Town gas - Toshigasu (English spelling) town gas

Japanese: 都市ガス - としがす（英語表記）town gas

This refers to gas supplied mainly through a piping network (pipeline) as fuel for urban homes and factories. In Japan, it is supplied by gas companies authorized under the Gas Business Act (established in 1954). Initially, gas obtained by carbonization of coal (coal gas) was used, and the terms city gas and coal gas were synonymous, but later, gas produced from petroleum-based materials and liquefied petroleum gas (LPG) increased, and natural gas became mainstream, and by 2010, almost all city gas was supplied by natural gas. Gas is easier to handle and cleaner than other fuels, and has a high combustion efficiency, making it indispensable for modern urban life.

[Akira Tomita]

History of the Gas Business

The first person to put gas to practical use was the British man W. Murdoch, who used it for lighting in his home. The first gas company was established in London in 1812, and within a few years gas businesses had begun in Paris, Baltimore, and other parts of Europe and the United States. The foundations of the gas business for lighting were established in the mid-19th century. However, the invention of the incandescent light bulb by American T. Edison in 1880 and the development of the Bunsen burner by German R. W. Bunsen in 1885 were major catalysts that saw the use of gas shift from lighting to fuel.

The gas industry in Japan began in 1872 (Meiji 5) when gas lamps were lit in Yokohama. Gas supply began in Tokyo and Kobe in 1874, and Tokyo Gas was established in 1885. In the 1910s, electricity began to replace gas for lighting in Japan as well. During World War I, the industry was hit hard by the rise in prices of coal and steel materials, and during World War II, the supply volume dropped significantly due to damage to manufacturing and supply facilities, but it was restored by around 1950 (Showa 25) and has continued to grow steadily since then.

[Akira Tomita]

Current status of the gas business

As of 2011, there are 209 gas companies in Japan, of which over 80% are privately run and just under 20% are publicly run. There is a large difference in the scale of business, with the three major companies, Tokyo Gas, Osaka Gas, and Toho Gas, accounting for 70% of total sales. There are approximately 28 million total consumers, of which 90% are for residential use. The amount of gas sold in 2010 was 35.3 billion cubic meters, calculated at 42 megajoules per cubic meter, which is 3.8 times the amount sold in 1980. Comparing the amount of gas used for residential and commercial purposes and that for industrial use, the proportion of industrial use has been increasing year by year, from 16% in 1980 to 50% in 2010. It can be said that the structure is approaching that of Europe and the United States, where industrial gas use is greater than that of residential use.

[Akira Tomita]

Changes in manufacturing ingredients

After the Second World War, the raw materials changed rapidly, from coal to petroleum, and then to natural gas. Initially, coal gas, water gas, and producer gas were the predominant sources of gas, but these methods were difficult to control solids, and they also had problems with the emissions of dust, tar, and sulfur, as well as poor response to load fluctuations. In 1952, oil gas production from heavy oil began, but this method also required tar processing and gas refining, so there was no significant progress. In the 1960s, the proportion of petroleum-based gases, such as naphtha gas, which is made from naphtha, which is cleaner and easier to handle, and LPG, which does not require gas generators, and by-product gas (off-gas) from the petroleum refining industry, began to increase. Meanwhile, large amounts of liquefied natural gas (LNG) began to be imported from Alaska in 1969 and from Brunei in 1972, which led to a major change in the raw material composition of city gas. Initially, natural gas was converted to medium-calorie gas so that conventional gas burners could be used as is, but Tokyo Gas, Osaka Gas, and other companies moved to convert burners so that high-calorie gas with 46 megajoules per cubic meter could be used in individual homes. As a result, the proportion of natural gas exceeded 50% in the 1980s, and by 2010, almost all city gas was derived from natural gas.

