Энциклопедия Брокгауза и Ефрона - горючие материалы
Горючие материалы
(Combustibles, Brennstoffe, fuel) в обыденной жизни топливо имеет столь важное значение для согревания жилищ и приготовления пищи, что вместе с хлебом, одеждою и жилищем занимает место между предметами первостепенной потребности. Но на это при современном положении вещей у образованных народов идет только небольшая доля топлива; главная масса его расходуется ныне для паровых двигателей и заводско-фабричных дел, где топливо и носит название "горючего" материала и где стоимость его самого и доставки составляет нередко столь важную статью расхода, что самые места устройства многих заводов, особенно горных и металлургических, избираются по местонахождению дешевого и соответствующего делу топлива. В Англии из 100 пудов сжигаемого каменноугольного (исключительно применяемого) топлива только 20 п. идет для отопления жилищ и для варки пищи, около 40 п. для получения и обработки чугуна, железа, стали, меди и др. металлов, около 30 п. на всякие (пароходные, паровозные и постоянные — фабричные) паровые машины и около 10 п. на добычу извести, газа, стекла, соли, сахара и т. п. заводские предприятия. Ценность многих очень важных, особенно строительных, товаров, напр. извести, цемента, кирпича и т. п., на местах производства (из местного сырья) зависит в сильнейшей мере от цены топлива. Его потребление уже лет 30-ть возрастает в гораздо сильнейшей пропорции, чем идет возрастание числа жителей и потребляемого хлеба, по той причине, что топливом не только заменяется работа других двигателей (лошадей, ветра, воды и т. п.), но и увеличивается производство множества полезностей, например достигается быстрота передвижения, масса и скорость производства и т. п. Так как годовая добыча одного каменного угля (см. это сл. и "Толковый тариф" Менделеева, 1892 г., стр. 392) ныне превосходит 500 млн. тонн, или 30000 млн. пуд., а дерево, торф и нефть потребляются также в громаднейших размерах, а размеры потребления все еще явно возрастают и определяют возможность современного развития промышленной жизни и силы стран, то вопросы, касающиеся Г. материалов, имеют первенствующее значение в экономическом отношении. Они должны быть поставлены ныне рядом вслед за вопросами хлебного продовольствия; в недалеком же будущем международное значение Г. материала должно приравняться со значением хлеба, как видно уже из того, что в международной торговле ныне обращается не менее 2000 млн. пуд. топлива и не более 1000 млн. пуд. хлебных товаров (1. с., стр. 152), всякого же рода производство последних с развитием мирных наклонностей и сельскохозяйственных знаний всюду возрастает, тогда как добыча топлива поныне [Впереди предвидится возможность добычи как силы, так и тепла, для производства которых идет топливо, от солнечных лучей, водопадов, ветров, морских приливов и т. п., так что нет повода считать истощение топлива окончательным условием сокращения условий дальнейшего развития жизни людей; но разумное экономическое решение вопросов этого рода составляет задачу будущих веков, ныне же тесная связь всей жизни цивилизованных стран с пользованием Г. материалами не может подлежать сомнению и показывает, очевидно, что всякое топливо должно с течением времени дорожать, как подорожало всюду дерево, когда-то составлявшее исключительный вид топлива.] вполне зависит от природных его запасов. Все соображения этого рода заставляют подробнее изучать и узнавать топливо для того, чтобы пользоваться Г. материалами с наибольшею разумною экономиею. Сведения, относящиеся к этому предмету, излагаются в статьях о разных видах топлива (см., напр., Каменный уголь, Торф, Нефть, Водяной газ, Генераторный газ и др.), о способах их применения (см. Дым, Печь, Очаг, Горн и др.) и о пользовании ими для нагревания, отопления, выпаривания, накаливания, перегонки, паровых котлов (см.) и т. п. Здесь же мы совокупляем сведения об относительном значении различных Г. материалов, применяемых в технике, которая неизбежно должна начинаться с изложения сведений, касающихся топлива, и уже во множестве случаев должна избирать вид или род топлива из многих местных сортов, сообразуясь с их относительною ценностью и значением. Так, напр., в Москве заводчику предстоит выбор между непосредственным применением дров, торфа, подмосковных углей (сходных с бурым углем), настоящих каменных углей (донецких, уральских и английских), древесного угля, кокса, нефтяных остатков и предварительным превращением их в генераторные или др. виды газового топлива. Этот предмет, сложный в экономическом [Не только современная цена топлива имеет здесь значение, но и возможность удовлетворения усиливающемуся спросу, обеспеченность доставки, расходы хранения и т. п. Так, напр., торф или тростник могут служить прочным топливом, имеющим определенную цену, только при ограниченном спросе, точно так же древесное топливо не может не дорожать при известной степени возрастания спроса. Только каменноугольное топливо, добыча которого удешевляется при возрастании потребляемой его массы, имеет свойство при увеличении спроса если не дешеветь, то по крайней мере оставаться в прежней цене, потому что предложение (добыча) может усиливаться с ростом спроса.] и техническом [Количество тепла, пирометрическое его достоинство, процент лучистой теплоты, степень сухости, возможность плотной и равномерной нагрузки на решетку, потребность усиленной тяги воздуха, образование пламени различной степени длины, содержание в дыме сернистых соединений и много тому подобных сторон предмета иногда заставляют с технической стороны отдавать предпочтение известным родам и видам топлива перед другими и обращать внимание даже на форму и размеры кусков топлива, помимо его относительной ценности.] отношениях, может быть правильно обсуждаем только при специальном ознакомлении с предлагаемыми местными видами топлива; здесь же мы ограничимся лишь: I) общими сведениями о главных видах топлива, могущего применяться или применяемого в России; II) сравнением теплопроизводительной способности типических видов топлива; III) сведениями о тех температурах (или о пирометрических свойствах Г. материала, как нередко выражаются), которые достигаются ныне при употреблении разных видов топлива, и IV) общими сведениями о применении и потреблении Г. материала, потому что эти сравнительные сведения необходимо иметь прежде всего в виду при выборе и пользовании Г. материалом в технике и общежитии.
I. Роды и виды Г. материалов. Так как топливо, сгорая, дает преимущественно газы и пары, уходящие в воздух, то есть истребляется окончательно, то не всякие виды Г. веществ могут служить топливом, и только те, которые не имеют другого более ценного применения. Такими веществами оказываются только углеводородные соединения, и между ними должно отличать, с одной стороны, растительные [Животные вещества вообще дороги, а потому служат Г. материалами только в исключительных условиях, напр. как отбросы переработки сала, ворвани и костей.] и ископаемые (минеральные), а с другой — твердые, жидкие и газообразные. Но разделение первого рода не представляет никакой физической определенности, потому что, напр., торф и лигниты (виды бурых углей) несомненно и очевидно имеют растительное происхождение, а между тем должны быть относимы к ископаемым видам Г. материалов, а потому мы располагаем обзор применяемых сортов топлива по трем родам: твердые, жидкие, газообразные виды Г. материалов.
