天然ガス燃料とその製造用途への応用


世界中の製造業が不況にあえぐ今日、楽しい話題に触れることは格別に心強いことです。そこで、最近ピッツバーグで発見した天然ガス燃料についてお話しますから聞いてください。ピッツバーグは昔から燃料が世界一安いと言われているだけに、燃料の問題でさらに優遇されるのは不公平な気がする。石炭の実費は、自家採掘の場合、1トン当たり4～5セント、一方、シーメンス炉やボイラー下のガス製造に多く使われてきたスラックは、1トン当たり2～2セント。6d./トンであった。鉱山の近くや川のほとりにあるいくつかの工場では、長年にわたって1s.6d/tを超えないコストで弛炭を受け入れてきました。1s.6d./t.である。この安い燃料に取って代わったのが、天然ガスである。油井のポンプが、油の出ない穴から少量のガスで動くようになってから、もう何年にもなる。油田地帯の近くで巨大なガス井が発見されることもあったが、そのガスを最も近い製造拠点、すなわちピッツバーグ周辺の工場に送ろうという考えを持つ者が現れるまでには、数年の月日が流れた。数年前、バトラー地域のいくつかのガス井から産出されたガスが、ピッツバーグ市から5マイル離れたシャープスバーグの2つの工場に送られ、そこで燃料として使われたが、この実験が注目されるほどの大成功を収めたわけではない。供給不足、配管の不具合、工場で使う器具の不完全さなどが、この新しい燃料を厄介なものにしていたのだ。7年前、ピッツバーグから約18マイルのところにあるマレイズビルで、ある会社が石油を採掘した。深さ1,320フィートに達した時、ドリルが空高く投げ出され、デリックが粉々に砕け散り、ものすごいガスの爆発が起こった。この時のガスの轟音は、5マイル離れたマンロービルでも聞かれた。井戸の口から直径2インチのパイプを4本通し、そこにガスを流すと、ガスに点火され、数キロメートルに及ぶ地域全体が明るく照らされた。この貴重な燃料は、ピッツバーグの製鉄所から9マイルの距離にありながら、5年間も浪費されることを許された。なぜ、この燃料をすぐに確保して利用しなかったのかと思われるかもしれないが、この燃料を工場まで運んで利用するというビジネスが、最近までよく理解されていなかったのである。それに加えて、当時は電線のコストが現在の2倍以上でした。当時は、新しい燃料を導入するために14万ポンド必要だと見積もっていました。現在では、1マイルあたり1,500ポンドを超えることはありません。私たちの石炭は、完成したレール1トン当たり3セントを超える価格ではなかったので、私たちの考えでは、これほど多くの資本を費やし、供給が停止する危険を冒すことを正当化できるほど、その魅力は大きくなかったのです。2年前、私たちよりも油井に詳しい人たちが、ガスの供給の継続性を信じて、配管に費やした金額が返済されるまでは、それまで毎年石炭代と同額の年額で、その後はその半額でガスを供給してくれると申し出てきたのです。ガス会社から回収するのに1年半ほどかかりましたが、現在、作業中の車の燃料代は以前の2分の1という恒久的な取り決めになっています。この新しい天然燃料を鉄道工場で使用することに成功して以来、さらに大胆に、油田から15〜18マイル離れたピッツバーグ市までの配管に投資する者が現れました。この天然ガスが存在する地域は、まだ明確に定義されていない。主要な油田であるマレイズヴィル(今日のガスの大部分はここから得られている)では、昨年の秋にこの興味深い地域を訪問した際に、9つの井戸が掘られており、大量のガスを生産していることがわかりました。そのうちの1つは、24時間で30,000,000立方フィートのガスを産出すると推定された。この地区はピッツバーグの北東に位置し、そこから南へペンシルバニア鉄道の方向に伸びています。この地域はピッツバーグの北東に位置し、そこからペンシルバニア鉄道の方向に南下しています。その先には塩水が流れ込み、ガスを溺死させる地点があります。ペンシルベニア鉄道の南側、この半マイル地帯に、まもなく井戸が掘られるに違いない。南西に回り込んで、市から20マイルほど行くと、ワシントン郡のガス田に到着します。これまでに掘削された井戸は、マレイズビル地区の井戸ほど強力ではないようですが、将来的には同等の生産性を持つ井戸が見つかる可能性があります。現在、この地区には4つのガスが出る井戸があり、他にも掘削中です。さらに西に進むと、別のガス田に到達します。このガス田は、ピッツバーグの西28マイルにあるビーバーフォールズとロチェスターの製造工場から供給を受けています。ピッツバーグを中心に想像の輪を描きながら西から南西に進むと、大した量のガスが見つからないまま、ピッツバーグから北西に等距離にあり、南西にワシントン郡の油田があるバトラーガス田に到着する。バトラーガス田からアレゲニー川に向かって進むと、ピッツバーグからまだ20マイルほど離れたタレントム地区に到達し、ここで使用されるガスのかなりの部分を供給している。このように、ピッツバーグを中心に半径15～20マイルの円を描くと、4つの異なるガス産出地区があることがわかります。ピッツバーグ市では、いくつかの井戸が掘られたが、前述の断層が円の中心に向かって広がっているようで、塩水が流れ込んで、これらの井戸はすべてガスが見つかったものの、まったく生産性がない。

