Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_212
.pdf
В качестве альтернативы, фаза внутреннего нагрева может проводиться отдельно от начальной стадии
восстановления, в этом случае для дальнейшего сгорания используется увеличенная подача воздуха, а
продолжительность фазы нагрева соответственно сокращается. При таком раздельном и более быстром
внутреннем нагреве, тем не менее, можно избежать локального перегрева и плавления реакционной массы,
как указано в заявке на патент № 14942 от 13 июня 1919 г. (165829), поскольку используемые газы частично
получены в результате предварительного восстановления реакционного материала и, следовательно,
разбавлены инертными компонентами.
Однако такой интенсивный раздельный внутренний нагрев, как правило, приводит к менее равномерному
распределению тепла по всей длине реакционной массы, при этом избыток тепла оказывается ближе к месту
сгорания. Это особенно актуально, когда указанный нагрев длится недолго.
Для противодействия этому эффекту и обеспечения быстрого распределения тепла, выделяемого при
сгорании, по всей массе, отдельный внутренний нагрев может быть осуществлен путем сжигания указанных
газов в значительном избытке воздуха, при этом такой воздух предварительно нагревается по мере
необходимости для противодействия охлаждающему эффекту, вызванному введением большого объема
воздуха.
Датировано 10 июля 1920 года.
От имени заявителя: LLOYD WISE & Co., 10, New Court, Lincoln's Inn, London, W.C. 2, дипломированные
патентные поверенные.
ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
Усовершенствования в производстве водорода или связанные с ним.
Я, Роберт Григгс, проживающий по адресу: Колледж Роуд, 1, Бромли, графство Кент, подданный
Великобритании, настоящим заявляю о характере данного изобретения и о том, каким образом оно должно
быть осуществлено, что будет подробно описано и установлено в следующем заявлении:
Данное изобретение относится к производству водорода путем попеременного восстановления и окисления
нагретого железа или железной руды с помощью восстановительного газа, такого как синий водяной газ и пар
соответственно.
Целью настоящего изобретения является возможность уменьшения количества синего водяного газа или
восстановительного газа, необходимого для производства заданного количества водорода, таким образом,
чтобы снизить себестоимость производства водорода без излишнего усложнения процесса и оборудования,
сохраняя при этом теплоту, необходимую для реакции, и минимизируя колебания температуры массы в
течение цикла работы.
Известно, что при восстановлении оксидов железа до более низких степеней окисления или до
металлического железа для достижения практически полного восстановления необходим избыток
восстановительного газа, а также что ранние стадии восстановления легко и быстро осуществляются, в то
время как по мере приближения восстановления к завершению его становится все труднее осуществить, при
этом скорость восстановления постепенно снижается по мере уменьшения количества окисленного железа.
При постоянной подаче восстановительного газа содержание горючих веществ или теплотворная способность
газов, образующихся в результате восстановления, постепенно увеличиваются по мере протекания процесса,
пока к концу процесса большая часть образующихся газов не будет состоять из горючих веществ. Поскольку
водяной газ является основной статьей расходов в этом процессе, важность сокращения его необходимого
количества была подчеркнута, и с этой целью были предложены различные методы, позволяющие повторно
использовать газы, использованные для целей восстановления.
Таким образом, было предложено пропускать все или часть газов, использованных для восстановления, через
конденсационно-очистительные установки, в которых удаляются пар, водяной пар, диоксид углерода и
соединения серы, что делает очищенные газы практически аналогичными исходному восстановительному
газу, а затем осушенные и очищенные газы, отдельно или в сочетании с новыми запасами
восстановительного газа, снова пропускать через реакционный материал для осуществления его
восстановления.
Добавление на завод по производству водорода необходимого оборудования для такой очистки, которая
практически восстанавливает «отработанный» газ до газов того же типа, что и исходный восстановительный
газ, и значительно уменьшает объем обрабатываемого газа, приводит к увеличению первоначальных затрат,
а также к усложнению и убыточности процесса, что нивелирует любые теоретические преимущества, которые
можно было бы получить от повторного использования отработанного газа.
