История газообразного топлива , важного для освещения, отопления и приготовления пищи на протяжении большей части XIX и первой половины XX века, началась с развитием аналитической и пневматической химии в XVIII веке. Эти «синтетические топливные газы » (также известные как «технический топливный газ», «технический газ» или просто «газ») были получены путем газификации горючих материалов, обычно угля, а также древесины и нефти, путем нагревания их в закрытых печах с атмосфера бедная кислородом. Образовавшиеся топливные газы представляли собой смеси многих химических веществ , включая водород , метан , окись углерода и этилен . Угольный газ также содержит значительные количества нежелательных соединений серы и аммиака , а также тяжелых углеводородов и перед использованием должен быть очищен.
Первые попытки производства топливного газа промышленным способом были предприняты в период 1795–1805 годов во Франции Филиппом Лебоном и в Англии Уильямом Мердоком . Хотя предшественники можно найти, именно эти два инженера разработали технологию с расчетом на коммерческое применение. Фредерик Уинзор был ключевым игроком в создании первой газовой компании, лондонской компании Gas Light and Coke Company , зарегистрированной королевской хартией в апреле 1812 года.
Компании 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 отрасли превратилась в монополию, когда одна компания поставляла газ в данную зону. Форма собственности компаний варьировалась от прямой муниципальной собственности, как, например, в Манчестере, до полностью частных корпораций, как, например, в Лондоне и большинстве городов Северной Америки. Газовые компании процветали на протяжении большей части девятнадцатого века, обычно принося хорошие прибыли своим акционерам, но также были предметом многочисленных жалоб по поводу цен.
Наиболее важным применением промышленного газа в начале 19 века было газовое освещение как удобная замена свечам и масляным лампам в доме. Газовое освещение стало первым широко распространенным видом уличного освещения . Для этого использования были необходимы газы, которые горели очень ярким пламенем, «осветительные газы», в отличие от других применений (например, в качестве топлива), где основным фактором была тепловая мощность. Соответственно, некоторые газовые смеси с низкой собственной светимостью, такие как голубой водяной газ , были обогащены нефтью, чтобы сделать их более подходящими для уличного освещения.
Во второй половине XIX века промышленность по производству топливного газа расширилась от освещения и стала включать в себя отопление и приготовление пищи. Угроза электрического освещения в конце 1870-х и 1880-х годах сильно способствовала этой тенденции. Газовая промышленность не сразу уступила рынок газового освещения электричеству, поскольку изобретение мантии Вельсбаха , огнеупорного сетчатого мешка, нагреваемого до накаливания за счет практически несветящегося пламени внутри, резко повысило 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 и сжиженного нефтяного газа для приготовления пищи. [1] Другие технологические разработки конца девятнадцатого века включают использование водяного газа и машинную заправку, хотя они не получили повсеместного распространения.
В 1890-х годах в Чикаго и другие города были построены трубопроводы от месторождений природного газа в Техасе и Оклахоме, и природный газ использовался в качестве дополнения к поставкам промышленного топливного газа, в конечном итоге полностью вытеснив его. Газ перестал производиться в Северной Америке к 1966 году (за исключением Индианаполиса и Гонолулу), а в Европе продолжался до 1980-х годов. «Промышленный газ» снова оценивается как источник топлива, поскольку энергетические предприятия снова рассматривают газификацию угля как потенциально более чистый способ производства электроэнергии из угля, хотя в настоящее время такие газы, вероятно, 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 как отдельное состояние вещества. Скорее, хотя некоторые механические свойства газов были понятны, о чем свидетельствуют эксперименты Роберта Бойля и разработка воздушного насоса , их химические свойства — нет. Газы считались в соответствии с аристотелевской традицией четырех элементов как воздух, один из четырех фундаментальных элементов. Различные виды воздуха, такие как гнилостный воздух или легковоспламеняющийся воздух, рассматривались как атмосферный воздух с некоторыми примесями, очень похожими на мутную воду.
После того, как Джозеф Блэк понял, что углекислый газ на самом деле является газом, отличным от атмосферного воздуха, были идентифицированы и другие газы, в том числе водород Генри Кавендишем в 1766 году. Алессандро Вольта расширил список своим открытием метана в 1776 году. давно известно, что легковоспламеняющиеся газы можно получить из большинства горючих материалов, таких как уголь и древесина, в процессе дистилляции . Стивен Хейлз, например, написал об этом явлении в « Овощной статике» в 1722 году. философы и инженеры задумывались об использовании газов в медицине и промышленности. Одним из первых таких применений было производство воздушных шаров, начавшееся в 1783 году, но вскоре последовали и другие применения. [2]
Одним из результатов увлечения воздухоплаванием 1783–1784 годов стало первое внедрение освещения с помощью промышленного газа. Профессору естественной философии Лувенского университета Яну Питеру Минкелерсу и двум его коллегам их покровитель, герцог Аренберг , поручил исследовать полеты на воздушном шаре. Они так и сделали, построив аппарат для генерации горючих газов легче воздуха из угля и других горючих веществ. В 1785 году Минкелерс использовал часть этого аппарата для газификации угля и освещения своего лекционного зала в университете. Он не стал расширять газовое освещение дальше этого, и когда он был вынужден бежать из Левена во время Брабантской революции , он вообще отказался от проекта. [3]
Филипп ЛеБон был французским инженером-строителем, работавшим в государственном инженерном корпусе, который во время учебы в университете заинтересовался дистилляцией как промышленным процессом производства таких материалов, как смола и масло. Он окончил инженерную школу в 1789 году и был направлен в Ангулем. Там он исследовал дистилляцию и понял, что газ, получаемый при перегонке древесины и угля, может быть полезен для освещения, отопления и в качестве источника энергии в двигателях. В 1794 году он получил патент на процессы дистилляции и продолжил свои исследования, в конечном итоге сконструировав дистилляционную печь, известную как термолампа . Он подал заявку и получил патент на это изобретение в 1799 году с дополнением в 1801 году. В 1801 году он начал маркетинговую кампанию в Париже, напечатав брошюру и арендовав дом, где устроил публичные демонстрации своего аппарата. 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 инженерный корпус. Хотя французское правительство предоставило ему лесную концессию для экспериментов с производством смолы из древесины для использования на военно-морском флоте, он так и не преуспел в использовании термолампы и умер при неопределенных обстоятельствах в 1805 году .