[Akira Tomita]

How city gas is produced

When city gas was produced from coal and naphtha, it was necessary to design and operate a complex manufacturing process, but since modern city gas is made from natural gas, the manufacturing process has been simplified. All that is required is to vaporize LNG imported from overseas, finely adjust the heat content, and then supply it to consumers. When vaporizing, heat is exchanged with seawater, and various methods are used to utilize the cold energy that occurs, including cold energy power generation, air separation, dry ice production, and cold energy supply to refrigerated warehouses.

[Akira Tomita]

City gas transportation and storage

Special tankers are used to transport LNG. There are spherical tank types and membrane tank types. In the latter, the thin tank only functions to keep it airtight and at ultra-low temperatures, and the ship's hull is responsible for supporting the pressure and weight, but in the former, the tanks handle all functions, which is a major difference. They are getting larger every year, and one built in 2009 has a tank capacity of 266,000 cubic meters and can transport over 300,000 tons of LNG at a time.

Ordinary city gas is stored in gas tanks (gas holders) of considerable capacity so that it can respond to load fluctuations. There are low-pressure holders and high-pressure holders. The former are classified as wet holders, which use water to seal the gas, and waterless holders, which use special mineral oils or synthetic rubber membranes as sealing materials. High-pressure holders are spherical or cylindrical pressure-resistant containers that store gas at a maximum pressure of 2 megapascals. Compared to low-pressure holders, they have many advantages, such as being small, leak-free, and cheaper to build. In the case of LNG, the gas received from LNG tankers is kept at low temperatures and stored at near atmospheric pressure.

LPG is also liquefied and stored in portable pressure vessels (cylinders) or tanks, but unlike natural gas, which is primarily composed of methane, LPG is primarily composed of propane and butane, which have high boiling points, so it can be liquefied with simple compression and cooling equipment. At 20°C, propane becomes liquid at a pressure of 0.86 megapascals, and butane at 0.21 megapascals.

[Akira Tomita]

City gas supply

City gas must be supplied so that consumers can always use it at a constant pressure. Gas produced at the manufacturing plant is sent out at high or medium pressure, and then a device called a governor adjusts the gas pressure, gradually lowering the pressure to medium and then low before it is delivered to consumers. The final gauge pressure is kept within the range of 1.0 to 2.5 kilopascals. When supplying large volumes of gas to industrial use, etc., it may be supplied directly from a medium-pressure pipeline. Gas is transported from the gas holder to the consumer through gas pipelines made of cast iron, steel, etc.

[Akira Tomita]

Properties of city gas

Of all the city gases produced from natural gas, the most widely distributed is 13A standard gas. It is composed of about 90% methane, with the remainder being hydrocarbon gases such as ethane, propane, and butane. It has a calorific value of 45 megajoules per cubic meter. Natural gas has a specific gravity of less than 1, making it lighter than air, so it disperses easily if it leaks. LPG, which is primarily composed of propane and butane, has a high specific gravity and tends to stagnate in low places if it leaks, posing a risk of explosion. Care must be taken as it does not disperse easily even if the upper window is opened.

[Akira Tomita]

toxicity

The toxicity of city gas is important because it directly affects daily life. Previously used city gas derived from coal and naphtha contained carbon monoxide, which made it very dangerous. When carbon monoxide is inhaled, it binds with the hemoglobin in the blood, causing it to lose its ability to carry oxygen. In the event of poisoning, the person must be moved to a place with fresh air and kept at rest and warm. City gas derived from natural gas does not contain carbon monoxide, so carbon monoxide poisoning due to gas leaks has disappeared. However, carbon monoxide can still be produced due to incomplete combustion caused by a lack of oxygen, so gas poisoning still remains. Natural gas is odorless, so non-toxic odorants are added to it so that leaks can be noticed.

Other than carbon monoxide, there are also poisoning symptoms due to oxygen deficiency caused by poor ventilation and increased carbon dioxide levels. Carbon dioxide should normally be below 0.1%, but at 4% it can cause localized irritation, and at 8% it can cause severe respiratory distress. Oxygen is normally 21%, but if it drops to 10%, respiratory distress can occur. If you live in an airtight home, you must be careful about ventilation, and in some cases you must install exhaust pipes on your appliances.