а) Между твердыми видами Г. материалов первое место во всех отношениях должно быть дано: дереву или дровам (см.). Как топливо, они отличаются тем, что содержат много элементов воды (кислорода и водорода) как в виде гигроскопической влажности, так и в самом составе Г. материала, так что горит почти исключительно углерод, входящий в состав дерева, и при горении расходуется много тепла на превращение в пар (содержащийся в дыме) образующейся воды. Оттого дерево имеет слабую нагревательную и малую пирометрическую способность сравнительно с большинством других Г. материалов, но обладает более или менее длинным [Наиболее длинное пламя дают из наших деревьев сосна, береза, наиболее короткое — осина и ольха.] пламенем и не содержит сернистых соединений, а потому особенно пригодно для топки паровиков (где не требуется высокой температуры) и для переделки многих металлов, особенно же когда взято в виде угля. Состав дерева всякого рода (с корою, как идет в топливо) оказывается почти тождественным, а именно из клетчатки и лигнина или инкрустирующего вещества (см. Волокна растений, Древесина, Дерево, Лигнин и др.) в такой пропорции, что, судя по совокупности сделанного мною свода анализов (всего 431 анализ) Шёдлера и Петерсена, Шевандье и Виолетта, в 100 весовых частях дерева содержится [Должно заметить, что кора и камбиальный слой (что под корою) в дереве богаче, чем его внутренность, зольными и азотистыми веществами. Для дерева в виде щепы (без коры) можно считать вообще не более 0,16 азота и 0,6 золы. Для дерева без коры, кроме того, содержание кислорода больше, чем дано здесь, а именно в высушенном состоянии около 43-44%.]:
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| | Лежалое в поленницах на | Высушенное до |
| | воздухе около года | постоянного веса при 100 |
| | | 130°Ц. |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Углерода | 36,9 | 50,6 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Водорода | 7,5 | 6,2 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кислорода | 54,6 | 41,9 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Азота и золы | 1,0 | 1,3 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
При обычном пользовании деревом как Г. материалом [Сводя извлеченные из опыта данные для сухой перегонки несмолистых видов дерева, я нашел, что они хорошо согласуются с вышеприведен. составом дерева, как видно по сопоставлению состава и среднего относительного количества всех продуктов сухой перегонки дерева. А именно из 100 частей по весу дерева средним числом получается: угля около 25 ч., уксусной кислоты около 6 ч., древесного спирта 3,2 ч., дегтя около 6,2 ч., воды около 45 ч. и газов около 14,6 ч. по весу. Принимая, судя по анализу, состав газа на 100 кил. дерева; 5,2 литров СО2, 2,6 литр. СО, столько же CH4 и около 1,3 литра C2H4, получим, что в газообразных продуктах содержится (на 100 ч. дерева) около 6 ч. углерода, 0,7 водорода и 8 ч. кислорода, а в жидких углеродистых продуктах около 9,2 С, 1,3 Н и 4,8 О; прилагая же сюда содержание указанных элементов в воде и угле, получим как раз вышеприведенный состав дерева. Такая проверка среднего выражения состава дров как Г. материала тем более необходима, что нередко встречается иное выражение состава обычного древесного топлива, несогласное с действительностью. В круглых числах можно принять эмпирический состав обычного древесного топлива близким к С15H44O20 или С18Н42O20. Во всяком случае, как давно известно, в дереве водорода более, чем следует для образования воды из кислорода, в нем заключающегося. При сушении уходит около 5Н2O.], должно иметь в виду первый из указанных составов как такой, который отвечает "сухим" в практическом смысле дровам. Но когда (напр. в стеклоделии или гончарном деле) требуется получить от дров возможно высокие температуры, тогда их искусственно сушат и иногда второй из вышеприведенных составов (потеря 27% воды) будет ближе к действительности; но расчет показывает, что при помощи древесного топлива с трудом получаются темпер. пламени, превосходящие 1050° Ц. Как твердое топливо, дерево обыкновенно представляет крупные куски, требующие периодического забрасывания (шурфования); для полного горения оно требует все время избыток притекающего воздуха, а именно в два раза больший его массы, теоретически потребной для превращения всего углерода в СО2 и всего водорода в воду, что вместе с составом (см. далее) и служит объяснением невозможности получить с этим Г. материалом высших, необходимых в технике, температур.
Эти свойства еще в большей мере принадлежат всяким травянистым видам топлива и их малоизмененным продуктам, каковы: солома, кизяк, торф, жмыхи, костра, тростник, хвоя и т. п., уже потому, что они рыхлы, удерживают много влаги и дают прорываться избытку охлаждающего воздуха, а по составу приближаются к дереву. В сильно прессованном и высушенном виде, однако, эти виды топлива очень близки к дереву, как видно и по составу. Но в обычном виде главным недостатком этих видов топлива, особенно торфа, должно считать содержание в них больших количеств воды и зольных (землистых) начал, сильно уменьшающих теплопроизводительность данного весового количества Г. материала, так как они тепло поглощают, а не развивают. Торф без золы и гигроскопической воды содержит около 60% С, до 6% Н, около 1,5% N и до 32 ½ кислорода, следовательно, и в нем водорода более, чем следует для образования воды с содержащимся кислородом. Сумма же количеств воды и золы в большинстве обычных сортов торфа близка к весу его Г. части, а именно той и другой негорючей подмеси примерно содержится поровну, и тогда торф становится топливом очень невысокого достоинства. Состав соломы и других травянистых растений настолько близок к составу дерева, что должно упомянуть лишь о большем содержании золы. Для непосредственного получения высоких температур эти виды топлива непригодны уже потому, что очень объемисты, быстро сгорают и с ними приходится часто вводить топливо, а тогда врывается избыток охлаждающего воздуха. Поэтому они применяются исключительно там, где не требуется высокой температуры, напр. для отопления жилищ, для испарений, паровиков и т. п.
Бурые угли, происходящие от дерева (лигниты), травянистых растений и пропитанных смолами глин и сланцев, представляют ископаемое топливо среднего состава между вышеупомянутыми Г. материалами и каменными углями. Часто содержат много землистых подмесей, иногда легко рассыпаются на воздухе и вследствие всего этого редко превосходят по достоинству торф, который, встречаясь чаще, особенно в России, заслуживает во всех отношениях большего внимания. Во всяком случае бурые угли, как и торф, относятся к числу пламенных видов Г. материала, пригодных исключительно для местного употребления.
Каменные угли в различных своих видоизменениях (см. Каменный уголь) — от близких к бурым углям и еще богатых кислородом до антрацитов, наиболее из всех природных Г. материалов богатых углеродом, — представляют ныне самое важное значение в экономическом и техническом отношениях, потому что удобно сохраняются, встречаются (особенно после механического очищения от колчеданов и сланцев) с малым содержанием золы, мало впитывают воду, представляют очень концентрированное топливо (1 пуд заменяет от 2-х до 3-х пудов дерева), удобное для перевозки, и могут удовлетворять разнообразнейшим требованиям техники, представляя всякие градации от длиннопламенного топлива до калильного (как древ. уголь). Рассматривая этот предмет в статье Каменные угли, мы далее даем только средний и предельные составы обычных в практике каменных углей, считая в том числе и антрациты.
Древесный уголь и кокс суть виды твердого топлива, получаемые через разложение (обугливание, см. Сухая перегонка, Кокс, Уголь) предшествующих горючих материалов. В практике эти виды непламенного (калильного) топлива всегда содержат, кроме углерода, водорода и кислорода, еще золу и поглощенную вследствие пористости воду, количество которой редко бывает менее 5%. Назначаются они преимущественно для каления или нагревания предметов, помещенных среди горящего Г. материала, и требуют, как другие виды твердого топлива, избытка воздуха; но при его недостатке и избытке дают, если взяты в сколько-либо высоком слое, окись углерода, т. е. горючий генераторный (см.) газ.
б) Между жидкими Г. материалами первое место принадлежит нефтяным продуктам, как ископаемому топливу высшего достоинства, потому что в этом Г. материале содержатся только горючие углеводородные элементы и очень мало кислорода, азота и золы. Но так как обычная нефть дает ценные продукты: бензин, керосин, смазочные масла и вазелин (см.), то для топлива назначаются или "нефтяные остатки" (мазут), т. е. труднолетучие части нефти, из которой отогнаны более ценные нефтяные продукты, или такие сорта нефти (см.), которые не способны по своему составу давать более ценных осветительных и смазочных материалов. Выгодность такого топлива определяется не только его составом, но и тем, что его, как жидкость, заставляют втекать в очаг в надлежащем количестве и разбрызгивают (пульверизуют) в мелкие капли, при чем избегается ручной труд истопников, достигается равномерность горения и количество воздуха, расходуемого для полного горения, уменьшается, получается пламя желаемой длины и может достигаться высокая температура. Таким образом, нефтяные остатки составляют драгоценное по качеству топливо, применение которого ограничивается сравнительно малыми количествами нефти. Каменного угля добывается во всем мире не менее 30000 млн. пуд., а добыча всей нефти не превосходит 600 млн. пуд., и если бы вся она ушла на топливо, то и тогда не заменила бы 1/30 доли потребляемого каменного угля. Незаменимое для получения сильно светящего газа, для быстрого получения тепла, напр. в пожарных насосах, для бездымной топки пароходов (напр. военных) и для тому подобных специальных требований, нефтяное топливо для сжигания под обычными паровиками и топками применяется в сколько-либо значительных размерах только в России благодаря совокупности неблагоприятных условий для наиболее широкого развития бакинской нефтяной промышленности (см. Вазелин, Нефть, остатки). Нефтяные отбросы (остатки обработки), равно как и всякие масляничные, смолистые и дегтярные жидкости, получающиеся в виде непригодных для других потреблений отбросов, в сравнительно малых количествах идут как топливо обыкновенно на тех самых заводах, где они получаются. Если бы дальнейшие геологические изыскания указали местонахождения изобильных запасов нефти и ее ценность не равнялась бы современной, то это могло бы доставить технике незаменимый Г. материал.
