История газообразного топлива , важного для освещения, отопления и приготовления пищи на протяжении большей части 19-го века и первой половины 20-го века, началась с развитием аналитической и пневматической химии в 18-м веке. Эти «синтетические топливные газы » (также известные как «искусственный топливный газ», «искусственный газ» или просто «газ») были получены путем газификации горючих материалов, обычно угля, но также древесины и нефти, путем нагревания их в закрытых печах с бедной кислородом атмосферой. Полученные топливные газы представляли собой смеси многих химических веществ , включая водород , метан , оксид углерода и этилен . Угольный газ также содержит значительные количества нежелательных соединений серы и аммиака , а также тяжелых углеводородов и должен быть очищен перед использованием.
Первые попытки производства топливного газа коммерческим способом были предприняты в период 1795–1805 гг. во Франции Филиппом Лебоном и в Англии Уильямом Мердоком . Хотя можно найти предшественников, именно эти два инженера разработали технологию с расчетом на коммерческое применение. Фредерик Уинзор был ключевым игроком, стоящим за созданием первой газовой компании, лондонской Gas Light and Coke Company , зарегистрированной королевской хартией в апреле 1812 г.
Предприятия по производству газа были основаны сначала в Англии , а затем в остальной Европе и Северной Америке в 1820-х годах. Технология увеличилась в масштабах. После периода конкуренции бизнес-модель газовой промышленности созрела в монополиях, где одна компания поставляла газ в определенную зону. Право собственности на компании варьировалось от прямой муниципальной собственности, например, в Манчестере, до полностью частных корпораций, например, в Лондоне и большинстве городов Северной Америки. Газовые компании процветали в течение большей части девятнадцатого века, обычно возвращая хорошую прибыль своим акционерам, но также были предметом многочисленных жалоб по поводу цены.
Наиболее важным применением искусственного газа в начале 19 века было газовое освещение , как удобная замена свечам и масляным лампам в доме. Газовое освещение стало первой широко распространенной формой уличного освещения . Для этого использования были необходимы газы, которые горели с очень ярким пламенем, «осветительные газы», в отличие от других применений (например, в качестве топлива), где тепловая мощность была основным фактором. Соответственно, некоторые газовые смеси с низкой собственной светимостью, такие как газ голубой воды , были обогащены нефтью, чтобы сделать их более подходящими для уличного освещения.
Во второй половине XIX века индустрия производства топливного газа диверсифицировалась от освещения к отоплению и приготовлению пищи. Угроза со стороны электрического света в конце 1870-х и 1880-х годов сильно подстегнула эту тенденцию. Газовая промышленность не уступила рынок газового освещения электричеству немедленно, поскольку изобретение калильной сетки Вельсбаха , огнеупорного сетчатого мешка, нагреваемого до накала в основном несветящимся пламенем внутри, резко увеличило эффективность газового освещения. Ацетилен также использовался примерно с 1898 года для газового приготовления пищи и газового освещения (см. Карбидная лампа ) в меньших масштабах, хотя его использование также сократилось с появлением электрического освещения, а сжиженный нефтяной газ — для приготовления пищи. [1] Другие технологические разработки в конце XIX века включают использование водяного газа и машинного сжигания, хотя они не были приняты повсеместно.
В 1890-х годах трубопроводы от месторождений природного газа в Техасе и Оклахоме были построены в Чикаго и другие города, и природный газ использовался в качестве дополнения к поставкам произведенного топливного газа, в конечном итоге полностью вытеснив его. Газ перестали производить в Северной Америке к 1966 году (за исключением Индианаполиса и Гонолулу), тогда как в Европе это продолжалось до 1980-х годов. «Производственный газ» снова оценивается как источник топлива, поскольку энергетические компании снова смотрят на газификацию угля как на потенциально более чистый способ получения энергии из угля, хотя в настоящее время такие газы, скорее всего, будут называться « синтетическим природным газом ».
Пневматическая химия развивалась в восемнадцатом веке благодаря работам таких ученых, как Стивен Хейлз , Джозеф Блэк , Джозеф Пристли , Антуан-Лоран Лавуазье и других. До восемнадцатого века газ не признавался отдельным состоянием материи. Скорее, хотя некоторые механические свойства газов были поняты, как это было продемонстрировано экспериментами Роберта Бойля и разработкой воздушного насоса , их химические свойства не были поняты. Газы рассматривались в соответствии с аристотелевской традицией четырех элементов как воздух, один из четырех основных элементов. Различные виды воздуха, такие как гнилостный воздух или воспламеняющийся воздух, рассматривались как атмосферный воздух с некоторыми примесями, очень похожий на мутную воду.
