El gas de hulla es un combustible gaseoso inflamable elaborado a partir de carbón y suministrado al usuario a través de un sistema de distribución por tuberías. Se produce cuando el carbón se calienta fuertemente en ausencia de aire. Gas ciudad es un término más general que se refiere a los combustibles gaseosos manufacturados producidos para su venta a consumidores y municipios. [1]
El gas de carbón original se produjo mediante la reacción de gasificación del carbón [2] y, por lo tanto, el componente quemable consistía en una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno en cantidades aproximadamente iguales en volumen. Por tanto, el gas de hulla es muy tóxico . [3] Otras composiciones contienen gases caloríficos adicionales como el metano , [4] producido por el proceso Fischer-Tropsch , e hidrocarburos volátiles junto con pequeñas cantidades de gases no caloríficos como el dióxido de carbono y el nitrógeno .
Antes del desarrollo del suministro y transmisión de gas natural (durante las décadas de 1940 y 1950 en los Estados Unidos y durante finales de los años 1960 y 1970 en el Reino Unido y Australia), casi todo el gas para combustible e iluminación se fabricaba a partir de carbón. El gas urbano se suministraba a los hogares a través de sistemas de distribución por tuberías de propiedad municipal. A veces, a esto se le llamaba gas de síntesis , a diferencia del gas natural. [5] En ese momento, un método popular para suicidarse era la inhalación de gas de un horno apagado. Con la cabeza y la parte superior del cuerpo colocadas dentro del aparato, el monóxido de carbono concentrado mataría rápidamente. [6] [7] Sylvia Plath terminó su vida con este método.
Creado originalmente como un subproducto del proceso de coquización , su uso se desarrolló durante el siglo XIX y principios del XX siguiendo la revolución industrial y la urbanización . Los subproductos del proceso de producción incluían alquitranes de hulla y amoníaco , que eran importantes materias primas (o " materia prima química ") para la industria química y de tintes , con una amplia gama de tintes artificiales fabricados a partir de gas de hulla y alquitrán de hulla. Las instalaciones donde se producía el gas a menudo se conocían como planta de gas manufacturado (MGP) o fábrica de gas .
En el Reino Unido, el descubrimiento de grandes reservas de gas natural, o gas marino como se le conocía coloquialmente, en el sur del Mar del Norte frente a las costas de Norfolk y Yorkshire en 1965 [8] [9] condujo a la costosa conversión o sustitución de la mayoría de las cocinas y calentadores de gas de Gran Bretaña, desde finales de los años 1960 en adelante, y el proceso se completó a finales de los años 1970. Cualquier iluminación de gas residual que se encontrara en las casas en conversión se cortó en el medidor o, más comúnmente, se eliminó por completo. A partir de 2023, todavía queda algo de alumbrado público de gas, principalmente en el centro de Londres y los Parques Reales.
El proceso de producción difiere de otros métodos utilizados para generar combustibles gaseosos conocidos como gas manufacturado , gas de síntesis , gas Dowson y gas productor . Estos gases se obtienen mediante la combustión parcial de una amplia variedad de materias primas en alguna mezcla de aire, oxígeno o vapor, para reducir este último a hidrógeno y monóxido de carbono, aunque también puede ocurrir cierta destilación destructiva .
El gas manufacturado se puede fabricar mediante dos procesos: carbonización o gasificación . La carbonización se refiere a la desvolatilización de una materia prima orgánica para producir gas y carbón . La gasificación es el proceso de someter una materia prima a reacciones químicas que producen gas. [10] [11]
El primer proceso utilizado fue la carbonización y pirólisis parcial del carbón . Los gases de escape liberados durante la carbonización ( coquización ) a alta temperatura del carbón en hornos de coque se recogieron, se lavaron y se utilizaron como combustible. Dependiendo del objetivo de la planta, el producto deseado era un coque de alta calidad para uso metalúrgico , siendo el gas un subproducto, o la producción de un gas de alta calidad, siendo el coque el subproducto. Las plantas de coque suelen estar asociadas a instalaciones metalúrgicas como fundiciones o altos hornos , mientras que las plantas de gas suelen servir a zonas urbanas.
Una instalación utilizada para fabricar gas de carbón, gas de agua con carburador (CWG) y gas de petróleo se denomina actualmente generalmente planta de gas manufacturado (MGP).
En los primeros años de operaciones de MGP, el objetivo de una planta de gas para servicios públicos era producir la mayor cantidad de gas de iluminación. El poder de iluminación de un gas estaba relacionado con la cantidad de hidrocarburos formadores de hollín ("iluminantes") disueltos en él. Estos hidrocarburos dieron a la llama del gas su característico color amarillo brillante. Las plantas de gas normalmente utilizan carbón bituminoso oleoso como materia prima. Estos carbones desprenderían grandes cantidades de hidrocarburos volátiles en el gas de hulla, pero dejarían un coque desmenuzable y de baja calidad no apto para procesos metalúrgicos .