в) Газообразными Г. материалами служат, во-первых, природные горючие углеводородные газы, выделяющиеся из трещин или буровых скважин земли близ местонахождений нефти, напр. в окрестностях Баку, в Пенсильвании и в Китае. Это топливо столь высокого качества [Оно выше нефти по достоинству не только потому, что богаче водородом, но и потому, что жидкая нефть, превращаясь в газообразные продукты горения, должна поглотить скрытую теплоту, и 2) смешение газа с воздухом совершеннее всякой пульверизации, а потому можно избежать, взяв газ, всякого избытка воздуха.], что в Американских Штатах его проводят трубами на металлургические заводы за сотни верст. Но искусственное превращение всяких других видов топлива в горючие газы оказывается также чрезвычайно важным успехом техники последней половины текущего столетия, хотя при таком превращении часть тепла тратится (скрывается) на газообразование (разложение), по-видимому, напрасно. Однако, прежде всего должно заметить, что горение всякого углеводородистого вещества, горящего пламенем, неизбежно сопровождается образованием горючих газов. Образовавшиеся газы, сгорая, и дают пламя. Но не в этом здесь дело, а в том, что, получив сперва газы, их легко уже затем вполне сжигать на счет лишь того количества воздуха, которое потребно для горения, тогда как твердые виды топлива или неполно сгорают, или требуют большого избытка воздуха, потому что не могут хорошо проникаться воздухом и с ним совершенно смешиваться, избыток же входящего воздуха поглощает много тепла для накаливания до температуры дыма. Поэтому газообразные виды топлива особенно пригодны там, где требуются (напр. в металлургии, в стеклоделии и т. п.) высокие температуры. Здесь оказываются весьма выгодными особые приспособления (генераторы, см.) для предварительного превращения Г. материала в газы еще и потому, что для непосредственного получения высоких температур пригодны только изысканно доброкачественные (плотные и богатые углеродом, но бедные кислородом) виды Г. материала, напр. кокс, и лучшие угли, тогда как горючие газы, дающие высокие температуры, могут давать всякие роды Г. материалов, напр. шишки хвойных деревьев, торф, дерево и т. п., лишь бы они не содержали избытка минеральных веществ, накаливание которых (в генераторных газах), отнимая теплоту, препятствует экономическому получению горючих газов. Однако простое получение горючих газов в ретортах, как при добыче светильного газа или при сухой перегонке дерева, не может быть экономическим средством для добычи горючих газов уже по той причине, что при этом главная масса углерода (напр. кокс) остается, не переходя в газ, в реторте, а потому такой газ применяют как топливо только в лабораториях, где о ценности топлива не заботятся, а имеют в виду лишь удобство получения высоких температур, и еще там (напр. на заводах сухой перегонки костей, дерева, смол и т. п.), где горючие углеводородные газы составляют побочный продукт производства. Главный и важнейший во всех отношениях способ производства Г. газов составляет превращение угля в Г. окись углерода (см.) СО, чему первообраз дали колошниковые, или доменные, газы (см. Доменное производство). На свойстве углеродистых веществ давать Г. газ окиси углерода основано получение генераторного газа (см.), содержащего главным образом смесь окиси углерода с азотом; количество этого последнего обыкновенно по объему (и по весу, потому что плотности азота и окиси углерода равны) в 2 ½ и даже в 3 раза более, чем окиси углерода, а потому водяной газ (см.), содержащий преимущественно смесь Г. водорода с почти равным объемом окиси углерода, заслуживает предпочтение в том случае, когда Г. газ следует распределять по трубам и проводить на расстояние. Но получение водяного газа много сложнее, чем генераторного газа, так как требует попеременного пропускания через генератор перегретого пара и воздуха, тогда как генератор. газ происходит прямо при действии воздуха на угольное топливо генератора, а потому вполне достоин внимания даусоновский газ (см.), получающийся при единовременном пропускании через генератор, содержащий углеродное топливо, как водяного пара, так и воздуха, при чем получается газ, содержащий как бы смесь генераторного газа с водяным. Хотя эта новейшая форма Г. газа не представляет самостоятельного изобретения, но носит в себе задатки такой дешевизны и практичности производства, что эту форму топлива более, чем водяной газ, справедливо можно считать "топливом будущего" [В будущем можно ждать, прежде всего, того, что большие заводы и фабрики, а затем и целые города уничтожат отдельные топки и будут производить такой газ в центральных заводах, разводя его затем по трубам в очаги, через что достигается немаловажная экономия как труда, так и топлива. Еще далее впереди видна возможность производства Г. газа в самых слоях залегания минерального топлива, что даст возможность эксплуатировать тонкие слои каменного угля, ныне не разрабатываемого, и проведения его на далекие расстояния по трубам вместо перевозки по железным дорогам.], тем более, что такой газ вполне пригоден для газовых двигателей, а следовательно, и для производства электрического освещения, и для всяких целей нагревания, при которых тогда не может быть и речи ни о неполноте горения, ни о дыме (см.).
II. Теплопроизводительность Г. материала. Вполне (до СО2 и Н2O) сжигая на счет газообразного кислорода в калориметре (см.) под обыкновенным давлением [Калориметрические определения ведутся также и при увеличенном давлении сжигающего кислорода (т. е. при постоянном объеме) в калориметрических бомбах (obus calorimétrique), подобных изображенной на рис. к соотв. статье, но тогда в получаемых числах производят соответственную поправку для приведения к постоянному давлению.] одну весовую часть данного топлива и охлаждая все продукты горения до исходной, обыкновенной, температуры, то есть превращая всю образующуюся воду в жидкое состояние, получают для каждого топлива его теплопроизводительность, или теплотворную (калориметрическую) способность, выражаемую в единицах тепла (калориях, или малых калориях, означаемых через к или с) или в тысячах единиц тепла (больших калориях, К или С). Если, например, для клетчатки С6Н10О5 дается число 4143 к. (или 41/7 К), то это значит, что 1 гр. этого вещества, сгорая в СО2 и H2O, развивает такое количество тепла, что им 4143 гр. воды нагреются на 1° Ц. Для определенных химических индивидуумов (напр. для чистых простых или сложных тел) количество теплоты, развиваемой горением, может быть определено и выражено с тем большею точностью, чем точнее примененные калориметрические способы и чем большей степени чистоты и определенности свойств (напр. кристаллического состояния, постоянства температуры кипения и т. п.) взято исследуемое вещество; но для Г. материала этой полной определенности состава и свойств быть не может по существу дела, а потому здесь неизбежно довольствоваться лишь круглыми, приближенными или предельными цифрами. Притом нередко для получения калориметрических данных Г. материалы вполне высушивают и выбирают (или расчетом находят) образцы, лишенные зольных (минеральных, землистых) подмесей, чего в действительном пользовании Г. материалами делать нельзя, а потому в практике отопления и всякого нагревания