ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ: Зарождение и становление газогенераторной техники. ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ "ЛЕСОПРОМЫШЛЕННИК". БИОЭНЕРГЕТИКА

English version

The Timber Industry Worker

Журнал "Лесопромышленник"

Интернет-журнал "Лесопромышленник"

энергетический лес
СЕГОДНЯ: БИОЭНЕРГЕТИКА

  

ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ

Зарождение и становление газогенераторной техники

В.В. Копытов, к.т.н.

Газификация конденсированных топлив

Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития.

В настоящей книге представлен иллюстрированный исторический путь зарождения, становления, расцвета, временного забвения, современного уровня развития и перспектив технологий и оборудования газификации конденсированных топлив. Рассмотрены основные направления их применения.

Приобрести книгу можно в издательствах:

"Инфра-Инженерия" (электронная версия - http://infra-e.ru/)

"Агрорус XXI" (бумажная версия - www.agroxxi-shop.ru).

Многие тысячелетия назад последователи пророка Заратушры (Зороастра), а также несколько позднее ремесленники-углежоги (Рис. 1) уже использовали похожие на газификацию технологии, сжигая твёрдое топливо (ТТ) при недостатке кислорода.

Правда, целью «огнепоклонников» было увеличение продолжительности процесса горения, а углежогам нужны были твёрдые (древесный уголь и каменноугольный кокс), реже жидкие (дёготь и т.п.) продукты термического разложения топлива. А горючий газ, неизбежно выделяющийся при этом, являлся лишь побочным продуктом и, как правило, никак не использовался.

Принято считать, что человечество использует технологии газификации твёрдых топлив для получения искусственных горючих газов, к которым относится и генераторный газ (ГГ), с конца XVII века, когда в Англии в результате нагрева угля без доступа кислорода получили газ, способный гореть на воздухе (хотя существует предание, что ещё в XIII веке некий парижанин по имени Езекииль получал подобным образом горючий газ и использовал его для обогрева и освещения собственного жилища).

Позднее, в конце XVIII века, горючий газ, получаемый из каменного угля и других топлив (главным образом, древесины и, в последующем, нефти), научились использовать. Так, первая в мире газовая турбина, запатентованная в 1791 г. англичанином Джоном Барбером, работала именно на таком газе.

Создателем первого газогенератора считается французский инженер, профессор механики Парижской школы мостов и дорог Филипп Лебон, получивший свой первый патент на постройку газового завода в 1799 г. Через два года, в 1801 г. Лебон получает второй патент, теперь на проект газового двигателя, работающего по принципу парового двигателя, только вместо пара в двигатель подавался генераторный газ, зажигаемый поочерёдно по ту и другую стороны поршня.

Генераторный газ первоначально был назван «светильным» газом (в английской терминологии: «outdoor lighting»). Такое название объясняется тем, что главным его предназначением в течение почти всего XIX века (в Лондоне с 1812 г., в Санкт-Петербурге с 1819 г., в Париже с 1820 г.) и до начала XX века включительно было освещение улиц и площадей городов Европы, США, Канады и Австралии (Рис. 2).

углежоги, получение древесного угля

Рис. 1 Углежоги. Средневековая гравюра

Освещение улицы светильным газом

Рис. 2 Ночь, улица, фонарь, … (аптека – за углом)

Соболевский П.Г.

Рис. 3 Соболевский Пётр Григорьевич (1782 – 1841)

Так, в США к 1868 г. насчитывалось более 970 газовых обществ, в Канаде – 47.

В Англии к началу 1890 х годов было 594 газовых завода, 460 тыс. уличных фонарей, протяженность газопроводов– 35 150 км. В 1908 г. в Англии для получения 1 285 млн. м3 «светильного» газа было израсходовано 17 млн. тонн угля (в это время данный газ стали использовать не только в целях освещения и отопления, но и как моторное топливо).

