Генераторный газ — составляет такой вид горючих газов (см. Водяной газ и Газовое производство), который применяется во множестве производств не только потому, что легко получается из всяких углеродистых сортов горючих веществ и дает возможность пользоваться всякими низшими родами топлива (например, торфом, опилками, каменноугольной мелочью) для получения желаемых во множестве случаев (например, в стеклоделии и в металлургии) высоких температур, не достигаемых при простой топке такими видами топлива (см. Горючие материалы), но и потому, что Г. газы сгорают вполне, развивая все возможное тепло, при смешении лишь с надлежащим количеством воздуха, тогда как всякие виды твердого топлива для такого сгорания требуют огромного избытка воздуха (см. Дым, Горючие материалы). Образование таких Г. газов происходит в простых горнах или небольших шахтных (вертикальных, более или менее цилиндрических) печах, называемых генераторами (générateur gazogène — фр.; Generator, Gaserzeuger — нем.; gas producer — англ.), которые можно рассматривать как части обычных печных топок, в которых горение совершается лишь наполовину. Возможность тех явлений, которые ведут к образованию Г. газа, основывается на способности всяких видов угля и всяких видов углеродистого топлива образовать в первый момент горения лишь углекислый газ, СО2, и уголь, а вместе с тем образовавшемуся углекислому газу с накаленным углем свойственно при отсутствии избытка воздуха образовать горючую окись углерода СО (по уравнению: СО2 + С = 2СО), которая и составляет горючую составную часть Г. газа (см. Окись углерода). Чтобы получить понятие о Г. газе, мы изложим: I. Химические основания его образования; II. Сравнение Г. газа с водяным; III. Исторический очерк применения Г. газа; IV. Устройство генераторов; V. Состав Г. газов; VI. Применение регенерации и рекуперации к Г. газу.
I. Химические основания производства Г. газа. Все обычные виды горючих материалов (см.) содержат избыток углерода и водорода, т. е. количество содержащегося в них кислорода менее, чем следует для образования СО2 и Н2О, и при накаливании все образуют сверх других продуктов уголь, который при горении в воздухе или кислороде сперва дает всегда исключительно один углекислый газ СО2, но никогда не образует сразу окись углерода СО, хотя это есть низшая степень окисления. Она происходит только как вторичный продукт из углекислого газа. Если при обычной температуре и при всякой ниже 550° Ц. пропускать СО2 через слой угля, реакции между ними не совершается, а при 550° и выше уголь и СО2 переходит в окись углерода. При этом (СО2 + С = СО + СО) из 2 объемов углекислого газа происходят 4 объема окиси углерода и уголь переходит в газ. Когда в кислороде сгорает уголь в СО2, то остывший до начальной температуры он занимает тот же объем, как и кислород, а когда образуется окись углерода, объем возрастает в два раза, что и видно из частичных формул названных газов: O2, CO2 и CO, потому что эти формулы соответствуют количествам, занимающим равные объемы. Превращение СО2 в СО при действии угля и возвышенной температуре никогда не идет до конца, часть СО2 остается. При 1000°, даже при продолжительном действии избытка угля, остается еще 3% СО2 (Ланг); при низших температурах — более. Поэтому в генераторном газе всегда кроме СО есть СО2, Если же слой накаленного угля, через который протекает СО2, мал, то реакция не успевает происходить до указанного конца даже при очень высокой температуре. Неполнота превращения СО2 с С в СО указывает на то, что реакция эта обратима и определяется пределом (см. Равновесия и Пределы химических реакций), т. е. что окись углерода при накаливании способна распадаться на уголь и углекислый газ (см. Диссоциация). Реакции этого рода усложняются тем, что СО2 распадается при накаливании на окись углерода и кислород, но размер этого распадения при высших достигаемых в технике температурах (до 2500°) невелик — по Ле-Шателье, не превышает 5% (см. Газовые взрывы). Образование Г. газа из угля, таким образом, основано на том, что воздух, притекая к нижним частям накаленного заранее угля, образует СО2 и развивает тепло, достаточное для того, чтобы накалить уголь и СО2, и они при взаимодействии в верхних слоях образуют окись углерода. Образование её (от взаимодействия С + СО2) сопровождается поглощением теплоты, которое нельзя измерять прямым опытом, потому что калориметрические измерения при столь высоких температурах, при каких совершается указанная реакция, производимы быть не могут; но о поглощении тепла можно судить косвенно, зная