私は昨年の秋に友人たちと一緒に、マレイズヴィルとワシントン郡の2つの主要な油田を訪れ、数日間とても楽しい時を過ごした。前者では、ガスは6インチのパイプを地表からおそらく20フィート（約3.5メートル）ほどもあるところを勢いよく流れ、パイプの口から6フィート以内では発火しないのだそうだ。澄み切った青空を見上げると、目の前に地球とは関係なく、風に揺られて幻想的な形に変化し、四方八方に渦を巻いている金色の魔物が舞っているのが見える。井戸から出たガスが炎の中心に当たり、その一部を通り抜けると、炎の塊の下部が内側に巻き付き、底に優雅なひだを作って最も美しい効果を生み出す、まさに火柱である。煙は一滴も出ない。ワシントンの井戸から出るガスは、地上に敷設されたパイプから排出される。谷で最初に見た井戸を道端から見下ろすと、巨大なサーカスリングがあるように見えたが、これは緑が焼かれ、大地が炎で焼かれたものだった。このサーカスリングは、風が炎を次々と方向転換させるので、大地に横たわる大きな金色の炎が風に乗って四方八方に揺れ動き、非常に驚くべき効果を上げていました。大蛇アポリオンが、煙を除いて再び隠れ家から出てきたようであった。配管の費用は、現在の極めて安い価格で、道路使用権付きで1マイルあたり1600ポンドと見積もられているので、ピッツバーグまでの線の費用は約2万7000ポンドと言えるかもしれません。掘削費用は約1,000ポンドで、その方法は次のとおりです。まずやぐらを組み、6インチの錬鉄製のパイプで軟弱な地面を掘り進み、75～100フィートの高さにある岩盤に到達する。重さ3,000〜4,000ポンドの大型ドリルを使用し、4〜5フィートのストロークで上昇・下降させる。このドリルを動かすための燃料は、隣接する井戸から小さなパイプで運ばれてくる。8インチの穴を約500フィートの深さまで掘った後、5-5/8インチの錬鉄製のパイプを下ろして水を止めます。その後、ガスが出るまで直径6インチの穴を開け続け、4インチのパイプを下ろす。井戸を掘ってからガスが出るまで40〜60日かかるという。最も大きな井戸では、24時間で約3000万立方フィートのガスが得られると推定されていますが、良い井戸ではこの半分と考えることができます。坑口から噴出するガスの圧力は、1平方インチあたり200ポンド（約1.6kg）近くあります。井戸から9マイル離れたガス使用工場でも、圧力は1平方インチ当たり75ポンドである。純水の供給が望まれていたある井戸では、井戸から出るガスの直圧で動く小さなエンジンを見つけました。こうして、谷間の泉から素晴らしい水の供給が得られるようになったのです。現在、11本のパイプが、さまざまな井戸からピッツバーグ周辺の製造工場にガスを送っている。このうち後半の距離のものは、最大で直径12インチ。全体では8インチのものもある。もともと敷設されていた線は直径6インチである。多くの製鉄所にはまだガスを利用する器具がなく、多くのガスが浪費されている。ピッツバーグで初めてガスが使用されてからまだ2年しか経っていませんが、これらの工場ではすでに1日当たり約4万ブッシェルの石炭がガスに置き換えられています。