Хотя термолампа вызвала некоторый интерес во Франции, именно в Германии интерес был наибольшим. В период 1802–1812 гг. На эту тему был написан ряд книг и статей. Были также термолампы, спроектированные и изготовленные в Германии, наиболее важные из которых были созданы Захаусом Винцлером, австрийским химиком, управлявшим заводом по производству селитры в Бланско. Под патронажем аристократической семьи цу Салм он построил большой дом в Брно. Он переехал в Вену, чтобы продолжить свою работу. Однако термолампа использовалась в основном для производства древесного угля, а не для производства газов. [5] [6]
.jpg/1280px-William_Murdoch_(1754-1839).jpg)
Уильям Мердок (иногда Мердок) (1754–1839) был инженером, работавшим в фирме Boulton & Watt , когда где-то в 1792–1794 годах, исследуя процессы дистилляции, он начал использовать угольный газ для освещения. В то время он жил в Редруте в Корнуолле и провел несколько небольших экспериментов по освещению собственного дома угольным газом. Вскоре он отказался от этой темы до 1798 года, когда он переехал в Бирмингем , чтобы работать на базе Boulton & Watt в Сохо . Затем Бултон и Уотт инициировали еще одну серию небольших экспериментов. Из-за продолжающихся патентных споров и их основного бизнеса, связанного с паровыми двигателями, эта тема снова была отложена. Грегори Уотт, второй сын Джеймса Уотта, во время путешествия по Европе увидел демонстрации Лебона и написал письмо своему брату Джеймсу Уотту-младшему , сообщая ему об этом потенциальном конкуренте. Это побудило Джеймса Уотта-младшего начать программу разработки газового освещения в компании Boulton & Watt, которая позволит масштабировать технологию и приведет к первому коммерческому применению газового освещения. [7] [8]
После первоначальной установки в литейном заводе Сохо в 1803–1804 годах компания Boulton & Watt подготовила аппарат для текстильной фирмы Philips & Lee в Солфорде недалеко от Манчестера в 1805–1806 годах. Это должна была быть их единственная крупная продажа до конца 1808 года. Джордж Огастес Ли был главной движущей силой разработки аппарата. Он страстно интересовался технологиями и внедрил ряд технологических инноваций на заводе в Солфорде, 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 произведенный газ в качестве коммунальных услуг, была лондонская компания Gas Light and Coke Company . Оно было основано усилиями немецкого эмигранта Фредерика Винзора , ставшего свидетелем демонстраций Лебона в Париже. Он безуспешно пытался купить термолампу у Лебона, но остался увлеченным 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 в новую компанию, которая будет производить газовые аппараты и продавать газ потребителям. Ему удалось найти инвесторов, но юридическая форма компании оказалась более сложной проблемой. Согласно Закону о пузыре 1720 года, все акционерные компании с числом акционеров выше определенного в Англии должны были получить королевскую хартию для регистрации, а это означало, что требовался акт парламента.
Уинзор вел свою кампанию с перерывами до 1807 года, когда инвесторы сформировали комитет, которому было поручено получить акт парламента. Они выполняли эту задачу в течение следующих трех лет, сталкиваясь на своем пути с препятствиями, самым важным из которых было сопротивление Бултона и Уотта в 1809 году. В том же году комитет предпринял серьезную попытку добиться от Палаты общин принятия законопроекта. предоставив королю полномочия предоставить хартию, но Бултон и Ватт почувствовали, что их бизнес по производству газовых фонарей находится под угрозой, и организовали сопротивление через своих союзников в парламенте. Хотя парламентский комитет рекомендовал одобрить законопроект, он был отклонен в третьем чтении.
В следующем году комитет предпринял еще одну попытку, добившись успеха с молчаливого согласия Boulton & Watt, поскольку они отказались от всех полномочий по производству аппаратов для продажи. Закон требовал, чтобы компания собрала 100 000 фунтов стерлингов, прежде чем она сможет запросить чартер, и на выполнение этого условия потребовались следующие два года. Георг III предоставил хартию в 1812 году.
С 1812 по 1825 год производство газа было преимущественно английской технологией. После 1812 года был основан ряд новых газовых компаний для обслуживания Лондона и других городов Великобритании. Ливерпуль, Эксетер и Престон были первыми в 1816 году. 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. В течение нескольких лет после основания компании Gas Light and Coke Company были основаны новые компании, после чего последовал период острой конкуренции, поскольку компании боролись за потребителей на границах своих соответствующих зон деятельности. Фредерик Аккам в различных изданиях своей книги о газовом освещении дает хорошее представление о том, насколько быстро технология распространилась в столице. В 1815 году он писал, что в городе было 4000 фонарей, обслуживаемых электросетями протяженностью 26 миль (42 км). В 1819 году он увеличил свою оценку до 51 000 ламп и 288 миль (463 км) электросети. Точно так же в 1814 году в Лондоне было всего два газовых завода , к 1822 году их было семь, а к 1829 году - 200 компаний. [7] : 72 Правительство не регулировало отрасль в целом до 1816 года, когда парламентским актом была создана должность инспектора газовых заводов, первым обладателем которой был сэр Уильям Конгрив . Даже тогда до 1847 года не было принято никаких законов, регулирующих всю отрасль, хотя в 1822 году был предложен законопроект, который провалился из-за противодействия газовых компаний. [7] : 83 Однако уставы, одобренные парламентом, содержали различные правила, например, о том, как компании могут разбивать тротуары и т. д.