Широко использовался светильный газ также для отопления и освещения общественных зданий и частных домовладений, получения горячей воды, приготовления пищи (так, например, в той же Англии в 1891 г. было 2,3 млн., а в 1927 г. – 8,7 млн. потребителей этого газа).

К первым промышленным образцам можно отнести газогенераторы, построенные в Германии инженером Бишофом (1839 г.) и в Австрии инженером Эбельманом (1840 г.). Однако впервые серийного производства удостоилось регенеративная печь, изобретённая в 1856 г. Ф. Сименсом в сотрудничестве со своим брат В. Сименсом (Германия). Производимое Сименсами оборудование газификации твёрдых топлив на многие десятки лет стало важнейшим и незаменимым элементом стекло- и сталеплавильных производств, сварочных и нагревательных печей, работающих на основе регенеративного принципа.

В России устроителем первого аппарата для получения светильного газа был переводчик Министерства коммерции, в последствие учёный-металлург, полковник Корпуса горных инженеров и (с 1830 г.) член-корреспондент Петербургской Академии наук Пётр Григорьевич Соболевский (Рис. 3).

Начиная с 1804 г. он вёл работы по созданию промышленной газовой установки, альтернативной конструкции Ф. Лебона, т.к. патент во Франции приобрести не удалось. К ноябрю 1811 г. все оригинальные технические решения им совместно с Д'Оррером были успешно реализованы, «… терпением они преодолели все трудности и, наконец, имели счастья достигнуть совершенного успеха …».

2 декабря 1811 г. газета «Северная почта» опубликовала статью «О пользе термолампа, устроенного в Санкт-Петербурге гг. Соболевским и Д'Оррером», в которой были и такие слова: «… Многие любители наук любопытствовавшие несколько раз видеть сии опыты, удостоверились, что свет, сожиганием водотворного газа производимый, весьма ясен, не издаёт чувствительного запаха и не производит дыму, следовательно, не имеет копоти … Польза сего изобретения … и выгоды, оным доставляемая, суть столь обширны и многоразличны, что даже при самом точнейшем исследовании кажутся они почти невероятными, и потому самому изобретению оне можно почесть одним из важнейших открытий …».

«Северная почта» достаточно подробно описывала как устройство «термолампа», так и технологический процесс получения искусственного газа (Рис. 4).

Установка Соболевского. Получение светильного газа

Рис. 4 Схема получения светильного газа в установке Соболевского

Чугунный цилиндр, вделанный в печь, наполнялся дровами, затем отверстие плотно замазывалось, а весь цилиндр сильно подогревался горящими дровами. «… Подогревание цилиндра продолжается до тех пор, пока отделяется газ, когда же отделение опять прекратится, то сие служит знаком, что дрова, положенные в цилиндр, превратились в уголь совершенно …».

Дрова в цилиндре от сильного жара превращались в древесный уголь с одновременным образованием паров угольной кислоты и дёгтя, а также горючего газа. Газообразные продукты затем поступали в холодильник, где они охлаждались. При этом кислота и дёготь, превращаясь в капли, стекали в приёмный сосуд, а газ, проходя через воду, очищался и поступал в хранилище. Из этого хранилища газ подводился через трубки разной величины к лампам, установленным в помещении или на улице. Трубки были снабжены на концах кранами и, если к открытому крану подносили зажженную бумагу или спичку, то выходящий из трубки газ загорался, и огонь продолжал гореть у отверстия трубки «… доколе газ выходить не перестает …». Таким образом, его можно употребить или на отопление и освещение помещений, или на освещение улиц.

26 декабря 1811 г. в Санкт-Петербурге на заседании Всероссийского общества любителей словесности, наук и художеств с обстоятельным докладом об изобретении «термолампа» выступил его создатель П.Г. Соболевский. В дальнейшем, стремясь познакомить со своим изобретением как можно более широкие слои публики, автор написал «Руководства к устроению термолампов, содержащие в себе подробное описание употребления их для публичного, так и домашнего освещения, применении оных к отапливанию покоев, к деланию угля и дёгтя и показание способа очищать пригорело-древесную смолу, дабы дать ей качества настоящего уксуса».