количество тепла, отделяющееся при горении угля и окиси углерода в СО2. Одна весовая часть угля, сгорая в СО2, выделяет около 8080 калорий (единиц тепла, см.), а одна весовая часть окиси углерода, сгорая, дает около 2480 кал. Когда сгорает 1 весовая часть угля, происходит 3 2/3 весовых частей СО2, а для получения этого количества СО2 должно взять 2 1/3 весовых частей окиси углерода, т. е. одна часть угля дает 2 1/3 весовых частей СО. Такое количество окиси углерода, сгорая в СО2, развивает 2430×2 1/3, или 5670 кал. Отсюда уже очевидно: 1 весовая часть угля, сгорая в СО, развивает 8080 — 5670, или около 2410 кал., а сгорая в СО2 — 8080 кал. Теперь уже можно рассчитать поглощение тепла при реакции С + СО2, например, на данное количество взятого угля. Но лучше и проще подобные расчеты вести на те весовые количества, которые отвечают химическим формулам, выражающим реакцию. Так как С = 12, O = 16, СО = 28, CO2 = 44, то из предшествующего очевидно, что нижеуказанные реакции сопровождаются отделением:
| Действуют: | Калорий: | Тысяч К.[1] | Происходят: |
|---|---|---|---|
| С + O | + 2410.12 = 28920 | или + 29 К. | СО |
| С + О2 | + 8080.12 = 96960 | или + 97 К. | СО2 |
| СО + О | + 2430.28 = 68040 | или + 68 К. | СО2 |
Отсюда очевидно, что частичное (выражаемое формулой) количество СО2, превращаясь в СО + O, поглотит 68 К., а С, соединяясь с О, отделяет 29 К., т. е. в сумме при реакции С + СО2 поглотится 39 К. тепла (поглощение выражено знаком минуса):
Следовательно, при этом превращении тепло скрывается, поглощается или связывается, что и понятно уже из одного того, что твердый уголь переходит в газ и объем его возрастает, а при переходе в газ и возрастании объема происходит поглощение тепла.
Следовательно, Г. газ несомненно заключает в себе скрытую энергию (запас тепла или движения), что и делает его пригодным для дела горючим материалом. Тем не менее в этом газе не будет содержаться всего того тепла, которое было во взятом для его получения угле, потому что, вполне сгорая, С. дает 97 К., а соответственное ему количество СО только 68 К. Другими словами, в генераторе, где происходит сперва СО2, а потом СО, остается около 1/3 тепла, содержащегося в угле. По данным непосредственных измерений (например, Ле-Шателье, 1892 г.), газы, выходящие из генератора, имеют температуру около 700—800°. [2] И если бы в газ превращалось в генераторах чисто углеродистое топливо, тогда бы такой горячий газ было бы очень выгодно прямо сжигать в печах, потому что вся теплота угля тогда пошла бы на пользу. [3] В действительности же генераторы применяются очень часто к топливу, содержащему много водорода (каковы дрова, торф, бурые угли и т. п.) и воду, а потому дающему много воды и продуктов сухой перегонки, происходящих от неполноты горения, совершающегося в генераторах. Так, обычное, особо не сушеное дерево (см. Горючие материалы) в генераторах дает около 2/3 своего веса воды, а на накаливание водяного пара (вследствие его значительной теплоемкости) идет много тепла, через что температура, развиваемая горением Г. газа, не лишенного (через охлаждение) воды, ниже, чем доставляемая им же после выделения воды, т. е. после надлежащего охлаждения. [4]
II. Сравнение Г. газа с водяным. Накаленный уголь не только с углекислым газом, но и с водяным паром дает горючий «водяной газ» (см.), и для техники очень важно сравнить оба газа помимо их внешних условий производства и пользования (например, простоты устройства приборов, легкости ведения производства, объема ведущих труб и т. п.), тем более, что надлежащее опытное сличение этих двух видов горючих газов как топлива составляет предмет очень сложный. Для простоты суждения мы представим, что оба газа готовятся из чистого угля. В действительности этого нет, но водяной газ может получаться с выгодой только из видов топлива (кокс, антрацит), очень богатых углеродом, тогда как Г. газ — из всякого вида топлива, что дает ему уже весьма важное практическое преимущество. Для правильности сличения вообразим затем, что оба вида газа применяются после охлаждения, так что то тепло, которое развивается в генераторе, вовсе не применяется. Сличение произведем двояко: 1) взяв накаленный уже уголь в количестве 12 кг и предполагая, что через него проникает или СО2 (это дает Г. газ), или H2O (это дает водяной Г.), и в обоих случаях предположим что в получающемся газе не содержится СО2; 2) взяв холодный уголь и рассчитывая количество газа, происходящее из 100 кг угля. Первое сличение выражается прямо равенствами:
С + СО2 = СО + СО
и С + H2O = СО + Н2.
