煤气

定义

煤气是指以煤为原料经加工制得的、含有可燃组分的气体。它属于气体燃料，可燃成分以氢气、一氧化碳和甲烷为主，另外常含氮、二氧化碳等不可燃组分^[1][2]。煤气种类繁多，成分差别很大，按其来源和生产方法一般归入人工煤气一类，与天然气、液化石油气、沼气并列为常见的燃气类型^[3]。

在中文语境中，煤气一词有时泛指各种可燃气体，但其本义指由固体燃料加工而来的煤制气。由于原料与工艺不同，同称煤气的产品在热值、组分和毒性上可以有数倍之差，因此行业里通常要注明具体种类，如发生炉煤气、水煤气、焦炉煤气等。

原理

煤气的制取主要有两条技术路线。一条是气化，即让煤或焦炭在高温下与气化剂反应，把固体燃料转化为气体。以空气为气化剂时，碳与氧反应生成一氧化碳，所得空气煤气可燃成分少、热值低；以水蒸气为气化剂时发生吸热反应 $C + H_2O \rightarrow CO + H_2$，得到以一氧化碳和氢气为主的水煤气^[4][5]。

另一条路线是干馏，把煤隔绝空气加热，使煤中的挥发物析出，同时得到焦炭、焦油和煤气。焦炉煤气即炼焦过程的副产品，含氢量高、热值较高，是最常见的城市煤气气源之一^[6]。

煤气燃烧的本质是可燃组分与氧发生氧化反应并放热，以一氧化碳为例，$2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2$^[5]。各类煤气热值差别明显：空气煤气每标准立方米仅 800～900 大卡，混合发生炉煤气约 1200～1500 大卡，水煤气约为发生炉煤气的 1 倍，焦炉煤气每标准立方米约 17～19 兆焦^[4][6]。

发展历程

煤制气技术在 19 世纪的欧洲随工业革命成形，并很快用于城市照明。1812 年英国建成人工煤气厂并成立世界上第一个煤气公司，此后各国城市燃气大体经历了先以煤制气为主、再转向油制气、最后以天然气为主的三个阶段^[7]。

中国内地的城市煤气始于上海。1865 年 11 月 1 日，英商在上海建成煤气厂并开始供气，南京路上的煤气路灯取代了煤油灯，上海因此成为较早使用管道煤气的城市之一^[8][9]。此后很长时期内煤气主要用于道路照明和少量家庭，到 1949 年，全国仅上海、大连、沈阳、哈尔滨等 9 个城市有煤气设施，且多为焦炉煤气^[10]。

1949 年以后，煤气逐步转为炊事和取暖燃料。上海到 1966 年煤气普及率为 15.2%，1986 年浦东煤气厂一期工程部分投产后日产煤气 30 万立方米^[9]。全国城市人工煤气供气总量从 1978 年的 17.25 亿立方米增至 2009 年的最高值 361.55 亿立方米^[10]。

随着西气东输等天然气工程投运，煤气在城市燃气中的份额逐年下降。中国城市人工煤气供气量 2017 年降至 49.44 亿立方米；上海则于 2015 年 6 月完成最后一户人工煤气用户转换，结束约 150 年的人工煤气使用历史^[10][11]。

应用

煤气的主要用途是作燃料。民用方面，它通过固定管网输送到住户，供煤气灶、热水器等燃具使用；城市管道煤气的每立方米热值大致在 3500 大卡上下，上海在天然气化之前人工煤气每立方米热值约 3800 大卡^[12][11]。

工业方面，发生炉煤气、混合煤气常用作各种工业炉的加热燃料，高炉煤气、转炉煤气则是钢铁冶炼过程中的副产品，回收后可作为厂内燃料，降低企业能耗^[4][13]。不同热值的煤气对应不同炉型，高热值煤气可用于平炉、玻璃窑等高温加热场合^[1]。

化工方面，煤气中的一氧化碳和氢气是重要原料，可用于合成氨、合成甲醇，这类用作原料的煤气被称为合成气，也可由天然气、轻质油等制得^[4]。此外，以煤气、天然气、沼气等为燃料的内燃机被称为煤气机^[14]。

局限

煤气最突出的问题是毒性。其一氧化碳含量较高，而一氧化碳无色无味，与血红蛋白的结合能力强于氧，吸入后会使血液输氧能力下降，造成组织缺氧；空气中一氧化碳浓度低至 0.02% 即可引起头痛、恶心，达到 0.1% 时可致人失去意识^[5]。为便于察觉泄漏，供气方通常向煤气中加入有气味的物质^[15]。

煤气还易燃易爆。其爆炸极限随组分不同而有差异，一般约在 4.5%～35.8%，与空气混合达到相应比例后遇火源即可爆燃^[12]。一氧化碳本身有毒且易燃，其爆炸极限为 12.5%～74%，自燃温度约 609 ℃^[5]。

在能源属性上，煤气也存在明显短板。它的热值低于天然气，难以压缩，只能依靠固定管道就近输送，储气和管道设施占用的空间比同等热量的液体燃料大得多^[12][1]。气化煤气还普遍存在热值低、一氧化碳含量高的问题，一般不宜单独作为城市燃气气源^[16]。

经济与环保方面，人工煤气生产成本较高，制气环节对环境有一定污染，加之煤制气需消耗大量煤炭，其城市应用规模在天然气普及后持续缩小^[3]。水煤气生产因反应吸热需间歇操作，热效率约 54%，成本高、设备复杂，作燃料气的使用也相对有限^[2]。

参见

• 天然气 —— 以甲烷为主的气体燃料，热值高于煤气，是城市燃气的主要替代气源。

• 液化石油气 —— 以丙烷、丁烷为主的可燃气体，常以液态储存和瓶装供应。

• 焦炉煤气 —— 煤高温干馏炼焦时的副产品，含氢量高，属中热值煤气。

• 水煤气 —— 水蒸气与炽热碳反应制得的气体，主要成分为一氧化碳和氢气。

• 一氧化碳 —— 煤气的主要可燃成分，也是煤气中毒的成因物质。

• 合成气 —— 以一氧化碳和氢气为主、用于合成氨和甲醇的原料气。