следует с надлежащею осмотрительностью пользоваться числами, приводимыми для теплопроизводительности. Заметив, что, вполне сгорая, чистейший древесный уголь развивает 8080 к., водород 34500 к., окись углерода 2430 к., болотный газ СН4 13250 к., и в дальнейшем изложении пользуясь этими числами для расчетов, мы приводим затем для Г. материалов лишь данные, относящиеся к той степени влажности и других подмесей (золы), с коими Г. материалы действительно применяются в практике [Достаточно указать, что дерево применяется как Г. материал обыкновенно с содержанием 20-25% такой влаги, которая может выделиться из дерева без его изменения, что в бурых углях и торфе нередко содержится более 15% золы (до 30%) и более 20% влаги и что в каменных углях обыкновенно сумма золы и влаги не менее 10%, чтобы видеть, как глубоко должны отличаться практические числа от тех, кот. получаются для Г. материалов, лишенных воды и считаемых не содержащими золы. Так, тульский уголь в естественном виде (около 17% золы и 10% воды) дал Шерер-Кестнеру и Менье (1873) 5794 к., а при расчете без воды и золы — 7687 к.], хотя эти подмеси тепла не развивают, а только его поглощают [Однако колчеданы FeS2, составляющие минеральную подмесь всяких каменных углей, при горении развивают теплоту, которая объясняет часть тех разностей, которые получаются для теплопроизводительности каменных углей по расчету состава и по прямому опыту.] при практическом пользовании Г. материалами. Достоинство топлива, очевидно, прежде всего, зависит от величины его теплопроизводительности, а потому твердое суждение о данном Г. материале получается только при знании этой величины. Опытные исследования в калориметрах разных Г. материалов доныне весьма немногочисленны [Вследствие сравнительной сложности сколько-либо точных калориметрических определений по прежним способам; но ныне, когда разработан скорый способ определения теплоты горения в бомбах (Бертело, Штоман, Малер), эти определения можно производить быстрее, чем органический анализ, и данные этого рода, конечно, будут пополняться быстрее, чем было до сих пор.] и преследовали преимущественно вопросы термохимических сведений, а не технических, а потому весьма важно особо остановиться на способе вычисления теплопроизводительности на основании знания состава Г. материала. Первоначально (Вельтер 1822, Бертье 1835) полагали, что количество развивающегося тепла пропорционально количеству потребного для горения кислорода, а потому, определив его (по способу Бертье накаливали Г. материал с PbO и по количеству восстановленного свинца судили о расходе кислорода), прямо судили о теплопроизводительности топлива, умножая вес расходуемого (на 1 весов. часть Г. материала) кислорода на 3000. Так, напр., для сжигания 1 гр. чистого угля идет 22/3 гр. кислорода, что дает произведение 8000 к., близкое к действительно получаемому. Для горения 1 гр. водорода идет 8 гр. кислорода, а потому получается произведение 24000 к., гораздо менее действительного. Для СО по способу Бертье вычисляется 1713 к., а по опыту 2430 к. [Здесь следует обратить внимание на то, что уголь, твердое тело, сгорая, дает газ СО2, а водород, газ, сгорая, образует жидкую воду, а для сравнения, очевидно, следовало бы взять все тела (действующие и происходящие) в газообразном виде. Тогда пропорциональность тепла количеству кислорода ближе к действительности. Напр. при горении водорода на 1 часть кислорода 3625 к., для CH4 — 3000, для C2H4 — 3250, для СО — 4250, C6H6 — 3145 к.]. Если же вычисляемые числа далеки от наблюдаемых при столь простом составе, как для взятых примеров, то очевидно, что для Г. материалов этот способ расчета не может быть удовлетворительным. Но его все же можно применять при сравнительном испытании сходственных видов Г. материалов, тем более, что результат прямого опыта получается легко, хотя не чужд большой погрешности, зависящей от летучести составных начал (продуктов сухой перегонки) Г. материала, которые исчезают от сжигания (при накаливании Г. материала в тигле с PbO). Если же элементарный состав Г. материала известен, то вместо того, чтобы искать количество потребного для горения кислорода, гораздо проще, по предложению Дюлонга, прямо находить теплоту горения, отвечающую содержащемуся углероду, считая его в виде угля и содержащегося "свободного" водорода, считая за таковой тот, который не находит в составе Г. материала соответственного ему количества кислорода (на 1 часть водорода 8 частей кислорода, как в воде). Для примера такого расчета возьмем уголь из Голубовки (Донецкая область, на юг от Лисичанска). Состав этого угля, исследованного (1873) Scheurer-Kestner et Ch. Meunier-Dolfus, был следующий:
--------------------------------------------------------------
| Углерода | 77,47 | |
|-----------------------------------------------| |
| Водорода | 4,75 | |
|-------------------------------------------------------------|
| Кислорода *) | 9,88 | |
|-----------------------------------------------| |
| Азота | 0,60 | 1,48 |
|-----------------------------------------------| |
| Серы | 1,00 | |
|-------------------------------------------------------------|
| Золы **) | 1,42 | |
|-----------------------------------------------| |
| Воды | 4,88 | |
|-----------------------------------------------| |
| | 100 | |
--------------------------------------------------------------
*) Авторы дают лишь общую сумму содержания кислорода + азота + серы = 11,48%. Количество последней очень изменчиво, но редко менее 1%. Те же авторы определили, что во многих исследованных ими каменных углях содержится от 0,5 до 1,1% азота, а потому я принял здесь содержание 0,6% азота. Количество кислорода получено, таким образом, за вычетом принятых количеств азота и серы.
**) Зола каменных углей происходит отчасти на счет сгорания колчедана, а потому вес ее в угле менее, чем получается после сжигания, если сера в колчедане особо определена, или же вес золы в угле больше находимой после сжигания, если в число зольных веществ включать и колчедан. Точные определения не сделаны ни здесь, ни в большинстве других определений, где даны калориметрические данные.
Этот каменный уголь дал названным авторам в калориметре 7505 ед. тепла. Кроме углерода, горючими элементами в нем должно считать 1% серы + (4,75 — 9,88:8) водорода. Следовательно, развивали тепло 3,52% водорода, а так как 1 часть водорода, сгорая, развивает 34500 к., то каждый процент 345 к. и потому 3,52% Н в свободном состоянии дают 1214,4 к. А так как 1 часть серы, сгорая в SO2, дает 2250 к., то 1% S дает 22,5. Уголь древесный развивает, сгорая, 8080 к., следовательно, 77,57% его дадут 6259,6 к. В сумме это тепло горючих элементов = 6259,6 + 1214,4 + 22,5 = 7496,5. Это число, найденное по составу, вполне отвечает калориметрическому определению в пределе его степени точности, которая не превосходит 1%, здесь же разность гораздо менее. А так как содержащаяся в угле cepa дает лишь доли процента теплопроизводительности, то при расчете ее из состава можно ограничиться одним сведением о содержании С, H и О. Если через с означим % углерода в Г. материале, через h процентное содержание водорода и через о кислорода, то теплопроизводительность Г. материала можно принять равною (правило Дюлонга):
с. 80,8 + [h (о/8)] 345 калорий.