Обоим равенствам отвечают одинаковые объемы газов, и оба поглощают (исходя для водяного газа из жидкой воды) почти одинаковое количество (39 и 40 К.) тепла. Мало этого: происходящие газы, сгорая (после охлаждения), требуют одинаковых количеств кислорода и выделяют (если вода, происходящая из водорода, как в калориметрических определениях предполагается, вся в жидком виде) одинаковые количества тепла; потому что равенствам:
СО + СО + О2 = СО2 + СО2
СО + H2 + О2 = СО2 + Н2O
отвечает выделение (68 + 68 =) 136 К. и (68 + 69 =) 137 К. В действительности это разительное сходство обоих видов горючих газов исчезает, потому что вода, происходящая при горении водяного газа, остается в виде пара, а не в жидком состоянии, как в калориметрических определениях, а потому Н2 развивает тогда не 69 К., а только 58,4 К. Следовательно, 12 весовых частей (или С) угля дают в виде Г. газа 136 тыс. кал., а в виде водяного газа 126 тыс. кал.; это уже показывает, что Г. газ не уступает водяному относительно способности утилизировать нагревательную способность угля, если представить воду и углекислоту готовыми и нагревание угля не принимать в расчет. Но так как вода находится готовой в природе повсюду, а СО2 очень редко (в немногих местностях выделяется из земли или из минеральных ключей), и этот газ надо получать, расходуя тот же уголь, то действительное сличение практического значения обоих видов газа возможно только по второму из указанных способов. При этом должно принять во внимание, что при производстве Г. газа уголь, расходуемый для получения СО2, в то же время накаливает остальную часть угля до температуры (около 600°), необходимой для образования Г. газа, а потому, если 12 частей угля, превращаясь в 28 частей окиси углерода, способны при её горении развить 68 тыс. кал. тепла, то 100 кг. угля, превращенные в Г. газ, при его сжигании способны развить 5662/3 тыс. кал. Чтобы рассчитать теперь, сколько тепла можно получить в виде водяного газа, взяв в дело 100 кг угля, мы должны прежде всего узнать, сколько израсходуется этого угля для доведения его до температуры 1000°, необходимой для образования водяного газа. Для этого предположим, что часть угля особо сгорает вполне до СО2 в воздухе и оставляет остальной уголь нагретым до 1000°, образуя продукты горения (дым) той же температуры. Приняв (и это близко к действительности), 1) что средняя теплоемкость угля от обыкновенной температуры до 1000° = 0,4 (согласно с данными Вебера), 2) что для полного сжигания 1 весовой части угля требуется не менее 18 весовых частей воздуха, 3) что средняя теплоемкость продуктов горения угля = 0,27 и 4) что уголь, вполне сгорая, дает 8000 ед. тепла, — получим, что требуется сжечь около 12 кг угля в СО2, чтобы накалить 88 кг угля до 1000° [5], или около 14% по весу реагирующего угля. До этой же температуры должно накалить и водяной пар, чтобы реакция между ним и углем направилась в сторону образования водяного газа (смеси Н2 с СО), а не смеси водорода с СО2 (см.). Испарение каждой 1 весовой части воды в паровом котле требует при доведении температуры пара до 100° (взяв воду при 20°) около 620 кал., а нагревание паров от 100° до 1000° около 540 кал. (принимая среднюю теплоемкость пара 0,6, а по Ле-Шателье она еще выше), следовательно, всего около 1160 кал. на каждую весовую часть воды, для чего должно сжечь более 0,2 весовых частей угля. А так как для реагирования С + H2O на каждый килограмм угля требуется 1 1/2 кг водяных паров, то для нагрева воды и перегревания пара пойдет на каждый килограмм реагирующего угля около 0,3 кг угля, или около 30% [6]. Таким образом, оказывается, что из 100 кг угля, имеющихся в распоряжении, в реакцию образования водяного газа пойдет никак не более 70 кг угля, остальное сожжется для накаливания угля (около 10 кг) и воды (около 20 кг угля) до температуры реагирования. А по уравнению С + H2O = СО + Н2, если на 12 частей угля получается такое количество водяного газа, которое дает 126 тыс. калорий, то из 70 кг угля водяной газ дает около 735 тыс. калорий. Это число более того (около 567 К.), которое может развивать Г. газ, полученный из 100 кг угля. Здесь видно преимущество водяного газа над генераторным. Оно еще более возрастает от того, что в действительности Г. газ содержит много азота (см. далее V), а водяной, если и содержит его, как случайную подмесь, то лишь в малом количестве, а потому этот последний может дать при горении в воздухе гораздо высшие температуры, чем Г. газ (см. Горючие материалы). Притом в равном весе и в одинаковом объеме водяной газ содержит более горючих элементов и развиваемых ими единиц тепла, чем Г. газ. Все эти преимущества водяного газа при множестве технических производств исчезают от той сложности, с которой доныне сопряжено его правильное производство, и от того, что для него требуется изысканно хорошее топливо, например, антрацит или кокс. По этой причине в заводских делах Г. газ заслуживает предпочтения перед водяным газом, тем более, что Г. газ готовится очень просто, а с регенеративным и рекуперативным (см. далее VI) устройствами Г. газ легко дает температуры, в которых сплавляется платина. Но там (например, для газовых двигателей и для освещения), где регенерация мало применима и необходимо иметь концентрированный горючий газ — водяной газ имеет огромные преимущества.
