년 태디어스 S. C. 로위가 발명한 탄화 수성 가스(CWG) 공정은 제조 가스 산업의 표준 기술로 자리 잡았다.[12]
제2차 세계 대전 이후 영국에서는 석탄 부족과 가격 상승으로 인해 석유 기반 가스 제조 기술이 개발되었다. 루르기 공정, 촉매 개질 등 다양한 기술이 활용되었다.
기체 연료는 천연 가스, 석탄계 가스, 석유계 가스(오일 가스)로 크게 분류된다.[27] 석탄을 고온 건류하여 얻는 석탄 가스(coal gas)는 석탄계 가스의 일종이며, 석탄계 가스에는 이 외에도 고온 고체 연료에 수증기를 작용시켜 얻는 수성 가스(water gas), 석탄이나 코크스의 불완전 연소로 얻는 발생로 가스(producer gas), 용광로의 부산물로 얻는 고로 가스(blast furnace gas) 등이 있다.[27]
석탄 가스와 천연 가스는 경제적으로 경쟁 관계에 있었다.[28] 1792년, 윌리엄 머독이 구형 금속 용기에서 석탄을 가열하여 가연성 가스를 추출한 것이 시초로 여겨진다.[28]
가스등에 이용되었으며, 영국에서는 1810년 초부터, 미국에서는 1820년경부터 전문 회사가 설립되었다.[28] 석탄 가스화로에는 고정상(이동상), 유동상, 분류상의 3가지 형식이 있으며, 미분탄기로 분쇄한 석탄을 산화제와 함께 로에 투입한다.[28]
3. 1. 탄화
제조 가스는 탄화 또는 가스화의 두 가지 공정으로 만들 수 있다. 탄화는 유기 원료를 가열하여 가스와 숯(char)으로 분해하는 것을 의미한다. 최초로 사용된 공정은 석탄의 탄화 및 부분 열분해였다. 코크스 오븐에서 석탄을 고온 탄화(코크스화)하는 과정에서 방출된 가스를 수집, 정제하여 연료로 사용했다.[10][11]
설비의 목표에 따라, 원하는 제품은 고품질 코크스 (가스가 부산물)이거나 고품질 가스 (코크스가 부산물)였다. 코크스 공장은 주로 제련소나 고로와 같은 금속 시설과 관련이 있었고, 가스 공장은 도시 지역에 서비스를 제공했다.
초기 제조 가스 공장(MGP)의 목표는 최대량의 조명 가스를 생산하는 것이었다. 가스의 조명 능력은 그을음을 형성하는 탄화수소 ("조명제")의 양과 관련이 있었으며, 이 탄화수소는 가스 불꽃에 밝은 노란색을 부여했다. 가스 공장은 기름기 많은 역청탄을 원료로 사용했는데, 이는 많은 양의 휘발성 탄화수소를 석탄 가스로 방출했지만, 야금 과정에는 적합하지 않은 저품질 코크스를 남겼다. 석탄 또는 코크스 오븐 가스는 일반적으로 10MJ/m3에서 20MJ/m3 사이의 발열량을 가졌으며, 20MJ/m3 부근의 값이 일반적이었다.
전기 조명의 등장으로 유틸리티는 제조 가스의 다른 시장(난방, 요리, 냉장 및 냉방용 가스 공급)을 찾아야 했다.
제2차 세계 대전 이후 영국 탄광 산업의 회복이 더뎌지면서 석탄 부족과 가격 상승이 발생했다.[19]
| 연도 | 생산량 (백만 톤) | 생산 비용 (£/톤) |
|---|---|---|
| 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 |
탄화 공정을 사용한 도시 가스 생산의 원료탄으로서 석탄의 감소는 아래 그래프와 같다.[15]
'''석탄 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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이후 석유, 정제 공정 부산물 및 경질 증류액을 사용한 석탄 가스 제조 기술이 개발되었다. 여기에는 루르기 공정, 촉매 개질, 촉매 부화 가스 공정, 부화 가스의 증기 개질 및 가스 재순환 수소화 공정이 포함되었다.[16] 촉매 부화 가스 공정은 도시 가스를 제조하는 데 천연 가스를 원료로 사용했다.
'''석유 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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3. 2. 가스화
제조 가스는 탄화 또는 가스화라는 두 가지 공정으로 만들 수 있다. 탄화는 유기 원료를 가스와 숯(char)으로 휘발시키는 것을 말한다. 가스화는 원료를 가스를 생성하는 화학 반응에 적용하는 과정이다.[10][11]최초로 사용된 공정은 석탄의 탄화 및 부분 열분해였다. 코크스 오븐에서 석탄의 고온 탄화 (코크스화) 과정에서 방출된 배가스를 수집하여 세정하고 연료로 사용했다. 설비의 목표에 따라, 원하는 제품은 가스가 부산물로 생산되는 고품질 코크스였거나, 코크스가 부산물로 생산되는 고품질 가스였다. 코크스 공장은 일반적으로 제련소 또는 고로와 같은 금속 시설과 연관되어 있으며, 가스 공장은 일반적으로 도시 지역에 서비스를 제공했다.
석탄 가스, 탄화 수성 가스(CWG) 및 오일 가스를 제조하는 데 사용되는 시설을 오늘날 일반적으로 제조 가스 공장(MGP)이라고 한다.
MGP 운영 초기에는 유틸리티 가스 공장의 목표는 최대량의 조명 가스를 생산하는 것이었다. 가스의 조명 능력은 가스에 용해된 그을음을 형성하는 탄화수소("조명제")의 양과 관련이 있었다. 이러한 탄화수소는 가스 불꽃에 특징적인 밝은 노란색을 부여했다. 가스 공장은 일반적으로 기름기가 많은 역청탄을 원료로 사용했다. 이 석탄은 많은 양의 휘발성 탄화수소를 석탄 가스로 방출하지만, 야금 과정에 적합하지 않은 부스러기 같은 저품질 코크스를 남겼다.
석탄 또는 코크스 오븐 가스는 일반적으로 에서 20MJ/m3 사이의 발열량을 가지며, 부근의 값이 일반적이었다.
전기 조명의 출현으로 유틸리티는 제조 가스의 다른 시장을 찾아야 했다. 한때 거의 독점적으로 조명 가스를 생산했던 MGP는 난방, 요리, 심지어 냉장 및 냉방용 가스 공급으로 노력을 전환했다.
산업용 연료 가스는 생산 가스 기술을 사용하여 만들어졌다. 생산 가스는 가스 발생기에서 빛나는 연료층(일반적으로 코크스 또는 석탄)에 공기를 불어넣어 만듭니다. 연료가 완전 연소에 충분하지 않은 공기와 반응하면 일산화 탄소 (CO)가 생성된다. 이 반응은 발열 반응이며 자가 유지된다. 가스 발생기의 투입 공기에 증기를 추가하면 물 가스 반응에 의해 생성된 CO와 수소 (H2)로 농축되어 연료 가스의 발열량이 증가한다는 것이 발견되었다. 생산 가스는 에서 의 매우 낮은 발열량을 가지고 있다. 발열 가스인 CO/H2는 많은 불활성 질소 (공기에서) 및 이산화 탄소 (CO2) (연소에서)로 희석되기 때문이다.