60余りのガラス工場では、1日当たり約2万ブッシェルの石炭を必要としていましたが、今ではほとんどがこの天然ガスを使用しています。ピッツバーグ周辺の市外工場では、ガスに取って代わられた石炭の量は、市内で使われなくなった量とほぼ同じです。ガスが一般に使用されるようになると、ピッツバーグで労働力を必要としなくなる人の数は5,000人と推定される。この地区で行われているすべての製造業が、この新しい燃料で操業されるようになるのは、ほんの数ヵ月のことである。この論文に添付された分析からわかるように、ガスは石炭よりはるかに純粋な燃料であり、この性質は鉄鋼、ガラス、その他の製品の製造に大いに役立つことが証明されている。この燃料は、鉄鋼、ガラス、その他いくつかの製品の製造に大きな利点をもたらすものである。1社、あるいは2社を除いて、この新しい燃料の使用において節約する努力はしていない。わがユニオン・アイアン・ミルズでは、各水溜め炉に小型の再生装置を取り付けており、これによって燃料の大部分を節約している。ガス会社は近いうちに、このような装置の採用をメーカーに要求してくるに違いない。現在、ガス会社では、ガスが常に大量に余っているため、好きなだけガスを使うことを許している。現在では、前年度の石炭代と同額で、あらゆる用途にガスを供給する契約が結ばれている。このガスを家庭用に使っている人は皆、煙が多くて汚い瀝青炭からの転換を喜んでいる。このガスが以前の燃料の3倍の値段であったとしても、元の燃料には戻れないと言う人もいるくらいだ。したがって、シェフィールドでさえ清潔と見なされるほど黒く汚れているこの都市が、世界で最も清潔な製造拠点となるような革命を起こすことは、十分にあり得ることなのだ。この街の圧延工場を見て回れば、研究所のメンバーも驚くことだろう。たとえば、鉄鋼レール工場では、以前なら腰まで裸になった30人のストーカーが、24時間に約400トンの石炭を必要とするボイラーを燃やしているところを見かけました。煙は一滴も出ない。製鉄所では、水溜め係が炉の石炭貯蔵庫を白く塗り替えました。私はここで言うまでもないが、この共和国を訪れるかもしれない研究所の仲間たちが、この最新かつ最も興味深い燃料問題の進展を自分の目で確かめる機会を与えられるよう手配することが、私にとってどれほどの喜びであろうかと思うのである。母なる大地は、われわれが使用できるすべての燃料とそれ以上のものを供給し、われわれはそれをボイラーの下や加熱炉や水溜め炉に導き、マッチを当てるよう求めるだけである。冬の間、ピッツバーグでは、不適切に敷設されたパイプからガスが漏れたために、いくつかの爆発事故が発生しました。霜が数フィート地中に入り込み、上方に逃げるのを妨げたため、放出されたガスは家屋の地下室に入り込み、無臭であるため、その存在を感知することができなかったのである。しかし、この危険は来年までに改善される予定である。このため、市内を通るパイプの圧力を低くし、地表に通じる逃がしパイプを地表に沿って頻繁に設置することになった。製造所の場合、ガスは頭上の工場に導かれ、パイプはすべて屋外にあるため、爆発の危険はない。