Хотя такой способ определения теплопроизводительности не может, по существу дела (ибо при образовании соединений из угля, водорода и кислорода выделяется или поглощается теплота, см. Термохимия), отличаться совершенною точностью [Так, клетчатка содержит 44,4% углерода и для нее h — (o/8) = 0, а потому вычисляется 3591 калор., а по определениям Штомана, она дает 4146 кал. (новые определения 1892 г. дали ему 4185, а Малеру 4200 калор). Вообще для веществ, подобных клетчатке, расчет дает менее, чем опыт, примерно на 10-15%. Заметим, сверх того, что Mahler (1892), произведя многие определения нагревательной способности разных видов топлива и полагая теплоту горения угля = 8140 кал., пришел к следующей эмпирической формуле: Q = 81,4c + 335h — 31(о + п), где с, h, о и n суть процентные содержания элементов в горючем, полагая его не содержащим ни гигроскопической воды, ни золы. А так как с + h + o + n = 100, то предшествующая формула получает вид: Q = 111,4 с + 375 h — 3000. Это видоизменение формулы Дюлонга, представляя дальнейшее приближение к действительности, не имеет особого значения, потому что числа, разочтенные по ней, недалеки от тех, которые дает формула Дюлонга, и все же представляют разности от наблюдаемых чисел. Разница становится очевидною для дерева и т. п. видов топлива, п. что формула Дюлонга дает менее, чем действительность, а формула Малера более.], но так как Г. материалы уже вследствие изменчивости содержания воды и золы сами по себе не могут представлять ни постоянства состава, ни полного постоянства теплопроизводительности, то для практического сравнения различных видов Г. материала совершенно достаточно данных, находимых описанным способом. А потому мы приводим вслед за сим таблицу, в которой дается средний и предельный состав обычных видов топлива, и находимую из него их теплопроизводительность. Но для дальнейших расчетов к этим числам должно добавить данные о количестве кислорода [На 1 часть сгорающего углерода при его превращении в СО2 присоединяется 32/12 или 22/3 кислорода, а на 1 ч. водорода 8 ч. кислорода.], потребного для сжигания одной весовой части каждого Г. материала. А так как при средней температуре [Хотя средняя температура наружного воздуха в северных климатах ниже 20°, но воздух, входящий в топку, чаще всего нагрет выше этой температуры.] в 20° воздух, содержащий около 2/3 возможной влажности (см. Воздух), должно принять содержащим около 23% по весу кислорода, то, помножив вес потребного кислорода на 4,35, получим вес воздуха, который необходим для сжигания 1 весовой части топлива. Это число дано в последнем столбце таблицы.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| | 100 весов. частей Г. материала содержат по весу частей | Одна вес. часть Г. материала требует вес. |
| Горючие материалы в среднем | | частей |
| обычном их виде и составе |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | Углер. | Водор. | Кислор. | Азота и | Влажности 1) | Теплопроизвод. | Кислорода 2) | Воздуха |
| | | | | золы | | калорий | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 1. a) Дерево вылежавшееся | 36,9 | 4,5 | 30,6 | 1,0 | 27,0 | R = 3223 | 1,058 | 4,60 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| б) Дерево сильно высушенное | 50,6 | 6,2 | 41,9 | 1,3 | | 4433 | 1,426 | 6,20 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 2. Торф хорош. качества | 40,7 | 4,1 | 25,2 | 10,0 | 20,0 | 3616 | 1,159 | 5,04 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 3. Бурый уголь от | 41,0 | 3,0 | 16,0 | 25,0 | 15,0 | 3658 | 1,173 | 5,00 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| " " до | 62,0 | 4,5 | 18,5 | 5,0 | 10,0 | 5423 | 1,828 | 7,95 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 4. а) Каменный уголь 3) от | 51,0 | 3,8 | 15,2 | 20,0 | 10,0 | 4776 | 1,512 | 6,58 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| б) Каменный уголь 4) до | 78,0 | 4,0 | 8,0 | 5,0 | 5,0 | 7337 | 2,350 | 10,22 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 5. Антрацит Грушевский | 90,0 | 1,7 | 2,3 | 2,0 | 4,0 | 7765 | 2,216 | 9,64 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 6. Древес. уголь металлургический | 86,0 | 2,4 | 5,6 | 2,0 | 4,0 | 7535 | 2,429 | 10,57 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 7. Кокс металлургический 5) | 84,0 | 1,2 | 4,8 | 5,0 | 5,0 | 6994 | 2,288 | 9,95 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 8. Нефтяные остатки 6) | 86,0 | 12,5 | 1,5 | 11261 | 2,282 | 9,93 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 9. Природный горюч. газ 7) | 64,1 | 22,9 | 4,2 | 5,8 | 3,0 | 12143 | 3,499 | 15,22 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 10. Генераторный газ | 12,7 | 0,4 | 19,7 | 64,2 | 3,0 | 744 | 0,174 | 0,77 |
| (охлажденный) | | | | | | | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 11. Водяной газ (охлажденный 8) | 35,3 | 6,3 | 50,1 | 5,3 | 3,0 | 4163 | 0,944 | 4,11 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1) В этой графе дано содержание той части воды, которая выделяется из Г. материала, взятого в обычных условиях (из складов или запасов), при его продолжительном сушении от 100° до 125°, когда еще не началось разложение.
2) Сравнивая числа этого столбца с предшествующим, видно, что до некоторой степени существует пропорциональность (упомянутая выше) между количеством потребного кислорода и теплопроизводительностью Г. материала, а именно в среднем на 1 часть кислорода развивается около 3410 калорий. Вообще, топит и нагревает скорее не топливо, а воздух (в сущности, их взаимодействие, надлежащим образом направленное).
3) Хорошие подмосковные угли примерно этого состава, если не содержат избытка влаги и золы. Они вполне напоминают бурые угли и относятся к числу низких сортов.
4) Хорошие донецкие и лучшие английские угли имеют примерно этот состав.
5) В коксе часто содержится до 10, даже 15% золы; приведенный состав отвечает лучшим сортам металлургического кокса.
6) Для бакинских нефтяных остатков Mahler (1891) в калориметрической бомбе получил теплопроизв. 10805 к. При расчете "остатки" предполагаются почти сухими; в действительности к ним часто механически примешаны (вследствие густоты) капли воды.
7) Здесь принят след. объемный состав для природного горючего газа: 15 об. Н, 80 об. CH4, 3 об. N и 2 об. СО2; для генераторного газа: 25 об. СО, 5 об. Н, 5 об. СО2 и 65 об. N; a для водяного газа: 50 об. Н, 44 об. СО, 3 об. СО2 и 3 об. N. Отсюда разочтен весовой состав, приняв, сверх того, 3% по весу влажности. Теплопроизводительность этих газов разочтена по данным для H2, СО и СН4.
8) Сравнение генераторного газа с водяным, по отношению к количеству взятого угля, дано в статье: Генераторный газ.
Вышеприведенные числа должно рассматривать только как приближенные средние, показывающие относительное достоинство разных видов топлива [Так, напр., Готлиб (1885) определил для дерева (без коры):
------------------------------------------------------------------------------
| | Содержание | Колич. тепла |
| | влажности | при сжигании |
|-----------------------------------------------------------------------------|
| Дуб | 13,3% | 3990 кал. |
|-----------------------------------------------------------------------------|
| Бук | 14,0% | 4101 кал. |
|-----------------------------------------------------------------------------|
| Береза | 11,8% | 4207 кал. |
|-----------------------------------------------------------------------------|
| Сосна | 12,2% | 4422 кал. |
|-----------------------------------------------------------------------------|
| Ель | 11,8% | 4485 кал. |
------------------------------------------------------------------------------
Числа эти в среднем дают почти в два раза меньшее содержание воды, чем принятое в таблице для несушеного дерева. Среднее же количество тепла, по этим определениям, около 4240 кал., а по расчету, взятому в таблице, при содержании 12,6% воды получается около 3750 кал., т. е. менее, чем по определениям Готлиба, на 12%. Определения других наблюдателей дают для дерева, так же как для клетчатки (см. ранее), числа более разочтенных по правилу Дюлонга. Новейшие числа Малера (1892) дают подобный же результат.].
Когда Г. материалы служат для слабого нагревания, напр. для отопления жилищ, для сушки, для получения паров и т. п., тогда теплопроизводительность топлива прямо может служить мерилом его относительного достоинства. Так, напр., пуд каменного угля хорошего качества (4.б) заменит по крайней мере 7337/3223, или 2 ¼ пуд., лежалых дров (1.a), а вместо 100 пуд. хор. каменного угля (4.б) можно довольствоваться нефтяными остатками (8) в количестве 65 пуд. [=7337/11261∙100].
Однако в большинстве крупнейших применений топлива (для металлургических печей, для паровиков и т. п.) от Г. материала требуется не только теплопроизводительность, но и легкая сохраняемость, малый вес, значительная плотность, малое дымообразование, легкость шурфования (подбрасывания в топку), малость золы и т. п. свойства, из которых важнейшим должно считать способность давать высокие температуры. Это последнее свойство Г. материала необходимо не только потому, что требуется нередко самим существом дела, наприм. для плавления стали требуется иметь температуру около 1450° Ц., но и потому, что чем выше температура, тем скорее при прочих равных условиях совершается доведение нагреваемых предметов до желаемой температуры, и, следов., тем скорее идет производство, а потому продукты его удешевляются. В стеклянной печи на торфе или сырых дровах совсем не получается тот жар (от 1000° до 1300°), который необходим для придания обыкновенному стеклу последней степени уваривания (удаление пузырьков воздуха и осадка); на хорошо сушенных дровах или на каменном угле при надлежащем устройстве и ведении печей этот жар достигается, но уваривание идет медленно, и получаются большие расходы не только от расхода большого количества Г. материала, но и от простоя всех частей завода, тогда как при газовых печах (см. Стекло) достигается быстрейший оборот всех дел и наибольшая экономия производства. По этой причине для пользования топливом весьма важно иметь надлежащее, хотя бы лишь относительное (уже потому, что определение высоких температур представляет множество едва преодолимых трудностей, см. Пирометр) понятие о тех температурах, которые может при надлежащем устройстве печей доставлять Г. материал, к чему вслед за сим мы и переходим. Но предварительно приведем для обычных видов топлива выражение их относительного достоинства, считая за 100 вес обычных хороших сортов каменных углей, как топлива, наиболее важного во всех отношениях. 100 пуд. доброкачественного каменного угля для замены их в топке обычных печей (комнатных, кухонных) и паровых котлов требуют, смотря по степени сырости и по содержанию золы:
от 200 до 300 пуд. лежалых дров (около 1 куб. сажени);
" 200 " 400 " торфа и др. травян. Г. материалов;
" 150 " 200 " бурого угля;
" 85 " 150 " разн. каменных углей;
около 95 пуд. антрацита;
" 66 " нефт. остатков.