:2C (s) + O2 → 2 CO (발열 생산 가스 반응)
:C (s) + H2O (g) → CO + H2 (흡열 수성 가스 반응)
:C + 2 H2O → CO2 + 2 H2 (흡열)
:CO + H2O → CO2 + H2 (발열 수성 가스 변환 반응)
질소 희석 문제는 1850년대 윌리엄 지멘스 경에 의해 개발된 청색 수성 가스 (BWG) 공정에 의해 극복되었다. 빛나는 연료층은 공기를 불어넣은 다음 증기를 교대로 처리한다. 블로우 사이클 동안의 공기 반응은 발열 반응으로 침대를 가열하는 반면, 메이크 사이클 동안의 증기 반응은 흡열 반응으로 침대를 냉각시킨다. 공기 사이클의 생성물은 비발열 질소를 포함하며 굴뚝 밖으로 배출되는 반면, 증기 사이클의 생성물은 청색 수성 가스로 유지된다. 이 가스는 거의 전적으로 CO와 H2로 구성되어 있으며 천연 가스와 유사한 옅은 파란색 불꽃으로 연소된다. BWG는 11MJ/m3의 발열량을 갖는다.
청색 수성 가스는 조명제를 가지고 있지 않았다. 1890년대 가스 맨틀 발명 이전에 존재했던 단순한 어미새 가스 분사구에서 발광 불꽃으로 연소되지 않았다. 1860년대에는 가스 오일에서 BWG를 조명제로 농축하려는 다양한 시도가 있었다. 가스 오일 (초기 형태의 가솔린)은 원유의 가장 가볍고 휘발성이 높은 분획(탑)으로 만들어진 등유 정제의 가연성 폐기물이었다.
1875년 태디어스 S. C. 로위는 탄화 수성 가스 공정을 발명했다. 이 공정은 제조 가스 산업에 혁명을 일으켰으며 제조 가스 시대가 끝날 때까지 표준 기술이었다.[12] CWG 발전 세트는 생산기(발전기), 탄화기 및 과열기의 세 가지 요소로 구성되었으며 가스 파이프와 밸브가 직렬로 연결되었다.[13]
생산 과정에서 증기가 발전기를 통과하여 청색 수성 가스를 만듭니다. 발전기에서 뜨거운 수성 가스는 탄화기 상단으로 통과하여 경질 석유가 가스 흐름에 주입된다. 경질 오일은 탄화기 내부의 백색 핫 체커워크 내화 벽돌과 접촉하면서 열분해된다. 그런 다음 뜨겁고 농축된 가스는 과열기로 흘러 들어가 더 뜨거운 내화 벽돌에 의해 가스가 더 분해된다.[14]
제2차 세계 대전 이후 영국 탄광 산업의 완만한 회복으로 석탄 부족과 높은 가격이 발생했다.[19]
| 연도 | 생산량 (백만 톤) | 생산 비용 (£/톤) |
|---|---|---|
| 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 |
탄화 공정을 사용한 도시 가스 생산의 원료탄으로서 석탄의 감소는 아래 그래프에서 확인할 수 있다.[15]
'''석탄 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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석유, 정제 공정 부산물 및 경질 증류액을 사용하여 석탄 가스를 제조하는 새로운 기술이 개발되었다. 공정에는 루르기 공정, 촉매 개질, 촉매 부화 가스 공정, 부화 가스의 증기 개질 및 가스 재순환 수소화 공정이 포함되었다.[16] 촉매 부화 가스 공정은 도시 가스를 제조하는 데 천연 가스를 원료로 사용했다. 이러한 시설에서는 위에 설명된 화학 반응 공정을 활용했다.
도시 가스 제조의 원료탄으로서 석유의 증가는 아래 그래프에 나타나 있다. 1968/9년에 최고 사용량을 보인 후 감소는 이후 몇 년 동안 도시 가스를 주요 연료로 대체하고 가스 제조의 원료탄으로서 석유의 감소를 이끈 북해 가스의 가용성과 일치한다.
'''석유 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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- 고품질 가스 오일(자동차 연료로 사용) 및 공급 코크스(제철용으로 전환)의 손실로 인해 대규모 타르 문제가 발생했다. CWG(탄화 수성 가스) 타르는 공급 원료로서 석탄 가스화 타르보다 가치가 낮았다. 타르-물 에멀젼은 판매할 수 없는 물과 품질이 낮은 부산물로 인해 가공이 비경제적이었다.
- CWG 타르는 피치를 만드는 데는 좋지만 화학 전구체는 부족한 가벼운 다환 방향족 탄화수소가 풍부하다.
- CWG 생성에 대한 다양한 "백런(back-run)" 절차는 연료 소비를 줄이고 CWG 세트에서 역청탄 사용으로 인한 문제를 해결하는 데 도움이 되었다.
- 고압 파이프라인 용접 개발은 대규모 시립 가스 공장 건설과 MG(municipal gas) 산업의 통합을 장려했다. 천연 가스의 부상을 위한 발판을 마련했다.
- 전기 조명이 가스등을 대체했다. MG 산업의 정점은 1920년대 중반이었다.
- 1936년경. Lurgi 가스화기 개발. 독일은 석유 부족으로 인해 가스화/합성 연료에 대한 연구를 계속했다.
- 미국에서 1935년 공익 사업 지주 회사법은 통합 코크스 및 가스 회사의 해체를 강제했다.
- / 가스로부터 액체 연료를 합성하는 피셔-트롭슈 공정
- 하버-보슈 공정은 산업용 수소에 대한 큰 수요를 창출했다.
코크스(Coke)는 무연탄 연료로 사용되며 수성 가스와 생산 가스 제조에도 사용된다.
기체 연료는 천연 가스, 석탄계 가스, 석유계 가스(오일 가스)로 크게 분류된다.[27] 석탄을 고온 건류하여 얻는 석탄 가스(coal gas)는 석탄계 가스의 일종이며, 석탄계 가스에는 이 외에도, 고온 고체 연료에 수증기를 작용시켜 얻는 수성 가스(water gas), 석탄이나 코크스의 불완전 연소로 얻는 발생로 가스(producer gas), 용광로의 부산물로 얻는 고로 가스(blast furnace gas) 등이 있다.[27]
석탄 가스와 천연 가스는 경제적으로 경쟁 관계에 있다.[28]
1792년, 윌리엄 머독이 구형 금속 용기에서 석탄을 가열하여 가연성 가스를 추출한 것이 시초로 여겨진다.[28]
가스등에 이용되었으며, 영국에서는 1810년 초부터, 미국에서는 1820년경부터 전문 회사가 설립되었다.[28]
석탄 가스화로에는 고정상(이동상), 유동상, 분류상의 3가지 형식이 있으며, 미분탄기로 분쇄한 석탄을 산화제와 함께 로에 투입한다.[28]
3. 3. 석탄 가스화로
제조 가스는 탄화 또는 가스화의 두 가지 공정으로 만들 수 있다. 탄화는 유기 원료를 가스 및 숯(char)으로 휘발시키는 것이며, 가스화는 원료를 가스를 생성하는 화학 반응에 적용하는 과정이다.[10][11]최초로 사용된 공정은 석탄의 탄화 및 부분 열분해였다. 코크스 오븐에서 석탄의 고온 탄화 (코크스화) 과정에서 방출된 배가스를 수집하여 세정하고 연료로 사용했다. 설비 목표에 따라, 원하는 제품은 가스가 부산물로 생산되는 고품질 코크스이거나, 코크스가 부산물로 생산되는 고품질 가스였다. 코크스 공장은 일반적으로 제련소 또는 고로와 같은 금속 시설과 연관되어 있으며, 가스 공장은 도시 지역에 서비스를 제공했다.