24 января 1812 г. согласно указу императора Александра I титулярный советник Соболевский был удостоен высокой награды, ордена Св. Владимира 4 й степени «… за попечения и труды, с коими произвёл в действие устроение термолампа, доселе в России не существовавшего …».

В начале 1812 г. были также утверждены проекты газового освещения Монетного двора и других важных правительственных зданий Санкт-Петербурга, а также намечены конкретные меры по внедрению газового освещения улиц, площадей и бульваров российской столицы.

Так, в февральском номере «Санкт-Петербургского вестника» за 1812 год был опубликован «Проект освещения водотворным газом Адмиралтейского булевара и некоторые примечания об устройстве термолампов». Адмиралтейский бульвар должны были освещать сто газовых фонарей, расставленных на равном расстоянии друг от друга. Проект был представлен на рассмотрение Александра I, однако его реализация, как и воплощение в жизнь других аналогичных проектов, было отложено в связи с вторжением в Россию войск Наполеона и начавшейся Отечественной войной.

В 1816 г. П.Г. Соболевский соорудил мощную газовую установку для отопления и освещения производственных помещений Пожвенского завода, расположенного в 150 верстах от г. Перми. После чего заводовладелец В.А. Всеволожский (в его загородном имении Рябово, что в 11 км. от Санкт-Петербурга, также зажглись яркие и жаркие огни газовых ламп) приказал: «… Термоламп … исправить непременно, дабы освещением его мастерские пользовались в полном виде, не имея нужды в свечах, которых на оное и не покупать …». Есть сведения, что несколько позднее газовое отопление и освещение получило распространение и в производственных помещениях ряда оружейных заводов Златоустовского горного округа.

Осенью 1819 г. благодаря активной поддержке столичного генерал-губернатора графа М.А. Милорадовича в Санкт-Петербурге, наконец, зажглись и первые уличные газовые фонари (всего на семь лет позже, чем в Лондоне, и на год раньше, чем в Париже!). Газета «Санкт-Петербургские ведомости» (№ 87 за 1819 г.) свидетельствовала: «… Года 1819, 28 октября, на Аптекарском острове Санкт-Петербурга прошли испытания фонаря, питаемого водотворным газом. Сие событие станет образцом достижений русской науки. Толпа, собравшаяся поглядеть на оную демонстрацию, с восторгом и одобрением следила за тем, как происходило действие. Думается, данный вид освещения имеет дальние перспективы в России …».

Вскоре газовое освещение системы П.Г. Соболевского было устроено в помещениях Главного штаба и Адмиралтейской части, а также в домашнем театре генерал-губернатора. А затем, постепенно, все основные здания и улицы Петербурга стали освещаться газовыми фонарями. И если в Михайловском А.С. Пушкин писал свои стихи ещё при свечах, то по Летнему саду он гулял уже в газовом свете.

27 февраля 1835 г. был утвержден устав первой российской акционерной газовой компании, получившей название «Общество для освещения Санкт-Петербурга газом». В том же году в районе Обводного канала был построен первый крупный газовый завод и создана инфраструктура централизованного газового освещения города, пришедшая на смену индивидуальным установкам.

Вскоре светильный газ пришел и в другие города России, в частности в Тифлис (1848 г.), Одессу (1850 г.), Москву (с 1850 х годов – для индивидуального отопления и освещения зданий, с 1865 г. – для централизованного освещения улиц и площадей), Казань, Киев, Ростов-на-Дону.

Освещал газ также здания (одновременно обогревая их) и прилегающие территории государственных организаций, фабрик и заводов (всего в России их было 157), железнодорожных станций (в России – 23) и т.п.

Всего в Российской империи газовое отопление и освещение было в 24 х городах. К концу 1868 г. в нашей стране действовало 310 газовых заводов.