El gas de horno de carbón o coque normalmente tenía un poder calorífico de entre 10 y 20 megajulios por metro cúbico (270 y 540 Btu/pie cúbico); siendo típicos valores de alrededor de 20 MJ/m 3 (540 Btu/cu ft).
La llegada de la iluminación eléctrica obligó a las empresas de servicios públicos a buscar otros mercados para el gas manufacturado. Las MGP que antes producían casi exclusivamente gas para iluminación cambiaron sus esfuerzos hacia el suministro de gas para calefacción y cocina, e incluso para refrigeración y refrigeración.
El gas combustible para uso industrial se fabricó mediante tecnología de gas productor . El gas productor se produce soplando aire a través de un lecho de combustible incandescente (comúnmente coque o carbón ) en un productor de gas. La reacción del combustible con aire insuficiente para la combustión total produce monóxido de carbono (CO); esta reacción es exotérmica y autosostenida. Se descubrió que agregar vapor al aire de entrada de un productor de gas aumentaría el poder calorífico del gas combustible enriqueciéndolo con CO e hidrógeno (H 2 ) producido por reacciones de agua y gas. El gas productor tiene un poder calorífico muy bajo de 3,7 a 5,6 MJ/m 3 (99 a 150 Btu/pie cúbico); porque los gases caloríficos CO/H 2 se diluyen con mucho nitrógeno inerte (del aire) y dióxido de carbono (CO 2 ) (de la combustión)
El problema de la dilución del nitrógeno fue superado por el proceso de gas de agua azul (BWG), desarrollado en la década de 1850 por Sir William Siemens . El lecho de combustible incandescente se soplaría alternativamente con aire y luego con vapor. Las reacciones del aire durante el ciclo de soplado son exotérmicas y calientan el lecho, mientras que las reacciones del vapor durante el ciclo de fabricación son endotérmicas y enfrían el lecho. Los productos del ciclo del aire contienen nitrógeno no calorífico y se expulsan por la chimenea, mientras que los productos del ciclo del vapor se mantienen como gas de agua azul. Este gas está compuesto casi en su totalidad por CO y H 2 y arde con una llama azul pálida similar a la del gas natural. BWG tiene un poder calorífico de 11 MJ/m 3 (300 BTU/pie cúbico).
El gas de agua azul carecía de iluminadores; no ardería con una llama luminosa en un simple chorro de gas en forma de cola de pez como existía antes de la invención del manto de gas en la década de 1890. En la década de 1860 se hicieron varios intentos de enriquecer BWG con iluminantes de gasóleo. El gasóleo (una de las primeras formas de gasolina) era el producto de desecho inflamable del refinado de queroseno , elaborado a partir de las fracciones (topes) más ligeras y volátiles del petróleo crudo. En 1875, Thaddeus SC Lowe inventó el proceso de gas agua con carburador. Este proceso revolucionó la industria del gas manufacturado y fue la tecnología estándar hasta el final de la era del gas manufacturado. [12] Un grupo electrógeno CWG constaba de tres elementos; un productor (generador), un carburador y un sobrecalentador conectados en serie con tuberías y válvulas de gas. [13]
Durante una ejecución, el vapor pasaría a través del generador para producir gas de agua azul. Desde el generador, el gas del agua caliente pasaría a la parte superior del carburador, donde se inyectarían aceites ligeros de petróleo en la corriente de gas. Los aceites ligeros se termocraqueaban al entrar en contacto con los ladrillos refractarios candentes del interior del carburador. El gas enriquecido caliente luego fluiría hacia el sobrecalentador, donde el gas sería descompuesto aún más por más ladrillos refractarios calientes. [14]
Después de la Segunda Guerra Mundial, la lenta recuperación de la industria minera del carbón británica provocó escasez de carbón y precios elevados. [15]
En este gráfico se demuestra la disminución del carbón como materia prima para la producción de gas urbano mediante carbonización. [dieciséis]
Producción de gas urbano a partir de carbón, millones de termias
Se desarrollaron nuevas tecnologías para fabricar gas de hulla utilizando petróleo, gases de cola de refinería y destilados ligeros. Los procesos incluyeron el proceso Lurgi , el reformado catalítico , el proceso catalítico de gas rico, el reformado con vapor de gas rico y el proceso del hidrogenador de reciclaje de gas . [17] El proceso catalítico de gas rico utilizó gas natural como materia prima para fabricar gas ciudad. Estas instalaciones utilizaron los procesos de reacción química descritos anteriormente.