석탄 가스, 탄화 수성 가스(CWG) 및 오일 가스를 제조하는 데 사용되는 시설은 오늘날 일반적으로 제조 가스 공장(MGP)이라고 한다.
MGP 운영 초기에는 유틸리티 가스 공장의 목표는 최대량의 조명 가스를 생산하는 것이었다. 가스의 조명 능력은 가스에 용해된 그을음을 형성하는 탄화수소("조명제")의 양과 관련이 있었다. 이러한 탄화수소는 가스 불꽃에 특징적인 밝은 노란색을 부여했다. 가스 공장은 일반적으로 기름기가 많은 역청탄을 원료로 사용했다. 이 석탄은 많은 양의 휘발성 탄화수소를 석탄 가스로 방출했지만, 야금 과정에 적합하지 않은 부스러기 같은 저품질 코크스를 남겼다.
석탄 또는 코크스 오븐 가스는 일반적으로 에서 20MJ/m3 사이의 발열량을 가지며, 부근의 값이 일반적이었다.
전기 조명의 출현으로 유틸리티는 제조 가스의 다른 시장을 찾아야 했다. 한때 거의 독점적으로 조명 가스를 생산했던 MGP는 난방, 요리, 심지어 냉장 및 냉방용 가스 공급으로 노력을 전환했다.
제2차 세계 대전 이후 영국 탄광 산업의 완만한 회복으로 석탄 부족과 높은 가격이 발생했다.[19]
| 연도 | 생산량 (백만 톤) | 생산 비용 (£/톤) |
|---|---|---|
| 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 |
탄화 공정을 사용한 도시 가스 생산의 원료탄으로서 석탄의 감소는 아래 그래프에서 확인할 수 있다.[15]
'''석탄 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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석유, 정제 공정 부산물 및 경질 증류액을 사용하여 석탄 가스를 제조하는 새로운 기술이 개발되었다. 공정에는 루르기 공정, 촉매 개질, 촉매 부화 가스 공정, 부화 가스의 증기 개질 및 가스 재순환 수소화 공정이 포함되었다.[16] 촉매 부화 가스 공정은 도시 가스를 제조하는 데 천연 가스를 원료로 사용했다. 이러한 시설에서는 위에 설명된 화학 반응 공정을 활용했다.
도시 가스 제조의 원료탄으로서 석유의 증가는 아래 그래프에 나타나 있다. 1968/9년에 최고 사용량을 보인 후 감소는 이후 몇 년 동안 도시 가스를 주요 연료로 대체하고 가스 제조의 원료탄으로서 석유의 감소를 이끈 북해 가스의 가용성과 일치한다.
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기체 연료는 천연 가스, 석탄계 가스, 석유계 가스(오일 가스)로 크게 분류된다.[27] 석탄을 고온 건류하여 얻는 석탄 가스(coal gas)는 석탄계 가스의 일종이며, 석탄계 가스에는 이 외에도 고온 고체 연료에 수증기를 작용시켜 얻는 수성 가스(water gas), 석탄이나 코크스의 불완전 연소로 얻는 발생로 가스(producer gas), 용광로의 부산물로 얻는 고로 가스(blast furnace gas) 등이 있다.[27]
석탄 가스와 천연 가스는 경제적으로 경쟁 관계에 있다.[28] 1792년, 윌리엄 머독이 구형 금속 용기에서 석탄을 가열하여 가연성 가스를 추출한 것이 시초로 여겨진다.[28]
가스등에 이용되었으며, 영국에서는 1810년 초부터, 미국에서는 1820년경부터 전문 회사가 설립되었다.[28]
석탄 가스화로에는 고정상(이동상), 유동상, 분류상의 3가지 형식이 있으며, 미분탄기로 분쇄한 석탄을 산화제와 함께 로에 투입한다.[28]
3. 4. 기타 공정
제조 가스는 탄화 또는 가스화라는 두 가지 공정을 통해 만들 수 있다. 탄화는 유기 원료를 가스와 숯으로 휘발시키는 것이고, 가스화는 원료를 가스를 생성하는 화학 반응에 적용하는 과정이다.[10][11]초기에 사용된 공정은 석탄의 탄화 및 부분 열분해였다. 코크스 오븐에서 석탄을 고온 탄화(코크스화)하는 과정에서 방출되는 배가스를 수집, 세정하여 연료로 사용했다. 설비 목표에 따라 원하는 제품은 가스가 부산물로 생산되는 고품질 코크스이거나, 코크스가 부산물로 생산되는 고품질 가스였다. 코크스 공장은 제련소나 고로와 같은 금속 시설과 연관되었고, 가스 공장은 도시 지역에 서비스를 제공했다.
석탄 가스, 탄화 수성 가스(CWG) 및 오일 가스를 제조하는 데 사용되는 시설은 제조 가스 공장(MGP)이라고 불렸다. MGP 운영 초기에는 유틸리티 가스 공장의 목표는 조명 가스를 최대한 생산하는 것이었다. 가스의 조명 능력은 가스에 용해된 그을음을 형성하는 탄화수소("조명제")의 양과 관련이 있었다. 이러한 탄화수소는 가스 불꽃에 밝은 노란색을 부여했다. 가스 공장은 기름기가 많은 역청탄을 원료로 사용했다. 이 석탄은 많은 양의 휘발성 탄화수소를 석탄 가스로 방출했지만, 야금 과정에 적합하지 않은 저품질 코크스를 남겼다. 석탄 또는 코크스 오븐 가스는 일반적으로 에서 20MJ/m3 사이의 발열량을 가지며, 부근의 값이 일반적이었다.
전기 조명의 등장으로 유틸리티는 제조 가스의 다른 시장을 찾아야 했다. 조명 가스 생산에서 난방, 요리, 냉장 및 냉방용 가스 공급으로 전환했다.
산업용 연료 가스는 생산 가스 기술을 사용하여 만들어졌다. 생산 가스는 가스 발생기에서 빛나는 연료층(코크스 또는 석탄)에 공기를 불어넣어 만든다. 연료가 완전 연소에 충분하지 않은 공기와 반응하면 일산화 탄소(CO)가 생성된다. 이 반응은 발열 반응이며 자가 유지된다. 가스 발생기의 투입 공기에 증기를 추가하면 물 가스 반응에 의해 생성된 CO와 수소(H2)로 농축되어 연료 가스의 발열량이 증가한다. 생산 가스는 에서 의 낮은 발열량을 가진다. 발열 가스인 CO/H2는 불활성 질소(공기에서) 및 이산화 탄소(CO2)(연소에서)로 희석되기 때문이다.
:2C (s) + O2 → 2 CO (발열 생산 가스 반응)
:C (s) + H2O (g) → CO + H2 (흡열 수성 가스 반응)
:C + 2 H2O → CO2 + 2 H2 (흡열)
:CO + H2O → CO2 + H2 (발열 수성 가스 변환 반응)
질소 희석 문제는 1850년대 윌리엄 지멘스 경에 의해 개발된 청색 수성 가스(BWG) 공정에 의해 극복되었다. 빛나는 연료층은 공기를 불어넣은 다음 증기를 교대로 처리한다. 공기 반응은 발열 반응으로 침대를 가열하고, 증기 반응은 흡열 반응으로 침대를 냉각시킨다. 공기 사이클의 생성물은 비발열 질소를 포함하며 굴뚝 밖으로 배출되고, 증기 사이클의 생성물은 청색 수성 가스로 유지된다. 이 가스는 CO와 H2로 구성되어 천연 가스와 유사한 옅은 파란색 불꽃으로 연소된다. BWG는 11MJ/m3의 발열량을 갖는다.