После того, как Джозеф Блэк понял, что углекислый газ на самом деле является совершенно другим видом газа, отличным от атмосферного воздуха, были идентифицированы другие газы, включая водород , обнаруженный Генри Кавендишем в 1766 году. Алессандро Вольта расширил список, открыв метан в 1776 году. Также давно было известно, что горючие газы можно получать из большинства горючих материалов, таких как уголь и древесина, с помощью процесса перегонки . Стивен Хейлз, например, писал об этом явлении в « Овощной статике» в 1722 году. В последние два десятилетия восемнадцатого века, по мере открытия большего количества газов и усложнения методов и инструментов пневмохимии, ряд натурфилософов и инженеров задумывались об использовании газов в медицинских и промышленных целях. Одним из первых таких применений было воздухоплавание, начавшееся в 1783 году, но вскоре последовали и другие применения. [2]
Одним из результатов увлечения воздухоплаванием в 1783–1784 годах стало первое применение освещения с помощью искусственного газа. Профессор естественной философии в университете Лувена Ян Питер Минкелерс и двое его коллег получили от своего покровителя, герцога Аренберга , задание исследовать воздухоплавание. Они так и сделали, построив аппарат для получения более легких, чем воздух, горючих газов из угля и других горючих веществ. В 1785 году Минкелерс использовал часть этого аппарата для газификации угля, чтобы осветить свой лекционный зал в университете. Он не стал распространять газовое освещение за пределы этого, и когда он был вынужден бежать из Лёвена во время Брабантской революции , он вообще отказался от проекта. [3]
Филипп Лебон был французским инженером-строителем, работавшим в государственном инженерном корпусе, который заинтересовался во время учебы в университете дистилляцией как промышленным процессом для производства таких материалов, как смола и нефть. Он окончил инженерную школу в 1789 году и был направлен в Ангулем. Там он исследовал дистилляцию и узнал, что газ, получаемый при дистилляции древесины и угля, может быть полезен для освещения, отопления и в качестве источника энергии в двигателях. Он получил патент на процессы дистилляции в 1794 году и продолжил свои исследования, в конечном итоге спроектировав дистилляционную печь, известную как термолампа . Он подал заявку и получил патент на это изобретение в 1799 году, с дополнением в 1801 году. Он начал маркетинговую кампанию в Париже в 1801 году, напечатав брошюру и арендовав дом, где он проводил публичные демонстрации со своим аппаратом. Его целью было собрать достаточно средств от инвесторов для запуска компании, но ему не удалось привлечь такого рода интерес, ни со стороны французского государства, ни из частных источников. Он был вынужден отказаться от проекта и вернуться в корпус гражданского строительства. Хотя французское правительство предоставило ему лесную концессию для экспериментов с производством смолы из древесины для использования в военно-морских целях, он так и не добился успеха с термолампой и умер при невыясненных обстоятельствах в 1805 году. [4]
Хотя термолампа вызвала некоторый интерес во Франции, наибольший интерес она вызвала в Германии. В период с 1802 по 1812 год на эту тему было написано множество книг и статей. В Германии также были разработаны и построены термолампы, наиболее важные из которых были разработаны Захаусом Винцлером, австрийским химиком, управлявшим фабрикой по производству селитры в Бланско. Под покровительством аристократической семьи цу Сальм он построил большую фабрику в Брно. Он переехал в Вену, чтобы продолжить свою работу. Однако термолампа использовалась в первую очередь для производства древесного угля, а не для производства газов. [5] [6]
Уильям Мердок (иногда Мердок) (1754–1839) был инженером, работавшим в фирме Boulton & Watt , когда, исследуя процессы дистилляции где-то в 1792–1794 годах, он начал использовать угольный газ для освещения. В то время он жил в Редруте в Корнуолле и провел несколько небольших экспериментов с освещением собственного дома угольным газом. Вскоре он забросил эту тему до 1798 года, когда он переехал в Бирмингем, чтобы работать в домашней базе Boulton & Watt в Сохо . Затем Boulton & Watt инициировали еще одну небольшую серию экспериментов. Из-за продолжающихся патентных тяжб и их основного бизнеса паровых двигателей, от этой темы снова отказались. Грегори Уатт, второй сын Джеймса Уатта, во время путешествия по Европе увидел демонстрации Лебона и написал письмо своему брату Джеймсу Уатту-младшему , сообщив ему об этом потенциальном конкуренте. Это побудило Джеймса Уатта-младшего начать программу разработки газового освещения в Boulton & Watt, которая должна была масштабировать технологию и привести к первому коммерческому применению газового освещения. [7] [8]
После первоначальной установки на литейном заводе Сохо в 1803–1804 годах, Boulton & Watt подготовили аппарат для текстильной фирмы Philips & Lee в Солфорде около Манчестера в 1805–1806 годах. Это была их единственная крупная продажа до конца 1808 года. Джордж Август Ли был главной движущей силой разработки аппарата. Он питал живой интерес к технологиям и внедрил ряд технологических инноваций на фабрике Солфорда, таких как конструкция железного каркаса и паровое отопление. Он продолжал поощрять развитие технологии газового освещения в Boulton & Watt. [7] [8]
Первой компанией, которая поставляла потребителям искусственный газ в качестве коммунального обслуживания, была лондонская Gas Light and Coke Company . Она была основана усилиями немецкого эмигранта Фредерика Уинзора , который был свидетелем демонстраций Лебона в Париже. Он безуспешно пытался купить термолампу у Лебона, но остался очарован технологией и решил попытать счастья, сначала в своем родном городе Брансуик , а затем в Лондоне в 1804 году. Оказавшись в Лондоне, Уинзор начал интенсивную кампанию по поиску инвесторов для новой компании, которая бы производила газовые приборы и продавала газ потребителям. Ему удалось найти инвесторов, но юридическая форма компании оказалась более сложной проблемой. Согласно Закону о пузырях 1720 года, все акционерные компании, превышающие определенное число акционеров в Англии, должны были получить королевскую хартию для учреждения, что означало, что требовался акт парламента.
Уинзор вел свою кампанию с перерывами до 1807 года, когда инвесторы создали комитет, которому было поручено получить акт парламента. Они преследовали эту задачу в течение следующих трех лет, сталкиваясь с трудностями на пути, наиболее важным из которых было сопротивление Boulton & Watt в 1809 году. В том году комитет предпринял серьезную попытку заставить Палату общин принять законопроект, уполномочивающий короля выдавать хартию, но Boulton & Watt почувствовали, что их бизнес по производству газовых приборов находится под угрозой, и организовали оппозицию через своих союзников в парламенте. Хотя парламентский комитет рекомендовал одобрение, оно было отклонено в третьем чтении.
В следующем году комитет предпринял еще одну попытку, добившись успеха с согласия Boulton & Watt, поскольку они отказались от всех полномочий по производству аппаратов для продажи. Акт требовал, чтобы компания собрала £100 000, прежде чем они смогут запросить хартию, условие, на выполнение которого ушло два года. Георг III предоставил хартию в 1812 году.
С 1812 по примерно 1825 год искусственный газ был преимущественно английской технологией. После 1812 года было основано несколько новых газовых коммунальных предприятий для обслуживания Лондона и других городов Великобритании. Первыми в 1816 году были Ливерпуль, Эксетер и Престон. Вскоре последовали и другие; к 1821 году ни один город с населением более 50 000 человек не обходился без газового освещения. Пять лет спустя было только два города с населением более 10 000 человек, в которых не было газового освещения. [9] В Лондоне рост газового освещения был быстрым. Новые компании были основаны в течение нескольких лет после Gas Light and Coke Company, и последовал период интенсивной конкуренции, поскольку компании боролись за потребителей на границах своих соответствующих зон операций. Фредерик Аккум в различных изданиях своей книги о газовом освещении дает хорошее представление о том, как быстро технология распространилась в столице. В 1815 году он писал, что в городе было 4000 ламп, обслуживаемых 26 милями (42 км) магистралей. В 1819 году он увеличил свою оценку до 51 000 ламп и 288 миль (463 км) магистралей. Аналогично, в 1814 году в Лондоне было всего два газовых завода , а к 1822 году их было семь, а к 1829 году — 200 компаний. [7] : 72 Правительство не регулировало отрасль в целом до 1816 года, когда парламентский акт создал должность инспектора газовых заводов, первым владельцем которой стал сэр Уильям Конгрив . Даже тогда не было принято никаких законов, регулирующих всю отрасль до 1847 года, хотя законопроект был предложен в 1822 году, но он был отклонен из-за противодействия газовых компаний. [7] : 83 Однако уставы, одобренные парламентом, содержали различные положения, например, о том, как компании могут разбивать дорожное покрытие и т. д.
