El gas de hulla es un combustible gaseoso inflamable que se obtiene a partir del carbón y se suministra al usuario a través de un sistema de distribución por tuberías. Se produce cuando el carbón se calienta intensamente en ausencia de aire. El término gas de ciudad es más general y se refiere a los combustibles gaseosos manufacturados que se producen para su venta a consumidores y municipios. [1]
El gas de carbón original se produjo mediante la reacción de gasificación del carbón, [2] y el componente combustible consistía en una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno en cantidades aproximadamente iguales en volumen. Por lo tanto, el gas de carbón es altamente 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 la transmisión de gas natural (durante las décadas de 1940 y 1950 en los Estados Unidos y durante finales de las décadas de 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 de ciudad se suministraba a los hogares a través de sistemas de distribución por tuberías de propiedad municipal. A veces, esto se llamaba gas de síntesis , en contraste con el gas natural. [5] En ese momento, un método frecuente de suicidio 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 se quitó la vida con este método.
Originalmente creado como un subproducto del proceso de coquización , su uso se desarrolló durante los siglos 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 materias primas importantes (o " materia prima química ") para la industria química y de los 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 plantas de gas manufacturado (MGP) o fábricas de gas .
En el Reino Unido, el descubrimiento de grandes reservas de gas natural, o gas marino como se lo 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, a partir de finales de la década de 1960, proceso que se completó a finales de la década de 1970. Cualquier iluminación de gas residual encontrada en las casas que se estaban convirtiendo se taponó en el medidor o, lo que era más habitual, se eliminó por completo. A partir de 2023, todavía queda algo de alumbrado público a 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 de productor . Estos gases se obtienen por combustión parcial de una amplia variedad de materias primas en una mezcla de aire, oxígeno o vapor, para reducir este último a hidrógeno y monóxido de carbono, aunque también puede producirse cierta destilación destructiva .
El gas manufacturado se puede obtener 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 liberados en la carbonización a alta temperatura ( coquización ) del carbón en hornos de coque se recogían, se depuraban y se utilizaban 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 dar servicio a zonas urbanas.
Hoy en día, una instalación utilizada para fabricar gas de carbón, gas de agua carburada (CWG) y gas de petróleo se conoce generalmente como planta de gas manufacturado (MGP).
En los primeros años de funcionamiento de MGP, el objetivo de una planta de gas era producir la mayor cantidad posible de gas para iluminación. El poder de iluminación de un gas estaba relacionado con la cantidad de hidrocarburos formadores de hollín ("iluminantes") disueltos en él. Estos hidrocarburos daban a la llama del gas su característico color amarillo brillante. Las plantas de gas solían utilizar carbones bituminosos aceitosos como materia prima. Estos carbones emitían grandes cantidades de hidrocarburos volátiles en el gas de carbón, pero dejaban un coque desmenuzable y de baja calidad que no era adecuado para los procesos metalúrgicos .
El gas de horno de carbón o de coque normalmente tenía un valor calorífico de entre 10 y 20 megajulios por metro cúbico (270 y 540 Btu/pie cúbico); con valores típicos de alrededor de 20 MJ/m3 ( 540 Btu/pie cúbico).
La llegada de la iluminación eléctrica obligó a las empresas de servicios públicos a buscar otros mercados para el gas manufacturado. Las empresas de gas manufacturado 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 enfriamiento.
El gas combustible para uso industrial se fabricaba utilizando tecnología de gas de productor . El gas de productor se fabrica 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 valor calorífico del gas combustible enriqueciéndolo con CO e hidrógeno (H 2 ) producidos por reacciones de gas de agua. El gas de productor tiene un valor 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 se solucionó con el proceso de gas de agua azul (BWG), desarrollado en la década de 1850 por Sir William Siemens . El lecho de combustible incandescente se soplaba alternativamente con aire y luego con vapor. Las reacciones del aire durante el ciclo de soplado son exotérmicas, calentando el lecho, mientras que las reacciones del vapor durante el ciclo de fabricación son endotérmicas y enfrían el lecho. Los productos del ciclo de aire contienen nitrógeno no calorífico y se expulsan por la chimenea, mientras que los productos del ciclo de vapor se mantienen como gas de agua azul. Este gas está compuesto casi en su totalidad de CO y H 2 , y arde con una llama azul pálida similar al gas natural. El BWG tiene un valor calorífico de 11 MJ/m 3 (300 BTU/pie cúbico).
