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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch abwechselndes Reduzieren und Oxydieren von Eisenoxyd bzw. Eisen mittels reduzierender Gase bzw. Wasserdampfes, sowie auf Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, vorstehendes Verfahren in indirekt beheizten, mit feuerfester Umschalung versehenen Eisenretorten auszuführen. Die Verwendung dieser Retorten bot indessen insofern Nachteile, als sie infolge ihrer Ummantelung die Wärme nur schlecht leiten, so dass, um der in der Retorte befindlichen Reaktionsmasse die erforderliche Temperatur zu erteilen, die Temperatur im Retortenofen sehr hoch getrieben werden muss. Hiebei treten erfahrungsgemäss häufig überhitzungen ein, welche ein Schmelzen der Reaktionsmasse, der Retorte selbst, Verstopfungen und andere Betriebsstörungen, wie beispielsweise Unmöglichkeit der Entfernung der an die Retortenwände festgebackenen Reaktionsmasse, zur Folge haben.
Die Verwendung von Eisenretorten ohne schützenden Cberzug hat sich ebenfalls nicht bewährt. weil die ungeschützten Retorten durch Stichflammen und infolge der ständigen Oxydationswirkungen durch die Heizgase in kurzer Zeit zerstört werden.
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durch Gasgeneratoren hindurchzulegen, dass dieselben durch die in der Koksmasse des Generators auftretende fühlbare Wärme beheizt wird und das in dem Generator entwickelte Wassergas zwecks Reduktion der Eisenmasse unmittelbar in die Retorten einzuleiten, während zwecks Oxydation des Eisens Wasserdampf durch besondere Rohrschlangen in die Retorten eingeleitet werden soll.
Infolge der unvermeidlichen beträchtlichen Temperaturschwankungen der Koksfüllung des
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Luft auf das Retortenmaterial dürfte die praktische Durchführung dieses Verfahrens auf un- überwindliche Schwierigkeiten stossen.
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stand. dass es ummöglich war, die wenig durchlässige Reaktionsmasse gleichmässig zu beheizen.
Es treten vielmehr innerhalb derselben oder in der Nähe der Heizzone Überhitzungen ein, während wieder den entfernteren Partien zu wenig Wärme zugeführt wurde. Trotz starker Beheizung gelingt es datier bei diesem Verfahren nicht, die zur Durchführung der Reaktionen erforderlichen Wärmemengen in der Eisenfülluiig aufzuspeichern, so dass die Reaktion bald nachlässt und bei zu tiefer Temperatur verläuft. Ein weiterer beträchtlicher Nachteil dieses Verfahrens liegt darin.
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wird, dass sie bald in ihrer Wirksamkeit nachlässt.
Nach den Untersuchungen des Erfinders ist es für den richtigen Verlauf der in Betracht kommenden Reaktion von grösster Wichtigkeit, dass die Reaktionsmasse gleichmässig und genügend hoch, aber unter Vermeidung jeglicher Überhitzung beheizt wird, da ohne Einhaltung dieser Bedingungen stets nachteilige Nebenreaktionen auftreten, welche Kohlenstoffabscheidung, unreinen Wasserstoff, hohen Gas- und Dampfverbrauch, geringe Leistung des Ofens, Zusammenschmelzen und Backen der Eisenfüllung und andere Cbel8tÅande zur Folge haben.
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Generatorverfahrens vereinigt, während die Nachteile, welche diesem bekannten Verfahren anhaften, vermieden werden.
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weif he bei Durchführung des Verfahrens Benutzung finden kann.
In dem gasdicht verschliessbaren Ofen 7 ist ein Zersetzer 2 für die Aufnahme der Reaktions-
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Ofens kommuniziert. Bei dem Ausführungsbeispiel ist am unteren Ende des Zersetzers ein kranzförmiges Gitter 5 vorgesehen, welches ein Herausfallen der Reaktionsmasse in den Heiz- raum 4 des Ofens verhindert, aber den Reaktionsgasen glatten Durchgang gestattet. Das obere freie Ende des Zersetzers 2 ist mit einer durch einen Verschluss 7 verschliessbaren Einfüllöffnung versehen. In den Heizraum 4 ist ein Gitter 6 aus Schamotte oder'anderem feuerfesten Material eingebaut, um den Heizraum als Überhitzerraum bzw. Wärmespeicher auszubilden.
An der Unterseite des Ofens l, gegenüber dem offenen Ende des Zersetzers2, befindet sich ein Kasten tu'. (lessen obere Öffnung durch den von unten zu bedienenden Deckel 9 luftdicht ab-
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geschlossen werden kaml. Von dem Kasten 8 führen gleichmässig auf den Umfang des Kasten1\ verteilte Rohre oder Kanäle 10 in radialer Anordnung in den Heizraum des Ofens.