Необходимо, однако, заметить, что, проводя в генератор водяные пары, можно простым и непрерывным способом обыкновенный Г. газ получать в смеси с водяным газом. Поэтому Даусоновский газ (см.), как смесь водяного и генераторного, заслуживает особого внимания, и при изготовлении Г. газа из видов топлива, богатых углеродом, по теории и практическому опыту очень полезно пропускать к генератору вместе с воздухом водяные пары в надлежащем количестве (до 70% по весу угля), как это делается и в обыкновенных топках, питаемых горючими материалами, богатыми углеродом.
III. Исторический очерк применения Г. газа. Доменные печи (см. это слово) для выплавки чугуна представляют первые виды приборов для получения горючей смеси азота и окиси углерода, потому что колошниковые газы, из таких печей выходящие, прежде не собиравшиеся, а прямо на месте сжигавшиеся, оказались (Оберто во Франции, 1811) способными питать топку паровых котлов и воздухонагревательных печей (Фабр Дюфур, 1837), для чего ныне всюду и применяются. Особые устройства для получения горючего газа того же рода, как из доменных печей, давно предлагавшиеся и отчасти применявшиеся (Томас во Франции, 1836, Бишоф в Германии, 1839), получили практическое значение в середине текущего столетия (XIX), особенно благодаря настойчивости Эбельмена во Франции и Ф. Сименса в Германии. Первые усилия были направлены преимущественно к тому, чтобы при помощи генераторов пользоваться такими низшими, малопригодными для заводского дела видами топлива, каковы торф, хвоя, опилки и т. п. Оказалось, что с ними можно получать Г. газ, достоинством не уступающий тому, который образуется коксом и дровами, и дающий при прямом сжигании температуры не ниже, а выше доставляемых древесным топливом. Это уже обратило всеобщее внимание на Г. газ. Но оно значительно возросло с того времени, когда братья Сименс в 60-х годах предложили, а в 70-х годах широко применили Г. газ для регенеративных печей (см. далее VI), в которых теплота теряющихся (выходящих из рабочего пространства печи) продуктов горения применяется для предварительного нагревания воздуха и Г. газа, потому что при таком способе применения, очень удобно прилагаемом к Г. газам [7], стали экономически выгодно получаться при их помощи возвышенные температуры, достаточные для прямой плавки стали и стекла, даже для сплавления платины, к чему вовсе не способны твердые виды топлива в обычных печах. Получаемые температуры достигались ранее или в горнах с лучшими сортами кокса и угля, или при употреблении кислорода. Этот род применения сильно расширил область применения Г. газа и окончательно установил его важное техническое значение.