청색 수성 가스는 조명제가 없었다. 1890년대 가스 맨틀 발명 이전에 존재했던 단순한 가스 분사구에서 발광 불꽃으로 연소되지 않았다. 1860년대에는 가스 오일에서 BWG를 조명제로 농축하려는 다양한 시도가 있었다. 가스 오일(초기 형태의 가솔린)은 원유의 가장 가볍고 휘발성이 높은 분획으로 만들어진 등유 정제의 가연성 폐기물이었다.
1875년 태디어스 S. C. 로위는 탄화 수성 가스 공정을 발명했다. 이 공정은 제조 가스 산업에 혁명을 일으켰으며 제조 가스 시대가 끝날 때까지 표준 기술이었다.[12] CWG 발전 세트는 생산기(발전기), 탄화기 및 과열기의 세 가지 요소로 구성되었으며 가스 파이프와 밸브가 직렬로 연결되었다.[13]
생산 과정에서 증기가 발전기를 통과하여 청색 수성 가스를 만든다. 발전기에서 뜨거운 수성 가스는 탄화기 상단으로 통과하여 경질 석유가 가스 흐름에 주입된다. 경질 오일은 탄화기 내부의 백색 핫 체커워크 내화 벽돌과 접촉하면서 열분해된다. 그런 다음 뜨겁고 농축된 가스는 과열기로 흘러 들어가 더 뜨거운 내화 벽돌에 의해 가스가 더 분해된다.[14]
제2차 세계 대전 이후 영국 탄광 산업의 완만한 회복으로 석탄 부족과 높은 가격이 발생했다.[19]
| 연도 | 생산량 (백만 톤) | 생산 비용 (£/톤) |
|---|---|---|
| 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 |
탄화 공정을 사용한 도시 가스 생산의 원료탄으로서 석탄의 감소는 다음 그래프에서 확인할 수 있다.[15]
'''석탄 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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석유, 정제 공정 부산물 및 경질 증류액을 사용하여 석탄 가스를 제조하는 새로운 기술이 개발되었다. 공정에는 루르기 공정, 촉매 개질, 촉매 부화 가스 공정, 부화 가스의 증기 개질 및 가스 재순환 수소화 공정이 포함되었다.[16] 촉매 부화 가스 공정은 도시 가스를 제조하는 데 천연 가스를 원료로 사용했다. 이러한 시설에서는 위에 설명된 화학 반응 공정을 활용했다.
도시 가스 제조의 원료탄으로서 석유의 증가는 아래 그래프에 나타나 있다. 1968/9년에 최고 사용량을 보인 후 감소는 이후 몇 년 동안 도시 가스를 주요 연료로 대체하고 가스 제조의 원료탄으로서 석유의 감소를 이끈 북해 가스의 가용성과 일치한다.
'''석유 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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- 고품질 가스 오일(자동차 연료로 사용) 및 공급 코크스(제철용으로 전환)의 손실로 인해 대규모 타르 문제가 발생했다. CWG(탄화 수성 가스) 타르는 공급 원료로서 석탄 가스화 타르보다 가치가 낮았다. 타르-물 에멀젼은 판매할 수 없는 물과 품질이 낮은 부산물로 인해 가공이 비경제적이었다.
- CWG 타르는 피치를 만드는 데는 좋지만 화학 전구체는 부족한 가벼운 다환 방향족 탄화수소가 풍부하다.
- CWG 생성에 대한 다양한 "백런(back-run)" 절차는 연료 소비를 줄이고 CWG 세트에서 역청탄 사용으로 인한 문제를 해결하는 데 도움이 되었다.
- 고압 파이프라인 용접 개발은 대규모 시립 가스 공장 건설과 MG(municipal gas) 산업의 통합을 장려했다. 천연 가스의 부상을 위한 발판을 마련했다.
- 전기 조명이 가스등을 대체했다. MG 산업의 정점은 1920년대 중반이었다.
- 1936년경. Lurgi 가스화기 개발. 독일은 석유 부족으로 인해 가스화/합성 연료에 대한 연구를 계속했다.
- 미국에서 1935년 공익 사업 지주 회사법은 통합 코크스 및 가스 회사의 해체를 강제했다.
- / 가스로부터 액체 연료를 합성하는 피셔-트롭슈 공정
- 하버-보슈 공정은 산업용 수소에 대한 큰 수요를 창출했다.
4. 산업 및 활용
제조 가스는 탄화 또는 가스화의 두 가지 공정으로 만들 수 있다. 탄화는 유기 원료를 가열하여 가스와 숯(char)으로 분해하는 것이고, 가스화는 원료를 가스를 생성하는 화학 반응에 적용하는 과정이다.[10][11]
최초로 사용된 공정은 석탄을 탄화 및 부분 열분해하는 방식이었다. 코크스 오븐에서 석탄을 고온으로 가열(코크스화)하여 방출되는 가스를 수집하고 정제하여 연료로 사용했다. 설비의 목표에 따라, 고품질 코크스를 주 생산물로 하고 가스를 부산물로 얻거나, 고품질 가스를 주 생산물로 하고 코크스를 부산물로 얻었다. 코크스 공장은 주로 제련소나 고로와 같은 금속 시설과 연관되었고, 가스 공장은 도시 지역에 서비스를 제공했다.
석탄 가스, 탄화 수성 가스(CWG), 오일 가스를 제조하는 시설은 오늘날 제조 가스 공장(MGP)이라고 불린다. MGP 운영 초기에는 조명 가스 생산을 최대화하는 것이 목표였다. 가스의 조명 능력은 가스에 용해된 그을음을 형성하는 탄화수소("조명제")의 양과 관련이 있었다. 이러한 탄화수소는 가스 불꽃에 밝은 노란색을 부여했다. 가스 공장은 주로 기름기가 많은 역청탄을 원료로 사용했는데, 이는 많은 양의 휘발성 탄화수소를 석탄 가스로 방출하지만, 야금 과정에는 적합하지 않은 저품질 코크스를 남겼다. 석탄 또는 코크스 오븐 가스는 에서 20MJ/m3 사이의 발열량을 가지며, 부근의 값이 일반적이었다. 전기 조명의 등장으로 조명용 가스 수요가 줄어들자, 제조 가스는 난방, 요리, 냉장 및 냉방 등 다른 용도로 활용되기 시작했다.
산업용 연료 가스는 생산 가스 기술을 사용하여 만들어졌다. 생산 가스는 가스 발생기에서 빛나는 연료층(코크스 또는 석탄)에 공기를 불어넣어 만들었다. 연료가 완전 연소에 충분하지 않은 공기와 반응하면 일산화 탄소(CO)가 생성되는 발열 반응이 일어나 자가 유지되었다. 가스 발생기에 투입되는 공기에 증기를 추가하면 수성 가스 반응에 의해 생성된 CO와 수소(H2)로 농축되어 발열량이 증가했다. 생산 가스는 에서 의 낮은 발열량을 가지는데, 이는 발열 가스인 CO/H2가 불활성 질소(공기에서) 및 이산화 탄소(CO2)(연소에서)로 희석되기 때문이다.