Было предложено подавать в ретортах отработанный восстановительный газ, предварительно осушенный и
сконденсированный, к оксиду железа на начальном этапе восстановительной операции, а на оставшемся
этапе восстановления подавать к оксиду свежий восстановительный газ, таким образом, процесс
восстановления будет осуществляться в два этапа. Как станет ясно, удаление даже водяного пара только из
использованного восстановительного газа значительно уменьшит его объем, в то время как присутствие
сравнительно больших пропорций диоксида углерода сделает его соответственно менее активным в качестве
восстановительного газа.
В общем, скорость или темп потока восстановительного газа через реакционный материал, наиболее
подходящий для любой части фазы восстановления, например, для той части, в которой используется свежий
восстановительный газ, будет также наиболее подходящим для любой другой части фазы восстановления:
слишком высокая скорость в любой момент времени приводит к потерям газа, а слишком низкая скорость
снижает эффективность из-за того, что продукты восстановления не отводятся достаточно быстро, чтобы
предотвратить обратную химическую реакцию восстановления. Следовательно, если восстановление должно
быть осуществлено на каком-либо этапе фазы восстановления с использованием газа, полученного на другом
этапе, и объем этого газа уменьшен, то скорость его потока и, следовательно, его эффективность для целей
восстановления также уменьшатся, а общее время, необходимое для фазы восстановления, увеличится, и
выход водорода на 65% уменьшится.
Согласно данному изобретению, эти трудности преодолеваются путем проведения начального
восстановления (в сочетании с внутренним нагревом или без него) в одной камере или реторте, или группе, и
это может быть промежуточная стадия или стадии восстановления в другой или других камерах, частично
газами, которые образуются из одной или нескольких других камер на более позднем этапе или этапах фазы
восстановления и которые, следовательно, частично отводятся, при этом в этих газах сохраняется диоксид
углерода и другие примеси, и из которых удаляется только основная часть водяного пара, образовавшегося в
процессе восстановления, и частично свежим восстановительным газом, добавление которого компенсирует
уменьшение объема из-за отвода водяного пара и в значительной степени противодействует разбавляющему
эффекту диоксида углерода, остающегося в частично отработанном газе.
Разделив фазу восстановления в каждой из нескольких камер, ретортов или групп на периоды или этапы,
можно выбрать в процессе восстановления газы, средняя теплотворная способность или содержание горючих
веществ которых варьируются в зависимости от стадии восстановления, из которой они получены, и в
зависимости от характера газов, используемых на этой стадии восстановления; и, предусмотрев различные
стадии восстановления, происходящие одновременно в разных ретортах, камерах или группах, газы из более
позднего периода или стадии, из которых удален водяной пар и к которым добавлен свежий
восстановительный газ, могут быть использованы для более ранней и легкой стадии восстановления в другой
камере без снижения скорости потока и несмотря на присутствие в указанных газах диоксида углерода и
других примесей, образующихся в процессе восстановления. Таким образом, можно добиться экономии
общего количества необходимого восстановительного газа без дорогостоящей и трудоемкой операции
очистки газов, чтобы сделать их практически эквивалентными исходному восстановительному газу, и без
нарушения непрерывности процесса путем хранения промежуточного газа на стадиях, а также без
существенного увеличения общего времени, занимаемого фазой восстановления.