El gas de agua azul carecía de iluminantes; no ardía con una llama luminosa en un simple chorro de gas de cola de pez como existía antes de la invención del manto de gas en la década de 1890. Se hicieron varios intentos de enriquecer el BWG con iluminantes de gasóleo en la década de 1860. El gasóleo (una forma temprana de gasolina) era el producto de desecho inflamable del refinado del queroseno , hecho de las fracciones más livianas y volátiles (tops) del petróleo crudo. En 1875, Thaddeus SC Lowe inventó el proceso de gas de agua carburado. 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 prueba de encendido, el vapor pasaría a través del generador para producir gas de agua azul. Desde el generador, el gas de agua caliente pasaría a la parte superior del carburador, donde se inyectarían aceites de petróleo ligeros en la corriente de gas. Los aceites ligeros se termocraquearían al entrar en contacto con los ladrillos refractarios de rejilla blanca al rojo vivo dentro del carburador. El gas enriquecido caliente fluiría luego al sobrecalentador, donde el gas se craquearía aún más mediante más ladrillos refractarios al rojo vivo. [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 uso del carbón como materia prima para la producción de gas urbano mediante carbonización. [16]
Producción de gas de ciudad a partir de carbón, millones de termias
Se desarrollaron nuevas tecnologías para la fabricación de gas de carbón a partir de petróleo, gases de cola de refinería y destilados ligeros. Los procesos incluían el proceso Lurgi , el reformado catalítico , el proceso de gas rico catalítico, el reformado con vapor de gas rico y el proceso de hidrogenación con reciclado de gas . [17] El proceso de gas rico catalítico utilizaba gas natural como materia prima para fabricar gas ciudad. Estas instalaciones utilizaban los procesos de reacción química descritos anteriormente.
El aumento del uso del petróleo como materia prima para la fabricación de gas de ciudad se muestra en el gráfico siguiente. El pico de uso en 1968/9 y el posterior descenso coinciden con la disponibilidad de gas del Mar del Norte que, en los años siguientes, desplazó al gas de ciudad como combustible principal y provocó el declive del petróleo como materia prima para la fabricación de gas, como se muestra. [16]
Producción de gas de ciudad a partir de petróleo, millones de termas
En la década de 1960, el gas manufacturado, comparado con su principal rival en el mercado energético, la electricidad, se consideraba "desagradable, maloliente, sucio y peligroso" (por citar los estudios de mercado de la época) y parecía condenado a perder aún más participación en el mercado, excepto en la cocina, donde su controlabilidad le otorgaba marcadas ventajas sobre la electricidad y los combustibles sólidos. El desarrollo de estufas de gas más eficientes ayudó al gas a resistir 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 con agua caliente y la industria del gas siguió su ejemplo. La calefacción de aire caliente a gas encontró un nicho de mercado en las nuevas viviendas de las autoridades locales, donde los bajos costos de instalación le dieron una ventaja. Estos avances, la reestructuración del pensamiento gerencial, que pasó de la gestión comercial (vender lo que producía la industria) a 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 la 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 Methane Pioneer envió un cargamento 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 gasoducto troncal de alta presión de 212 millas (341 km) de longitud desde Canvey Island hasta Bradford. [18] El gasoducto y sus ramales proporcionaron a las Area Gas Boards gas natural para su uso en procesos de reforma para producir gas ciudad. En 1964 se puso en servicio una planta de recepción de GNL a gran escala en Canvey, que recibió GNL de Argelia en dos buques cisterna dedicados, 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) por debajo del lecho marino. Posteriormente, se descubrió que el Mar del Norte tenía muchos yacimientos de gas importantes a ambos lados de la línea media que define qué naciones deberían tener derechos sobre las reservas.
En un plan piloto, los clientes de la isla Canvey pasaron del gas de ciudad al gas natural suministrado desde la planta de GNL de Canvey. [15] [20]
El Libro Blanco sobre Política de Combustibles de 1967 (Cmd. 3438) indicó a la industria la dirección en la que debía aumentar rápidamente el uso del gas natural para "permitir que el país se beneficiara lo antes posible de las ventajas de esta nueva fuente de energía autóctona". Como resultado, hubo una "fiebre del gas" para su uso en la generación de electricidad en horas pico y en usos de bajo consumo en la industria.