При помощи этих чисел можно перевести потребность всякого иного Г. материала на количество потребного каменного угля. Газообразные виды топлива, как искусственно произведенные, для правильной оценки их расхода требуют включения данных относительно того количества Г. материала, которое идет для их производства, что рассмотрено в статье Генераторный газ.
III. Пирометрическое действие горючего материала [В этой части статьи о Г. материалах, вовсе вдаваясь в сторону вопросов о диссоциации, я привожу по возможности простые способы расчета; во многих частностях мои выводы иные, чем в существующих руководствах технологии; полагаю, что дальнейшая разработка этой стороны предмета, сверх приложения диссоциационных понятий, достойна усленного внимания. — Д. Менделеев.].
Температура, достигаемая при сжигании данного Г. материала, зависит от множества влияний и обстоятельств, между которыми укажем лишь главнейшие. По сущности дела, неизбежна потеря тепла через передачу и лучеиспускание в окружающее пространство. Чем выше темпер., тем эта потеря более. Чем больше поверхность охлаждения, тем потеря сильнее. Поэтому чем меньше масса горящего вещества, тем ниже достигаемая темп.; чем равномернее и длительнее горение, тем она выше. Оттого для получения высших темпер. наиболее пригодны большие печи и непрерывное ровное горение в пространствах, окруженных худыми проводниками тепла. Отсюда очевидно также, что высшие темпер., достигаемые Г. материалами, могут получаться только в печах, действующих долгое время и, следовательно, это условие должно считать выполненным при расчете пирометрического действия Г. материала. А так как горение производится при помощи топлива и воздуха, имеющих низшую темпер., чем достигаемая в печи, и так как она от начальной до окончательной повышается постепенно, то в каждой печи есть точки, имеющие наивысшую темпер. При такой темпер. продукты полного горения Н2O и СО2 (на H2 + O и на СО + О и С + О2) отчасти диссоциируют (см. Диссоциация, Газовые взрывы) и, следовательно, ограничивают повышение темпер., хотя ныне и можно полагать, что значение этого влияния очень ограничено. Главную же причину, определяющую темпер., достигаемую Г. материалом, должно видеть в массе и в теплоемкости продуктов горения, которым передается образующееся тепло. Если горение идет в воздухе, то между продуктами горения будет преобладать азот, составляющий по весу более 3/4 воздуха и обыкновенно не более 3/5 в дыме, следовательно, наибольшее количество тепла передается этому газу. Его теплоемкость при постоянном давлении = 0,244. Хотя она очень мало изменяется с темпер. и хотя теплоемкость водяных паров (0,48), образующихся при горении, более чем азота, но теплоемкость углекислого газа (при 0° = 0,19, при 1000° = 0,22) меньше, чем азота, и быстро возрастает с повышением темп. (см. соотв. статью), а потому общую среднюю теплоемкость продуктов горения (в воздухе) можно принять для расчета получающихся темпер. равною 0,27 [Вслед за Феррини обыкновенно принимают среднюю теплоемкость 0,25; но, принимая во внимание повышение теплоемкости (особенно кажущейся, см. соотв. статью), я нашел, что число 0,27 ближе к средней теплоемкости дымовых газов и паров при температуре горения.]. Если же знать, сверх теплоемкости дыма, и количество тепла, ему сообщенного, массу дыма или его вес, то получатся элементы, необходимые для определения температуры, доставляемой топливом (не входя в рассмотрение диссоциации). Назвав через tо начальную температуру (всегда по Цельсию) воздуха и топлива, через tx - искомую темпер., достигаемую топливом (tx — to = повышению температуры Т), через Q — количество тепла, развиваемое при горении 1 весов. части топлива (исправляя, как сказано далее, теплопроизводительность Г. материала, см. предш. табл.), через т — весовое количество воздуха, расходующееся для полного сжигания 1 вес. части Г. материала, то вес продуктов горения будет, очевидно, 1 + m, и если средняя их теплоемкость s, то
(A).... Т = tх - to = Q/s(m + 1)
причем не принимается потеря лучеиспусканием и теплопроводностью. Полных опытных сведений об этих потерях при разных обстоятельствах доныне нет, и они, конечно, изменяются с устройством печей и с температурою, доставляемою топливом. Но известно (см. соотв. статью), что в паровых котлах потеря эта составляет поныне около 6,5%, а обыкновенно доходит до 15%. Чтобы получить хотя некоторое понятие о величине потерь, происходящих при получении наиболее высоких температур, возьмем из новых данных Ле Шателье (H. Le Chatelier, "Bulletin de la Société d'encouragement", май, 1892), который измерил своими проверенными вновь пирометрическими способами температуру плавления стали: 1) мягкая сталь (С = 0,1, Mn = 0,3) 1475°, 2) полутвердая сталь (С = 0,3, Mn = 0,2) 1455° и 3) твердая сталь (С = 0,9, Mn = 0,1) 1410°. Известно, что сталь, даже мягкая, может плавиться в тиглях, если они помещены в большие самодувные угольные (или коксовые) горны при сильной тяге; платина же (плав. 1775° Ц.) в этих условиях не сплавляется. На основании этого должно полагать, что в угольном горне при особо благоприятных условиях получается температура, доходящая до 1500°-1600° Ц. Мы примем последнюю из них, потому что при литье тигельной стали, перенося тигли, еще успевают делать отливку, хотя при переносе происходит значительное охлаждение. Тигли засыпают высоким слоем угля, и высокая температура получается лишь в том нижнем слое горящего угля, где происходит полное горение, а потому здесь встречаются условия, удовлетворяющие теоретическому количеству воздуха и полноте горения, хотя в более высоких слоях угля и образуется окись углерода, как продукт неполного горения. Поэтому здесь Q можно принять (предш. табл. п. 6) = 7535 к. и т = 10,57. Поэтому, если теплоемкость происходящей смеси СО2, N2 и Н2O принять 0,27, вычисляется температура
7535/(0,27∙11,57) = 2412°
А так как получается лишь 1600°, то потеря очевидна. Ее причина, конечно, сложна и зависит не только от передачи части тепла лучеиспусканием и теплопроводностью, не только от неверности данных о теплоемкости продуктов горения, но и от диссоциации; но, не входя в разбор этого сложного предмета, мы можем получить некоторое понятие о величине потерь, если, исходя из темпер. 1600°, разочтем то количество тепла, которое действительно передается продуктам горения в вышеупомянутых условиях. Если в предшествующей формуле (А) положить tх = 1600°, to = 0°, s = 0,27 и m = 10,57, то получается Q = 4998 к., следовательно, здесь из теплопроизводительности Г. материалов (7535 к.) потеря = 2537, что составляет около 34%. Если бы был избыток воздуха, как это обыкновенно бывает в топках с твердыми видами Г. материалов, то не только уменьшится темпер., но и понизится процент диссоциации, а потому и потеря убавится. Поэтому для обыкновенного случая применения Г. материалов в топках при расчете высшей достигаемой темп. можно принять неизбежную потерю теплопроизводительности достигающею в обычных печах [B открытом пространстве или в холодной печи (при начале топки или после перерыва) потеря будет, конечно, больше; в хорошо защищенном, напр. окруженном (как в печи Перро) продуктами горения, — меньше.] до 20%, то есть вместо теплопроизводительности, горючего материала R, данной в предшествующей таблице, должно взять 0,8R для определения того тепла Q, которое служит для достижения температуры, развиваемой топливом. Сверх этой поправки, в величинах R следует сделать еще одну, зависящую от того, что в калориметрических определениях, которыми находится R, вода получается в жидком виде, в пламени же она остается парообразною, а потому на каждую 1 весовую часть воды, происходящей при горении, должно от R отнять около 590 к., так как скрытое тепло испарения воды при 0° = 606, при 50° = 571 к., а калориметрические определения производятся при 15°-20° Ц. Поэтому вместо калориметрического данного R (предшествующей табл.) для расчета температуры должно взять
r = R — 5,9aq
где aq означает процентное количество воды, образующейся при горении и содержащейся в Г. материале. Так, напр., в лежалом дереве 4,5% водорода, следовательно, он дает при сгорании 4,5∙9 (п. ч., 1 ч. H дает 9 ч. Н2O), или 40,5% воды, да содержание ее в гигроскопическом виде принято = 27%, следовательно, всего воды: aq = 40,5 + 27 = 67,5%, a потому:
r = 3223 — 5,9∙67,5 = 2825
как и дано в следующей таблице.