Первая газовая компания Франции также была создана Фредериком Винзором после того, как ему пришлось бежать из Англии в 1814 году из-за невыплаченных долгов. Он попытался основать еще одну газовую компанию в Париже, но она потерпела неудачу в 1819 году. Правительство также было заинтересовано в развитии отрасли и в 1817 году поручило Шабролю де Вольвику изучить технологию и построить прототип завода, также в Париже. Завод обеспечивал газом освещение больницы Сен-Луи , и эксперимент был признан успешным. [10] Затем король Людовик XVIII решил дать дальнейший импульс развитию французской промышленности, отправив людей в Англию для изучения ситуации там и установки газового освещения в ряде престижных зданий, таких как здание Парижской оперы , Национальная библиотека и т. д. Для этой цели в 1818 году была создана государственная компания. [11] Вскоре последовали частные компании, и к 1822 году, когда правительство приняло меры по регулированию отрасли, в столице работало четыре компании. Принятые тогда правила не позволяли компаниям конкурировать, и Париж был фактически разделен между различными компаниями, работающими как монополии в своих собственных зонах. [12]
Газовое освещение распространилось и на другие европейские страны. В 1817 году в Брюсселе была основана компания PJ Meeus-Van der Maelen, которая начала работать в следующем году. К 1822 году в Амстердаме и Роттердаме появились компании, использующие английскую технологию. [13] В Германии газовое освещение использовалось в небольших масштабах с 1816 года, но первая газовая коммунальная служба была основана английскими инженерами и капиталом. В 1824 году в Лондоне была основана Imperial Continental Gas Association для создания газовых коммунальных служб в других странах. Сэр Уильям Конгрив, 2-й баронет , один из ее лидеров, подписал соглашение с правительством в Ганновере, и газовые фонари впервые были использованы на улицах в 1826 году. [14]
Газовое освещение впервые было представлено в США в 1816 году в Балтиморе Рембрандтом и Рубенсом Пилом, которые освещали свой музей газовым освещением, которое они видели во время поездки в Европу. Братья убедили группу богатых людей поддержать их в более крупном предприятии. Местное правительство приняло закон, позволяющий Пилам и их партнерам прокладывать магистрали и освещать улицы. Для этой цели в 1817 году была зарегистрирована компания. После некоторых трудностей с аппаратом и финансовых проблем компания наняла английского инженера с опытом работы с газовым освещением. Она начала процветать, и к 1830-м годам компания поставляла газ 3000 бытовым потребителям и 100 уличным фонарям. [15] Затем последовали компании в других городах, второй стала Boston Gas Light в 1822 году и New York Gas Light Company в 1825 году. [16] Газовый завод был построен в Филадельфии в 1835 году. [17]
Компания Australian Gas Light Company , основанная в 1837 году, открыла первый газовый завод в Австралии в Миллерс-Пойнт в Сиднее в 1841 году. [18]
Газовое освещение было одной из самых обсуждаемых технологий первой промышленной революции. В Париже еще в 1823 году разногласия заставили правительство разработать стандарты безопасности (Fressoz, 2007). Остатки, полученные из перегнанного угля, часто либо сливались в реки, либо хранились в бассейнах, которые загрязняли (и продолжают загрязнять) почву. Одним из ранних исключений был Эдинбургский газовый завод, где с 1822 года остатки перевозились на тележках, а затем перекачивались по трубопроводу на химический завод Боннингтона и перерабатывались в ценные продукты. [19]
Однако прецедентное право в Великобритании и США четко установило, что строительство и эксплуатация газового завода не были созданием общественного беспокойства или malum in se из-за репутации газовых заводов как крайне нежелательных соседей и пагубного загрязнения, которое, как известно, исходило от таких, особенно в первые дни производства газа, газовые заводы были крайне быстро уведомлены судами о том, что (обнаруживаемое) загрязнение за пределами их территории – особенно в жилых районах – будет строго осуждаться. Действительно, многие иски об устранении беспокойства, поданные в суды, действительно привели к неблагоприятным вердиктам для производителей газа – в одном исследовании раннего экологического права иски о беспокойстве, связанные с газовыми заводами, привели к результатам для истцов в 80% случаев, по сравнению с общим показателем побед истцов в 28,5% в делах о промышленных беспокойствах. [20]
Предписания как предварительные, так и постоянные могли и часто выносились в делах, связанных с газовыми заводами. Например, дурная репутация газовых заводов стала настолько общеизвестной, что в деле City of Cleveland vs. Citizens' Gas Light Co. , 20 NJ Eq. 201 , суд зашел так далеко, что наложил запрет на будущий газовый завод, который еще даже не был построен, — не давая ему изначально вызывать раздражающие и неприятные испарения и запахи . Предписание не только регулировало процесс производства газа — запрещая использование известковой очистки — но и предусматривало, что если от заводов будут исходить какие-либо неприятности — суд вынесет постоянное предписание, запрещающее производство газа. [21] Действительно, как однажды заметил в своем мнении по делу Haines v. Taylor , 10 Beavan 80 , глава судебной коллегии лорд Лэнгдейл , я был весьма удивлен, услышав, что последствия газовых заводов рассматриваются как ничто... в наши дни каждый человек должен иметь достаточный опыт, чтобы прийти к выводу, что, независимо от того, является ли это неприятностью или нет, газовый завод — это очень неприятное дело. Никто не может сомневаться в том, что летучие продукты, которые возникают при перегонке угля, чрезвычайно неприятны. Это совершенно противоречит общему опыту, если сказать, что они не таковы... каждый человек это знает. [22] Однако со временем газовые заводы стали рассматриваться скорее как обоюдоострый меч — и в конечном итоге как положительное благо, поскольку прежние неприятности были уменьшены технологическими усовершенствованиями, и все преимущества газа стали очевидны. Было несколько основных стимулов, которые привели к этому явлению:
Как в эпоху консолидации газовых заводов с помощью распределительных систем высокого давления (1900-е–1930-е годы), так и в конце эпохи искусственного газа (1955–1975 годы) газовые заводы закрывались из-за избыточности. Конец искусственного газа был вызван тем, что начали строить трубопроводы, по которым природный газ напрямую из скважины поступал в газораспределительные системы. Природный газ превосходил искусственный газ того времени, будучи дешевле — его добывали из скважин, а не производили на газовом заводе — более удобным для пользователя — поступающим из скважины, требующим небольшой очистки, если таковая вообще требовалась — и более безопасным — из-за отсутствия оксида углерода в распределяемом продукте. После закрытия лишь немногие бывшие заводы искусственного газа были доведены до приемлемого уровня экологической чистоты, чтобы обеспечить их повторное использование, по крайней мере, по современным стандартам. Фактически, многие из них были буквально заброшены на месте, а отходы производства оставались на месте и никогда не утилизировались должным образом. В Соединенных Штатах, согласно отчету Агентства по охране окружающей среды за 1999 год, по всей стране насчитывается от 3000 до 5000 бывших заводов по производству газа. [23]
Поскольку отходы, производимые бывшими заводами по производству газа, были устойчивыми по своей природе, они часто (по состоянию на 2009 год) все еще загрязняют территорию бывших заводов по производству газа: отходы, вызывающие наибольшую озабоченность сегодня, в первую очередь, представляют собой каменноугольную смолу (смешанные длинноцепочечные ароматические и алифатические углеводороды, побочный продукт карбонизации угля ), в то время как «синий билли» (вредный побочный продукт очистки извести, загрязненный цианидами), а также другие остатки извести и каменноугольной смолы считаются менее опасными для окружающей среды, хотя и значительными. Некоторые бывшие заводы по производству газа сегодня принадлежат газовым компаниям, часто в попытке предотвратить попадание загрязненных земель в общественное пользование и непреднамеренно вызывая выброс содержащихся на них отходов. Другие попали в общественное пользование и без надлежащей рекультивации стали причиной — часто серьезной — опасности для здоровья своих пользователей. Когда и где это необходимо, бывшие заводы по производству газа подпадают под действие законов об экологической реабилитации и могут подлежать юридически предписанным очисткам.
Базовая конструкция газосветного аппарата была разработана Болтоном и Уоттом и Сэмюэлем Клеггом в период 1805–1812 гг. Дальнейшие усовершенствования были сделаны в Gas Light and Coke Company, а также растущим числом газовых инженеров, таких как Джон Малам и Томас Пекстон после 1812 г. Болтон и Уотт внесли базовую конструкцию реторты, конденсатора и газометра, в то время как Клегг усовершенствовал газометр и ввел очистку извести и гидравлическую магистраль, еще один очиститель.
Ретортный стол представлял собой конструкцию, в которой располагались реторты для карбонизации (синоним пиролиза) угольного сырья и выделения угольного газа. За годы производства искусственного газа были достигнуты успехи, которые превратили ретортный стол из немного большего, чем железные сосуды с углем над открытым огнем, в массивную, высокоэффективную, частично автоматизированную, капиталоемкую установку промышленного масштаба для карбонизации больших объемов угля. Несколько ретортных столов обычно располагались в одном «ретортном доме», который был как минимум один на каждом газовом заводе.
Первоначально ретортные скамьи имели множество различных конфигураций из-за отсутствия длительного использования и научного и практического понимания карбонизации угля. Некоторые ранние реторты были немногим больше, чем железные сосуды, заполненные углем и помещенные в угольный огонь с трубами, прикрепленными к их верхним концам. Хотя это было практично для самых первых газовых заводов, это быстро изменилось, как только ранние газовые заводы стали обслуживать больше, чем несколько клиентов. По мере того, как размер таких сосудов рос, — необходимость в эффективности повторного заполнения реторт стала очевидной — и стало очевидно, что заполнение односторонних вертикальных реторт было простым; удаление кокса и остатков из них после карбонизации угля было гораздо сложнее. Таким образом, газовые реторты перешли от вертикальных сосудов к горизонтальным трубчатым сосудам.
Реторты обычно изготавливались из чугуна в ранние дни. Первые газовые инженеры много экспериментировали с лучшей формой, размером и установкой. Ни одна форма реторты не доминировала, и многие различные поперечные сечения оставались в употреблении. После 1850-х годов реторты в основном стали делать из огнеупорной глины из-за лучшего удержания тепла, большей прочности и других положительных качеств. Чугунные реторты использовались на небольших газовых заводах из-за их совместимости с местными требованиями, с более низкой стоимостью чугунной реторты, способностью быстро нагреваться для удовлетворения временного спроса и возможностями замены «plug and play». Это перевешивало недостатки более короткого срока службы, более низких температурных пределов и невозможности изготовления нецилиндрических форм. Кроме того, общая практика газовых заводов после перехода на реторты из огнеупорной глины отдавала предпочтение ретортам, имеющим форму буквы «D», повернутой на 90 градусов влево, иногда со слегка наклонной нижней частью.
С введением огнеупорной реторты в ретортных стеллажах можно было поддерживать более высокие температуры, что приводило к более быстрому и полному обугливанию угля. По мере того, как стали возможны более высокие температуры, были внедрены передовые методы обжига в ретортных стеллажах, чему способствовало развитие мартеновской печи Сименсом около 1855–1870 годов, что привело к революции в эффективности газовых заводов .
В частности, двумя основными достижениями стали:
Эти два усовершенствования превратили старый, «прямообогреваемый» ретортный стол в усовершенствованный, «косвеннообогреваемый», «регенеративный» или «генеративный» ретортный стол и привели к снижению использования кокса в ретортных столах (на более крупных заводах) с более чем 40% кокса, производимого ретортами, до коэффициентов всего лишь 15% кокса, производимого ретортами, что привело к повышению эффективности на порядок. Эти усовершенствования добавили дополнительные капитальные затраты на ретортный стол, что заставило их медленно включаться в состав меньших газовых заводов, если они вообще были включены.