Первую газовую компанию Франции также продвигал Фредерик Винзор после того, как ему пришлось бежать из Англии в 1814 году из-за невыплаченных долгов. Он пытался основать еще одну газовую компанию в Париже, но в 1819 году это потерпело неудачу. 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 поставлял газ для освещения больницы Сент-Луиса , и эксперимент был признан успешным. [10] Король Людовик XVIII тогда решил дать дальнейший импульс развитию французской промышленности, отправив людей в Англию для изучения ситуации там и установив газовое освещение в ряде престижных зданий, таких как здание Парижской оперы , библиотека и т. д. Для этой цели в 1818 году была создана государственная компания. [11] Вскоре за ней последовали частные компании, и к 1822 году, когда правительство приступило к регулированию отрасли, в столице действовало четыре. Принятые тогда правила не позволяли компаниям конкурировать, и Париж был фактически разделен между различными компаниями, действовавшими как монополии в своих зонах. [12]
Газовое освещение распространилось и на другие европейские страны. В 1817 году в Брюсселе П. Дж. Меус-Ван дер Мелен основал компанию, которая начала свою деятельность в следующем году. К 1822 году в Амстердаме и Роттердаме уже существовали компании, использующие английские технологии. [13] В Германии газовое освещение использовалось в небольших масштабах с 1816 года, но первая компания по производству газового освещения была основана английскими инженерами и капиталом. В 1824 году в Лондоне была основана Имперская континентальная газовая ассоциация для создания газовых компаний в других странах. Сэр Уильям Конгрив, 2-й баронет , один из ее лидеров, подписал соглашение с правительством в Ганновере, и газовые лампы впервые были использованы на улицах в 1826 году .
Газовый свет был впервые представлен в США в 1816 году в Балтиморе Рембрандтом и Рубенсом Пилами, которые осветили свой музей газовым светом, который они видели во время путешествия по Европе. Братья убедили группу богатых людей поддержать их в более крупном предприятии. Местное правительство приняло закон, позволяющий Пилам и их сообщникам прокладывать электропроводку и освещать улицы. Для этой цели в 1817 году была зарегистрирована компания. После некоторых трудностей с аппаратурой и финансовых проблем компания наняла английского инженера с опытом работы в газовом освещении. Она начала процветать, и к 1830-м годам компания поставляла газ 3000 отечественным потребителям и 100 уличным фонарям. [15] За ними последовали компании в других городах, вторыми были Boston Gas Light в 1822 году и New York Gas Light Company в 1825 году. [16] В Филадельфии в 1835 году был построен газовый завод. [17]
Австралийская компания газового освещения , 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 вынудили правительство разработать стандарты безопасности (Fressoz, 2007). Остатки перегнанного угля часто либо сливались в реки, либо складировались в водоемах, которые загрязняли (и продолжают загрязнять) почву. Одним из ранних исключений был Эдинбургский газовый завод, где с 1822 года остатки перевозились тележками, а затем по трубопроводу переправлялись на химический завод в Боннингтоне и перерабатывались в ценные продукты. [19]
Однако прецедентное право Великобритании и США ясно показало, что строительство и эксплуатация газовых заводов не были созданием общественного беспокойства или злоупотребления сами по себе из-за репутации газовых заводов как крайне нежелательных соседей, а также вредных последствий. Загрязнения, которые, как известно, исходили от них, особенно на заре производства промышленного газа, газовые заводы были в очень короткие сроки уведомлены судами о том, что (обнаружимое) загрязнение за пределами их территории - особенно в жилых районах - будет серьезно осуждено. Действительно, многие действия по устранению неудобств , подаваемые в суды, действительно приводили к неблагоприятным вердиктам для производителей газа – в одном исследовании по раннему экологическому законодательству иски по устранению неудобств, связанных с газовыми заводами, приводили к выводам в пользу истцов в 80% случаев, по сравнению с с общим процентом побед истцов в делах о промышленных нарушениях 28,5%. [20]
Как предварительные, так и постоянные запреты могли и часто выдавались в случаях, связанных с газовыми работами. Например, плохая репутация газовых заводов стала настолько известной, что в деле «Город Кливленд против компании Citizens 'Gas Light Co.» , 20 NJ Eq. 201 , суд дошел до того, что запретил строить будущий газовый завод, который еще даже не построен, - в первую очередь, не допуская, чтобы он вызывал раздражающие и неприятные пары и запахи . Судебный запрет не только регулировал процесс производства газа (запрещая использование известковой очистки), но также предусматривал, что в случае возникновения каких-либо неприятностей на заводе суд вынесет постоянный запрет на производство газа. [21] Действительно, как однажды заметил хозяин рулонов лорд Лэнгдейл в своем заключении по делу Хейнс против Тейлора , 10 Биван 80 , что я был весьма удивлен, услышав, что к последствиям газовых работ относятся как к чему-то ничтожному... человек в наши дни должен иметь достаточный опыт, чтобы прийти к выводу, что, неприятность или нет, газовая фабрика — штука очень неприятная. Никто не может сомневаться в том, что летучие продукты, образующиеся при перегонке угля, крайне неприятны. Сказать, что это не так, противоречит общепринятому опыту... каждый человек это знает. [22] Однако со временем газовые заводы стали рассматриваться скорее как палка о двух концах – и, в конечном итоге, как положительное благо, поскольку прежние неудобства были уменьшены за счет технологических усовершенствований, и все преимущества газа стали очевидны. . Этому явлению способствовало несколько основных факторов:
И в эпоху консолидации газовых заводов посредством систем распределения высокого давления (1900–1930-е годы), и в конце эпохи промышленного газа (1955–1975 годы) газовые заводы закрывались из-за сокращения штатов. К прекращению производства промышленного газа привело то, что начали строить трубопроводы для подачи природного газа непосредственно из скважин в газораспределительные системы. Природный газ превосходил синтетический газ того времени, был дешевле – добывался из скважин, а не производился на газовом заводе – был более удобен для пользователя – поступал из скважины, требующей минимальной очистки, если вообще требовалась, – и безопаснее – из-за отсутствия содержания окиси углерода в распространяемом продукте. После закрытия несколько объектов бывших заводов по производству промышленного газа были доведены до приемлемого уровня экологической чистоты, позволяющего их повторное использование, по крайней мере, по современным стандартам. Фактически, многие из них были буквально брошены на месте, а технологические отходы остались на месте и так и не были утилизированы должным образом. В Соединенных Штатах отчет EPA за 1999 год показывает, что по всей стране существует от 3000 до 5000 бывших заводов по производству промышленного газа. [23]
Поскольку отходы, образующиеся на бывших заводах по производству газа, имели стойкий характер, они часто (по состоянию на 2009 год) все еще загрязняют территорию бывших заводов по производству газа: отходами, вызывающими сегодня наибольшую озабоченность, является в первую очередь каменноугольная смола (смешанная длинноцепочечная ароматическая и алифатическая смола). углеводороды, побочный продукт карбонизации угля ), в то время как «синий билли» (вредный побочный продукт очистки известью, загрязненный цианидами), а также другие остатки извести и каменноугольной смолы считаются менее значительными, хотя и значительными опасностями для окружающей среды. Некоторые бывшие заводы по производству промышленного газа сегодня принадлежат газовым предприятиям, часто в попытке предотвратить попадание загрязненных земель в общественное пользование и непреднамеренный выброс содержащихся на них отходов. Другие попали в общественное пользование и без надлежащего восстановления стали причиной – зачастую 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 очистке, предусмотренной законом.