[Akira Tomita]

City gas combustion

The flammability of gas is determined by the composition of the gas and the amount of air. The theoretical amount of air is the amount of air required to completely oxidize the carbon and hydrogen in the gas to carbon dioxide and water, respectively. In practice, more air than the theoretical amount is supplied to prevent incomplete combustion. In order for gas to burn, a sufficient supply of air is required, but in addition, the temperature must be kept above a certain temperature (ignition temperature), and the gas concentration in the gas-air mixture must be within a certain range. The ignition temperature of 13A standard city gas is 500-550°C, and the concentration range of fuel gas that can be sustained is 4.6-14.6%. The upper and lower limits of the flammable range are called flammability limits. The conditions for explosion are the same, and the flammability limits are also called explosion limits.

[Akira Tomita]

Characteristics and methods of combustion appliances

When fuel gas is burned in a burner, it must burn completely to generate the required amount of heat, must not produce unstable flames such as backfire (gas burning inside the burner) or lifting (gas burning at an upper part away from the burner nozzle), and must have the appropriate glow and flame temperature. These are determined by the type of gas, the type of burner, and the method of mixing air. Once the type of gas is determined, the type of burner that will produce good combustion conditions will also be determined. This is why the burner must be replaced when the calorific value of city gas is changed.

[Akira Tomita]

An example of a city gas supply system
©Shogakukan ">

An example of a city gas supply system

Examples of various gas compositions
©Shogakukan ">

Examples of various gas compositions

Properties of each elemental gas contained in fuel gas
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Properties of each elemental gas contained in fuel gas

Tokyo Gas (Meiji era)
Hamasaki-cho, Shiba-ku (present-day Kaigan, Minato-ku, Tokyo). "Famous Places in Japan" (1900, Meiji 33), National Diet Library

Tokyo Gas (Meiji era)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

都市の家庭や工場における燃料として、主として配管網（パイプライン）を通じて供給されるガスのことをいう。日本ではガス事業法（昭和29年制定）によって認可されたガス事業者が供給している。当初は、石炭乾留によって得られるガス（石炭ガス）を用いており、都市ガスと石炭ガスは同義であったが、その後、石油系原料から製造されるガスや液化石油ガス（LPG）が増え、さらには天然ガスが主流となり、2010年（平成22）にはほぼ全量が天然ガスでまかなわれるまでになった。ガスはほかの燃料に比べて取扱いに便利で清潔であり、燃焼効率も高いので、現代の都市生活に欠かせないものになっている。

［富田　彰］

ガス事業の歴史

ガスを初めて実用化したのはイギリスのW・マードックで、自宅での照明に利用した。1812年には初めてのガス会社がロンドンで設立され、数年のうちにパリ、ボルティモアなど欧米各地でガス事業が開始された。19世紀なかばには、照明用としてのガス事業の基礎が確立した。しかし、1880年のアメリカのT・エジソンによる白熱電灯の発明、および1885年のドイツのR・W・ブンゼンによるブンゼンバーナーの開発を大きな契機として、ガスの用途が照明用から燃料用へと転換するようになった。

　日本のガス事業は、1872年（明治5）横浜でガス灯が点灯されたのが始まりである。1874年には東京と神戸でガスの供給が始まり、1885年に東京瓦斯(ガス)が設立された。1910年代になって、日本においても照明用は電気がとってかわるようになった。また、第一次世界大戦時には石炭や鉄鋼材料などの騰貴による打撃を受け、第二次世界大戦では製造設備や供給設備の破損などにより供給量が大幅に減少したが、1950年（昭和25）ごろまでに復旧され、その後は順調な成長を続けている。