Таким образом, если фазу восстановления каждой камеры, реторты или группы разделить на 120 три
периода, то в течение первого периода, когда активность реакционной массы очень высока, будет получена
смесь газов с очень низкой теплотворной способностью, пригодная только для сжигания в горячей печи 125,
окружающей реакционные камеры или реторты. Средняя теплотворная способность газа, образующегося в
результате восстановления во втором или промежуточном периоде, будет значительно выше, чем в
предшествующем периоде S, и благодаря простому удалению водяного пара его можно использовать с
дополнительным свежим восстановительным газом для осуществления более раннего периода
восстановления в другой соответствующей камере, реторте или группе. Газ, образующийся в результате
заключительного этапа восстановления, который всегда осуществляется только с использованием чистого
или свежего восстановительного газа, будет содержать наибольшую долю горючего газа и обладать
сравнительно высокой теплотворной способностью. Его можно удобно использовать с дополнительным
свежим восстановительным газом для осуществления промежуточного этапа восстановления в другой
соответствующей камере, реторте или группе, просто удалив водяной пар, образовавшийся в процессе
восстановления.
Следует отметить, что газы, образующиеся в результате определенного периода восстановления, не могут
быть повторно использованы в аналогичных условиях для эффективного осуществления дальнейшего
восстановления реакционного материала на аналогичной или более продвинутой стадии восстановления,
если только диоксид углерода не будет удален с помощью дорогостоящей операции очистки.
Всякий раз, когда газы, образующиеся в результате восстановления реакционного материала, используются
для дальнейших целей восстановления после удаления основной массы водяного пара, образовавшегося в
ходе предыдущего восстановления, вместе с указанными газами также подается дополнительный
восстановительный газ с целью пополнения запаса и изменения характеристик газа.
В описании моей предыдущей заявки на патент № 165829 от 13 июня 1919 года описывается устройство,
включающее ряд железосодержащих камер или ретортов, или групп таких камер, заключенных в подходящую
печь, приспособленное для работы таким образом, чтобы железо не только непосредственно нагревалось
через подходящие периодические интервалы времени за счет внутреннего сгорания газов, образующихся в
результате восстановления реакционного материала, но и непрерывно нагревалось вне железосодержащих
камер или ретортов либо за счет сгорания образующихся газов, либо за счет дальнейшего сгорания продуктов
сгорания этих газов при их использовании для внутреннего нагрева, либо за счет сгорания указанных газов с
добавлением продуктов сгорания этих газов.
Настоящее изобретение может быть с успехом применено в тех случаях, когда газы, образующиеся в
результате восстановления реакционного материала, используются для осуществления внутреннего и
внешнего нагрева, как описано в моей предыдущей спецификации, поскольку использование газов из первой
части более поздней стадии для внутреннего нагрева приводит к повышению средней теплотворной
способности или горючести остальных газов, используемых для восстановления.
Ограничивая подачу воздуха для сгорания газов, образующихся на более поздней стадии восстановления
(70-й стадии), можно осуществить начальную стадию восстановления во время фазы внутреннего нагрева. В
качестве альтернативы, фаза внутреннего нагрева может проводиться отдельно от начальной стадии
восстановления 75, в этом случае используется увеличенная подача воздуха для обеспечения более полного
сгорания, и, соответственно, продолжительность фазы нагрева сокращается.
При таком раздельном и более быстром внутреннем нагреве 80, тем не менее, можно избежать локального
перегрева и плавления реакционной массы, как указано в заявке на патент № 165829 от 13 июня 1919 года,
поскольку используемые газы 85 получены в результате предварительного восстановления реакционного
материала и, следовательно, разбавлены инертными компонентами.
Однако такой интенсивный раздельный внутренний нагрев, как правило, приводит к менее равномерному
распределению тепла по всей длине реакционной массы, при этом избыток тепла наблюдается ближе к месту
сгорания. Это особенно актуально, когда указанный нагрев длится всего 95 минут. Для противодействия этому
эффекту и обеспечения быстрого распределения тепла, выделяемого при сгорании, по всей массе,
раздельный внутренний нагрев может быть осуществлен путем сжигания указанных газов в значительном
избытке воздуха, при этом такой воздух предварительно нагревается по мере необходимости для
противодействия охлаждающему эффекту, вызванному введением большого объема воздуха.