Дальнейшее повышение эффективности и безопасности было отмечено с введением «сквозной» реторты, которая имела дверь спереди и сзади. Это обеспечивало большую эффективность и безопасность при загрузке и выгрузке реторт, что было трудоемким и часто опасным процессом. Теперь уголь можно было выталкивать из реторты, а не вытаскивать из нее. Одной из интересных модификаций «сквозной» реторты была «наклонная» реторта, достигшая своего расцвета в 1880-х годах, — реторта, установленная на умеренном наклоне, куда уголь засыпался с одного конца, а реторта герметизировалась; после пиролиза дно открывалось, и кокс высыпался под действием силы тяжести. Это было принято на некоторых газовых заводах, но экономия труда часто сводилась на нет неравномерным распределением и пиролизом угля, а также проблемами с комкованием, приводившими к невозможности высыпания угля со дна после пиролиза, которые усугублялись в некоторых типах угля. Таким образом, наклонные реторты устарели из-за более поздних достижений, включая машину для перемещения реторт и вертикальную ретортную систему.
Было введено несколько усовершенствованных приборов для ретортных домов для повышения эффективности и удобства. Было обнаружено, что клинкерный кирка, работающий на сжатом воздухе или паре, особенно полезна для удаления клинкера из первичной зоны сгорания на уступах с косвенным обогревом — ранее клинкерование было трудоемким и длительным процессом, который требовал большого количества рабочей силы в ретортных домах. Другим классом введенных приборов были аппараты — и в конечном счете, машины — для загрузки и выгрузки реторты. Реторты обычно загружались с помощью удлиненного ковша, в который загружался уголь — затем группа мужчин поднимала ковш и вбивала его в реторту. Затем мужчины сгребали уголь в слой равномерной толщины, и реторта герметизировалась. Затем начиналось производство газа — и через 8–12 часов реторту открывали, и уголь либо вытягивали (в случае реторт с «заглушкой»), либо выталкивали (в случае реторт со «сквозным» проходом) из реторты. Таким образом, ретортный цех требовал большого количества рабочей силы, поскольку зачастую требовалось много мужчин, чтобы нести ковш с углем и загружать реторту.
Из реторты газ сначала проходил через смоляно-водяную «ловушку» (похожую на ловушку в водопроводе), называемую гидравлической магистралью, где отдавалась значительная часть каменноугольной смолы, а газ значительно охлаждался. Затем он проходил через магистраль из ретортной камеры в атмосферный или водоохлаждаемый конденсатор, где он охлаждался до температуры атмосферы или используемой воды. В этой точке он поступает в вытяжную камеру и проходит через «вытяжку», воздушный насос, который поддерживает гидравлические магистрали и, следовательно, реторты при отрицательном давлении (при этом нулевое давление является атмосферным). Затем он промывался в «промывочной машине» путем барботирования через воду для извлечения любых оставшихся смол. После этого он поступал в очиститель. Затем газ был готов к распределению и поступал в газгольдер для хранения.
Внутри каждого ретортного дома ретортные скамьи выстраивались рядом друг с другом в длинный ряд. Каждая реторта имела загрузочную и разгрузочную дверь. К каждой двери была прикреплена восходящая труба, чтобы отводить газ, выделяющийся из угля внутри. Эти трубы поднимались к вершине скамьи, где они заканчивались перевернутой буквой «U», при этом ножка «U» исчезала в длинной, желобообразной конструкции (с крытым верхом), сделанной из чугуна, называемой гидравлической магистралью, которая размещалась над рядом скамей около их переднего края. Она непрерывно проходила вдоль ряда скамей внутри ретортного дома, и каждая восходящая труба из каждой реторты спускалась в нее.
Гидравлическая магистраль имела уровень жидкой смеси (первоначально) воды, но после использования также каменноугольной смолы и аммиачной жидкости. Каждая подъемная труба реторты опускалась ниже уровня воды по крайней мере на небольшое количество, возможно, на дюйм, но часто значительно больше в ранние дни производства газа. Газ, выделяющийся из каждой реторты, таким образом, пузырился через жидкость и выходил из нее в пустоту над жидкостью, где он смешивался с газом, выделяющимся из других реторт, и отводился через грязную магистраль в конденсатор.
Жидкостное уплотнение преследовало две цели: во-первых, отводить часть смолы и щелока, поскольку газ из реторты был насыщен смолой, и гидравлическая магистраль могла до определенной степени избавить газ от нее; дальнейшее удаление смолы происходило в конденсаторе, промывателе/скруббере и экстракторе смолы. Тем не менее, позже приходилось иметь дело с меньшим количеством смолы. Во-вторых, жидкостное уплотнение также обеспечивало защиту от попадания воздуха в гидравлическую магистраль: если в магистрали не было жидкости, а реторта оставалась открытой с неперекрытой трубой, и воздух соединялся с газом, магистраль могла взорваться вместе с близлежащими скамейками.
Однако после первых лет газа исследования показали, что очень глубокое, чрезмерное уплотнение гидравлической магистрали создавало обратное давление на все реторты, поскольку уголь внутри газифицировался, и это имело пагубные последствия; углерод, вероятно, осаждался на внутренних поверхностях реторт и восходящих труб; а нижний слой смолы, с которым газ должен был проходить по глубоко запечатанной магистрали, лишал газ части его осветительной ценности. Таким образом, после 1860-х годов гидравлические магистрали работали с уплотнением около 1 дюйма и не более.
Более поздние ретортные системы (многие типы вертикальных реторт, особенно непрерывно работающих), которые имели другие средства защиты от кислорода, такие как обратные клапаны и т. д., а также более крупные реторты, часто полностью исключали гидравлическую магистраль и шли прямо к конденсаторам — поскольку для извлечения смолы можно было использовать другие аппараты и здания, магистраль для этих систем была не нужна.
Конденсаторы с воздушным охлаждением
Конденсаторы были либо с воздушным, либо с водяным охлаждением. Конденсаторы с воздушным охлаждением часто изготавливались из труб и соединений разной длины. Основные разновидности, которые обычно использовались, были классифицированы следующим образом:
(а) Горизонтальные типы
(б) Вертикальные типы
(c) Кольцевые типы
(d) Конденсатор батареи.