Базовая конструкция газового освещения была разработана Бултоном и Ваттом и Сэмюэлем Клеггом в период 1805–1812 годов. Дальнейшие улучшения были сделаны в компании Gas Light and Coke Company, а также растущим числом газовых инженеров, таких как Джон Малам и Томас Пекстон, после 1812 года. Boulton & Watt разработали базовую конструкцию реторты, конденсатора и газометра, а Клегг усовершенствовал газометр и ввел известковую очистку и гидромагистраль, еще один очиститель.
Ретортный стенд представлял собой конструкцию, в которой располагались реторты для карбонизации (синоним пиролиза) угольного сырья и выделения угольного газа. За годы производства промышленного газа были достигнуты успехи, которые превратили ретортный стенд из немногим более чем железных сосудов, содержащих уголь, над открытым огнем, в массивную, высокоэффективную, частично автоматизированную, капиталоемкую установку промышленного масштаба для карбонизация большого количества угля. Несколько ретортных стендов обычно располагались в одном «ретортном домике», который был хотя бы один на каждом газовом заводе.
Первоначально ретортные стенды имели множество различных конфигураций из-за отсутствия длительного использования и научного и практического понимания процесса карбонизации угля. Некоторые ранние реторты представляли собой не более чем железные сосуды, наполненные углем и поставленные на угольный огонь с трубами, прикрепленными к их верхним концам. Хотя это было практично для первых газовых заводов, ситуация быстро изменилась, когда первые газовые заводы обслуживали больше, чем несколько клиентов. По мере того, как размеры таких сосудов росли, стала очевидной необходимость повышения эффективности заправки реторт, и стало очевидно, что заполнять односторонние вертикальные реторты легко; удалить из них кокс и остатки после коксования угля было гораздо сложнее. Таким образом, газовые реторты превратились из вертикальных сосудов в горизонтальные трубчатые сосуды.
Раньше реторты обычно делались из чугуна. Первые инженеры-газовики много экспериментировали с наилучшей формой, размером и расположением. Ни одна форма реторты не доминировала, и по-прежнему использовалось множество различных поперечных сечений. После 1850-х годов реторты стали вообще делать из шамота из-за большего сохранения тепла, большей долговечности и других положительных качеств. Чугунные реторты использовались на небольших газовых заводах из-за их совместимости с тамошними требованиями, более низкой стоимости чугунных реторт, способности быстро нагреваться для удовлетворения переходных потребностей и возможности замены по принципу «включи и работай». Это перевешивало недостатки более короткого срока службы, более низкого температурного запаса и отсутствия возможности изготовления нецилиндрических форм. Кроме того, в общей практике газовых заводов после перехода на шамотные реторты отдавалось предпочтение ретортам, имеющим форму буквы D, повернутой на 90 градусов влево, иногда со слегка наклоненной нижней частью.
С внедрением шамотной реторты в ретортных столах можно было удерживать более высокие температуры, что привело к более быстрой и полной карбонизации угля. Когда стала возможной более высокая температура, были внедрены передовые методы ретортного обжига, чему способствовала разработка Сименсом мартеновской печи примерно в 1855–1870 годах, что привело к революции в эффективности газовых заводов.
В частности, двумя основными достижениями были:
Эти два достижения превратили старый ретортный стол с «прямым нагревом» в усовершенствованный ретортный стол с «косвенным нагревом», «регенеративный» или «генеративный» ретортный стол, а также привели к падению использования кокса в ретортных столах (на более крупных заводах). от 40% кокса, получаемого в ретортах, до 15% кокса, получаемого в ретортах, что приводит к повышению эффективности на порядок. Эти усовершенствования привели к дополнительным капитальным затратам на ретортные стенды, что привело к их медленному внедрению в более мелкие газовые заводы, если они вообще были включены.