Очевидно, что при использовании достаточного избытка восстановительного газа (105) можно поддерживать
необходимое тепло для реакции за счет сгорания газов, образующихся в результате восстановления
реакционного материала. 110 Для достижения цели данного изобретения, а именно экономичного сокращения
количества восстановительного газа, необходимого для производства заданного количества водорода, при
сохранении необходимого для реакции тепла, предлагается рекуперировать отходы, например, отходы из
печи, частично «отработанный» восстановительный газ, горячий водород и перегретый избыточный пар, с
помощью соответствующих теплообменников или регенеративных устройств и возвращать в систему как
можно больше тепла, тем самым компенсируя уменьшенное количество тепла, получаемого при сгорании
конечных газов, образующихся в результате восстановления, поглощенных из газа, образующегося в
результате восстановления; также не является новым в процессе, в котором восстановление полностью
осуществляется свежим восстановительным газом, нагревать железосодержащий продукт реакции путем
внутреннего сгорания газов, образующихся в результате восстановления, или обеспечить совпадение фазы
нагрева с фазой восстановления путем введения небольшого количества воздуха вместе с
восстановительным газом.
Прилагаемый чертеж схематически иллюстрирует устройство, в котором может быть реализовано
изобретение. В показанном на иллюстрации аппарате № 75 имеется четыре группы, каждая из которых
состоит из одной или нескольких камер или ретортов, но могут использоваться три или более групп; кроме
того, аппарат № 80 устроен таким образом, что камеры или реторты могут нагреваться в соответствии с
методом, описанным в описании моей предыдущей заявки на патент № 165829 от 18 июня 1919 года, и
камеры или реторты № 85 расположены в общей печи, но применение изобретения не ограничивается
аппаратами этого типа.
На чертеже изображен разрез 90 камеры или реторты в каждой из четырех групп A, B, C, D, все из которых
находятся в печи с огнеупорной футеровкой, заключенной в изолированный металлический корпус и
снабженной патрубками для подачи 95 газа и воздуха. Продукты сгорания проходят из печи через
соответствующие отверстия в дымоход, расположенный по периметру верхней части печи, и отводятся по
одному или нескольким дымоходам в соответствующие теплообменники для предварительного нагрева
необходимого количества восстановительного газа, пара или воздуха. Каждая из групп A, B, C, D имеет
соединения для подачи пара сверху и снизу. К группам A, B, C и D подсоединена труба подачи редукционного
газа 105 zJ, при этом подачу регулируют клапаны 1, 2, 3 и 4.
Восстанавливающий газ может пропускаться через реакционную массу в любой группе или группах 110, а
газы, образующиеся в результате восстановительной фазы и выходящие из нижней части камер или
ретортов, могут либо подаваться в печь с помощью клапанов 13, 14, 1 или 16 и трубок горелки 115 17, либо
направляться в любую другую группу для внутреннего нагрева или дальнейшего восстановления с помощью
трехходовых клапанов 9, 10, 11, 12, труб 18, 19 и трехходовых клапанов 5, 6, 7, 8, регулирующих поток 120 к
верхней части камер или ретортов.
Трубы 18 и 19 снабжены или соединены с устройством для удаления из таких газов основной части водяного
пара, образующегося в процессе восстановления 125, а также для рекуперации тепла, выделяемого в
процессе восстановления и доступного для поддержания температуры реакции, причем уменьшение
количества доступного тепла обусловлено меньшим количеством используемого восстановительного газа.