- 2C (s) + O2 → 2 CO (발열 생산 가스 반응)
- C (s) + H2O (g) → CO + H2 (흡열 수성 가스 반응)
- C + 2 H2O → CO2 + 2 H2 (흡열)
- CO + H2O → CO2 + H2 (발열 수성 가스 변환 반응)
질소 희석 문제는 1850년대 윌리엄 지멘스 경이 개발한 청색 수성 가스(BWG) 공정으로 극복되었다. 빛나는 연료층에 공기를 불어넣은 다음 증기를 교대로 처리하는 방식으로, 공기 반응은 발열 반응으로 침대를 가열하고, 증기 반응은 흡열 반응으로 침대를 냉각시켰다. 공기 사이클의 생성물은 비발열 질소를 포함하여 굴뚝 밖으로 배출되고, 증기 사이클의 생성물은 청색 수성 가스로 유지되었다. 이 가스는 거의 전적으로 CO와 H2로 구성되어 천연 가스와 유사한 옅은 파란색 불꽃으로 연소되었다. BWG는 11MJ/m3의 발열량을 가졌다.
청색 수성 가스는 조명제가 없어 1890년대 가스 맨틀 발명 이전의 단순한 가스 분사구에서는 발광 불꽃으로 연소되지 않았다. 1860년대에는 가스 오일(초기 형태의 가솔린)에서 BWG를 조명제로 농축하려는 시도가 있었다. 1875년 태디어스 S. C. 로위는 탄화 수성 가스 공정을 발명했다. 이 공정은 제조 가스 산업에 혁명을 일으켰고, 제조 가스 시대가 끝날 때까지 표준 기술이었다.[12] CWG 발전 세트는 생산기(발전기), 탄화기, 과열기의 세 가지 요소로 구성되었으며, 가스 파이프와 밸브가 직렬로 연결되었다.[13] 생산 과정에서 증기가 발전기를 통과하여 청색 수성 가스를 만들고, 뜨거운 수성 가스는 탄화기 상단으로 통과하여 경질 석유가 가스 흐름에 주입된다. 경질 오일은 탄화기 내부의 백색 핫 체커워크 내화 벽돌과 접촉하면서 열분해되고, 뜨겁고 농축된 가스는 과열기로 흘러 들어가 더 뜨거운 내화 벽돌에 의해 가스가 더 분해된다.[14]
제2차 세계 대전 이후 영국 탄광 산업의 회복이 더뎌지면서 석탄 부족과 가격 상승이 발생했다.[19] 이에 따라 석유, 정제 공정 부산물, 경질 증류액을 사용한 새로운 석탄 가스 제조 기술이 개발되었다. 여기에는 루르기 공정, 촉매 개질, 촉매 부화 가스 공정, 부화 가스의 증기 개질, 가스 재순환 수소화 공정 등이 포함되었다.[16] 촉매 부화 가스 공정은 도시 가스를 제조하는 데 천연 가스를 원료로 사용했다.
| 연도 | 생산량 (백만 톤) | 생산 비용 (£/톤) |
|---|---|---|
| 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 |
탄화 공정을 사용한 도시 가스 생산의 원료탄으로서 석탄의 감소는 다음 그래프에서 확인할 수 있다.[15]
'''석탄 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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석유 기반 도시 가스 생산량은 아래 그래프와 같으며, 1968/9년에 최고 사용량을 기록한 후 감소했다. 이는 북해 가스의 가용성 증가와 도시 가스를 주요 연료로 대체하면서 석유 사용이 감소했기 때문이다.
'''석유 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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이 외에도 다음과 같은 기술들이 개발, 활용되었다.
- 가스 내 타르 증기와 반응하기 위해 수소를 사용하여 가스를 촉매적으로 개질하는 기술
- 미국의 코크스 생산 감소로 인해 EAF/알루미늄용 탄소 전극 생산에 필수적인 석탄 타르 피치의 위기로 이어짐.
- CO/H2 혼합물의 수소화를 통해 메탄올을 제조하는 공정 개발.
- 메탄올에서 휘발유를 만드는 모빌 M-가스 공정
- 남아프리카 공화국의 사솔 석탄 공정 공장.
- 석탄을 액체 및 기체 연료로 직접 수소화
- 인도 콜카타의 단쿠니 석탄 복합 단지는 1973년 석유 파동 이후 인도 정부의 권고에 따라 건설되었으며, 인도에서 유일하게 석탄 가스(도시 가스)를 생산하는 공장이다. 이 공장은 개조된 저온 탄화를 사용하여 도시 가스와 연탄을 생산하며, 1990년대에는 자일레놀, 크레졸, 페놀과 같은 다양한 화학 물질을 생산했다.[22][23]
석탄 가스 제조의 부산물에는 코크스, 콜타르, 황, 암모니아가 포함되었으며, 이들은 모두 유용한 제품이었다. 콜타르는 염료, 설파제와 같은 의약품, 사카린 및 수십 가지 유기 화합물의 원료로 사용되었다.
런던의 주요 3개 가스 회사가 생산한 사용된 석탄과 타운 가스 및 부산물은 아래 표에 요약되어 있다.[24][25][26]
| 회사 | 가스, 라이트 앤 코크(Gas, Light and Coke) | 사우스 메트로폴리탄(South Metropolitan) | 커머셜(Commercial) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 연도 | 1913 | 1920 | 1934 | 1913 | 1920 | 1934 | 1913 | 1920 | 1934 |
| 탄화된 석탄, 톤 | 1,988,241 | 2,279,253 | 3,011,227 | 1,125,779 | 1,211,857 | 1,118,573 | 187,291 | 235,406 | 244,644 |
| 제조된 가스, 백만 입방 피트 | 29,634 | 35,149 | 51,533 | 14,097 | 15,182 | 15,034 | 3,702 | 4,340 | 3,487 |
| 제조된 코크스, 톤 | 1,246,624 | 1,469,220 | 1,867,038 | 695,214 | 743,982 | 664,555 | 117,057 | 158,899 | 159,019 |
| 제조된 코크스, 석탄 1톤당 백중량 | 12.54 | 12.89 | 12.40 | 12.35 | 12.28 | 11.88 | 12.50 | 13.50 | 13.00 |
| 제조된 콜타르, 백만 갤런 | 19.88 | 20.5 | 31.32 | 10.81 | 11.27 | 12.97 | 1.97 | 0.94 | 2.39 |
| 제조된 콜타르, 석탄 1톤당 갤런 | 10.0 | 9.0 | 10.4 | 9.6 | 9.3 | 10.7 | 10.5 | 9.4 | 9.8 |
| 제조된 암모니아성 액체, 백만 갤런 | 59.25 | 61.77 | 71.06 | 36.93 | 37.93 | 36.69 | 5.94 | 6.54 | 7.41 |
| 제조된 암모니아성 액체, 석탄 1톤당 갤런 | 29.8 | 27.1 | 23.6 | 32.8 | 31.3 | 32.8 | 31.7 | 27.8 | 30.3 |
콜타르는 분별 증류를 거쳐 타르(도로용), 벤졸(자동차 연료), 크레오소트(목재 방부제), 페놀(플라스틱 제조에 사용), 크레졸(소독제) 등 다양한 제품으로 회수되었다.