В конце XIX го века российский инженер и учёный-металлург, в последствие член-корреспондент АН СССР В.Е. Грум-Гржимайло сконструировал и внедрил на десятках предприятий Урала промышленные газогенераторные установки, превращавшие торф, щепки, пни и сучья в генераторный газ, используемый затем в металлургических процессах.

Во второй половине XIX века активизировались также работы по использованию искусственных горючих газов в качестве топлива двигателей внешнего и внутреннего сгорания. В 1860 г. бельгийский официант и, по совместительству, инженер-любитель Этьен Ленуар запатентовал двигатель внутреннего сгорания, работающий на светильном газе. В 1862-1863 гг. газогенераторная силовая установка мощностью до 4 х л.с. была установлена на восьмиместный открытый омнибус - первый в мире прототип автомобиля. Это прототип больше походил на большую деревянную трёхколёсную телегу, но для движения уже не нуждался в живой тягловой силе (Рис. 5).

Омнибус Ленуара с газогенераторным двигателем

Рис. 5 Омнибус Ленуара с газогенераторным двигателем

В связи с тем, что все самодвижущие повозки тех лет (и газогенераторные и паровые) питались углём и / или дровами, то кроме водителя в таком экипаже в обязательном порядке был ещё и шофёр, т.е. кочегар по-французски.

В 1872 г. газогенераторный двигатель Ленуара установили на дирижабле, и он хорошо показал себя во время лётных испытаний.

Однако КПД двухтактного двигателя Ленуара достигал всего 5% и, когда на Парижской всемирной выставке 1878 г. публике был продемонстрирован четырёхтактный газовый двигатель немецкого инженера Николаса Отто с КПД 16%, слава пионера газогенераторного двигателестроения, к сожалению, быстро померкла.

Интересно, что с момента появления газогенераторов их разработка велась в двух направлениях – газификация твёрдых и жидких топлив. Так, один из патентов, полученных в 1883 г. Г. Даймлером, распространялся на мотор для «экипажа без лошади», в состав которого входил прибор в виде «трубки для зажигания горючей смеси». Прибор был назван карбюратором и впоследствии (в усовершенствованном виде) получил широчайшее распространение и продолжает использоваться до сих пор, являясь, по своей сути, ничем иным, как газогенератором жидких топлив.

В том же 1883 г. английский инженер Э. Даусон впервые сформулировал концепцию сочетания газогенератора и двигателя внутреннего сгорания в едином блоке, который целиком мог быть установлен на транспортной или иной машине. Значение этой работы было настоль велико, что течение некоторого времени полуводяной генераторный газ повсеместно назывался «газом Даусона».

В Российской империи первые газовые двигатели зарубежного производства появились в последней четверти XIX го века. А в 1891 г. отставной флотский офицер Евгений Яковлев построил в Санкт-Петербурге первый русский завод газовых двигателей.

Первый классический газогенераторный автомобиль, использующий в качестве топлива древесные чурки и древесный уголь, был построен Тейлором в 1900 г. во Франции (патент в России выдан в 1901 г.). В 1905 г. Торникрофтом в Англии была построена первая газогенераторная моторная лодка. В 1916 г. начались регулярные рейсы газогенераторного автобуса между Парижем и Руаном (протяжённость маршрута по разным данным составляла от 125 до 140 км).

В Российской империи с началом XX го века также активизировалось транспортное направление технологий газификации твёрдых топлив.

Так, полковник А.И. Одинцов в своем докладе, сделанном 27 октября 1905 г. в VIII м отделе Императорского русского технического общества, указывал на возможность применения газогенераторных двигателей в качестве силовых агрегатов железнодорожного подвижного состава.

Начиная с 1907 г. в стенах Московского высшего технического училища (ныне – МГТУ им. Баумана) усилиями профессора В.И. Гриновецкого, а позднее и его учеников Н.Р. Брилинга и Е.К. Мазинга были заложены основы отечественной науки в области газогенераторных транспортных двигателей.

Первый опыт российского газогенераторного автомобилестроения относится уже к временам I й мировой войны, когда оборудование газификации твёрдых топлив было установлено на автомобиль «Руссо-Балт С24 40» (1915 г.).