Например, отработанные газы печи могут использоваться для предварительного нагрева восстановительного
газа, а любое избыточное тепло, содержащееся в этих отработанных газах, может быть использовано для
предварительного нагрева воздуха, необходимого для внутреннего или внешнего сгорания, или для обоих
процессов; в то время как горячий водород и перегретый избыточный пар могут быть использованы для
предварительного нагрева поступающего пара для производства водорода, причем оба компонента доступны
одновременно в каждой группе. Или же отработанное тепло водорода и избыточного пара из группы может
быть аккумулировано в соответствующих теплообменниках и использовано для предварительного нагрева до
высокой температуры сравнительно небольшого количества свежих восстановительных газов, необходимых
впоследствии для восстановления указанной группой; при этом пар, используемый для получения водорода,
может быть предварительно подогрет отходящими газами печи, а избыточное тепло может быть
использовано для предварительного нагрева воздуха для внутреннего и внешнего сгорания.
В обоих случаях тепло, отводимое при охлаждении газов, образовавшихся в результате восстановительной
фазы с целью удаления основной части водяного пара, образовавшегося в ходе предыдущей
восстановительной фазы, может быть использовано для повторного нагрева охлажденных газов.
Для утилизации отработанного тепла с прерывистым потоком могут использоваться подходящие
регенераторы, содержащие теплоаккумулятор, а для утилизации отработанного тепла с непрерывным
потоком могут применяться трубчатые теплообменники или аналогичные устройства. Теплоаккумулирующие
или регенеративные устройства, а также теплообменники и их общее применение хорошо изучены, поэтому
их применение в данном контексте не рассматривается.
Любое избыточное тепло, превышающее необходимое для реакции или нагрева, может быть использовано
для нагрева питательной воды для котла, подающего пар для производства водорода, или для непрерывного
нагрева; в сочетании с небольшим дополнительным источником свежего восстановительного газа может быть
использован котел-утилизатор, подающий пар, необходимый для производства водорода.
1 Я знаю, что это не совсем новая идея — использовать теплообменники при производстве водорода путем
попеременного окисления и восстановления железа. Например, было предложено нагревать водяной газ для
восстановления, а также пар для производства водорода, используя тепло, поглощенное из водорода, а также
нагревать воздух, подаваемый в генератор восстановительного газа. Тепло, отводимое при охлаждении газов,
может быть использовано для повторного нагрева охлажденных газов после удаления основной части
водяного пара с помощью подходящего теплообменника. Газы, образующиеся на стадии восстановления
любой группы на соответствующей стадии восстановления и поступающие в верхние части ретортов или
камер другой группы на стадии внутреннего нагрева, встречаются с подачей воздуха, который может быть
предварительно нагрет, подан и отрегулирован клапаном 20, 21, 22 или 23, в зависимости от ситуации.
На чертеже показан первый этап цикла, в котором первая группа А занимается окислением или
производством водорода, при этом пар подается в нижнюю часть ретортов, а полученный водород выходит
через клапан 24. Одновременно вторая группа B находится на заключительной стадии восстановления и
получает свежий восстановительный газ через клапан 2; обогащенные газы, образующиеся на этой
заключительной стадии восстановления, поступают в третью группу на более ранней стадии восстановления
через трехходовой клапан 10, трубу 19 и трехходовой клапан 7, а также пополняются дополнительным свежим
восстановительным газом путем частичного открытия клапана 3. При желании часть газов из второй группы на
этом этапе может быть направлена в печь для сжигания вне ретортов путем частичного открытия клапана 14.
Газы, образующиеся в результате восстановления в третьей группе С, подаются в четвертую группу D для
внутреннего нагрева через трехходовой клапан 11, трубу 18 и трехходовой клапан 8. При желании часть этих
газов может быть подана в печь, как и в предыдущем случае, путем частичного открытия клапана 15.
Регулируемое количество воздуха подается через клапан 23, и при необходимости в любой момент можно
также подать регулируемое количество свежего восстановительного газа, частично открыв клапан 4.
Продукты сгорания и любые несгоревшие газы покидают другой конец ретортов или камер группы D через
клапан 16 и поступают в печь через горелки 17, где сжигаются вместе с любым газом, который может быть
получен непосредственно из групп B и C при регулируемой подаче воздуха.