Для определения температуры, доставляемой Г. материалом, особую важность имеет количество притекающего к топливу воздуха (т в формуле А). Если оно велико и излишне, то понижает температуру до того, что избыток воздуха может "задуть" огонь. Если оно недостаточно, то вместо горения идет сухая перегонка или образование горючих газов и паров и, следовательно, неполное горение и малое повышение температуры. Только для газообразных видов Г. материала количество воздуха определяется вполне их составом, потому что газ и воздух можно вполне смешать. При твердых же видах топлива теоретически потребное (предш. табл., последн. столбец) количество воздуха дает массу окиси углерода и др. продуктов (сажи, дегтя, углеводородов) неполного горения, что связано не только с потерею топлива, но и с понижением температуры. Опыт показывает, что чем более богато твердое топливо водородом, тем больше воздуха оно расходует для полного горения, а именно тогда в дыме количество свободного (не послужившего для горения) кислорода достигает до того, что равняется количеству кислорода, содержащегося в углекислом газе дыма (т. е. объем кислорода в дыме = объему СО2). Для антрацита, кокса и древесного угля, почти не способных давать продуктов сухой перегонки, не требуется такой избыток воздуха; но все же если его масса менее полуторного количества теоретического, то в дыме при лучших из обычных устройствах топок является окись углерода и, следовательно, горение не полно [О присутствии окиси углерода в дыме, служащем указателем неполноты горения, судят по данным, описанным в статьях: Газовый анализ и Дым.]. Поэтому для расчета того веса (т) воздуха, который необходим для полноты горения Г. материала, в следующей таблице принято: 1) что к теоретическому количеству воздуха (последний столбец предшествующей таблицы) для дерева, торфа и бурых или каменных углей прибавляется такое его количество, которое потребно для сжигания углерода в углекислоту. Так, напр., в лежалом дереве 36,9% углерода, и для его сжигания необходимо (в 22/3 раза более) 98,4% кислорода или (в 4,35 раза более) 428% воздуха, или на l ч. дерева 4,28 ч. избытка воздуха. А так как теоретически потребно 4,60 ч. воздуха, то в сумме вся потребность для полного сгорания = 8,88 ч. воздуха на 1 ч. дерева. 2) Для антрацита, древесного угля и кокса взято т в полтора раза более теоретического. 3) Для нефтяных остатков, считая их пульверизованными, взято 1 ¼ воздуха против требуемого по теории, потому что при точно теоретическом количестве всегда замечается неполнота горения. 4) Для газообразных видов топлива взято теоретическое количество потребного для полного горения воздуха. Таким образом определены величины m, данные в следующей таблице. Данные же в последнем столбце, или повышения температуры, или пирометрические свойства Г. материала, определены по уравнению:
T = 0,8r/[0,27(m + 1)].
Но, как указано ранее для примера плавки стали в горне, в некоторых особых условиях могут при неполном горении, равно как при предварительном нагревании воздуха (как в доменных или в регенеративных топках) или Г. вещества (как в генераторах, если газ из генератора примерно при 700-400° прямо поступает в топку), полученные при данных Г. материалах температуры выше указанных. Тем не менее, относительное достоинство Г. материала весьма явно выражается в прилагаемом сопоставлении:
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| На одну весовую часть вполне | Теплопроизв. (вода в | Количество воздуха по | Повыш. темпер. от |
| сгорающего топлива | парах), r | весу 1), m | 0°, T |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 1. Дерево вылежавшееся 2825 к | 8,88 | 772°Ц | |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Дерево сильно высуш. | 4377 | 12,07 | 1075° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 2. Торф хор. качества | 3279 | 9,76 | 903° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 3. Бурый уголь от | 3410 | 9,75 | 940° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| — " " до | 5125 | 15,15 | 940° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 4. Камен. уголь от | 4515 | 12,50 | 991° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| — " " до | 7095 | 19,27 | 1037° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 5. Антрацит Грушевск. | 7651 | 14,46 | 1466° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 6. Древ. уголь металлург. | 7384 | 15,86 | 1298° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 7. Кокс металлург. | 6895 | 14,93 | 1283° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 8. Нефтяные остатки | 10597 | 12,41 | 2333° 2) |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 9. Прир. горюч. газ | 10909 | 15,22 | 1993° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 10. Генератор. газ охлажденный | 705 | 0,77 | 1180° |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 11. Водяной газ охлажденный | 3811 | 4,11 | 2210° |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1) Чтобы судить по весу потребного воздуха об его объеме, должно только заметить, что куб. метр воздуха весит в обычных условиях от 1,3 (зимою) до 1,2 (летом) килогр.; следовательно, разделяя вес воздуха на 1,25, получим число куб. метров, требуемых для сжигания килограмма топлива.
2) Если предположить, что нефть для полного горения требует даже 15 весов. ч. воздуха (более чем в 1 ½ раза против теоретического количества), то и тогда может давать температуру до 1950°.
Числа эти показывают, что наименьший жар дадут такие Г. материалы, как дрова, не подвергшиеся особой сушке, сырой торф и т. п. травянистые виды топлива; средние температуры калильного жара, а именно около 1000°, дают как сушеные дрова, так и другие обычные виды ископаемого топлива; высшие же из давно достигаемых на практике (около 1200°) доставляются такими видами топлива, как древесный уголь, кокс и антрацит. Но самые высокие температуры, доходящие и превосходящие 1500°, получаются только при помощи тех видов Г. материалов, которые вошли в технику лишь в конце текущего столетия, а именно: нефтяными остатками, водяным газом и т. п. В этих отношениях особо выдается из всех видов Г. материалов нефть (и нефтяной природный газ), так как обладает высшими пирометрическими и калориметрическими свойствами. Поэтому Россия с ее запасами дешевых нефтяных остатков может с большою выгодою на счет их развить те стороны техники, особенно металлургической, которые требуют особо возвышенных температур.