［富田　彰］

ガス事業の現況

2011年（平成23）現在、日本のガス事業者数は209社であり、そのうち民営が8割強、公営が2割弱である。その事業規模には大きな差があり、東京瓦斯、大阪瓦斯、東邦瓦斯の大手3社で全販売量の7割を占めている。全需要家数は約2800万戸で、そのうち家庭用が9割を占めている。2010年に販売されたガスの量は、1立方メートル当り42メガジュール換算にして353億立方メートルで、1980年の3.8倍となっている。家庭用、商業用などの民生用と工業用に使われるガス量を比較すると、年ごとに工業用の比率が上昇しており、1980年に16％だったものが、2010年には50％となっている。家庭用より工業用のガス使用量のほうが多い欧米の構造に近づいているといえる。

［富田　彰］

製造原料の変遷

第二次世界大戦後の原料変遷はめまぐるしく、石炭系から石油系、さらに天然ガスへと移り変わっている。当初は、石炭の乾留によってできる石炭ガス、あるいは水性ガス、発生炉ガスによるものが圧倒的に多かったが、これらの方法は固体の制御がむずかしく、粉塵(ふんじん)、タール、硫黄(いおう)分の排出、さらには、負荷変動への対応性の悪いことも問題となっていた。1952年には重油からのオイルガス製造が開始されたが、この方法も、タールの処理、ガス精製が必要となることから大きな進展はみられなかった。1960年代になると、よりクリーンで取り扱いやすいナフサを原料とするナフサガス、あるいはガス発生装置を必要としないLPGや石油精製工業の副生ガス（オフガスという）などの石油系ガスの比重が増え始めた。一方、1969年にアラスカから、1972年にブルネイから大量の液化天然ガス（LNG）が輸入されるようになり、これにより都市ガスの原料構成は大きく変化することになる。当初は、従来のガスバーナーをそのまま使えるように天然ガスを中カロリーのガスに変成して供給したが、東京瓦斯、大阪瓦斯などを中心として、1立方メートル当り46メガジュールの高カロリーガスを各家庭でも利用できるようにバーナーの転換を進めた。その結果、1980年代に入ると天然ガスの占める割合は50％を超え、2010年には都市ガスのほぼ全量が天然ガス由来のものになった。

［富田　彰］

都市ガスの製造法

石炭やナフサから都市ガスを製造していたときには、複雑な製造工程の設計・運転が必要とされたが、現在の都市ガスは天然ガスを原料としているので、製造工程は簡素化されたものとなっている。海外からLNGとして搬入されたものを気化させ、熱量を微調整した後、需要家に供給するだけでよい。気化する際には海水と熱交換するが、そのときの冷熱を利用するのにいろいろなくふうがされており、冷熱発電、空気分離、ドライアイス製造、冷凍倉庫への冷熱供給などが行われている。

［富田　彰］

都市ガスの運搬と貯蔵

LNGの運搬には専用タンカーを用いる。球形タンク方式とメンブレンタンク方式がある。後者では、薄いタンクが密閉と超低温を維持する機能だけを担い、圧力や重量の支持は船体が負担するが、前者ではすべての機能をタンクが受け持つ点で大きく異なっている。年々大型化が進み、2009年に建造されたものは26.6万立方メートルのタンク容量をもち、一度に30万トンを超えるLNGを輸送できる。

　一般の都市ガスは、負荷変動に対応できるよう、かなりの容量のガスタンク（ガスホルダー）に貯蔵される。低圧ホルダーと高圧ホルダーがある。前者には、ガスのシールに水を用いた有水式ホルダーと、特殊鉱物油、合成ゴム膜などをシール材とした無水式ホルダーとがある。高圧ホルダーは球形または円筒形の耐圧容器で、最高2メガパスカルの圧力で貯蔵される。低圧ホルダーに比べて、小型で漏洩(ろうえい)がなく、建設費が安いなどの利点が多い。LNGの場合、LNGタンカーから受け入れたものを、低温に保って大気圧近傍で保存する。

　LPGも、液化して可搬式耐圧容器（ボンベ）または貯槽に貯蔵するが、メタンが主成分の天然ガスと違い、沸点が高いプロパンやブタンが主成分なので、簡単な圧縮装置や冷却装置で液化できる。20℃では、プロパンは0.86メガパスカル、ブタンは0.21メガパスカルの加圧で液体になる。