El aumento del petróleo como materia prima para fabricar gas ciudad se muestra en el siguiente gráfico. El uso máximo en 1968/9 y su posterior disminución coincide con la disponibilidad de gas del Mar del Norte que, en los años siguientes, desplazó al gas urbano como combustible primario y condujo a la disminución del petróleo como materia prima para la producción de gas, como se muestra. [dieciséis]
Producción de gas urbano a partir del petróleo, millones de termias
En la década de 1960, el gas manufacturado, en comparación con su principal rival en el mercado energético, la electricidad, se consideraba "desagradable, maloliente, sucio y peligroso" (para citar una investigación de mercado de la época) y parecía condenado a perder aún más cuota de mercado, excepto para cocinar, donde su controlabilidad le otorgaba marcadas ventajas sobre la electricidad y el combustible sólido. El desarrollo de chimeneas de gas más eficientes ayudó a que el gas asistido resistiera la competencia en el mercado de la calefacción de habitaciones. Al mismo tiempo, la industria del petróleo estaba desarrollando un nuevo mercado para la calefacción central de toda la casa mediante agua caliente y la industria del gas hizo lo mismo. La calefacción de aire caliente por gas encontró un nicho de mercado en las nuevas viviendas municipales, donde los bajos costes de instalación le dieron una ventaja. Estos acontecimientos, la realineación del pensamiento gerencial, lejos de la gestión comercial (vender lo que producía la industria) hacia la gestión de marketing (satisfacer las necesidades y deseos de los clientes) y el levantamiento de una moratoria temprana que impedía a las industrias nacionalizadas utilizar publicidad televisiva , salvaron a la industria del gas. durante el tiempo suficiente para proporcionar un mercado viable para lo que estaba por venir.
En 1959, el Consejo del Gas de Gran Bretaña demostró que el gas natural licuado (GNL) podía transportarse de forma segura, eficiente y económica a largas distancias por mar. El Mtane Pioneer envió un envío de GNL desde Lake Charles, Luisiana , EE. UU., a una nueva terminal de GNL en Canvey Island , en el estuario del Támesis en Essex, Inglaterra. Se construyó un oleoducto troncal de alta presión de 212 millas (341 km) de largo desde Canvey Island hasta Bradford. [18] El gasoducto y sus ramales proporcionaron gas natural a las Juntas de Gas del Área para su uso en procesos de reforma para producir gas ciudad. En 1964 se puso en funcionamiento en Canvey una planta receptora de GNL a gran escala, que recibía GNL de Argelia en dos camiones cisterna específicos, cada uno de 12.000 toneladas. [19]
El lento declive de la industria del gas urbano en el Reino Unido fue impulsado por el descubrimiento de gas natural por la plataforma de perforación Sea Gem , el 17 de septiembre de 1965, a unas cuarenta millas de Grimsby , a más de 8.000 pies (2.400 m) bajo el lecho marino. Posteriormente, se descubrió que el Mar del Norte tenía muchos yacimientos de gas importantes a ambos lados de la línea media que definía qué naciones deberían tener derechos sobre las reservas.
En un plan piloto, los clientes de Canvey Island pasaron del gas ciudad al gas natural suministrado desde la planta de GNL de Canvey. [15] [20]
El Libro Blanco sobre la política de combustibles de 1967 (Cmd. 3438) indicó a la industria la dirección de aumentar rápidamente el uso del gas natural para "permitir al país beneficiarse lo antes posible de las ventajas de esta nueva fuente de energía autóctona". Como resultado, hubo una "carrera por el gas" para su uso en la generación de electricidad en cargas pico y en usos de baja calidad en la industria.
El crecimiento en la disponibilidad de gas natural se muestra en el siguiente gráfico. [16] Hasta 1968, esto se debía al suministro de GNL de Argelia, hasta que a partir de 1968 estuvo disponible gas del Mar del Norte.
Gas natural disponible, millones de termias
La explotación de las reservas de gas del Mar del Norte , que implicaba el desembarco de gas en Easington , Bacton y St Fergus , hizo viable la construcción de una red de distribución nacional, de más de 3.000 millas (4.800 km), compuesta por dos gasoductos paralelos e interconectados que recorren la longitud del mar. país. Este se convirtió en el Sistema de Transmisión Nacional . Todos los equipos de gas en Gran Bretaña (pero no en Irlanda del Norte) fueron convertidos (mediante la instalación de quemadores de diferentes tamaños para obtener la mezcla correcta de gas y aire) de gas ciudad a gas natural (principalmente metano ) durante el período de 1967 a 1977. a un costo de alrededor de £100 millones, incluida la cancelación de plantas de fabricación de gas urbano redundantes. Se convirtieron todos los equipos que utilizan gas de casi trece millones de clientes domésticos, cuatrocientos mil comerciales y sesenta mil industriales. En este ejercicio se descubrieron muchos aparatos peligrosos que fueron retirados de servicio.