IV. Устройство генераторов бывает весьма разнообразно, смотря по роду применяемого горючего материала и по способу пользования Г. газом: с предварительным охлаждением или без него. В этих отношениях особенно должно отличать генераторы вертикальные с горизонтальной решеткою (фиг. 1) от генераторов наклонных с лестничной решеткой (фиг. 2). Для таких видов топлива, как каменный уголь, подходят и те и другие, для кокса применяются более всего вертикальные, а для низших родов топлива, особенно для опилок, угольной мелочи (оно, заполнив в вертикальном слое все пространство генератора, воспрепятствует тяге воздуха), торфа и бурых углей — лестничные генераторы, в которых слой обугливающегося топлива, однако, настолько высок, чтобы выделяющийся газ был по возможности лишен СО2. Приток воздуха в генератор обычно определяется той тягой печной трубы, которая служит для входа другой части воздуха, служащей для сжигания Г. газа, а потому размеры решетки и сечений каналов определяются по правилам устройства топок (см.) и трубы (см.). Но обычно генераторы устраивают небольших размеров и, если надо, то несколько одинаковых располагают друг около друга, сводя газы из всех в общий канал. Если генераторы питаются топливом, дающим много воды и продуктов сухой перегонки, а от Г. газа требуется значительный жар в печи, тогда выводной канал делают длинным и в нем, пропуская воду по трубам, производят сгущение воды и дегтя. Тогда сам генератор ставится обычно вне здания с печью и поверх земли, т. е. на уровне печи, а в устройстве и ведении генератора стремятся достигнуть того, чтобы температура газов, выходящих из него, была возможно низкой (чтобы через охлаждение газов терять наименее тепла). Возможно низкая температура выходящих газов достигается только при помощи впускания в генератор водяных паров, которые, разлагаясь, поглощают теплоту генератора и дают в Г. газах содержание водорода в большей, чем обычно, пропорции. Для понижения же температуры Г. газа служит сухая перегонка топлива, потому что она совершается при низких температурах (300—500°) и дает в Г. газе содержание горючих углеводородов, увеличивающих теплопроизводительность газа. Но так как смолистые продукты сухой перегонки при охлаждении Г. газа выделяются из него вместе с водой (их собирают и особо применяют), то через это уменьшается теплопроизводительность газа, но ценность дегтя окупает эту утрату, так как смолы по цене дороже дающего их топлива и соответственного их количества. В описываемом случае чаще всего выгодно применять лестничные генераторы (фиг. 2), особенно если в топливе (например, бурых углях и торфе) много золы, легко удаляемой из таких генераторов. Однако, в большинстве случаев, а особенно при пользовании видами топлива, богатыми углеродом, не только не полезно, а даже очень невыгодно охлаждать Г. газы; а потому их проводят возможно короткими каналами. Тогда генераторы обычно располагаются в здании около печи под полом, чтобы облегчить тягу газа и засыпь топлива. Засыпь эта ведется (в отверстие b) через верхнюю крышку (с фиг. 1), упирающуюся краями в кольцеобразное углубление (dd), засыпанное песком, а потому дающее затвор, не пропускающий газов. Чтобы при открывании этой крышки не изменять направления тяги, нередко под крышкой делают на некотором расстоянии задвижку, которую запирают при засыпи топлива и затем открывают, чтобы заставить прибавленное топливо упасть в генератор. Газ из генератора обычно отводится широким каналом, направляющимся к топке. Перед самой топкой генераторные газы разделяются на ряды параллельных входных отверстий, внутрь которых входит засасываемый тягой воздух. Этим путем достигается совершенство смешения горючего газа с воздухом и полнота горения без всякого избытка воздуха или, в худшем случае, только с ничтожным его избытком. Золу и шлаки из генераторов необходимо очищать, чтобы решетка оставляла проход необходимому количеству воздуха, вхождение которого регулируется при помощи заслонки, помещаемой в выходном канале. Высота слоя засыпи топлива в генераторе всегда должна быть такова, чтобы газ проходил не менее как 40 см среди накаленного угля. Верхние же слои топлива от соседства накаленного угля подвергаются сухой перегонке и высушиванию. Однако в генераторы, назначаемые для металлургических целей, стеклоделия и т. п. производств, требующих высокой температуры, применяют по возможности сухое топливо.
V. Состав Г. газов. Если (как зимой и бывает) воздух, входящий в генератор, почти лишен влаги, то в его составе содержится 21% по объему, или 23 1/3% по весу, кислорода, обычно же около 23% по весу. Если представить генератор наполненным чистым углем и процесс образования СО полным, то на место каждых 16 весовых частей кислорода образуют 28 весовых частей окиси углерода и, следовательно, вместо 23 весовых частей кислорода около 40 весовых частей окиси углерода, а потому в весовом составе Г. газа тогда было бы (около 40 частей СО и около 76 частей азота) 34% окиси углерода и около 65% азота, или приблизительно 1/3 по весу СО и около 2/3 азота. А так как плотность обоих этих газов одинакова (частичный вес СО и N2 также одинаков = 28, а след., плотность = 14 по отношению к водороду), то и объемный состав тот же, как весовой. Таков действительно