El crecimiento de la disponibilidad de gas natural se muestra en el gráfico siguiente. [16] Hasta 1968 esto provenía de suministros de GNL desde Argelia, hasta que el gas del Mar del Norte estuvo disponible a partir de 1968.
Gas natural disponible, millones de termas
La explotación de las reservas de gas del Mar del Norte , que supuso el desembarque de gas en Easington , Bacton y St Fergus, hizo viable la construcción de una red nacional de distribución, de más de 3.000 millas (4.800 km), compuesta por dos tuberías paralelas e interconectadas que recorrían todo el país. Esto se convirtió en el Sistema Nacional de Transmisión . Todos los equipos de gas en Gran Bretaña (pero no Irlanda del Norte) fueron convertidos (mediante la instalación de quemadores de diferentes tamaños para proporcionar la mezcla correcta de gas y aire) de gas ciudad a gas natural (principalmente metano ) durante el período de 1967 a 1977 a un coste de unos 100 millones de libras, incluida la amortización de plantas de fabricación de gas ciudad redundantes. Se convirtieron todos los equipos que utilizaban gas de casi trece millones de clientes domésticos, cuatrocientos mil comerciales y sesenta mil industriales. En este ejercicio se descubrieron muchos aparatos peligrosos y se retiraron del servicio.
La industria del gas de ciudad en el Reino Unido terminó en 1987, cuando cesaron las operaciones en las últimas plantas de fabricación de gas de ciudad en Irlanda del Norte (Belfast, Portadown y Carrickfergus; la fábrica de gas de Carrickfergus es ahora un museo de gas restaurado). [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 de ciudad lo hace extremadamente venenoso, por lo que los envenenamientos accidentales y los suicidios por gas son algo habitual. 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 de 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, ya que el gas no tiene olor propio.
La organización de la industria británica del gas se adaptó a estos cambios, primero, mediante la Ley del Gas de 1965, que facultó al Consejo del Gas para adquirir y suministrar gas a las doce empresas de gas de la zona . Luego, la Ley del Gas de 1972 creó la British Gas Corporation como una entidad comercial única, que abarcaba las doce empresas de gas de la zona y les permitía 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 de gas de hierro fundido originales instaladas en pueblos y ciudades para el gas urbano fueron reemplazadas por tuberías de plástico .
Como se informó en la publicación 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 que se había previsto y el suministro de gas para el Reino Unido se está buscando en fuentes remotas, una estrategia que ha sido posible gracias a los avances en las tecnologías de tendido de tuberías que permiten la transmisión de gas por tierra y por mar a través de los continentes y entre ellos. 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 tuvieron que superar algunos en su "New Cooker Sketch", como parte del episodio que inició su segunda serie 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 se puso a la cabeza en la investigación del gas de hulla y la química del carbono. Con los trabajos de August Wilhelm von Hofmann surgió toda la industria química alemana. Utilizando los desechos del 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 dependía del gas de carbón durante la Segunda Guerra Mundial, ya que 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 , todos ellos productos útiles. A partir del alquitrán de hulla se fabrican tintes, medicamentos como las sulfamidas , la sacarina y docenas de compuestos orgánicos. [ cita requerida ]
El carbón utilizado y el gas de ciudad y los subproductos producidos por las tres principales compañías de gas de Londres se resumen en la tabla. [24] [25] [26]
El coque se utiliza como combustible sin humo y para la fabricación de gas de agua y gas pobre .
El alquitrán de hulla se sometió a una destilación fraccionada para recuperar diversos productos, entre ellos:
Se utiliza en la fabricación de ácido sulfúrico.
Se utiliza en la fabricación de fertilizantes.
El gas de hulla fue fabricado inicialmente por empresas independientes, pero en el Reino Unido muchas de ellas se convirtieron posteriormente en servicios municipales . En 1948 había un total de 1.062 empresas de gas. Tanto las empresas privadas, alrededor de dos tercios del total, como las empresas de gas municipales, alrededor de un tercio, fueron nacionalizadas en virtud de la Ley del Gas de 1948. Se llevó a cabo una reestructuración posterior en virtud de la Ley del Gas de 1972. Para más detalles, consulte British Gas plc .
Aparte de las plantas de coque de la industria siderúrgica, el gas de hulla ya no se produce en el Reino Unido, sino que fue sustituido primero por gas de petróleo y después por gas natural del Mar del Norte .
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