Горизонтальный конденсатор представлял собой расширенную магистраль с трубой в зигзагообразном узоре от одного конца до другого одной из стен ретортной камеры. Фланцевые соединения были необходимы, так как могли возникнуть закупорки нафталином или смолистыми отложениями. Конденсированные жидкости стекали по наклонным трубам в том же направлении, что и газ. Пока поток газа был медленным, это был эффективный метод удаления нафталина. Вертикальные воздушные конденсаторы имели выходы для газа и смолы.
Кольцевой атмосферный конденсатор было легче контролировать в отношении скорости охлаждения. Газ в высоких вертикальных цилиндрах имел кольцевую форму и позволял внутренней и внешней поверхности подвергаться воздействию охлаждающего воздуха. Диагональные боковые трубы передавали теплый газ к верхним концам каждого кольцевого цилиндра. Дроссельные заслонки или заслонки были установлены в верхней части каждой вертикальной воздушной трубы, так что количество охлаждения можно было регулировать.
Батарейный конденсатор представлял собой длинную и узкую коробку, разделенную изнутри перегородками, которые заставляли газ проходить по окружности. Ширина коробки обычно составляла около 2 футов, а небольшие трубки, проходившие из стороны в сторону, образовывали главную охлаждающую поверхность. Концы этих трубок оставались открытыми, чтобы пропускать воздух. Препятствие, создаваемое трубками, играло роль в разрушении и сбрасывании смол, взвешенных в газе.
Обычно заводы, использующие чугунные магистрали и аппараты, допускали 5 квадратных футов поверхностной площади на 1000 кубических футов газа, производимого в день. Это можно было немного уменьшить, если использовать кованое железо или мягкую сталь. [24]
Конденсаторы с водяным охлаждением
Конденсаторы с водяным охлаждением в основном изготавливались из заклепанных пластин мягкой стали (которые образуют внешнюю оболочку) и стальных или кованых трубок. Использовались два различных типа:
(а) Многотрубчатые конденсаторы.
(б) Водотрубные конденсаторы.
Если охлаждающая вода не была исключительно чистой, предпочтение отдавалось конденсатору с водяными трубами. Главное различие между многотрубчатым и конденсатором с водяными трубами заключалось в том, что в первом случае вода проходила снаружи и вокруг труб, по которым двигался горячий газ, а во втором — наоборот. Таким образом, когда была доступна только мутная вода, откачиваемая из рек или каналов, использовался конденсатор с водяными трубами. Когда входящий газ был особенно грязным и содержал нежелательное количество тяжелой смолы, внешняя камера была подвержена закупорке по этой причине.
Горячий газ был насыщен водяным паром и составлял наибольшую часть общей работы конденсации. Водяной пар должен терять большое количество тепла, как и любой сжижаемый углеводород. Из общей работы конденсации 87% приходилось на удаление водяного пара, а остаток использовался для охлаждения постоянных газов и конденсации сжижаемого углеводорода. [25]
Поскольку в газе также находились чрезвычайно тонкодисперсные частицы, было невозможно отделить твердые частицы только за счет снижения давления паров. Газ подвергался процессам, удаляющим все следы твердых или жидких веществ, прежде чем он достигал установки мокрой очистки. На некоторых заводах для этого процесса использовались центробежные сепараторы, такие как аппарат Colman Cyclone.
Углеводородные конденсаты удалялись в следующем порядке: тяжелые смолы, средние смолы и, наконец, легкие смолы и масляный туман. Около 60-65% смол осаждались в гидравлической магистрали. Большая часть этой смолы представляла собой тяжелые смолы. Средние смолы конденсировались во время прохождения продуктов между гидравлической магистралью и конденсатором. Более легкие смолы и масляный туман распространялись значительно дальше.
В целом, температура газа в гидравлической магистрали колеблется в пределах 140-160 o F. Наиболее подверженными потере компонентами были бензол, толуол и, в некоторой степени, ксилол, который имел важное влияние на конечную осветительную способность газа. Смолы были вредны для осветительной способности и были изолированы от газа как можно быстрее. [26]
Поддерживается отрицательное давление в гидравлической магистрали и конденсаторе.
Существовало несколько типов вытяжек:
Окончательная экстракция незначительных вредных фракций.
Скрубберы, которые использовали воду, были разработаны через 25 лет после основания отрасли. Было обнаружено, что удаление аммиака из газа зависит от способа, которым очищаемый газ контактировал с водой. Было обнаружено, что лучше всего это выполнялось башенным скруббером. Этот скруббер состоял из высокого цилиндрического сосуда, в котором находились поддоны или кирпичи, поддерживаемые решетками. Вода или слабый газовый щелок стекали по этим поддонам, тем самым полностью смачивая открытые поверхности. Очищаемый газ пропускался через башню для контакта с жидкостью. В 1846 году Джордж Лоу запатентовал устройство с вращающимися перфорированными трубами для подачи воды или очищающего щелока. Позднее Паддон представил роторный моющий скруббер, который использовал его в Брайтоне около 1870 года. За этим прототипом машины последовали другие машины улучшенной конструкции; в частности, Киркхэм, Хьюлетт и Чандлер, которые представили хорошо известный стандартный моющий скруббер, Холмс из Хаддерсфилда и другие. Башенный скруббер и роторный моющий скруббер позволили полностью удалить аммиак из газа. [7]
Угольный газ, поступающий непосредственно с верстака, представлял собой вредный суп из химикатов, и удаление наиболее вредных фракций было важно для улучшения качества газа, предотвращения повреждения оборудования или помещений и для получения доходов от продажи извлеченных химикатов. Несколько агрессивных фракций, присутствующих в распределенном газе, могли привести к проблемам — смола в распределенном газе могла засорить трубы (и ее можно было продать по хорошей цене), аммиачные пары в газе могли привести к проблемам с коррозией (а извлеченный сульфат аммония был приличным удобрением), пары нафталина в газе могли засорить газопроводы, и даже углекислый газ в газе, как известно, снижал освещенность; таким образом, различные объекты на газовых заводах были поставлены перед задачей удаления этих вредных отходов. Но они не идут ни в какое сравнение с самым опасным загрязнителем в сыром угольном газе: сероводородом водорода ( сероводород , H2S ) . Это считалось неприемлемым по нескольким причинам:
Таким образом, удаление сероводорода из водорода было дано наивысшим приоритетом на газовом заводе. Существовало специальное сооружение для извлечения сероводорода из водорода – известное как очиститель. Очиститель был самым важным сооружением на газовом заводе, если не считать сам ретортный стол.