состав Г. газа, когда для получения его взят древесный уголь или кокс (по весу около 64,9% азота и около 34,0% СО). В таком газе обычно не более 1—2% углекислого газа. Но когда для добычи Г. газа берется дерево или торф, в нем содержится от 10 до 20% по весу (от 8 до 15 по объему) углекислого газа, что, без сомнения, зависит от того, что сухая перегонка дерева и торфа идет при 300—400°, то есть ранее, чем СО2 с С дает СО (выше 500°), и в газообразных продуктах перегонки дерева и торфа преобладает СО2, которая, уходя в тягу ранее надлежащего накаливания, ускользает от реагирования с углем. Поэтому генераторные газы из дерева, торфа и т. п. материалов дают вообще низшую степень жара и требуют особо внимательного устройства генератора и наблюдения за его ходом, чтобы все продукты перегонки успевали приходить в прикосновение с накаленным углем, что достигается в устройстве особо сильным наклоном (лестничным) колосников и низко помещенным вытяжным отверстием (до того, что газы в генераторе имеют нисходящее направление) и в наблюдении — присмотром за тем, чтобы около вытяжного отверстия скапливалась масса накаленного угля (и шлаков) и в то же время не было бы задержки в правильности тяги газа и засорения колосников. Так как температура в генераторах ниже, чем должно для получения водяного газа, богатого окисью углерода, то другую причину появления углекислого газа в генераторном должно искать в том, что водяные пары реагируют с углем, образуя СО2, как это бывает всегда, когда накаливание угля ниже 1000° (С + 2Н2O = СО2 + 2Н2), а потому, когда взято углеродистое топливо, вредно впускать много водяных паров, так как с увеличением содержания водорода тогда возрастает и количество углекислого газа (см. Водяной и Даусоновский газ). Во всяком случае в Г. газе после охлаждения всегда по весу (от 55 до 65%) и объему (от 50 до 65%) преобладает азот, а количество окиси углерода изменяется от 20 до 35% по весу, количество СО2 от 1 до 20% веса, водорода обычно по объему более, чем СО2, а по весу редко более 11/2%, обычно же менее 1/2%. А когда взяты дрова или торф или впускался пар, то значительную долю неохлажденного Г. газа составляют водяные пары. Если, например, взято дерево, то вода превосходит половину его веса, а так как тогда в генератор входит на 1 часть дерева около 21/2 частей воздуха, то в генераторном газе будет около 20% по весу водяного пара, большинство которого и удаляется через охлаждение.
VI. Регенерация и рекуперация. Само собою разумеется, что нагретый Г. газ, сгорая в предварительно нагретом воздухе, разовьет высшую температуру, чем тогда, когда оба газа будут взяты в холодном состоянии. Повышение же температуры во множестве случаев составляет главную задачу успеха и выгодности производства. Так, например, в стеклоделии (см.) плавление, отстаивание нерастворимых подмесей и выделение пузырьков совершаются тем скорее и совершеннее, чем выше температура. Плавка стали идет тем быстрее, чем скорее достигаются необходимые для того температуры. В этих условиях продукты горения, произведя в печи свое действие, уходят в тягу, очевидно, в сильно накаленном состоянии. Их жаром нередко можно пользоваться для побочных целей, например, для обжига, испарения, нагрева паровиков и т. п.; но еще чаще нельзя находить достаточно выгодного применения теряющемуся жару печей, долженствующих давать высокую температуру, а потому тогда весьма выгодно применять это тепло для предварительного нагревания воздуха и газа или по крайней мере одного воздуха. Когда нагревают (как в первоначальных печах Сименса) как воздух, так и Г. газ теплом отработавших продуктов горения, тогда система называется регенеративной. Рекуперацией [8] называется нагрев теряющимся жаром одного воздуха, входящего в печь для окончательного горения. Рекуперация, очевидно, проще полной регенерации и применяется чаще ее уже потому, во-первых, что приложима ко всякому роду (например, твердому) топлива и старше регенерации (особенно в применении к нагреву воздуха, вдуваемого в домну), а во-вторых, потому, что Г. газы нередко можно впускать в печь через короткие каналы уже в накаленном виде, так как они оставляют генератор, имея температуру 700°-900°. Но рекуперация дает с Г. газом редко температуры выше 1200°, тогда как полная регенерация доставляет температуры выше 1600° (печи для плавки стали) и в них (в середине печи) даже платина легко плавится, а это требует 1775°. Так как охлажденные Г. газы, горя в воздухе, имеющем обыкновенную температуру, легко дают жар около 1100° (медь и белый чугун плавятся), то подогрев Г. газа и воздуха до 1000° может дать температуру около 2000° и если она до такой высоты не поднимается, то этому причину должно искать не только в том, что по мере возрастания температуры всякие потери (лучеиспусканием и теплопроводностью) тепла возрастают, а также и в том, что с повышением температуры, сколько то поныне известно (см. Газовые взрывы), теплоемкость газов возрастает, и, следовательно, одинаковое количество тепла, им сообщаемое, производит все меньшее и меньшее повышение температуры, что, вероятно, связано с началом диссоционного распадения сложных (СО2, Н2O, СО) газов пламени, диссоционное же разложение, поглощая теплоту, понижает температуру (см. Диссоциация).