기체 연료는 크게 천연 가스, 석탄계 가스, 석유계 가스(오일 가스)로 분류된다.[27] 석탄계 가스에는 석탄을 고온 건류하여 얻는 석탄 가스(coal gas), 수성 가스(water gas), 발생로 가스(producer gas), 고로 가스(blast furnace gas) 등이 있다.[27] 석탄 가스와 천연 가스는 경제적으로 경쟁 관계에 있다.[28]
4. 1. 영국
1948년 가스법에 따라 1948년에 총 1,062개의 가스 사업체가 국유화되었는데, 그 중 약 2/3는 사기업이었고, 나머지 1/3은 지방 자치 가스 사업체였다.[28] 이후 1972년 가스법에 따라 추가적인 구조 조정이 이루어졌다. 자세한 내용은 브리티시 가스 plc 문서를 참조하면 된다.윌리엄 머독은 1792년 구형 금속 용기에서 석탄을 가열하여 가연성 가스를 추출하는 실험을 처음으로 진행했다.[28] 이 가스는 가스등에 이용되었으며, 영국에서는 1810년대 초, 미국에서는 1820년대 경부터 전문 회사가 설립되었다.[28]
제2차 세계 대전 이후, 영국 탄광 산업의 회복은 더뎠고, 이는 석탄 부족과 가격 상승으로 이어졌다.[19]
| 연도 | 생산량 (백만 톤) | 생산 비용 (£/톤) |
|---|---|---|
| 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 |
도시 가스 생산의 원료탄이었던 석탄의 감소는 다음 그래프와 같다.[15]
'''석탄 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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{
"x": 1954,
"y": 2594
},
{
"x": 1955,
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},
{
"x": 1956,
"y": 2730
},
{
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},
{
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{
"x": 1959,
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{
"x": 1960,
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},
{
"x": 1961,
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"x": 1962,
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{
"x": 1963,
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"x": 1964,
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{
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{
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},
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},
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},
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"y": 237
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"y": 134
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이후 석유, 정제 공정 부산물, 경질 증류액을 사용하는 새로운 석탄 가스 제조 기술이 개발되었다. 여기에는 루르기 공정, 촉매 개질, 촉매 부화 가스 공정, 부화 가스의 증기 개질, 가스 재순환 수소화 공정 등이 포함된다.[16] 특히 촉매 부화 가스 공정은 천연 가스를 원료로 도시 가스를 제조했다.
석유를 원료로 한 도시 가스 생산량은 아래 그래프와 같으며, 1968/9년에 최고 사용량을 기록한 후 감소했다. 이는 북해 가스의 가용성 증가와 도시 가스를 주요 연료로 대체하면서 석유 사용이 감소했기 때문이다.
'''석유 기반 도시 가스 생산량 (백만 서름)'''
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},
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},
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},
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},
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},
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},
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},
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},
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1960년대, 제조 가스는 에너지 시장의 주요 경쟁자인 전기에 비해 "불쾌하고, 냄새나고, 지저분하고, 위험하다"는 평가를 받았다. 그러나 조절성이 뛰어나 전기와 고체 연료에 비해 유리한 조리 분야에서는 경쟁력을 유지했다. 효율적인 가스 난로 개발은 실내 난방 시장에서도 경쟁력을 유지하는 데 기여했다. 석유 산업에 의해 온수를 이용한 중앙 난방 시장이 개발되자, 가스 산업도 이를 따라 가스 온풍 난방을 도입하여 낮은 설치 비용을 바탕으로 신규 지방 자치 단체 주택에서 틈새 시장을 찾았다. 이러한 발전과 더불어, 상업적 관리에서 마케팅 관리로의 전환, 국영 산업의 텔레비전 광고 금지 해제는 가스 산업이 생존 기반을 마련하는 데 기여했다.
1959년, 영국 가스 위원회(Gas Council)는 액화 천연 가스(LNG)의 해상 수송이 안전하고 효율적이며 경제적임을 입증했다. ''메탄 파이오니어''호는 미국 루이지애나주 레이크찰스에서 잉글랜드 에식스주 캔비 섬의 템스강 어귀에 있는 LNG 터미널로 LNG를 운송했다. 캔비 섬에서 브래드퍼드까지 약 341.18km 길이의 고압 주관이 건설되었고,[17] 이 파이프라인과 지선은 지역 가스 위원회에 타운 가스 제조용 천연 가스를 공급했다. 1964년에는 캔비에 대규모 LNG 수입 시설이 가동되어 알제리에서 LNG를 수입했다.[18]
1965년 9월 17일, 그림스비에서 약 2438.40m 이상 떨어진 해저에서 시추선 ''씨 젬''(Sea Gem)이 천연 가스를 발견하면서 영국 도시 가스 산업은 쇠퇴하기 시작했다. 이후 북해에는 상당한 가스전이 발견되었다. 캔비 섬의 고객들은 LNG 플랜트에서 공급되는 천연 가스로 전환되었다.[19][20]
1967년 연료 정책 백서 (Cmd. 3438)는 천연 가스 사용을 신속하게 확대하는 방향으로 업계를 이끌었다. 그 결과, 최대 부하 발전 및 산업의 저급 사용을 위한 '가스 러시'가 발생했다.
천연 가스 가용량 증가는 아래 그래프와 같다.[15] 1968년까지는 알제리에서 LNG를 공급받았고, 이후부터는 북해 가스를 사용할 수 있게 되었다.
'''이용 가능한 천연 가스 (백만 써름)'''
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북해 유전 개발로 이징턴, 백턴, 세인트퍼거스에 가스를 상륙시키면서 약 4828.02km 이상 길이의 국가 배급망 건설이 가능해졌고, 이는 나라의 길이를 따라 연결된 두 개의 병렬 파이프라인으로 구성되어 국가 송전 시스템이 되었다. 1967년부터 1977년까지 약 1억 파운드의 비용을 들여 영국(북아일랜드 제외)의 모든 가스 장비가 도시 가스에서 천연 가스(주로 메탄)로 전환되었으며, 이 과정에서 사용하지 않는 도시 가스 제조 공장은 폐쇄되었다. 약 1,300만 가구, 40만 개의 상업용, 6만 개의 산업 고객의 가스 사용 장비가 전환되었고, 이 과정에서 많은 위험한 기기가 발견되어 제거되었다.
영국 도시 가스 산업은 1987년 북아일랜드의 마지막 도시 가스 제조 공장(벨파스트, 포타다운, 카릭퍼거스) 운영 중단과 함께 종료되었다.[21] 카릭퍼거스 가스 공장은 현재 복원된 가스 공장 박물관으로 운영되고 있으며, 포타다운 부지는 정비되어 오염된 산업 부지 정화를 위한 박테리아 사용 실험 장소로 활용되고 있다.
천연 가스는 사용 전 가공이 거의 필요 없고 무독성이며, 도시 가스에 포함된 일산화 탄소(CO)는 매우 유독하여 가스 중독 사고 및 자살의 원인이 되기도 했다. 천연 가스 기기에서 발생하는 중독은 불완전 연소로 인해 CO가 생성되고 연기가 새는 경우에만 발생한다. 도시 가스와 마찬가지로 천연 가스 자체는 냄새가 없으므로, 누출이나 켜지지 않은 버너를 감지할 수 있도록 소량의 악취 물질(머캡탄)이 첨가된다.
영국 가스 산업 조직은 이러한 변화에 발맞춰 1965년 가스법을 통해 가스 위원회가 12개 지역 가스 위원회에 가스를 획득하고 공급할 수 있는 권한을 부여했다. 이후 1972년 가스법에 따라 12개 지역 가스 위원회를 통합한 브리티시 가스 공사가 설립되어 영국 전역의 산업, 상업, 가정 고객에게 가스 및 가스 기기를 획득, 배포, 판매할 수 있게 되었다. 1986년 브리티시 가스는 민영화되어 정부의 직접적인 통제에서 벗어났다.
북해 유전 시대에 도시와 도시에 도시 가스를 위해 설치되었던 주철 가스 배관은 대부분 플라스틱으로 교체되었다.