Первоначально очистители представляли собой простые емкости с известковой водой, также известной как сливки или известковое молоко, [27] , через которые пропускался сырой газ из ретортной скамьи для удаления серы водорода. Этот оригинальный процесс очистки был известен как процесс «мокрой извести». Остатки извести, оставшиеся после процесса «мокрой извести», были одними из первых настоящих «токсичных отходов», материалом, называемым « голубой Билли ». Первоначально отходы из очистительной установки сбрасывались в близлежащий водоем, например, в реку или канал. Однако после гибели рыбы, тошнотворного запаха, который они делали в реках, и поистине ужасающего смывания, вызванного воздействием остатков, если река была мелкой, общественность требовала лучших способов утилизации. Таким образом, их складывали в кучи для утилизации. Некоторые предприимчивые газовые предприниматели пытались продать его как гербицид, но большинство людей не хотели иметь с ним ничего общего, и, как правило, его считали отходами, которые были и вонючими, и ядовитыми, и газовые заводы мало что могли с ними сделать, кроме как закопать. Но это был не конец «синей гадости», поскольку после захоронения на место ее захоронения часто шел дождь и вымывал яд и зловоние из захороненных отходов, которые могли стекать в поля или ручьи. После бесчисленных фиаско с «синей гадостью», загрязняющей окружающую среду, разъяренная общественность, поддерживаемая судами, присяжными, судьями и магистрами канцелярии, часто была готова потребовать, чтобы газовые заводы искали другие методы очистки — и даже оплачивали ущерб, нанесенный их старыми методами очистки.
Это привело к разработке процесса очистки «сухой известью», который был менее эффективен, чем процесс «мокрой извести», но имел менее токсичные последствия. Тем не менее, он был довольно вреден. Гашеная известь (гидроксид кальция) помещалась толстыми слоями на поддоны, которые затем вставлялись в квадратную или цилиндрическую башню очистителя, через которую затем пропускался газ снизу вверх. После того, как загрузка гашеной извести теряла большую часть своей поглощающей способности, очиститель затем отключался от потока газа и либо открывался, либо в него подавали воздух. Немедленно пропитанная серой гашеная известь реагировала с воздухом, высвобождая большие концентрации сероводорода, который затем вырывался из очистительной установки и создавал на газовом заводе и в округе вонь сероводорода. Хотя сульфурат был токсичен в достаточных концентрациях или при длительном воздействии, он был, как правило, просто тошнотворным при кратковременном воздействии в умеренных концентрациях и был просто опасен для здоровья (по сравнению с прямой опасностью "голубого Билли") для работников газового завода и соседей газового завода. Сернистая известь была нетоксична, но и не очень желательна, слегка воняла запахом сульфурат и распространялась как низкосортное удобрение, будучи пропитанной в некоторой степени аммиаком. Возмутительные запахи от многих газовых заводов заставили многих граждан считать их общественными помехами и привлекли внимание контролирующих органов, соседей и судов.
«Газовая неприятность» была окончательно решена с помощью процесса «железной руды». Предприимчивые инженеры газовых заводов обнаружили, что болотная железная руда может быть использована для удаления сероводорода из газа, и не только может быть использована для этого, но и может быть использована в очистителе, подвергаясь воздействию воздуха, где она будет омоложена, не выделяя вредный сероводородный газ, сера будет удерживаться в железной руде. Затем ее можно было снова вставить в очиститель и повторно использовать и омолаживать несколько раз, пока она полностью не будет заполнена серой. Затем ее можно было продать на сернокислотные заводы за небольшую прибыль. Известь иногда все еще использовалась после того, как железная руда полностью удалила сероводород водорода, чтобы удалить угольную кислоту (диоксид углерода, CO2 ) , бисульфид углерода ( сероуглерод , CS2 ) и любой аммиак, все еще аэроформируемый после его прохождения через завод. Но он не был сделан вредным, как раньше, и обычно мог принести приличную цену в качестве удобрения, если его пропитывали аммиаком. Это, наконец, решило самые большие неприятности загрязнения газового завода, но все еще оставались менее серьезные проблемы – хотя и не те, которые мог решить очистительный дом.
Конструкции очистителей также прошли различные этапы на протяжении многих лет.
Газгольдеры были построены из различных материалов, кирпича, камня, бетона, стали или кованого железа. Держатель или плавучий сосуд является резервуаром для хранения газа, и он служит для выравнивания распределения газа под давлением и обеспечивает непрерывность подачи, пока газ остается в держателе. Они имеют цилиндрическую форму, как перевернутый стакан, и работают вверх и вниз в резервуаре. Для поддержания истинно вертикального положения сосуд имеет ролики, которые работают на направляющих, прикрепленных к стенкам резервуара и к колоннам, окружающим держатель.
Газгольдеры могут быть как одинарными, так и телескопическими с двумя или более подъемами. Когда он выполнен в телескопической форме, его емкость может быть увеличена до четырехкратной емкости держателя с одним подъемом для тех же размеров резервуара. Телескопические версии оказались полезными, поскольку они экономили пространство на земле и капитал. [28]
На газовом заводе имелось множество небольших приспособлений и объектов, помогающих решать различные задачи по управлению газом или оказывать вспомогательные услуги.
С течением лет котлы (для получения пара) стали чрезвычайно распространены на большинстве газовых заводов, за исключением небольших по размеру; на небольших заводах часто использовались газовые двигатели внутреннего сгорания для выполнения некоторых задач, которые в более крупных выработках выполнял пар.