Unten ist der Kasten 8 durch einen lösbar angeordneten Boden 11 abgeschlossen, welcher mit einem an die Luftleitung anschliessenden Rohrstutzen 12 ausgerüstet ist. Ein Schieber 13 dient zur Regelung der Luftzufuhr.
In den Kasten 8 mündet die Dampfleitung 21, von der eine in den Schornstein 22 mündende Rohrleitung 23 abzweigt. An der Kreuzungsstelle dieser Leitungen ist ein Dreiweghahn 24 vorgesehen, durch welchen der Dampfstrom einmal nach Leitung 21. das andere Mal nach Leitung 23 gesteuert werden kann. Ein Hahn 25 ! dient zum Abstellen der Dampfleitung.
Rings um den Kasten 8 herum ist ein ringförmiger Kasten 14 angeordnet, von welchem senkrechte Rohre 15, 16 in den Heizraum 4 führen und in diesen in verschiedenen Höhenlagen endigen. Die Rohre 15, 16 sind gleichmässig auf den Ringkanal 14 verteilt und so angeordnet. dass längere Rohre 16 mit kürzeren 15 abwechseln. Die unteren Öffnungen der Rohre 15, 16 sind
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welch letztere wieder bei 20 in den Oberteil des Zersetzers mündet.
Von der Hauptgasleitung 19 führt eine Nebenleitung 27 mit Schieber 28 zu der (nicht dargestellten) Dampfkesseifeuerung. Von der Leitung 27 zweigt ein Rohr 29 ab, welches in den mit Wasserabsperrung versehenen Taucher 30 mündet. Das Rohr 23 dient zum Ableiten des Wasser- staffs anus dem Taucher.
In Ausübung des Verfahrens verfährt man beispielsweise wie folgt :
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Schieber 7. 3. Die Abgase entweichen durch die geöffnete Kaminklappe 31 in den Schornstein.
Sobald der Ofen auf Rotglut gebracht ist und auch die Reaktionsmasse der Zersetzerräume eine entsprechende Temperatur erreicht hat. kann die Reduktion der Reaktionsmasse erfolgen.
Durch Öffnen des Schiebers 32 lässt man reduzierendes, gegebenenfalls vorgewärmtes Gas durch Öffnung 20 in den Retortenkopf einströmen.
Das aus dem unteren offenen Ende des Zersetzers entweichende Abgas geht durch den Heizraum 4 und von hier durch Kaminklappe 31 in den Schornstein. Bei hängenden Zersetzern wird dieses Abgas, sofern es überhaupt brennbar ist, zweckmässig durch Zuführung von Luft durch die Rohre 10 verbrannt und so zur Beheizung nutzbar gemacht.
Umgekehrt kann auch die Reduktion unter starker Überhitzung der reduzierenden Gase
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und mithm auch zur Erzielung einer gleichmässigen Reduktion des gesamten Inhalts des Zersetzers beiträgt.
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Zu diesem Zwecke wird zunächst bei geschlossenen Gas- und Luftschiebern durch öffnen des Dampfventils 25 und Einstellen des Dreiwegventils 24 Dampf in den Kasten 8 und von hier durch die Rohre 10 in den Überhitzer 4 geschickt. Die Kaminklappe 37 bleibt hiebet geönnet, damit die den Raum erfüllenden Gase entweichen können. Nach genügendem Durchblasen wird
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den Tauchtopf 30 gedrückt, von wo er nach Cberwindung des Wasserdrucks durch Rohr 33 abgeleitet wird.
Das Verfahren besteht also aus je einer Heizphase, Reduktionsphase und Oxvdationsphase.
Reduktionsphasen und Oxydationsphasen wechseln miteinander ab. Die Heizphasen werden nach Bedarf e'ngelegt.
Es kann auch die Heizphase mit der Reduktionsphase kombiniert werden, in welchem
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verfahren wegen der Durchlässigkeit des glühenden Eisens für Wasserstoff und bei der geringsten Beschädigung der Retorten infolge der sehr hohen Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases sehr beträchtlich sind, ganz ausgeschlossen, da die glühende Zersetzerwand überhaupt nicht als Abschluss nach aussen dient, sondern die kalte Ofenwand.
Im Gegensatz zum Schachtofen wird hier die direkte Beheizung der Eisenfüllung und damit schnelle Verschmutzung, örtliche überhitzung und ungleichmässige Temperatur der ganzen Füllung vermieden.
Während man einen mit Eisenfüllung versehenen Generatorscbacht nur nach beendigter Oxydation beheizen kann in einer besonders eingelegten Phase, und während oder zwischen der anderen Phasen eine Beheizung unmöglich ist, da sonst der Eisenschwamm reoxydiert werden würde, kann hier infolge Trennung des Ofenraumes in mehrere Abteilungen die Beheizung unabhängig vom Zustand der Eisenfüllung erfolgen.