［富田　彰］

都市ガスの供給

都市ガスは、消費者がつねに一定の圧力で使用できるように供給されなければならない。製造所で製造されたガスは、高圧または中圧で送り出され、その後、ガスの圧力を調整するガバナーといわれる装置により中圧、低圧と徐々に圧力を下げて、消費者に届けられる。最終的にはゲージ圧で1.0～2.5キロパスカルの範囲に収められている。工業用などに大容量のガスを供給する場合は、中圧導管から直接供給することもある。ガスホルダーから消費者までは、鋳鉄、鋼などのガス導管によって輸送される。

［富田　彰］

都市ガスの性質

天然ガスから製造される都市ガスのうち、もっとも流通量の多いのは13Aという規格のガスである。成分としては9割程度がメタンであり、残りはエタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素ガスである。1立方メートル当り45メガジュールの発熱量をもつ。天然ガスの比重は1以下で空気より軽いため、漏洩した際にも拡散しやすい。プロパン、ブタンなどを主成分とするLPGは比重が大きく、漏洩した場合、低所に停滞しやすい性質をもつので、爆発の危険がある。上部の窓を開放しても容易に放散しないので注意が必要である。

［富田　彰］

毒性

都市ガスの毒性は日常生活に直接かかわるので重要である。以前に使用されていた石炭、ナフサ起源の都市ガスには一酸化炭素が含まれていたので、危険性が高かった。一酸化炭素を吸引すると、血液中のヘモグロビンと結合し、その酸素運搬能力を失わせる。中毒時には、新鮮な空気の所へ移し、安静と保温に努めねばならない。天然ガス由来の都市ガスには一酸化炭素は含まれていないので、ガス漏れによる一酸化炭素中毒はなくなった。しかし、酸素欠乏による不完全燃焼が原因で一酸化炭素を生成することがあるので、いまだにガス中毒はなくならない。なお、天然ガスは無臭なので、漏れた場合にも気がつくように無毒の付臭剤が加えてある。

　一酸化炭素以外では、換気の不良による酸素欠乏および二酸化炭素増大による中毒症状もある。二酸化炭素は通常0.1％以下でなければならないが、4％で局所的刺激症状、8％で高度の呼吸困難となる。酸素は通常21％あるが、10％にまで低下すると呼吸困難となる。気密な住宅で生活する場合には、換気に十分注意し、場合によっては器具に排気筒をつけねばならない。

［富田　彰］

都市ガスの燃焼

ガスの燃焼性は、構成するガスの組成、空気の量で決まる。理論空気量というのは、ガスの中の炭素分と水素分を、それぞれ二酸化炭素と水に完全酸化するのに必要な空気量のことである。実際には、理論量より過剰の空気を送り不完全燃焼を防ぐ。ガスが燃焼するには、十分な空気の供給が必要であるが、そのほか、一定の温度（着火温度）以上に保たれていなければならず、またガスと空気の混合物中のガス濃度もある範囲内でなければならない。13A規格の都市ガスの着火温度は500～550℃であり、燃焼が持続可能な燃料ガスの濃度範囲は4.6～14.6％である。燃焼範囲の上限と下限のことを燃焼限界という。爆発する条件もこれと同じであり、燃焼限界のことを爆発限界ともいう。

［富田　彰］

燃焼機器の特性と方式

燃料ガスをバーナーで燃焼させる場合、完全燃焼して所定の熱を発生すること、バックファイア（バーナー内部でガスが燃える状態）やリフティング（バーナーの火口より離れた上部で燃える状態）といわれる不安定な炎をつくらないこと、赤熱度、炎の温度が適正であることなどが要求される。これらはガスの種類、バーナーの種類、空気の混合方法などによって決まる。ガスの種類が決まると、良好な燃焼状態が得られるバーナーの種類が決まってくる。都市ガスの発熱量を変更するとバーナーを交換しなければならないのはこのためである。

［富田　彰］