La industria del gas urbano del Reino Unido terminó en 1987, cuando cesaron las operaciones en las últimas plantas de fabricación de gas urbano en Irlanda del Norte (Belfast, Portadown y Carrickfergus; la fábrica de gas de Carrickfergus es ahora un museo restaurado de la fábrica de gas). [21] El sitio de Portadown ha sido limpiado y ahora es objeto de un experimento a largo plazo sobre el uso de bacterias con el fin de limpiar terrenos industriales contaminados.
Además de requerir poco procesamiento antes de su uso, el gas natural no es tóxico; el monóxido de carbono (CO) del gas ciudad lo hacía extremadamente venenoso, siendo habituales el envenenamiento accidental y el suicidio con gas. El envenenamiento por aparatos de gas natural se debe únicamente a una combustión incompleta, que genera CO y fugas de humos a las viviendas. Al igual que con el gas ciudad, se añade al gas una pequeña cantidad de una sustancia maloliente ( mercaptano ) para indicar al usuario que hay una fuga o un quemador apagado, no teniendo el gas ningún olor propio.
La organización de la industria del gas británica se adaptó a estos cambios, en primer lugar, mediante la Ley del Gas de 1965 , al facultar al Consejo del Gas para adquirir y suministrar gas a las doce juntas de gas del área . Luego, la Ley de Gas de 1972 formó la British Gas Corporation como una entidad comercial única, que abarca las doce juntas de gas del área, lo que les permite adquirir, distribuir y comercializar gas y aparatos de gas a clientes industriales, comerciales y domésticos en todo el Reino Unido. En 1986, British Gas fue privatizada y el gobierno ya no tiene ningún control directo sobre ella.
Durante la era del gas del Mar del Norte , muchas de las tuberías originales de hierro fundido instaladas en pueblos y ciudades para el gas urbano fueron reemplazadas por plástico .
Como se informó en la revista DTI Energy Review 'Our Energy Challenge' de enero de 2006, los recursos de gas del Mar del Norte se han agotado a un ritmo más rápido de lo previsto y el suministro de gas para el Reino Unido se está buscando desde fuentes remotas, una estrategia que fue posible gracias a los acontecimientos en el tecnologías de tendido de tuberías que permiten la transmisión de gas por tierra y por mar a través y entre continentes . El gas natural es ahora un producto básico mundial . Estas fuentes de suministro están expuestas a todos los riesgos de cualquier importación.
Monty Python parodió la conversión del carbón al gas del Mar del Norte y los obstáculos que algunos encontraron en su "New Cooker Sketch", como parte del episodio que inició su segunda temporada en 1970.
El gas de carbón se utilizó para impulsar varios ascensos históricos en globo en el siglo XIX (ver Los aeronautas ).
En muchos sentidos, Alemania tomó la delantera en la investigación del gas de hulla y en la química del carbono. Con el trabajo de August Wilhelm von Hofmann surgió toda la industria química alemana. Utilizando los residuos de gas de hulla como materia prima, los investigadores desarrollaron nuevos procesos y sintetizaron compuestos orgánicos naturales como la vitamina C y la aspirina .
La economía alemana dependió del gas de hulla durante la Segunda Guerra Mundial, cuando la escasez de petróleo obligó a la Alemania nazi a desarrollar la síntesis Fischer-Tropsch para producir combustible sintético para aviones y tanques.
Los subproductos de la fabricación de gas de hulla incluían coque , alquitrán de hulla , azufre y amoníaco , y todos ellos eran productos útiles. A partir del alquitrán de hulla se elaboran colorantes , medicamentos como las sulfas , la sacarina y decenas de compuestos orgánicos. [ cita necesaria ]
En la tabla se resumen el carbón utilizado y el gas urbano y los subproductos producidos por las tres principales compañías de gas de Londres. [24] [25] [26]
El coque se utiliza como combustible sin humo y para la fabricación de gas de agua y gas productor .
El alquitrán de hulla se sometió a destilación fraccionada para recuperar diversos productos, entre ellos
Utilizado en la fabricación de ácido sulfúrico.
Utilizado en la fabricación de fertilizantes.
El gas de carbón fue fabricado inicialmente por empresas independientes, pero en el Reino Unido muchas de ellas se convirtieron más tarde en servicios municipales . En 1948 había en total 1.062 empresas gasistas. Tanto las empresas privadas, alrededor de dos tercios del total, como las empresas municipales de gas, alrededor de un tercio, fueron nacionalizadas en virtud de la Ley del Gas de 1948 . Se llevó a cabo una nueva reestructuración en virtud de la Ley del Gas de 1972 . Para obtener más detalles, consulte British Gas plc .
Aparte de las plantas de subproductos de los hornos de coque de la industria siderúrgica, en el Reino Unido ya no se produce gas de carbón. Fue sustituido primero por gas procedente del petróleo y posteriormente por gas natural procedente del Mar del Norte .
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