2006년 1월 DTI 에너지 검토 '우리의 에너지 과제'에 따르면, 북해 가스 자원은 예상보다 빠르게 고갈되고 있으며, 영국은 먼 거리의 출처에서 가스를 공급받고 있다. 이는 대륙 간 육상 및 해상 가스 수송을 가능하게 하는 파이프라인 기술 발전 덕분이다. 천연 가스는 이제 세계적인 상품이 되었으며, 이러한 공급원은 수입 위험에 노출되어 있다.
4. 2. 독일
독일은 여러 면에서 석탄 가스 연구와 탄소 화학 분야를 선도했다.[28] 아우구스트 빌헬름 폰 호프만의 노력으로 독일 화학 산업 전체가 발전했다. 연구자들은 석탄 가스 폐기물을 원료로 사용하여 비타민 C와 아스피린과 같은 천연 유기 화합물을 개발하고 합성했다.제2차 세계 대전 동안 독일 경제는 석탄 가스에 의존했는데, 석유 부족으로 인해 나치 독일은 항공기와 탱크용 피셔-트롭쉬 공정을 개발하여 합성 연료를 생산해야 했다.[28]
1936년경, Lurgi 가스화기 개발로 독일은 석유 부족으로 인해 가스화/합성 연료에 대한 연구를 계속했다.
4. 3. 대한민국
석탄을 원료로 하는 가스 제조 방식은 18세기 말 윌리엄 머독에 의해 처음 개발되었으며,[28] 가스등 연료로 사용되기 시작하면서 19세기 초 영국과 미국에서 전문 회사가 설립될 정도로 빠르게 상용화되었다.[28]초기 석탄 가스 제조는 석탄의 탄화 또는 열분해 과정을 통해 이루어졌으며, 부산물로 코크스가 생산되었다. 이후 수성 가스 제조법, 탄화 수성 가스 공정 등의 기술 발전이 이루어지면서 석탄 가스 생산 효율이 향상되었다.
전기 조명의 등장으로 조명용 가스 수요가 감소하면서, 석탄 가스는 난방, 요리, 냉장 등 다양한 용도로 활용되기 시작했다. 또한, 합성 가스 제조 기술의 발전으로 석탄은 다양한 화학 물질 및 연료 생산의 원료로 사용되게 되었다.
이러한 기술 발전과 역사적 맥락을 고려할 때, 대한민국에서도 석탄 가스가 일제강점기를 거치면서 도입되었을 가능성이 있으며, 1973년 석유 파동 이후 인도에서 석탄 가스 생산 설비를 건설한 사례를 참고할 때, 에너지 자원 확보 차원에서 석탄 가스 기술이 활용되었을 수 있다. 그러나, 주어진 자료에는 대한민국의 석탄 가스에 대한 구체적인 내용이 없으므로, 추가적인 자료를 통해 확인이 필요하다.
5. 문제점 및 과제
석탄 가스 제조 및 사용에는 여러 가지 문제점과 과제가 존재했다.
화학적 문제석탄 가스 제조 과정은 복잡하고 다양한 화학 반응을 포함한다. 주요 반응은 다음과 같다.
- 생산 가스 반응 (발열): 2C (s) + O2 → 2 CO
- 수성 가스 반응 (흡열): C (s) + H2O (g) → CO + H2
- 추가 수성 가스 반응 (흡열): C + 2 H2O → CO2 + 2 H2
- 수성 가스 변환 반응 (발열): CO + H2O → CO2 + H2
이러한 반응을 통해 생성된 가스는 일산화 탄소(CO), 수소(H2), 이산화 탄소(CO2), 질소(N2) 등을 포함한다. 특히 일산화 탄소는 유독성 기체로, 안전 문제를 야기한다.
부산물 문제석탄 가스 제조 과정에서는 코크스, 콜타르, 황, 암모니아 등의 부산물이 생성된다. 콜타르는 분별 증류를 통해 타르, 벤졸, 크레오소트, 페놀, 크레졸 등 다양한 유용한 물질을 얻을 수 있지만, 동시에 다환 방향족 탄화수소(PAH)와 같은 유해 물질도 포함하고 있어 환경 및 건강 문제를 유발한다.
산업 변화에 따른 문제19세기 말부터 20세기 초, 런던의 주요 가스 회사들은 석탄 가스를 생산하고 부산물을 판매했다. 아래 표는 1913년, 1920년, 1934년의 생산량을 비교한 것이다.
| 회사 | 가스, 라이트 앤 코크(Gas, Light and Coke) | 사우스 메트로폴리탄(South Metropolitan) | 커머셜(Commercial) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 연도 | 1913 | 1920 | 1934 | 1913 | 1920 | 1934 | 1913 | 1920 | 1934 |
| 탄화된 석탄, 톤 | 1,988,241 | 2,279,253 | 3,011,227 | 1,125,779 | 1,211,857 | 1,118,573 | 187,291 | 235,406 | 244,644 |
| 제조된 가스, 백만 입방 피트 | 29,634 | 35,149 | 51,533 | 14,097 | 15,182 | 15,034 | 3,702 | 4,340 | 3,487 |
| 제조된 코크스, 톤 | 1,246,624 | 1,469,220 | 1,867,038 | 695,214 | 743,982 | 664,555 | 117,057 | 158,899 | 159,019 |
| 제조된 코크스, 석탄 1톤당 백중량 | 12.54 | 12.89 | 12.40 | 12.35 | 12.28 | 11.88 | 12.50 | 13.50 | 13.00 |
| 제조된 콜타르, 백만 갤런 | 19.88 | 20.5 | 31.32 | 10.81 | 11.27 | 12.97 | 1.97 | 0.94 | 2.39 |
| 제조된 콜타르, 석탄 1톤당 갤런 | 10.0 | 9.0 | 10.4 | 9.6 | 9.3 | 10.7 | 10.5 | 9.4 | 9.8 |
| 제조된 암모니아성 액체, 백만 갤런 | 59.25 | 61.77 | 71.06 | 36.93 | 37.93 | 36.69 | 5.94 | 6.54 | 7.41 |
| 제조된 암모니아성 액체, 석탄 1톤당 갤런 | 29.8 | 27.1 | 23.6 | 32.8 | 31.3 | 32.8 | 31.7 | 27.8 | 30.3 |
그러나 20세기 중반 이후, 다음과 같은 요인들로 인해 석탄 가스 산업은 쇠퇴했다.
- 천연 가스의 등장: 북해 유전 개발로 천연 가스가 대량 공급되면서, 에너지 함량이 높고(37 MJ/m3) 무독성인 천연 가스가 석탄 가스(10-20 MJ/m3)를 대체했다.
- 석유화학 산업의 발전: 석유화학 제품이 화학 원료 공급원으로서 석탄 타르의 가치를 감소시켰다.
- 기타 산업 변화: 목재 방부제로서 크레오소트 사용 감소, 야금용 코크스 수요 감소, 알루미늄 및 플라스틱의 사용 증가 등이 석탄 가스 산업의 쇠퇴를 가속화했다.