Стационарное энергетическое оборудование газификации твёрдых топлив появилось в России также в первое десятилетие XX го века. К началу I й мировой войны было установлено газогенераторное энергетическое оборудование общей мощностью 95 МВт. Из них только 8 МВт генерировалось с использованием оборудования газификации твёрдых топлив отечественного производства, главным образом Харьковского паровозостроительного и Коломенского машиностроительного заводов, остальное – с использованием импортного оборудования, в основном из Германии и Англии.

К 1905 г. в Москве протяженность газовых сетей достигла 229 километров, на улицах горело 8 735 газовых фонарей, имелось 3 720 частных потребителей газа. В Санкт-Петербурге к 1914 г. в протяженность газовых магистралей составила около 500 километров, четыре газовых завода вырабатывали примерно 82 тыс. кубометров газа в сутки и обеспечивали работу 8 813 газовых фонарей.

Петербургские газовые заводы кроме зарубежного оборудования использовали и импортное твёрдое топливо (главным образом, английский антрацит), доставляемое морским путём. И когда во время I й мировой войны эти поставки были нарушены, то в начале 1916 г. была создана специальная Тепловая комиссия под руководством профессора Петроградского технологического института А.С. Ломшакова.

Этой комиссией была разработана специальная программа по изучению возможностей использования в промышленных целях местных видов топлива – олонецкого угля (шунгита), торфа и прибалтийских горючих сланцев.

В мае 1916 г. в Прибалтийскую губернию, в район деревни Кукерс (современный эстонский город Кохтла-Ярве), выехал геолог Геологического комитета Н.Ф. Погребов, который уже в июне установил промышленное значение прибалтийских сланцевых месторождений. В это же время первая партия кукерсита (так стали называть кукерские сланцы) была отправлена в 1 й Петроградский политехнический институт (где уже работал завод газификации угля) для их опытной газификации и перегонки, которая и была осуществлена в период с декабря 1916 г. по сентябрь 1917 г.

Довести все работы по получению светильного и генераторного газа до конца помешали известные события осени 1917 г. Но поскольку после октябрьского переворота / революции топливный кризис лишь усилился, исследования в этом направлении вскоре продолжились.

Наибольших успехов добился коллектив техников 1-го Петроградского политехнического института, руководимый В.К. Вальгисом. Его опыты по производству светильного газа, начатые ещё в 1916 г., были завершены через три года. Полученный продукт по теплотворности не уступал традиционному для петербургских газовых заводов каменноугольному газу, а технология позволяла осуществлять перегонку сланцев без серьезных переделок уже существующего оборудования. Правда, она требовала большего расхода топлива и предъявляла повышенные требования к качеству сырья (не более 15% влаги). Эта технология была в то время новой не только для России, но и для традиционного лидера сланцепереработки Шотландии.

Своё дальнейшее развитие технологии газификации твёрдых топлив получили в первой половине XX го века.

Продолжение - в следующем номере журнала

(Статьи опубликованы в журнале "Лесопромышленник"

и на сайте: "Альтернативная энергетика")

О Интернет-Журнале "Лесопромышленник"      Редакция     Партнеры     Реклама     Архив номеров    Ссылки о ЛПК     Каталог ссылок

 Иконка сайта сделана при помощи favicon.ru

©H&G - Studio 

© Интернет-журнал "Лесопромышленник" («The Internet-magazine «Lesopromyshlennik»)

Свидетельство о регистрации Эл № ФС77-32798  от   11.08.2008 г.

E-mail: priorov@lesopromyshlennik.ru, karpachev@mgul.ac.ru.

При цитировании информации гиперссылка на Интернет-журнал "Лесопромышленник"  обязательна.
Использование материалов журнала в коммерческих целях допускается только с  письменного разрешения редакции.

 

С целью ограничения спам-рассылок в электронных адресах символ "@" замещён на "[at]". Приносим свои извинения за причиненное неудобство.