Способ пользования теплом продуктов горения для подогревания воздуха и Г. газа при регенерации, изобретенный Сименсом, состоит в том, что под печью (фиг. 3), обычно ниже уровня пола, устраивают четыре «регенератора», расположенных попарно, и в них из огнепостоянного кирпича выкладывают рыхлые клетки так, чтобы в промежутках оставалось пространство не меньше сечения трубы для выхода продуктов горения. В одну из пар регенераторов впускают отработавшие, но еще сильно накаленные продукты горения печи. Через это кирпичная кладка накаливается и магазинирует тепло, уходящее в дым. В это время через третий из регенераторов входит Г. газ, а через четвертый воздух, необходимые для горения в печи. Проходя через регенераторы, они отнимают, возвращают (возрождают, откуда происходит и само название «регенератор», т. е. возродитель) в печь тепло, переданное кирпичной кладке, предварительно накаленной жаром дыма. Очевидно, что в то время, когда одна пара регенераторов накаливается, другая теряет тепло, а потому должно пары регенераторов переменять, и чем чаще производится эта смена, тем выше будет температура входящих в печь газов, но зато тем выше будет и температура уходящего из генераторов дыма (т. е. возврат уменьшится), а потому смена направлений или перебрасывание клапанов чередуется через определенные по опыту промежутки времени. После каждой смены та пара регенераторов, которая накаливалась и соединялась с дымовой трубой и печью, служит для входа Г. газа из генератора и воздуха (из окружающего свободного пространства) в печь, а пара регенераторов, проводивших газ и воздух, теперь начинает накаливаться и проводить дым. Фиг. 3 и 4 объясняют общее распределение проводников дыма, Г. газа и воздуха, а фиг. 5 показывает расположение распределительного клапана (Wechselklappen, valves de renversements). Рекуперативное устройство или делается таким же, как регенеративное, только с двумя регенераторными кирпичными клетками — одной для входящего газа и другой для выходящего из печи дыма, — или же для большей простоты обращения и для избежания перекидывания клапанов просто выкладывают в четверть кирпича (кирпич на ребро) длинные каналы, проводящие воздух и окруженные пламенными дымовыми ходами, нагревающими эти воздушные каналы, или, наконец, наоборот, дым пускают по каналам, окружаемым воздухом, идущим в печь. Такое рекуперативное устройство возможно применять при всяких видах топлива.
Известный русский металлург А. И. Скиндер, сообщая о применении дерева в генераторах на Урале, замечает: «при постройке генератора (особенно для дров) должно обращать большое внимание на плотность кладки, т. е. чтобы швы между кирпичами были по возможности тонки (кирпичи должно класть мокрыми и на жидкой глине, притирая один ряд к другому). При задувке печи, т. е. когда она пускается в ход, печь должна быть не торопясь (дня в 3 или 4) прогрета так, чтобы решетки (кирпичи) регенератора и рабочее пространство печи было темно-красного цвета; прогрев этот делают, забрасывая дрова прямо в рабочее окно. Затем при закрытом воздушном аппарате нагружают генератор и зажигают; когда же огонь достаточно разгорится, ставят газовый клапан вертикально и пускают газ, тогда все продукты горения как генератора, так и дров (на поде печи) пойдут в трубу и вытеснят имеющийся в каналах воздух; после такой продувки можно уже безопасно пускать газы в печь и (перекинув клапаны) открыть воздушный аппарат; несоблюдение этой предосторожности может повлечь за собой весьма опасный взрыв. Вообще работа на регенеративной печи с каменноугольным генератором идет спокойнее, чем при дровяном генераторе; при последнем требуется больше внимания и опытности, иначе при избытке воздуха и углекислоты пламя в печи сделается совсем прозрачно, и печь, несмотря на свой белокалильный вид, перестает варить, выдавая посаженное в нее железо в шубе (т. е. покрытым корой окисла)».
В заключение необходимо обратить внимание на то, что уже многократно предлагалось (C. W. Simens в Лондоне и др.) и испытывалось с успехом (но не разработано) введение в генератор нагретого воздуха, вместе с водяными парами, что поднимает температуру внутри генератора, дает газ, богатый водородом и сильно накаленный, который проводится (без охлаждения) прямо в печь, куда втекает подогреваемый (в рекуперативных каналах) воздух; при этом сложное регенеративное устройство совершенно избегается, ход всего прибора непрерывный (нет перемен в направлении дыма) и получаются столь же высокие температуры, как при сложной регенерации. Но такая система топки Г. газом, представляя немаловажные теоретические и опытные достоинства, может быть с выгодой прилагаема только к коксу или антрациту, но не к дереву или торфу, потому что последние дают много водяного газа, понижающего температуру печи через поглощение тепла и заставляющего вводить более чем должно воздуха, что также ведет к понижению температуры. Но при коксе или антраците вполне рационально избегать регенерации и довольствоваться рекуперацией, назначаемой для нагрева воздуха, входящего как в печь, так и в генератор.