5. 1. 환경 문제
북해 유전 개발로 이징턴, 백턴, 세인트퍼거스에 가스를 상륙시키면서 3,000 mi (4800km) 이상 길이의 국가 배급망 건설이 가능해졌으며, 이는 나라의 길이를 따라 연결된 두 개의 병렬 파이프라인으로 구성되었다. 이것은 국가 송전 시스템이 되었다. 1967년부터 1977년까지 약 1억 파운드의 비용을 들여 영국(북아일랜드 제외)의 모든 가스 기기가 도시 가스에서 천연 가스(주로 메탄)로 전환되었으며, 여기에는 사용하지 않는 도시 가스 제조 공장의 손실도 포함되었다. 거의 1,300만 가구, 40만 개의 상업용, 6만 개의 산업 고객의 모든 가스 사용 기기가 전환되었다. 이 과정에서 많은 위험한 기기가 발견되어 서비스에서 제거되었다.[21]천연 가스는 사용 전에 거의 가공이 필요 없을 뿐만 아니라 무독성이며, 도시 가스에 포함된 일산화탄소(CO)는 극도로 유독하여 가스에 의한 우발적인 중독 및 자살이 흔했다. 천연 가스 기기에서 발생하는 중독은 불완전 연소로 인해 CO가 생성되고 연기가 거주 공간으로 새는 경우에만 발생한다. 도시 가스와 마찬가지로, 가스 자체는 냄새가 없으므로 누출 또는 켜지지 않은 버너가 있음을 사용자에게 알리기 위해 소량의 악취 물질(머캡탄)이 가스에 첨가된다.
5. 2. 경제성 문제
1960년대에 이르러, 제조 가스는 에너지 시장의 주요 경쟁자인 전기에 비해 "불쾌하고, 냄새나고, 지저분하고, 위험하다"는 평가를 받았다. 조절성이 뛰어나 전기와 고체 연료에 비해 뚜렷한 이점을 가진 조리 분야를 제외하고는 시장 점유율을 더욱 잃을 운명에 처한 것으로 보였다.[15] 보다 효율적인 가스 난로의 개발은 가스가 실내 난방 시장에서 경쟁력을 유지하는 데 기여했다. 동시에 석유 산업에 의해 온수를 이용한 전체 주택 중앙 난방에 대한 새로운 시장이 개발되었고, 가스 산업도 이를 따랐다. 가스 온풍 난방은 낮은 설치 비용이 장점인 신규 지방 자치 단체 주택에서 시장 틈새를 찾았다. 이러한 발전, 상업적 관리 (산업에서 생산하는 제품 판매)에서 마케팅 관리 (고객의 요구와 욕구 충족)로의 관리적 사고방식의 재정렬, 그리고 국영 산업의 텔레비전 광고 사용을 금지하는 초기 모라토리엄의 해제는 가스 산업이 앞으로 다가올 시장을 위한 생존 가능한 기반을 마련할 수 있을 만큼 충분한 시간을 벌어주었다.천연 가스는 37MJ/m3의 에너지 함량을 가지는 반면, 도시 가스는 10MJ/m3에서 20MJ/m3의 에너지 함량을 가진다.
석탄 가스 제조의 부산물에는 코크스, 콜타르, 황 및 암모니아가 포함되었으며, 이들은 모두 유용한 제품이었다. 염료, 설파제와 같은 의약품, 사카린 및 수십 가지 유기 화합물이 콜타르로 만들어진다.
런던의 주요 3개 가스 회사가 생산한 사용된 석탄과 타운 가스 및 부산물은 아래 표에 요약되어 있다.[24][25][26]
| 회사 | 가스, 라이트 앤 코크(Gas, Light and Coke) | 사우스 메트로폴리탄(South Metropolitan) | 커머셜(Commercial) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 연도 | 1913 | 1920 | 1934 | 1913 | 1920 | 1934 | 1913 | 1920 | 1934 |
| 탄화된 석탄, 톤 | 1,988,241 | 2,279,253 | 3,011,227 | 1,125,779 | 1,211,857 | 1,118,573 | 187,291 | 235,406 | 244,644 |
| 제조된 가스, 백만 입방 피트 | 29,634 | 35,149 | 51,533 | 14,097 | 15,182 | 15,034 | 3,702 | 4,340 | 3,487 |
| 제조된 코크스, 톤 | 1,246,624 | 1,469,220 | 1,867,038 | 695,214 | 743,982 | 664,555 | 117,057 | 158,899 | 159,019 |
| 제조된 코크스, 석탄 1톤당 백중량 | 12.54 | 12.89 | 12.40 | 12.35 | 12.28 | 11.88 | 12.50 | 13.50 | 13.00 |
| 제조된 콜타르, 백만 갤런 | 19.88 | 20.5 | 31.32 | 10.81 | 11.27 | 12.97 | 1.97 | 0.94 | 2.39 |
| 제조된 콜타르, 석탄 1톤당 갤런 | 10.0 | 9.0 | 10.4 | 9.6 | 9.3 | 10.7 | 10.5 | 9.4 | 9.8 |
| 제조된 암모니아성 액체, 백만 갤런 | 59.25 | 61.77 | 71.06 | 36.93 | 37.93 | 36.69 | 5.94 | 6.54 | 7.41 |
| 제조된 암모니아성 액체, 석탄 1톤당 갤런 | 29.8 | 27.1 | 23.6 | 32.8 | 31.3 | 32.8 | 31.7 | 27.8 | 30.3 |
콜타르는 다음과 같은 다양한 제품을 회수하기 위해 분별 증류를 거쳤다.
석유화학 제품은 화학 원료 공급원으로서 석탄 타르의 가치를 크게 감소시켰다.
목재 방부제로서 크레오소트 사용이 감소했다.
직접적인 석탄/천연 가스 주입은 야금용 코크스 수요를 줄인다. 고로에서 25~40% 적은 코크스가 필요하다.
BOF 및 EAF 공정은 큐폴라로를 구식으로 만들었다. 고철 재활용 시 코크스 필요량이 감소한다. 새로운 강철/철의 필요성이 줄어든다.
주철 및 강철은 알루미늄과 플라스틱으로 대체된다.
프탈산 무수물 생산이 나프탈렌의 촉매 산화에서 o-자일롤 공정으로 전환된다.
5. 3. 안전 문제
석탄 가스는 일산화 탄소(CO)를 포함하고 있어 매우 유독하다. 석탄 가스에 의한 우발적인 중독 및 자살은 흔한 일이었다.[21] 천연 가스 기기에서 발생하는 중독은 불완전 연소로 인해 CO가 생성되고 연기가 거주 공간으로 새는 경우에만 발생한다. 도시 가스와 마찬가지로, 가스 자체는 냄새가 없으므로 누출 또는 켜지지 않은 버너가 있음을 사용자에게 알리기 위해 소량의 악취 물질(머캡탄)이 가스에 첨가된다.[21]19세기 말, 석탄 가스 제조 과정에서 부산물로 생성되는 콜타르는 다환 방향족 탄화수소(PAH)를 포함한 다양한 유해 물질을 함유하고 있다는 사실이 밝혀졌다. 이러한 물질은 장기간 노출 시 건강에 심각한 위험을 초래할 수 있다.
1960년대부터 북해 유전에서 천연 가스가 발견되면서, 영국은 점차 도시 가스에서 천연 가스로 전환하기 시작했다. 천연 가스는 도시 가스에 비해 독성이 없고, 사용 전에 거의 가공이 필요하지 않다는 장점이 있다. 1987년, 북아일랜드의 마지막 도시 가스 제조 공장이 문을 닫으면서 영국 도시 가스 산업은 완전히 종료되었다.[21]
하지만, 도시 가스 사용 기간 동안 많은 위험한 가스 기기가 발견되어 서비스에서 제거되기도 했다. 또한, 도시 가스를 위해 설치되었던 주철 가스 배관은 북해 유전 시대에 플라스틱으로 교체되었다.
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