この新しい燃料の価値は、最近開かれたアメリカ機械学会で発表された委員会の報告書から、次のような部分を引用して知ることができる。「天然ガスは、水素の次に強力な気体燃料であり、適切に利用すれば、理論上の発熱量のほとんどを水の蒸発に利用することができるので、最も経済的な燃料の一つである。硫黄をはじめとする有害な元素を含まないので、石炭燃料よりも優れた鉄、鋼、ガラスを作ることができる。扉を開ける必要もなく、火格子上に冷気を取り込む空白もないので、より規則正しく蒸気を作ることができ、適切に配置すれば、蒸気圧を調整し、担当者は水の管理以外何もする必要がなく、揮発性の水テンダーを信頼しようと思えばそれすら達成することができる。ボイラーも長持ちするし、熱い鉄板の上に冷たい空気が入ってきて、不均等な膨張と収縮による爆発も少なくなる。

「直径42インチ、長さ10フィート、管径4インチのレトルト・ボイラーを使って、蒸気を発生させる際の燃料としてのガスの価値を石炭と比較して確認するための実験が行われた。このボイラーには、まず4インチ角に割ったユージオゲニー炭を入れ、ボイラーに取り付けた煙突で最良の結果が得られるように炉に装入した。消費した石炭1ポンドに対して蒸発した水が9ポンドというのが、最も良い結果であった。水は、吸入口と吐出口の2つのメーターで測定された。水は60°から62°の温度でヒーターに供給され、ヒーターはガスと石炭のどちらの実験でもボイラーから煙突につながる煙道に置かれた。計算には、Pittsburg地区の標準的な76ポンドブッシェルを使用した。1ブッシェルあたり684ポンドの水が蒸発し、これは石炭の理論値の60.9パーセントにあたる。同じボイラーでガスを燃焼させ、炉を変えて、1ポンドのガスを2.35立方フィートとすると、蒸発した水は20.31ポンドで、理論熱量の83.4パーセントが利用されたことがわかった。蒸気は大気圧下で、背圧を防ぐのに十分な大きな開口部があり、ガスと石炭の燃焼は急がなかった。しかし、ガスでは、炉の壁にかかる圧力が3オンスのとき、燃焼生成物を取り除くのに十分な量を除いて、スタックの隣の端のチューブをすべて閉じ、火を最大限に活用すると、ほとんど同じ結果を得られることがわかった。従って、ボイラーのシェルに最も大きな働きがあると結論づけられたのである。

この新しい燃料について、鉄鋼協会の会員にこれほど多くの情報を提供できるのは、今日この問題の最高権威であるエドガー・トムソン製鉄所の主任化学者、S・A・フォード氏からの非常に優れた通信を本紙に掲載する以外にないだろう。

「天然ガスの加熱特性が石炭より優れていることはよく知られているので、このガスの分析と、石炭の加熱能力との比較を示す計算は興味深いものであろう。これらの計算は、もちろんどちらの場合も理論的なもので、1トンの石炭でも1,000立方フィートの天然ガスでも、その熱の総量が完全に利用されるとは思ってはいけない。これらの計算を行うにあたり、私は平均的な化学組成のガスを基準として採用した。なぜなら、同じ井戸からのガスでもその組成は絶えず変化することがわかったからである。したがって、同じ井戸から採取したガスでも、採取日が異なれば、窒素は23パーセントからゼロ、炭酸は2パーセントからゼロ、酸素は4パーセントから0.4パーセントと、すべての成分ガスが異なるのである。このガス1,000立方フィートの理論発熱量を示す前に、いくつかの分析結果を記しておく。最初の4つは同じ井戸からのガスで、分析されたのと同じ日に採取されたものである。最後の2つは、East Liberty地区の2つの異なる井戸からのものです。

                          天然ガスの分析

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
                    |   1    |    2   |    3   |   4    |   5    |   6    |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
試験日時　 .........|10-28-84|10-29-84|11-24-84|12-4-84 |10-18-84|10-25-84|
                    | per ct.| per ct.| per ct.| per ct.| per ct.| per ct.|
炭酸　　　　  ......|    0.8 |    0.6 |   Nil. |   0.4  |  Nil.  |    0.30|
炭酸ガス......|    1.0 |    0.8 |    .58 |   0.4  |    1.0 |    0.30|
酸素... ... ......|    1.1 |    0.8 |    .78 |   0.8  |    2.10|    1.20|
オレフィエントガス .......|    0.7 |    0.8 |    0.98|   0.6  |    0.80|    0.6 |
エチルハイドライド ....|    3.6 |    5.5 |    7.92|  12.30 |    5.20|    4.8 |
マーシュガス ..........|   72.18|   65.25|   60.70|  49.58 |   57.85|   75.16|
水素 ...........|   20.02|   26.16|   29.03|  35.92 |    9.64|   14.45|
窒素 ...........|  Nil.  |  Nil.  |  Nil.  | Nil.   |   23.41|    2.89|
単位毎の熱 .........|728,746 |698,852 |627,170 |745,813 |592,380 |745,591 |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

"ここで、天然ガスと石炭を重量で比較した場合、言い換えれば、何立方フィートの天然ガスが、ある重量、例えば1トンの石炭と同じだけの熱量単位を含んでいるかということを示すことにします。この目的を達成するためには、前にも述べたように、私が平均的な化学組成のガスと考えるものを計算の基礎とせざるを得ない。

                                        パーセント

炭酸............................0.60パーセント 0.60
酸化炭酸...........................0.60 0.60
酸素.........................0.80 0.80
オレフィエントガス........................ 1.00
水素化エチル......................... 5.00
マーシュガス.......................... 67.00
水素...........................22.00
窒素.......................... 3.00

さて、これらの気体の比重から、この気体100リットルの重さは64.8585グラムとなることがわかります。

                                               重量

                             リットル、グラム

マーシュガス...........................67.0 67.0 48.0256
オレフィエントガス........................  1.0 1.2534
エチリックハイドライド  5.0 6.7200
水素...............22.0 1.9712
窒素含有量  3.0 3.7632
炭酸...................6  0.6 1.2257
酸化炭酸...................6  0.6 0.7526
酸素..........................  0.8 1.1468
                           -------
合計.............................. 64.8585