Примечания
править- ↑ Или больших (тысячных) калорий, в которых удобнее выражать отделение тепла, потому что точность определений не превосходит одного процента.
- ↑ Рассчитаем по способам, указанным в статье Горючие материалы, высшую температуру генераторных газов, когда входит чистый уголь, принимая во внимание, что 1 весовая часть угля для превращения в СО требует 11/3 весовой части кислорода или 5,8 весовых частей воздуха, т. е. образует 6,8 весовых частей генераторного газа. При переходе 1 весовой части угля в СО развивается (см. выше) 2410 К. Следовательно, они передадутся 6,8 весовым частям генераторного газа, теплоемкость которого около 0,25, а потому температура в генераторе не может возвыситься более как на или на 1418°, даже тогда, когда бы ни стенки, ни присыпаемый в генератор уголь, ни влажность, содержащаяся в нем, ни неполнота реакции не вели к потерям части тепла. Рассчитывая так же, как здесь (без всяких потерь), температуру, могущую развиться при горении Г. газа, и принимая теплоёмкость его продуктов горения (содержащих CO2, теплоемкость которого сильно растет с нагреванием) = 0,27, получим следующее: 1) 1 весовая часть угля дает 6,8 весовой части Г. газа и там содержится 22/3 весовых частей СО; 2) если одна весовая часть СО развивает, сгорая, 2430 К., то 22/3 отделяют 5670 К.; 3) при сгорании этого количества СО произойдет продуктов горения столько же, сколько от сгорания 1 весовой части угля, т. е. 12,60 весовых частей; и 4) следовательно, наибольшее повышение температуры равняется: или 1638°.
- ↑ Когда в генераторе сжигается топливо, подобное коксу, торфяному углю или антрациту, тогда действительно выгодно прямо впускать горячий Г. газ в топку, не охлаждая его предварительно для выделения смол и воды, как это выгодно делать при пользовании иными видами топлива, содержащими или дающими при горении воду. Топка антрацитом печей и паровиков в сущности обычна и состоит в том, что сперва образуется в печи СО, которая затем с избытком воздуха дает пламя.
- ↑ Притом смолистые продукты сухой перегонки, содержащиеся в неохлажденном Г. газе из торфа, дерева и т. п., сильно засоряют клапаны регенераторов.
- ↑ Действительно: 12 кг угля равняются 96000 калор., а для нагревания 88 кг угля на 1000° требуется 88×0,4×1000, или около 35000 кал. Если 1 вес. часть угля требует 18 вес. частей воздуха, то продуктов горения будет 19 вес. частей, а следовательно, от 12 кг угля получится 238 кг продуктов горения, для нагревания их на 1000° израсходуется 228×0,27×1000, или около 61000 калорий, что в сумме даст расход тепла 96000 калорий, отвечающих сгоранию, 12 кг угля, никаких иных потерь тепла не предполагая. Около 2/3 развивающегося тепла будет в дыме.
- ↑ В действительности водяной пар не перегревается до 1000°, а лишь до 400°-600° (и то не всегда), но, входя в генератор, понижает температуру угля, что сводится к тому же расходу топлива. Точно так же в реальности уголь в генераторе водяного газа не сжигается в СО2 для накаливания остальной массы до 1000°, а дает генераторный газ, применяемый для нагревания воды; но и это не изменяет сущности расчета, который приведен мной без допущения посторонних потерь, кроме одной, состоящей в том, что продукты горения от 12% угля приняты уходящими в нагретом состоянии. Их, однако, применяют как для парообразования, так и для перегрева паров; но общий расход топлива во всяком случае более рассчитанного мной. Опыты Бунге (1881) показывают, что в водяном газе скапливается только 50% теплопроизводительности взятого кокса, а по моему расчету выходит около 70%. — Д. Менделеев.
- ↑ К топкам, прямо питаемым твердыми видами топлива, принцип регенерации в его простейшей форме (накаливание кирпичных клеток), не применим, но можно применять только начало рекуперации, т. е. нагрев воздуха, входящего в топку.
- ↑ Нередко при употреблении Г. газов называют регенерацией также и систему нагрева одного воздуха теплом теряющихся продуктов горения, если она производится в кирпичных кладках с перебрасываемыми клапанами, но французы ее зовут récoupération, что в последнее время стало распространяться. Так, в газовом производстве подвергается обычно нагреву только воздух, втекающий в печь для нагрева реторт.