Пар использовался во многих областях газового завода, в том числе: Для работы вытяжного вентилятора; Для очистки пиролизного угля и шлака из реторт и для спекания производителя стенда; Для работы двигателей, используемых для транспортировки, сжатия воздуха, зарядки гидравлики или приведения в действие динамо-машин или генераторов, вырабатывающих электрический ток; Для впрыскивания под решетку производителя в стенде с косвенным обогревом, чтобы предотвратить образование клинкера и способствовать реакции конверсии воды и газа, обеспечивая высококачественное вторичное сгорание; В качестве реагента в (карбюраторной) установке по производству водяного газа, а также для приведения в действие ее оборудования, такого как многочисленные воздуходувки, используемые в этом процессе, а также масляный распылитель для карбюратора; Для работы пожарных, водяных, жидкостных, щелоковых и смоляных насосов; Для работы двигателей, приводящих в движение угольные и коксовые конвейеры; Для устранения химических засоров в трубах, включая нафталин и смолу, а также для общей очистки оборудования; для обогрева холодных зданий на заводах, для поддержания температуры технологических трубопроводов и предотвращения замерзания воды в газгольдерах или застывания различных химических резервуаров и скважин.
Устройства рекуперации тепла также можно отнести к котлам. Поскольку газовая промышленность применяла научные и рациональные принципы проектирования к своему оборудованию, важность управления температурой и улавливания из процессов стала общепринятой. Даже небольшие газовые заводы начали использовать генераторы рекуперации тепла, поскольку изрядное количество пара можно было генерировать «бесплатно», просто улавливая тепловые отходы процесса с помощью заполненной водой металлической трубы, вставленной в стратегический дымоход.
С наступлением эпохи электричества газовые заводы начали использовать электроэнергию, вырабатываемую на месте, для многих функций небольших установок, которые ранее выполнялись паровыми или газовыми двигателями, которые были непрактичны и неэффективны для небольших, суб-лошадиных силовых применений без сложных и подверженных отказам механических связей. Когда преимущества электрического освещения стали известны, прогрессивные газовые заводы иногда диверсифицировали производство электроэнергии, поскольку кокс для парообразования можно было получить на месте по низким ценам, а котлы уже были в разработке.
По словам Мида, газовые заводы начала 20-го века обычно имели запас угля на несколько недель. Такое количество угля могло вызвать серьезные проблемы, поскольку уголь был склонен к самовозгоранию в больших кучах, особенно если на них шел дождь, из-за того, что защитное пылевое покрытие угля смывалось, обнажая всю пористую поверхность угля со слабо или сильно активированным углем внизу; в тяжелой куче с плохими характеристиками теплопередачи выделяемое тепло могло привести к возгоранию. Но хранение в замкнутых пространствах с вовлеченным воздухом также не рассматривалось всерьез, поскольку удаление остаточного тепла было бы затруднительным, а тушение пожара, если бы он начался, могло привести к образованию высокотоксичного угарного газа через реакцию вода-газ, вызванную пропусканием воды через чрезвычайно горячий углерод (H 2 O + C = H 2 + CO), что было бы опасно снаружи, но смертельно опасно в замкнутом пространстве.
Хранилище угля было спроектировано для решения этой проблемы. Обычно использовались два метода хранения: подводные или наружные крытые сооружения. К наружным крытым штабелям иногда применялись также охлаждающие приспособления; например, средства, обеспечивающие циркуляцию воздуха через глубины штабеля и отвод тепла. Объемы хранения различались, часто из-за местных условий. Работы в районах с промышленными конфликтами часто хранили больше угля. Другие переменные включали национальную безопасность; например, газовый завод Тегель в Берлине имел около 1 миллиона тонн угля (6-месячный запас) в гигантских подводных бункерных сооружениях длиной в полмили (Meade 2e, стр. 379).
Машинная загрузка или механическая загрузка использовались для замены рабочей силы и минимизации сбоев из-за трудовых споров. Для каждой реторты обычно требовалось два набора из трех кочегаров. Двое кочегаров должны были поднять кончик ковша в реторту, в то время как третий должен был вталкивать его и переворачивать. Уголь должен был подаваться с каждой стороны реторты. Полученный кокс также должен был удаляться с обеих сторон. Бригады кочегаров работали 12-часовыми сменами, хотя труд не был непрерывным. Работа также была сезонной, и в зимнее время требовалась дополнительная помощь. Машинная загрузка требовала более равномерного размещения реторт. Рост стоимости труда увеличил норму прибыли при экспериментировании и внедрении машинной загрузки. [29]
Химическая промышленность требовала каменноугольной смолы , и газовые заводы могли ее им предоставить; и поэтому каменноугольная смола хранилась на месте в больших подземных резервуарах. Как правило, это были одностенные металлические резервуары – то есть, если они не были сделаны из пористой кладки. В те дни подземные утечки смолы рассматривались как просто пустая трата смолы; с глаз долой значило действительно из сердца вон; и такие утечки обычно устранялись только тогда, когда потеря дохода от протекающих «скважин» со смолой, как их иногда называли, превышала стоимость устранения утечки.
Аммиачный раствор также хранился на месте, в похожих резервуарах. Иногда на газовом заводе имелся завод по производству сульфата аммония , чтобы преобразовывать раствор в удобрение, которое продавалось фермерам.
Этот крупногабаритный газовый счетчик точно измерял газ, поступающий с завода в магистрали. Это имело первостепенное значение, поскольку газовый завод уравновешивал счет выданного газа с количеством оплаченного газа и стремился обнаружить, почему и как они отличались друг от друга. Часто он был связан с динамическим регулятором, чтобы поддерживать давление постоянным или даже модулировать давление в определенное время (серия быстрых скачков давления иногда использовалась с соответствующим образом оборудованными уличными фонарями для автоматического зажигания или тушения их дистанционно).
Это устройство впрыскивало в исходящий газ мелкодисперсный туман нафты, чтобы избежать кристаллизации нафталина в магистралях и их последующей закупорки. Было обнаружено, что нафта является довольно эффективным растворителем для этих целей, даже в небольших концентрациях. Когда возникали проблемы с нафталином, как это иногда случалось даже после внедрения этого небольшого карбюратора, отправлялась бригада рабочих, чтобы вдуть пар в магистраль и растворить закупорку; тем не менее, до его внедрения нафталин был очень большой неприятностью для газовых заводов.
Это устройство, работающее на паровом или газовом двигателе, сжимало газ для закачки в магистрали высокого давления, которые в начале 1900-х годов начали использоваться для транспортировки газа на большие расстояния к отдельным магистралям низкого давления, обслуживающим конечных потребителей. Это позволило заводу обслуживать большую территорию и добиться экономии за счет масштаба.
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь )Hatheway, Allen W. "Literature of Manufactured Gas" . Получено 27 мая 2012 г. .