次に、これらの気体の熱の単位をとると、次のようになります。

                                        熱の単位

                           グラム 含まれている

マーシュガス..........................48.0256 48.0256 627,358
オレフィエントガス.........................1.2534 14,910  1.2534 14,910
水素化エチル  6.7200 77,679
水素.........................  1.9712 67,929
一酸化炭素...............0.7526  0.7526 1,808
窒素..........................  3.7630 -----
炭酸.........................1.2257  1.2257 -----
酸素...........................  1.1468 -----
                            ------- -------
合計 64.8585 789,694

64.8585グラムはほぼ1,000粒で、このガス1立方フィートは267.9粒になる。"とすると、100リットル、つまり64.8585グラム、1,000粒は3761立方フィート。このガス3761立方フィートには789,694熱単位があり、1立方フィートには2106万9604熱単位が入ることになります。さて、この気体1,000立方フィートは265,887グレイン、丸数字で38ポンド（約3.5トン）の重さになる。64.8585グラムすなわち1,000グラムの炭素は523,046熱単位を含み、265,887グラムすなわち38ポンドの炭素は139,398,896熱単位を含むことが分かる。そうすると、57.25ポンドの炭素は、1,000立方フィートの天然ガスと同じ熱量、すなわち210,069,604個を含んでいることになる。さて、コークスには90パーセントの炭素が含まれているとすると、62.97ポンドのコークスがあり、天然ガス1,000立方フィートと同じ熱量である。そして、コークス1トン、つまり2,000ポンドが10セントであるとすれば、62.97ポンドは4セントとなり、1,000立方フィートのガスはその発熱力で4ドンの価値があることになる。このガスの発熱量を、ピッツバーグ炭の一般的な平均値よりわずかに高い炭を基準にして、瀝青炭と比較してみることにする。

                                           パーセント

炭素.............................82.75パーセント 82.75
水素.................................  5.31
窒素含有量.........................  1.04
酸素量.........................  4.64
灰分...........................  5.31
硫黄分.........................  0.95

「この石炭は38ポンドで、146,903,820熱量があることがわかる。64.4ポンドの石炭は210,069,640熱量を持ち、54.4ポンドの石炭は1,000立方フィートの天然ガスと同等の発熱量であることがわかります。石炭の値段が1トン2,000ポンドあたり5セントだとすると、54.4ポンドは1.632ドルで、1,000立方フィートのガスはその熱量で1.632ドルの価値があるのだ。石炭の価格が上下すれば、ガスの価値も当然その割合で変化する。したがって、石炭の価格が1トン当たり10セントの場合、ガスは1,000立方フィート当たり3.264セントの価値があることになります。石炭54.4ポンドがガス1,000立方フィートに相当するとすると、1トンすなわち2,000ポンドは36,764立方フィートに相当し、石炭2,240ポンドは天然ガス40,768立方フィートに相当することになる。このガスを無煙炭と比較すると、1,000立方フィートのガスは58.4ポンドのこの石炭に相当し、2,000ポンドの石炭は34,246立方フィートの天然ガスに相当することが分かる。この石炭が1トンあたり26sとすると、1,000立方フィートの天然ガスは、その加熱力から9½d.の価値があることになる。このガスのサンプルを採取していると、井戸から非常に興味深い堆積物があることに気がついた。ある井戸では、パイプが灰白色の柔らかい物質でほぼ一杯になり、試験した結果、これがカルシウムの塩化物であることが判明した。別の井戸では、ガス脈が打たれて間もなく、アンモニア炭酸塩の結晶が投げ出され、ガスを検査してみると、かなりの量のこのアルカリが検出された。この井戸では、ガスが打たれてから約2ヵ月後まで、カルシウムの塩化物は観察されなかった。このようにガスと石炭の加熱力を計算する場合、当然ながら放射による熱の損失などは考慮されていない。私の目的は、この2つの燃料を単に熱単位での実際の値で比較することにある。

しかし、現在1日当たり7万バレルの石油を産出し、20年間毎年増加し続けている石油地域の生産力に関する経験を考慮すると、ガスの産出がすでに証明されている地域は、ピッツバーグとその周辺の少なくとも現在の世代のために十分であるという専門家の意見を疑う理由はないだろう。

脚注 

サイエンティフィック・アメリカン