Дальнейшее повышение эффективности и безопасности было достигнуто за счет внедрения «сквозной» реторты, имевшей двери спереди и сзади. Это обеспечивало большую оперативность и безопасность при загрузке и разгрузке реторт, что было трудоемким и зачастую опасным процессом. Уголь теперь можно было выталкивать из реторты, а не вытаскивать из реторты. Одной из интересных модификаций «сквозной» реторты была «наклонная» реторта, расцвет которой пришелся на 1880-е годы: реторта, установленная под умеренным наклоном, куда с одного конца засыпался уголь, а реторта закрывалась; после пиролиза дно открывали и кокс высыпался самотеком. Это было принято на некоторых газовых заводах, но экономия рабочей силы часто сводилась на нет неравномерным распределением и пиролизом угля, а также проблемами слипания, приводящими к тому, что уголь не высыпался из нижней части после пиролиза, что усугублялось в некоторых случаях. виды угля. Таким образом, наклонные реторты устарели в результате более поздних достижений, включая машину для обработки реторт и систему вертикальной реторты.
Для повышения эффективности и удобства было внедрено несколько усовершенствованных устройств для ретортных цехов. Было обнаружено, что клинкер с приводом от сжатого воздуха или пара особенно полезен при удалении клинкера из зоны первичного сгорания на верстаках непрямого обжига - раньше клинкерство было трудным и трудоемким процессом, требующим большого количества рабочей силы в ретортном цехе. Еще одним классом представленных устройств были аппараты – и, в конечном счете, машины – для загрузки и разгрузки реторты. Реторты обычно загружались с помощью удлиненного черпака, в который загружался уголь - затем группа мужчин поднимала черпак и заталкивала его в реторту. Затем люди сгребали уголь в слой одинаковой толщины и закрывали реторту. Затем начнется добыча газа - и через 8–12 часов реторта будет открыта, и уголь будет либо вытянут (в случае реторты с запорным концом), либо вытолкнут (в случае «сквозных» реторт). ) из реторты. Таким образом, ретортному цеху требовалась большая рабочая сила - часто приходилось многим мужчинам 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 значительная часть каменноугольной смолы удалялась и газ значительно охлаждался. Затем он проходил через главный выход из ретортной камеры в конденсатор с атмосферным или водяным охлаждением, где охлаждался до температуры атмосферы или используемой воды. В этот момент он попадает в эксгаустерную камеру и проходит через «эксгаустер», воздушный насос, который поддерживает в гидравлической магистрали и, следовательно, в ретортах отрицательное давление (при этом нулевое давление является атмосферным). Затем его промывали в «моечной машине», пропуская через него воду, чтобы извлечь оставшиеся смолы. После этого он попадал в очиститель. После этого газ будет готов к распределению и поступит в газгольдер для хранения.
В каждой ретортной камере ретортные столы выстраивались рядом друг с другом в длинный ряд. Каждая реторта имела загрузочную и разгрузочную дверцы. К каждой двери была прикреплена восходящая труба, отводившая газ, выделявшийся из угля внутри. Эти трубы поднимались к вершине уступа, где заканчивались перевернутой буквой «U», при этом ножка буквы «U» исчезала в длинной конструкции в форме корыта (с закрытым верхом), сделанной из чугуна, называемой гидравлической трубой. главный, который был помещен на ряд скамеек у их переднего края. Она непрерывно шла вдоль ряда скамеек внутри ретортного дома, и в нее спускалась каждая восходящая труба от каждой реторты.
В гидромагистрали находилась жидкая смесь (первоначально) воды, но после использования также каменноугольной смолы и аммиачного раствора. Каждая восходящая труба реторты опустилась под уровень воды, по крайней мере, на небольшую величину, возможно, на дюйм, но часто и значительно больше на заре производства газа. Таким образом, газ, выделяющийся из каждой реторты, будет пузыриться через жидкость и выходить из нее в пустоту над жидкостью, где он будет смешиваться с газом, выделяющимся из других реторт, и отводиться через трубопровод загрязнения в конденсатор.
У жидкостного затвора было две цели: во-первых, отвести часть смолы и жидкости, поскольку газ из реторты был насыщен смолой, и гидравлическая магистраль могла в определенной степени избавить газ от нее; дальнейшее удаление смолы будет происходить в конденсаторе, промывателе/скруббере и смолоотделителе. Тем не менее, позже будет меньше смолы. Во-вторых, жидкостное уплотнение также обеспечивало защиту от попадания воздуха в гидравлическую магистраль: если в магистрали не было жидкости, а реторта оставалась открытой, а труба не была перекрыта, и воздух должен был соединиться с газом, магистраль могла бы взорваться вместе с близлежащими скамейками.
Однако после первых лет существования газа исследования показали, что очень глубокое и чрезмерное уплотнение на гидравлической магистрали создавало противодавление во всех ретортах, поскольку уголь внутри газифицировался, и это имело пагубные последствия; углерод, скорее всего, будет откладываться на внутренней стороне реторт и подъемных труб; а нижний слой смолы, через который газ должен был проходить в глубоко запечатанной магистрали, лишил газ некоторой его осветительной ценности. Таким образом, после 1860-х годов гидравлические магистрали работали при уровне уплотнения около 1 дюйма и не более.
Более поздние ретортные системы (многие типы вертикальных реторт, особенно те, которые работают непрерывно), которые имели другие антикислородные меры защиты, такие как обратные клапаны и т. д., а также более крупные реторты, часто полностью исключали гидравлическую магистраль и подключались прямо к конденсаторам. – поскольку для добычи смолы можно было использовать и другие аппараты и здания, главное для этих систем было ненужным.
Конденсаторы с воздушным охлаждением
Конденсаторы имели либо воздушное, либо водяное охлаждение. Конденсаторы с воздушным охлаждением часто состояли из труб и соединений разной длины. Основные широко используемые разновидности были классифицированы следующим образом:
(а) Горизонтальные типы
(б) Вертикальные типы
(c) Кольцевые типы
(d) Конденсатор батареи.
Горизонтальный конденсатор представлял собой удлиненную магистраль с зигзагообразной трубой, проходящей от конца до конца одной из стен реторты. Фланцевые соединения были необходимы, поскольку могли возникнуть засоры из-за нафталина или смолистых отложений. 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 по скорости охлаждения. Газ в высоких вертикальных цилиндрах имел кольцевую форму и позволял внутренней и внешней поверхности подвергаться воздействию охлаждающего воздуха. Диагональные боковые трубы подавали теплый газ к верхним концам каждого кольцевого цилиндра. В верхней части каждой вертикальной воздушной трубы были установлены поворотные заслонки или заслонки, чтобы можно было регулировать степень охлаждения.
Конденсатор батареи представлял собой длинную и узкую коробку, разделенную внутри перегородками, которые заставляли газ двигаться окольным путем. Ширина ящика обычно составляла около 2 футов, а небольшие трубки, проходящие из стороны в сторону, образовывали главную охлаждающую поверхность. Концы этих трубок оставляли открытыми, чтобы обеспечить проход воздуха. Препятствие, вызванное трубами, сыграло роль в разрушении и выбрасывании смол, взвешенных в газе.
Обычно на заводах, использующих чугунные магистрали и оборудование, на 1000 кубических футов газа, производимого в день, приходится 5 квадратных футов поверхностной площади. Это можно немного уменьшить, если использовать кованое железо или мягкую сталь. [24]
Конденсаторы с водяным охлаждением
Конденсаторы с водяным охлаждением в основном изготавливались из клепаных пластин из мягкой стали (которые образуют внешнюю оболочку) и стальных или кованых трубок. Использовались два различных типа:
(а) Мультитрубчатые конденсаторы.
(б) Водотрубные конденсаторы.
Если охлаждающая вода не была исключительно чистой, предпочтение отдавалось водотрубному конденсатору. Основное различие между многотрубным и водотрубным конденсатором заключалось в том, что в первом случае вода проходила снаружи и вокруг трубок, несущих горячий газ, а во втором типе все было наоборот. Таким образом, когда была доступна только мутная вода, откачиваемая из рек или каналов; использовался водотрубный конденсатор. Когда поступающий газ был особенно загрязнен и содержал нежелательное количество тяжелых смол, по этой причине наружная камера могла засоряться.
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 остальная часть шла на охлаждение постоянных газов и на конденсацию сжиженного углеводорода. [25]
Поскольку в газе также были взвешены чрезвычайно мелкодисперсные частицы, было невозможно отделить твердые частицы только за счет снижения давления паров. Прежде чем попасть на установку мокрой очистки, газ подвергся процессам удаления всех следов твердых и жидких веществ. На некоторых заводах для этого процесса использовались центробежные сепараторы, такие как аппарат Colman Cyclone.
Углеводородные конденсаты удаляют в следующем порядке тяжелые смолы, средние смолы и, наконец, легкие смолы и нефтяной туман. Около 60-65% смол будет откладываться в гидравлической магистрали. Большая часть этой смолы представляла собой тяжелые смолы. Смолы среды конденсируются при прохождении продуктов между гидравликой и конденсатором. Более легкий туман из смол и нефти распространится значительно дальше.
В общем, температура газа в гидравлической магистрали колеблется в пределах 140-160 o F. Наиболее подверженными потерям компонентами были бензол, толуол и, в некоторой степени, ксилол, которые оказали важное влияние на конечную светосилу. газа. Смолы вредны для светосилы и их изолировали от газа как можно быстрее. [26]
Гидравлическая магистраль и конденсатор поддерживаются при отрицательном давлении.
Существовало несколько типов эксгаустеров:
Окончательная экстракция мелких вредных фракций.
Скрубберы, использующие воду, были разработаны через 25 лет после основания отрасли. Было обнаружено, что удаление аммиака из газа зависит от способа контакта очищаемого газа с водой. Было обнаружено, что лучше всего с этим справляется Tower Scrubber. Этот скребок представлял собой высокий цилиндрический сосуд, в котором находились поддоны или кирпичи, поддерживаемые решетками. Вода или слабый газовый раствор стекала по этим лоткам, тем самым сохраняя открытые поверхности полностью смачиваемыми. Газ, подлежащий очистке, пропускался через колонну для контакта с жидкостью. В 1846 году Джордж Лоу запатентовал устройство с вращающимися перфорированными трубками для подачи воды или очистки спиртных напитков. Позднее Пэддон представил роторную моечную машину, которая использовала ее в Брайтоне примерно в 1870 году. За этим прототипом машины последовали другие машины улучшенной конструкции; в частности, Киркхэмом, Хьюлеттом и Чендлером, которые представили широко известную стандартную стиральную машину-скруббер, Холмса из Хаддерсфилда и других. Башенный скруббер и вращающаяся промывочная машина позволили полностью удалить аммиак из газа. [7]
Угольный газ, поступающий непосредственно со стенда, представлял собой ядовитый бульон из химикатов, и удаление наиболее вредных фракций было важно для улучшения качества газа, предотвращения повреждения оборудования или помещений, а также для получения доходов от продажи добытого газа. химикаты. Присутствие нескольких вредных фракций в распределяемом газе может привести к проблемам: смола в распределяемом газе может засорить трубы (и ее можно будет продать по хорошей цене), пары аммиака в газе могут привести к проблемам с коррозией (и извлеченный аммоний сульфат был неплохим удобрением), пары нафталина в газе могли засорить газопроводы, и даже углекислый газ в газе, как известно, уменьшал освещенность; таким образом, на различные объекты газового завода была возложена задача по удалению этих вредных стоков. Но они не идут ни в какое сравнение с самым опасным загрязнителем сырого угольного газа: серой водорода ( сероводород , H 2 S). Это считалось неприемлемым по нескольким причинам:
Таким образом, удалению сернистого водорода придавалось наивысший приоритет на газовых заводах. Существовало специальное оборудование для извлечения сероводорода, известное как очиститель. Очиститель был самым важным сооружением на газовом заводе, если не считать самой реторты.
Первоначально очистители представляли собой простые резервуары с известковой водой, также известной как сливки или известковое молоко, [27] куда неочищенный газ из ретортной скамьи барботировался для удаления сернистого водорода. Этот оригинальный процесс очистки был известен как процесс «мокрой извести». Остаток извести, оставшийся после процесса «мокрой извести», был одним из первых настоящих «токсичных отходов» — материала, получившего название « синий билли ». Первоначально отходы очистного сооружения сливались в близлежащий водоем, например, в реку или канал. Однако после гибели рыбы, тошнотворного зловония рек и поистине ужасающего зловония, вызванного обнажением остатков рыбы, если река иссякала, общественность потребовала более эффективных способов утилизации. Таким образом, все было сложено в кучу для утилизации. Некоторые предприимчивые газовые предприниматели пытались продать его как средство от сорняков, но большинство людей не хотели иметь с ним ничего общего, и в целом его считали отходами, которые были одновременно вонючими и ядовитыми, и газовые заводы мало что могли с ними сделать, кроме как закапывать их. . Но это был еще не конец «синего козелка», поскольку после его захоронения на место его захоронения часто лил дождь, вымывая яд и зловоние из захороненных отходов, которые могли стечь в поля или ручьи. После бесчисленных фиаско с «голубым Биллом», загрязняющим окружающую среду, разъяренная общественность, при поддержке судов, присяжных, судей и магистров канцелярии, часто была очень готова потребовать, чтобы газовые заводы изыскали другие методы очистки – и даже заплатили за это. ущерб, причиненный 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. И все же это было довольно вредно. Гашеную известь (гидроксид кальция) помещали толстыми слоями на поддоны, которые затем вставляли в очистительную башню квадратной или цилиндрической формы, через которую затем пропускали газ снизу вверх. После того, как загрузка гашеной извести потеряла большую часть своей абсорбционной эффективности, очиститель отключали от потока газа и либо открывали, либо подавали воздух. Пропитанная серой гашеная известь сразу же вступала в реакцию с воздухом. высвободить большие концентрации серосодержащего водорода, который затем выльется из очистительной установки и заставит газовый завод и весь район вонять сероводородом. Хотя сера токсична в достаточных концентрациях или при длительном воздействии, она обычно вызывала тошноту при кратковременном воздействии в умеренных концентрациях и представляла собой просто опасность для здоровья (по сравнению с прямой опасностью «синего козелка») для сотрудников газового завода и соседей. газового завода. Серная известь не была токсичной, но и не пользовалась большой популярностью, слегка пахла серой и распространялась как низкосортное удобрение, будучи в некоторой степени пропитанной аммиаком. Возмутительная вонь от многих газовых заводов заставила многих граждан рассматривать их как общественную неприятность и привлекла внимание регулирующих органов, соседей и судов.
«Газовая проблема» была наконец решена с помощью «железорудного» процесса. Предприимчивые инженеры газовых заводов обнаружили, что болотную железную руду можно использовать для удаления сернистого водорода из газа, и ее можно не только использовать для этого, но и использовать в очистителях, подвергая воздействию воздуха, откуда она будет извлекаться. омолаживается, не выделяя вредного сероводородного газа, при этом сера сохраняется в железной руде. Затем его можно было снова вставить в очиститель, повторно использовать и омолаживать несколько раз, пока он не был полностью пропитан серой. Затем его можно было продать сернокислотным заводам за небольшую прибыль. Иногда известь все еще использовалась после того, как железная руда полностью удалила серу водорода, чтобы удалить угольную кислоту (диоксид углерода, CO 2 ), бисульфид углерода ( дисульфид углерода , CS 2 ) и любой аммиак, все еще образующийся в виде аэрозоля после его прохождения через работы. Но его не делали так вредным, как раньше, и обычно его можно было использовать в качестве удобрения, пропитав аммиаком. Это, наконец, решило самые большие проблемы с загрязнением окружающей среды, связанные с газовыми заводами, но остались еще меньшие проблемы – хотя и не те, которые могла бы решить очистная станция.
Проектирование очистителей также проходило разные стадии на протяжении многих лет.
Газгольдеры строились из различных материалов: кирпича, камня, бетона, стали или кованого железа. Держатель или плавучий сосуд является резервуаром для хранения газа и служит для выравнивания распределения газа под давлением и обеспечивает непрерывность подачи, пока газ остается в держателе. Они имеют цилиндрическую форму, как перевернутый стакан, и перемещаются в резервуаре вверх и вниз. Для поддержания истинного вертикального положения сосуд оснащен роликами, которые действуют на направляющие, прикрепленные к бокам резервуара и к колоннам, окружающим держатель.
Газгольдеры могут быть как одиночными, так и телескопическими с двумя и более подъемниками. Когда он выполнен в телескопической форме, его вместимость может быть увеличена в четыре раза по сравнению с емкостью одноподъемного держателя при одинаковых размерах резервуара. Телескопические версии оказались полезными, поскольку они экономят пространство и капитал. [28]
Газовый завод имел множество небольших приспособлений и сооружений для решения различных задач по управлению газом или вспомогательных услуг.
С течением времени котлы (для поднятия пара) стали чрезвычайно распространены на большинстве газовых заводов, даже если они небольшие по размеру; на небольших предприятиях часто использовались газовые двигатели внутреннего сгорания для выполнения некоторых задач, которые пар выполнял на более крупных разработках.
Пар использовался на многих участках газового завода, в том числе: для работы вытяжного устройства; Для очистки пиролизного полукокса и шлака из реторт и для клинкинга производителя верстака; Для работы двигателей, используемых для транспортировки, сжатия воздуха, зарядки гидравлики или привода динамо-машин или генераторов, вырабатывающих электрический ток; Впрыскивается под решетку производителя в печи непрямого обжига, чтобы предотвратить образование клинкера и способствовать реакции конверсии воды и газа, обеспечивая качественное вторичное сжигание; В качестве реагента в (карбюраторной) водогазовой установке, а также в качестве привода ее оборудования, такого как многочисленные нагнетатели, используемые в этом процессе, а также масляный распылитель для карбюратора; Для эксплуатации пожарных, водяных, жидкостных, щелоковых и смоляных насосов; Для работы двигателей, приводящих в движение ленточные конвейеры угля и кокса; Для устранения химических засоров в трубах, в том числе нафталина и смолы, а также генеральной очистки оборудования; Для обогрева холодных зданий на производстве, поддержания температуры технологических трубопроводов, предотвращения замерзания воды газгольдера или замерзания различных химических резервуаров и колодцев.
Устройства рекуперации тепла также можно отнести к котлам. Поскольку газовая промышленность применила научные и рациональные принципы проектирования к своему оборудованию, важность управления температурным режимом и улавливания из процессов стала общепринятой. Даже небольшие газовые заводы начали использовать генераторы с рекуперацией тепла, поскольку значительное количество пара можно было производить «бесплатно», просто улавливая технологические тепловые отходы с помощью металлических трубок, заполненных водой, вставленных в стратегический дымоход.
С наступлением эпохи электричества газовые заводы начали использовать электроэнергию, вырабатываемую на месте, для многих мелких функций электростанций, которые ранее выполнялись паровыми или газовыми двигателями, что было непрактично и неэффективно для небольших мощностей. без сложных и подверженных сбоям механических связей. Когда преимущества электрического освещения стали известны, иногда прогрессивные газовые заводы диверсифицировали и производство электроэнергии, поскольку кокс для поднятия пара можно было получить на месте по низким ценам, а котлы уже были в работе.
По словам Мида, газовые заводы начала 20 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 смывания защитного пылевого покрытия угля, обнажающего всю пористую поверхность угля. ниже от слегка до сильно активированного угля; в тяжелой штабеле с плохими характеристиками теплопередачи выделяющееся тепло может привести к возгоранию. Но хранение в замкнутых пространствах с воздухововлекающими свойствами также не рассматривалось с большим вниманием, так как отвод остаточного тепла был бы затруднен, а тушение пожара, если бы он начался, могло привести к образованию высокотоксичного угарного газа в результате реакции вода-газ, вызванной позволяя воде проходить через очень горячий углерод (H 2 O + C = H 2 + CO), что было бы опасно снаружи, но смертельно в замкнутом пространстве.
Хранилище угля было спроектировано для решения этой проблемы. Обычно использовались два метода хранения; подводные или открытые крытые объекты. К наружной крытой штабеле иногда применялись и охлаждающие приспособления; например, средства, обеспечивающие циркуляцию воздуха через глубину сваи и отвод тепла. Объемы хранения варьировались, часто в зависимости от местных условий. На предприятиях в районах с промышленными конфликтами зачастую хранится больше угля. Другие переменные включали национальную безопасность; например, газовый завод Тегель в Берлине имел около 1 миллиона тонн угля (6 месяцев запаса) в гигантских подводных бункерах длиной в полмили (Мид 2e, стр. 379).
Машинная или механическая топка использовалась для замены рабочей силы и минимизации сбоев из-за трудовых споров. Для каждой реторты обычно требовалось два комплекта по три топки. Двое кочегаров должны были поднять кончик черпака в реторту, а третий вталкивал его и переворачивал. Уголь будет подаваться с каждой стороны реторты. Произведенный кокс также будет удаляться с обеих сторон. Бригады кочегаров работали по 12 часов в сутки, хотя труд не был непрерывным. Работа также носила сезонный характер, и в зимнее время требовалась дополнительная помощь. Машинная загрузка требовала более равномерного размещения реторт. Увеличение стоимости рабочей силы увеличило размер прибыли от экспериментов и внедрения машинной топки. [29]
Химическая промышленность нуждалась в каменноугольной смоле , и газовые заводы могли ее обеспечить; поэтому каменноугольную смолу хранили на месте в больших подземных резервуарах. Как правило, это были одностенные металлические резервуары – то есть, если это не пористая кладка. В те дни подземные утечки смолы считались просто тратой смолы; вне поля зрения действительно был вне поля зрения; и такие утечки обычно устранялись только тогда, когда потеря дохода от утечки смолы «колодцев», как их иногда называли, превышала стоимость ремонта утечки.
Аммиачный раствор также хранился на месте в аналогичных емкостях. Иногда на газовых заводах имелся завод по производству сульфата аммония , который перерабатывал щелок в удобрения, которые продавались фермерам.
Этот крупногабаритный счетчик газа точно измерял газ, поступающий из завода в сеть. Это имело огромное значение, так как газовые заводы балансировали учет отпускаемого газа с суммой, уплаченной за газ, и стремились выяснить, почему и как они отличаются друг от друга. Часто он сочетался с динамическим регулятором для поддержания постоянного давления или даже для регулирования давления в определенное время (иногда использовалась серия быстрых скачков давления с соответствующим образом оборудованными уличными фонарями для автоматического дистанционного зажигания или гашения таких фонарей).
Это устройство впрыскивало мелкодисперсный туман нафты в выходящий газ, чтобы избежать кристаллизации нафталина в магистралях и их последующей блокировки. Установлено, что нафта является весьма эффективным растворителем для этих целей даже в небольших концентрациях. Там, где возникали проблемы с нафталином, что иногда случалось даже после введения этого второстепенного карбюратора, посылалась бригада рабочих, чтобы продуть пар в главный карбюратор и растворить засор; тем не менее, до своего внедрения нафталин был очень серьезной помехой для газовых заводов.
Это устройство с паровым или газовым двигателем сжимало газ для впрыска в магистрали высокого давления, которые в начале 1900-х годов начали использоваться для транспортировки газа на большие расстояния к отдельным магистралям низкого давления, которые обслуживали конечных потребителей. Это позволило работам обслуживать большую территорию и добиться экономии за счет масштаба.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
Хэтэуэй, Аллен В. «Литература о промышленном газе» . Проверено 27 мая 2012 г.