In der Schamottewand des Ofens und dem feuerfesten Gitterwerk wird eine bedeutende Wärmemenge aufgespeichert und dadurch während des Aussetzens der Beheizung durch Strahlung und Leitung ein zu tiefes Herabsinken der Temperatur der Zersetzer verhindert. was von grosser Wichtigkeit ist und ausgleichend bei den einzelnen Perioden des Prozesses wirkt.
Die Ausbildung des Ofens als Überhitzer ermöglicht gleichzeitig auch die überhitzung des Dampfes bzw. Gases.
Die Ausbildung der einseitig offenen Zersetzerräume gestattet ohne Wärmeverluste und schlecht funktionierende Abschlussorgane die hoch erhitzten Gase sofort den Zersetzern zuzuführen und mit der Eisenfüllung zur Reaktion zu bringen.
Gleichzeitig werden Schwierigkeiten der Konstruktion, die in der starken Ausdehnung und Verlängerung der glühenden Retorten bedingt sind, behoben und eine einfache Beschickung, Entleerung und Auswechslung ermöglicht.
Endlich vermeidet die Kombination des Ofens mit dem Zersetzer alle unnötigen Hohlräume und dadurch eine spätere Verunreinigung des Dampfes und damit des Wasserstoffs.
Von grösster Wichtigkeit für die Durchführung des Verfahrens ist die Wahl des Materials für die Zersetzerräume. Man kann die Zersetzer hier, wo die Druckdifferenz zwischen Ofenraum) und Zersetzer nur gering ist und die Zersetzerwand nicht auf Dichtigkeit gegen Gase unter Druck beansprucht wird, aus feuerfestem Material herstellen. In diesem Falle muss aber behufs genügender Wärmeübertragung von der beheizten Aussenseite aus der Ofen bzw. Überhitzer auf bedeutend höhere Temperatur gehalten werden, wie sie eigentlich zur Reaktion erforderlich wäre. Auch bei Verwendung ummantelter Eisenkörper ist dieses der Fall.
Hiebei macht sich jedoch der Ubelstand
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der EisenfüHung und empfindliche Betriebsstörungen zur Folge hat. Dieses gilt insbesondere bei grösseren Querschnitten der Zersetzer. wie sie für den Grossbetrieb in Frage kommen. Ein weiterer
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Gemäss der Erfindung werden beide Mängel dadurch beseitigt, dass die Zersetzer aus un- gescliützteni Eisen bestehen. Die Wärmeübertragung ist dadurch eine M) schnelle, dass nicht nur bei der periodischen Beheizung wenig Zeit verloren geht und insbesondere die Oxydationsphase abgekürzt werden, sondern auch die Temperatur des Ofens niedriger gehalten werden kann. Dadurch wird die Stundenleistung des Apparates an Wasserstoff erhöht, da nicht nur die Gefahr des Verderbens der Eisenfüllung fortfällt, sondern auch das Zersetzerbaumaterial geschont wird.
Bei Verwendung ungeschützten Eigens würden aber die bekannten, auch den Eisenretorten
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In der Motortuftschiffahrt werden bekanntlich die höchsten Anforderungen an die Reinheit des Wasserstoffs gesteUt. Infolge der Hohlräume und der Porosität des feuerfesten Materials
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hineingelangen. Um auch etwaige noch in den kleinsten Poren zurückgehaltene Gase auszutreiben, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung so verfahren, dass der überhitzer an geeigneten Stellen mit Eisenteilen oder mit feuerfesten Ziegeln, die mit Eisenoxyd gemischt und gebrannt oder teilweise bestrichen sind, versehen wird. Diese Stoffe nehmen natürlich dann gleichfalls an der Reduktion bzw. Oxydation je nach den durchstreichenden Gasen teil.
Sind sie vorher reduziert worden, so werden sie beim Ausblasen mit Dampf energisch Wasserstoff entwickeln, der infolge seiner grossen Diffusionsgeschwindigkeit sofort in die feinsten Poren des feuerfesten Materials eindringt und diese von Fremdgasen reinigt. Ein Teil dieses Wasserstoffs wird schon von dem Eisen der Zersetzer geliefert, falls dieses Baumaterial gewählt ist.
PA TEXT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff durch abwechselnde Oxydation und Reduktion von Eisen in periodisch beheizten, mit Heizräumen in direktem Wärmeaustausch stehenden Zersetzern, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Zersetzer einzuleitenden Reaktionsgase (Wasserdampf, reduzierende Gase) bzw. die aus den Zersetzern entweichenden Gase durch die als Leitungen selbst ausgebildeten Heizräume hindurchströmen.