Когда в первой группе завершается производство водорода, вторая группа, в свою очередь, переходит к
окислению или производству водорода, в то время как четвертая группа начинает восстановление, а третья
остается в процессе восстановления, но получает свежий восстановительный газ только для завершения
своего окончательного восстановления. В первой группе внутренний нагрев начинается до начала
восстановления.
Второй этап цикла может быть осуществлен следующим образом: клапан 2 закрывается, а клапан 3
дополнительно открывается, тем самым перекрывая подачу восстановительного газа во вторую группу и
обеспечивая полную подачу газа в третью, которая теперь начинает свое окончательное восстановление.
Вторая группа затем продувается вниз путем подачи пара сверху, при этом газы, оставшиеся в ретортах, и
образующийся примесный водород направляются против 75-градусного падающее давление газа в третью
группу через трехходовой клапан 10, трубу 19 и клапан 7. Во время продувки подача пара, образующегося при
образовании водорода, в первую группу отключается, выпускной клапан водорода 24 закрывается, а клапан
13 открывается.
После завершения продувки во второй группе подача продувочного пара прекращается, а трехходовой клапан
85 7 закрывается. Затем клапан 10 закрывается, а выходной клапан водорода 25 открывается, и
водородообразующий пар подается в нижнюю часть ретортов B. Воздушный клапан 93 закрывается, а
трехходовые клапаны 5 и 12 регулируются таким образом, чтобы нижняя часть четвертой группы D
сообщалась с верхней частью первой группы A. Затем клапан 16 закрывается.
При закрытии воздушного клапана 23 четвертой группы D 95 и, следовательно, прекращении внутреннего
нагрева, обогащенные газы, образующиеся в результате заключительного периода восстановления, начинают
поступать в третью группу, дополненные дополнительным свежим восстановительным газом. Частичное
открытие клапана 4 вызывает начальное восстановление в четвертой группе, которая начинает свое
начальное восстановление, а подача воздуха через клапан 20 приводит к началу фазы внутреннего нагрева
первой группы. Продукты сгорания и любые несгоревшие газы поступают в печь через клапан 18 и горелки 17.
Как и на предыдущем этапе цикла, 110 часть газов, образующихся в результате заключительного или иного
периода восстановления, может подаваться непосредственно в печь путем частичного открытия клапанов 15
или 16; аналогично, свежий восстановительный газ может в любое время, 115 при необходимости, подаваться
вместе с газами, образующимися в результате восстановления и поступающими в группы для внутреннего
нагрева. Третий и четвертый этапы цикла подвергаются аналогичному воздействию. 120 В описанном способе
работы каждая группа поочередно производит водород и проходит стадию внутреннего нагрева перед
началом восстановления, при этом всегда находятся две группы, работающие в режиме восстановления:
одна находится на заключительном этапе и получает только свежий восстановительный газ, а другая — на
более раннем этапе восстановления, получая весь или часть газов, образовавшихся в результате
заключительного этапа восстановления, а также дополнительный свежий восстановительный газ. В печь
постоянно подается газ с целью поддержания непрерывности внешнего нагрева путем сжигания «газов,
образующихся в результате восстановления реакционного материала».
Путем соответствующего сочетания «фазы внутреннего нагрева» с начальным восстановлением — либо
одновременно, либо непосредственно после нее — в аппарате, состоящем из четырех групп ретортов или
камер, как показано на рисунке, может быть осуществлено три стадии восстановления, в то время как
начальная стадия восстановления, сочетающаяся с фазой внутреннего нагрева или непосредственно
следующая за ней, и заключительная стадия восстановления могут быть осуществлены в аппарате,
состоящем из двух или трех групп ретортов или камер, причем период получения водорода в любой из групп
меньше всего периода восстановления, и пока в одной группе производится водород, в другой происходит
восстановление свежим восстановительным газом.
В связи с подробным описанием и выяснением природы моего изобретения и способа его осуществления, я
заявляю, что 1
Соседние файлы в папке патенты