IV. Применение и употребление Г. материалов. Если в условиях первобытной жизни Г. материалы идут главным образом на приготовление пищи и нагревание жилищ, то, как мы видели уже в начале этой статьи, при промышленном развитии потребности этого рода становятся на второй план. Тем не менее, в сев. умеренных странах нельзя считать средним числом менее 25 пд. каменного угля, или около 60 пд., или 1/4 куб. саж. дров на каждого жителя для средних повседневных потребностей. Вторую по значению для современного общежития (но далеко не крупнейшую по массе расходуемого Г. материала) у образованных народов потребность топлива составляет его применение для всякого рода (паровозных, пароходных, фабричных, заводских и ремесленных, сельскохозяйственных и горнозаводских) термических (паровых, газовых, калорических) двигателей. Опыт и теория показывают, что тепло дает механическую работу только вследствие превращения сил. По первому закону термодинамики (или механической теории тепла) и по множеству опытов: каждая килограммовая калория тепла способна дать 425 (= механическому эквиваленту тепла, см.) килограммометров работы, если вполне превращается в работу, т. е. то количество тепла, которое нагреет 1 кг воды на 1° Ц. способно поднять кг груза на высоту 425 м. Таким образом, в Г. материалах заключается запас громаднейшей механической работы или силы в возможном или в потенциальном виде. Однако это превращение тепла в полезную работу ограничивается не только неизбежными утратами на потери в тепле (лучеиспусканием, теплопроводностью) и механической работе (трением, скольжением и т. п.), но и деловою сущностью, по которой всю работу (видимое движение) всецело можно превратить в тепло (невидимое, сокрытое движение), но обратный переход ограничен и никогда не совершается всецело. Второй закон термодинамики (см.) показывает, что доля тепла, превращаемого в механическую работу (как полезную, так и случайную, каково трение частей механизма), равняется отношению между падением температуры в машине к абсолютной начальной (высшей) температуре. Если, напр., вода в виде пара имеет при входе в машину температуру Т, а при выходе из нее (без потерь от побочных видов охлаждения) t, то доля тепла, переходящая в механическую работу, равна
(T — t)/(273 + T)
Никакие улучшения в устройстве паровиков и паровых машин или других каких-либо термических машин не могут дать большего превращения тепла в работу, и все дают гораздо меньшее превращение, потому что часть тепла и работы неизбежно расходуются помимо работы, получаемой в результате. Так, "паровая сила" (или паровая лошадиная сила), по условию ее определения, производит в секунду работу 75 килограммометров, следовательно, в час 270000 килограммометров, то часовая работа каждой силы превращает (деля на 425) 568 калорий (или единиц тепла) в полезную работу. Если бы превращение было полное (нацело), то для этого нужно было бы сжечь только 0,087 кг хорошего каменного угля, дающего около 7000 кал. тепла. В действительности же для этого требуется сжечь в паровике обыкновенно около 1 кг каменного угля и в самых совершенных больших современных устройствах не менее ½ кг. Это потому: 1) что из 3500 калорий, которые дает 1/2 кг угля, не менее (15%) 560 кал. пойдет на нагревание дыма (для работы тяги) и на разные потери тепла (см. Выпаривание), а в пар перейдет лишь около 2940 кал.; 2) если входящий пар имеет Т = 150°, а в холодильнике t = 50°, то даже и тогда доля тепла, переходящего в работу, судя по второму закону теплоты, не более 24%, следовательно, из 2940 калорий, входящих в машину, могут превратиться в работу только 702 калории. 3) часть тепла теряется на лучеиспускание тепла в машине и на трение поршня и передаточных частей, на что в разбираемом примере идет около 134 (около 20%) к. Подобные этому результату дают ныне лучшие из газовых двигателей. Полагая в год на каждую паровую силу (работающую лишь 10 час. в сутки) по 3000 кг каменного угля, и принимая, что недалеко (Мельгаль и др.) от истины, в Европе и Америке около 50 млн. лошадиных сил и 500 млн. жителей, получится, что средним числом на каждого придется около 300 кг каменного угля для движения железных дорог, пароходов и всяких машин. Это составит около 20 пуд. в год на каждого. Добыча и обработка металлов требует разве немногим менее этого. В Европе и Америке добывается ныне не менее 28 млн. тонн чугуна, на что идет более 60 млн. тонн лучшего каменного угля (и других видов топлива, переводя их на каменный уголь). Весь почти (не менее 95%) чугун переделывается в железо и сталь (рельсы, плиты, листы), при чем расходуется едва ли менее 40 млн. тонн угля, и затем (не считая двигателей) не менее 10 млн. тонн идет при переделке сортового и листового железа в машины, корабли, экипажи, пушки, инструменты и т. п. Добыча и обработка меди (18 м. пуд.), цинка (20 м. пуд,), свинца (30 м. п.) и др. металлов расходует не менее 10 млн. тонн каменного угля, так что годичная добыча и обработка металлов в Европе и Америке требует, конечно, более 120 млн. тонн каменного угля, или примерно по 15 пуд. на жителя. Если затем положим на другие технические потребности (добычу стекла, кирпича, сахара, спирта и т. п.) только по 5 пуд. в год на жителя, то едва ли превзойдем истину. Эти цифры скорее ниже, чем выше действительных, потому что дают в сумме на каждого жителя Европы и Америки в среднем: 25 пд. (на топку жилищ и приготовление пищи) + 20 пд. (на паровые двигатели) + 15 пд. (на металлы) + 5 пд. (на заводское производство), или всего по 65 пд. в год на жителя, а приняв их число в Европе (менее 400 млн.) и Америке (более 100 млн.) около 500 млн., получим всего 32500 млн. пд. всякого топлива, выражая его в каменном угле; добывается же здесь одного каменного угля не менее (Россия около 400, Англия около 10000, Германия около 5000, Франция и Бельгия около 2400, С.-А. С. Шт. около 7000, остальные около 2000 млн. пд.) 25000 млн. пд. каменного угля (с бурым углем и антрацитом) в год, другие же виды топлива (особенно дрова, торф и нефть) едва ли и поныне дают не менее ¼ всего расхода тепла, производимого Г. материалами, потому что огромные страны, напр. Россия и Южн. Америка, едва начали применять каменный уголь. Так как в мире несомненно развивается и еще долго станет сильно возрастать (особенно в Азии и Африке, где около 1000 млн. жителей) тот современный строй промышленной деятельности, который ныне основывается на пользовании энергией, скрытою в топливе, и так как невозможно надеяться на то, что добыча ископаемого топлива будет возрастать (как возрастает доныне, см. Каменный уголь и Нефть) беспредельно по мере увеличения спроса на Г. материалы, то и очевидно, во-первых, что близко время, когда на первый план станут вопросы о замене Г. материалов другими запасами и энергиями природы (водою и воздухом, теплотой солнца и теплотою внутренних слоев земли [Внутреннею теплотою земли, по моему мнению, прежде всего следует воспользоваться для отопления жилищ, чему может содействовать проведение глубоких буровых скважин, проведение в них воды и возврат ее на земную поверхность в нагретом виде, причем подъем воды с дальних глубин может совершаться на счет (сифонного действия) напора поверхностной воды. Воды глубоко начинающихся теплых ключей и некоторых глубоких буровых скважин, доставляя теплую воду, служат на то явным наведением. Если даже вода будет иметь температуру 20° Ц., то она, проходя трубами в стенках зданий, обеспечит поддержание в них комнатной температуры, а воды такой постоянной температуры легко получаются из глубин, не превосходящих сотен метров.]; во-вторых, что рациональное и экономное пользование Г. материалами не менее важно, чем рациональное пользование землею для произведения хлеба [В наиболее благоприятных условиях умеренно северные лесные насаждения при правильной вырубке дают с десятины в год не более 150 пд. топлива; следовательно, при потребности 65 пд. каменного угля или (в 2 ½ раза более) 150 пд. дров на жителя. На каждого необходимо иметь по крайней мере десятину земли под лесом, если на счет его удовлетворять среднюю современную потребность в Г. материале. Для производства хлеба и др. пищевых веществ при рациональном земледелии, считая лишь 1/3 пашни под хлебами (остальные под паром, кормовыми и техническими растениями) и по 2 четверти его на каждого жителя, необходимо на каждого (при среднем урожае 12 четвертей с десятины) не более полудесятины. Другими словами, это значит, что при среднем современном строе жизни в Европе и Америке требовалось бы иметь вдвое более земли под лесом, чем под пашней, если бы существующая потребность в Г. материалах удовлетворялась дровами. Средним же числом в Зап. Европе на каждого жителя не более 0,003 дес. леса, у нас в Московской (0,005), Киевской (0,003), Симбирской (0,004) и им подобных (средних) почти столько же, в Астраханской (0,001), Екатеринославской (0,001), Херсонской и им подобных (южных степных) менее, если же есть избытки леса в Архангельской (1,308), Вологодской (0,260), Пермской (0,082) и им подобных (северных) губ., то, очевидно, лишь потому, что они мало пригодны для зерновой культуры и мало населены.], и, в-третьих, что страны с нетронутыми или едва начатыми запасами Г. материалов обладают условиями дальнейшего их процветания, независимого экономического существования и промышленного развития в большей мере, чем те, которые лишены таких запасов. Россия с ее разведанными, но едва початыми каменными углями Донца, Урала, Кузнецка и др. местностей, с ее северными площадями сплошных лесов на почвах, неудобных для хлебной культуры, и с ее запасами нефти на Кавказе и в других частях страны обладает в этом отношении тою суммою задатков будущего, которая и заставляет считать нашу страну еще молодою среди других. Америка, Австралия и Китай в этом отношении не менее обеспечены. Но страны самой древней культуры, каковы, напр., берега Средиземного моря и Индия, лишены, сколько то поныне известно, таких запасов Г. материалов, которые обеспечивали бы их широкое промышленное развитие в будущем.
Д. Менделеев.
Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон
1890—1907
Вопрос-ответ:
