Энциклопедия Брокгауза и Ефрона - водяной газ

(Watergas, Wassergas) — горючая газовая смесь, получаемая при разложении водяного пара раскаленным углем и имеющая следующий, в предельной степени чистоты, состав: по объему 50 процентов водорода и 50 процентов окиси углерода или по весу 6 процентов водорода и 94 процента окиси углерода. Обыкновенно же водяной газ не имеет этого состава; он содержит, кроме названных составных частей, некоторую примесь угольной кислоты, азота и болотного газа. Мы увидим ниже, что состав водяного газа изменяется как по способу добывания, так по горючему материалу, употребляемому для добывания газа. Факт получения горючего газа через разложение водяного пара раскаленным углем открыт был итальянским ученым, профессором Фелицием Фонтана, жившим в 1730-1805 г. Несмотря на давность этого открытия, В. газ только в последние 15-20 лет, и то преимущественно в Америке, получил большое распространение как для освещения, так и для технических целей. Прежде чем описать различные способы и аппараты, употребляемые для добывания В. газа, рассмотрим сперва его физические и химические свойства, благодаря которым он справедливо оспаривает свое преимущество перед другого рода газообразными топливами, как-то: каменноугольным и генераторным газами. Водяной пар при прохождении через раскаленные угли разлагается, при чем образуется водород, окись углерода и угольная кислота. Количество последней зависит от температуры, при которой происходит разложение. При 500° происходит полное разложение на водород и углекислоту, а при 1000-1200° на водород и окись углерода, так что процесс образования В. газа следует себе представить таким образом, что первоначально происходит образование водорода и угольной кислоты, которая затем при достаточно высокой температуре в прикосновении с углем переходит вполне в окись углерода [СО2 + С = 2CO, а вначале: С + 2Н2О = 2Н2 + СО2, следовательно в сумме: С + Н2О = H2 + СО]. Хотя в газовой смеси, составляющей В. газ, находится небольшое количество угольной кислоты и азота, но отличительные качества В. газа обусловливаются двумя главными составными частями его: водородом и окисью углерода. Поэтому при определении нагревательной способности В. газа и количества развиваемых единиц тепла (калорий) нужно иметь в виду количества тепла, развиваемого при сгорании водорода в воду и окиси углерода в угольную кислоту. Единственная затрата теплоты, которая происходит при образовании В. газа, — это на превращение воды в парообразное состояние, на что, по Науману, затрачивается около 8%, так что 92% тепловой способности употребленного для добывания водяного газа углерода содержится в В. газе. На основании этого считают, что при В. газе наивыгоднейшим способом утилизируется тепловая способность углерода. Это мнение оспаривает преимущественно Лунге, который говорит, что В. газ нужно сравнивать не со сгоранием угля в печи, а с генераторным газом, который перед его употреблением не охлажден, как принимает Науманн, до температуры окружающего воздуха, а который непосредственно из генератора поступает в то место, где он должен быть сожжен. При таких условиях генераторный газ, по мнению Лунге, представляет более выгодную утилизацию тепловой способности углерода, чем В. газ [Термохимические данные, относящиеся до В. газа, и сравнение его с другими видами газообразного и твердого топлива, будут приведены в статьях: Горючие материалы, Топливо, Термохимия и Калориметрия. — Δ.]. Сравнение В. газа с другими по температурам горения показывает, что более высокую температуру горения дает В. газ. Температура горения будет: для светильного газа — 2700°; для генераторного газа — 9350°; для водяного газа — 2859°; для водорода — 2669°; для окиси углерода — 3041°. Лунге справедливо замечает, что при этом делается предположение, которое на практике не имеет места, что генераторный газ и воздух, в котором он сгорает, имеют обыкновенную температуру, между тем как на практике температура генераторного газа и воздуха обыкновенно бывает 800-1100°. Тем не менее, тепловой эффект, который производит В. газ, гораздо значительнее, чем даже нагретого до такой высокой температуры генераторного газа [тем более, что в регенеративных топках воздух, потребный для гореня газообразных видов топлива, нагревается на счет тепла, теряющегося из топки, водяной же газ дает выходящим продуктам горения высшую температуру. — Δ.]. Пламя В. газа незначительно, но в нем плавится платиновая проволока, накаливается сильно магнезиальное тело, испуская яркий белый свет, чего нельзя достичь ни светильным каменноугольным газом, сжигая его в бунзеновской горелке, ни генераторным газом. Пламя В. газа сравнительно с пламенем светильного газа имеет незначительную поверхность, которая почти в 6 раз меньше поверхности пламени светильного газа при равных объемах вытекающих газов. Вследствие меньшей поверхности пламени В. газа оно охлаждается через лучеиспускание весьма незначительно. Эти свойства В. газа и делают его выгодным и удобным источником теплоты, которым техника, как увидим ниже, в последнее время воспользовалась в больших размерах. Но, с другой стороны, благодаря своему химическому составу, т. е. большому содержанию окиси углерода, В. газ встречает много затруднений для более широкого распространения и применения; хотя техника и выработала уже известные правила предосторожности при употреблении В. газа на фабриках и в мастерских, тем не менее все-таки опасения отравиться В. газом еще очень велики. Известно, что окись углерода — газ ядовитый, производящий порчу крови и припадки угара.

Способов добывания или приборов, которые служат для добывания В. газа, очень много, как это видно из многочисленных привилегий, выданных за последние 15 лет. Мы здесь опишем два способа: один, употребляемый в Эссене на заводе Шульце-Кнауда и К° для добывания чистого В. газа с целью употребления его для металлургических целей, и способ Лоу (Löwe), наиболее распространенный в С.-Американских Штатах для добывания карбюрированного В. газа с целью освещения. Кроме того, эти два способа отличаются между собою тем, что в немецких аппаратах для добывания В. газа берут коксовую мелочь (Kleincoke) с большим содержанием золы, обыкновенно с 15-20%. В приборах же Лоу, как во всех приборах, употребляемых в Америке для добывания В. газа, горючим материалом служит антрацит. Но все способы добывания В. газа основаны на одном принципе, именно В. газ добывают в шахтных печах, генераторах, которые засыпают тем или другим горючим материалом, причем самый способ добывания распадается на два периода, непосредственно сменяющие друг друга через известные промежутки времени. Сначала в шахтную печь снизу вдувают атмосферный воздух, который вызывает усиленное горение кокса или антрацита и накаливает их до белокалильного жара. Этот период называют горячим дутьем (Warmblasen), при чем получают обыкновенный генераторный газ. Потом вдувание воздуха приостанавливают и через раскаленный горючий материал пропускают водяной пар, через разложение которого образуется В. газ. Этот последний период называется холодным дутьем (Kaltblasen), и он продолжается до тех пор, пока вследствие охлаждения, происходящего при разложении водяного пара [Реакция C+Н2О=CO+H2 сопровождается истощением 29 тыс. калорий, если вода взята в состоянии пара, а потому ведет к охлаждению. — Δ.], температура горючего материала не понизится до такой степени, что разложение водяного пара прекратится; тогда вновь начинают горячее дутье для того, чтобы привести горючий материал опять до белого каления. Употребляя для добывания В. газа кокс, немецкие техники дали приборам для В. газа такое устройство, которое дозволяет удобно и легко освобождать генератор от образующихся в большом количестве золы и шлаков, а также сохранить футеровку (или внутреннюю обкладку из огнепостоянного кирпича) генератора от порчи. Эта последняя задача достигается устройством особого кольцеобразного сосуда, наполненного водою, водяного кольца, находящегося снаружи на нижней части генератора. Это кольцо обозначено буквою К на фигуре 1, изображающей аппарат, употребляемый в Эссене и в Витковице в Австрии и назначенный преимущественно для приготовления В. газа из дешевого горючего материала, т. е. отбросов каменного угля и кокса. Фиг. 1. Прибор, применяемый в Эссене для получения водяного газа.

Употребляя дешевый горючий материал, необходимо насыпать его высоким слоем в генератор, вследствие чего приходится производить дутье под высоким давлением, при котором должны быть приняты все предосторожности, дабы не могло произойти взрыва через образование смеси В. газа с вдуваемым воздухом. Этими обстоятельствами обусловливается несколько усложненное устройство аппарата, заключающееся в применении различного рода клапанов, вентилей и заслонок, обеспечивающих разъединение отдельных частей аппарата. Главные части этого аппарата составляют генератор и скрубер [Скрубером называется прибор, служащий для очищения газа и отделения из него смолистых и других сжижающихся и твердых подмесей. Генератором называется шахтная (вертикальная) печь, производящая горючий газ. Газгольдером называется сосуд (газометр), в котором собирается горючий газ.]. Генератор снабжен охлаждающим кольцом К, стенки которого постоянно омываются притекающею холодною водою. Столб горючего материала под охлаждающим кольцом имеет форму конуса, так что образуется свободное кольцеобразное пространство А. В этом пространстве во время горячего дутья происходит равномерное распределение вдуваемого воздуха. При образовании В. газа он также поступает в это пространство. Далее на фигуре 1 буквы: В — обозначает выходное отверстие для образующегося во время горячего вдувания (разжигания) генераторного газа, G — клапан для генераторного газа, D — входное отверстие для пара, V — клапан, посредством которого приток пара может быть приостановлен, Е — засыпная воронка с крышкой e1 и грушевидным запором е2. Во время горячего дутья верхняя часть охлажденной водою заслонки так установлена, что воздушный канал сообщения с генератором, клапан d, открыт, также клапан для генераторного газа G открыт, канал g, ведущий в скрубер, равно как клапан V закрыты. Напротив, во время производства газа закрыты G и d ; верхняя часть заслонки, охлаждаемая водою, закрывает канал, по которому происходит вдувание воздуха и восстановляет сообщение генератора со скрубером. Таким образом сообщение между газгольдером и генератором прерывается только в скрубере столбом воды w высотою в 100 мм. Как видно из рисунка, при помощи вала W и шестерни W2, приводимых в действие посредством рукоятки H, отпирание и запирание соответствующих клапанов и заслонок производится одновременно одним рабочим, повертывающим рукоятку Н. Фиг. 2. Поперечный разрез прибора, изображенного на фиг. 1.

Для приведения в действие генератора поступают следующим образом: на огонь, разведенный дровами, засыпают в генератор около 700 кг кокса, причем тотчас начинают дутье под давлением 55 мм. Затем продолжают засыпать коксом генератор и по мере того, как возрастает слой кокса, увеличивают силу дутья воздуха. Когда генератор вполне наполнен, что продолжается около 1¹/2 часа, тогда вдуванье воздуха должно иметь давление в 440 мм водяного столба. Первоначально получаемый генераторный газ дурного качества, содержит много воздуха; но коль скоро он достиг надлежащего качества, его отводят под котел, где на колосниках поддерживается топка углем. По наполнении генератора и приведении в раскаленное состояние горючего материала открывают путь к газгольдеру и начинают холодное дутье, т. е. вдуванье водяного пара. Затем пять минут попеременно вдувают водяной пар и затем 10 минут воздух. Таким образом можно работать в продолжение двух часов, после чего нужно удалить шлаки из охлаждающего кольца. При хорошем горючем материале это удаление шлаков продолжается 20 минут, при дурном — дольше. При употреблении весьма хорошего материала нужно удалять шлаки только через 3-4 часа.

В только что описанном аппарате, которые европейское общество водяного газа в Дортмунде строит различных размеров, на производство 300, 500 и 1000 куб. м В. газа в час, как мы видели, кроме В. газа утилизируется и генераторный газ. Из одного килограмма углерода (в виде 1,2 кгрм. кокса) средним числом в аппарате, производящем 300 куб. м газа в час, получается 1 куб. м В. газа и 4 куб. м генераторного газа. Состав их следующий:

------------------------------------------------------------------------------------------

| | Водяной газ  | Генераторный |

| |--------------------------------------------------| газ  |

| | Очищенный | Неочищенный | |

|----------------------------------------------------------------------------------------|

| CO2  | 3,2 | 4,0 | 2,0 |

|----------------------------------------------------------------------------------------|

| CO | 42,3 | 41,2 | 28,0 |

|----------------------------------------------------------------------------------------|

| H | 49,2 | 49,5 | 2,0 |

|----------------------------------------------------------------------------------------|

| N | 4,8 | 5,3 | 68,0 |

|----------------------------------------------------------------------------------------|

| H2S | 0,5 | | |

|----------------------------------------------------------------------------------------|

| SiH4  | следы | | |

------------------------------------------------------------------------------------------

Вычисляя по составу число тепловых единиц, развиваемых при сгорании 1 куб. м водяного газа и 4 куб. м генераторного газа:

----------------------------------------------------------------------------------------

| 1 куб. м водяного газа развивает | 2797 тыс. ед.  |

| 4 куб. м генераторного газа развивают | 3600 тыс. ед.  |

|--------------------------------------------------------------------------------------|

| | 6397 тыс. ед.  |

----------------------------------------------------------------------------------------

можно видеть, что при производстве В. газа извлекается только 79% тепловой способности угля, так как 6397/8080 = 79,2%; таким образом около 21% теряется через образование газов, лучеиспускание и пр. Производство В. газа имеет особую выгоду в случаях, как на металлургических заводах, где одновременно с водяным газом утилизируют и генераторный газ. Главное употребление до сих пор водяной газ нашел в технике для выплавки и сваривания металлов. Весьма поучительные результаты в этом отношении получены на заводе в Витковитце. В мартеновской печи с водяным газом в 24 часа выработано было 20000 килогр. стали. Потребление газа равнялось приблизительно 8 куб. метрам в минуту. Воздух в регенераторах имел температуру в 1200-1400 Ц., температура печи равнялась почти температуре плавления платины. Температура газов, выходящих из регенераторов, была еще около 400-500 Ц. На 100 килогр. приготовленной стали пошло 60 куб. метров газа, или 15 килогр. углерода, т. е. 19 килогр. местного угля. В обыкновенной сименс-мартеновской печи на 100 кил. приготовленной стали идет 40 килогр. углерода или 50 килогр. местного каменного угля. Если сравнить количество затрачиваемой теплоты на 100 килогр. выработанной стали при одинаковой производительности обеих печей, то в мартеновской печи с водяным газом 60 x 2880 = 169200 калорий производят то же, что 50х7070 калорий в сименс-мартеновской печи. Кроме того, водяной газ, содержащий большое количество водорода и окиси углерода, обладает прекрасным восстановляющим свойством, как это показали опыты Твайта, произведенные в 1856 г. в Стокгольме, причем оказалось, что восстановляющая сила водяного газа на 52% больше восстановляющей силы окиси углерода. Этой значительной восстановляющей силою водяного газа воспользовался Булль на заводе Кокерилля для получения железа прямо из руды. Применением водяного газа к выплавке железа Буллю удалось получить на единицу горючего материала втрое большее количество металла, чем при обыкновенном способе выплавки. В последнее время в Эссене на заводе Шульца-Кнауда и К° стали применять водяной газ для сваривания фоксовских труб из волнистого железа (Wellblechröhr). Далее, водяной газ нашел применение в фарфоровом производстве для сплавки метадлических смесей, употребляемых для окраски фарфора; в стеклянном и глиняном производствах. В Америке употребляют с успехом также водяной газ для выдувания электрических лампочек накаливания. Для двигателей употребляют с выгодою смесь 0,8 к. м водяного с 2,5 к. м генераторного газа. Также для отапливания помещений можно употреблять водяной газ. На заводе в Эссене при отоплении водяным газом помещений оказалось, что для нагревания 1 куб. м комнатного помещения при разнице температур внутреннего и наружного газа 20° требуется около 1/100 куб. м газа. Понятно, что водяной газ может быть употребляем для газовых кухонь и многих других нагревательных приборов, изобретенных в последнее время с целью применения светильного газа к отоплению и нагреванию. В пламени водяного газа, как уже было замечено, твердое тело накаливается, испуская весьма яркий свет; поэтому сделано было много попыток применения водяного газа к освещению при накаливании в его пламени твердых тел. Первоначально для этой цели в пламя водяного газа вводили платиновые корзинки, но опыт показал неудобство этого способа, так как платиновые проволоки покрывались на поверхности кристаллическим налетом и становились в скором времени хрупкими. Более удачное предложение в этом отношении сделано было инженером Фанельмом в Стокгольме в 1883 г. Именно, он в пламя водяного газа, вытекающего из обыкновенной разрезной горелки, вводит огнеупорное тело, состоящее из ряда иголок (фиг. 3). Фиг. 3. Гребень Фенельма, а — желоб из жести, наполненной глиной, в которой укрепляются иголки n.

Эти иголки цилиндрической формы и состоят из каолина, кварца или их смесей. Наиболее выгодным материалом оказалась магнезия как по причине ее дешевизны и белизны испускаемого света, так вследствие ее незначительной чувствительности к переменам температуры и незначительной гигроскопичности. Для этой цели употребляют осажденную углекислую магнезию или мелко истолченный магнезит. Первоначально из порошка огнеупорного материала и какого-нибудь связывающего органического вещества (крахмал, гумми) приготовляют тесто, которое прессуют в особо устроенном прессе в тонкие цилиндрические полоски, которые потом разрезают на соответствующие куски и высушивают. Полученные таким образом иголки устанавливают в металлической пластинке, так что вводимое в пламя тело имеет вид гребня. Отдельный иголки могут быть вынуты из штатива и заменены новыми. Свет, испускаемый этим твердым телом, накаленным в пламени водяного газа, отличается белизною и производит приятное впечатление на глаз. Фотометрические определения показали, что при накаливании гребня Фанельма в пламени водяного газа при расходе 180 литров газа в час сила света равняется 22-24 нормальным свечам, так что на 11-12 проц. больше, чем каменноугольного газа при том же расходе газа. Единственный недостаток, что сила света спустя 60 часов употребления гребня Фанельма быстро падает до 16 свечей и ниже. Кроме того, самые гребни требуют тщательной установки, защиты от ветра и сотрясения, так что этот способ освещения водяным газом не мог найти большого распространения, ибо его применение должно было ограничиться только комнатным освещением. На заводе в Эссене, где кубический метр водяного газа обходится менее 1 пфеннига, этот способ применен для освещения заводских зданий и жилых помещений.

Гораздо более обширные размеры приняло производство в Америке карбюрированного водяного газа (см. Карбюрирование) для целей освещения. Для карбюрирования газа существуют три различных способа. По способу Тессье дю Мотай водяной газ пропускают через ряд глиняных реторт, в которые одновременно впускаются нефтяные остатки или тяжелое минеральное масло. Второй способ (Löwe) заключается в употреблении так называемого перегревателя, регенератора, выложенного огнеупорным материалом и наполненного камнями. Через этот перегреватель проводят горячие газы из шахты с небольшим количеством воздуха для того, чтобы сделать сгорание более полным, вследствие чего перегреватель накаливается докрасна. Образовавшийся в шахте водяной газ пропускают через перегреватель, где он приходит в соприкосновение с впрыскиваемым минеральным маслом. Наконец, по третьему способу, в котором нет перегревателя, в шахту одновременно с водяным паром вводят нефть через отверстия, сделанные в стенках шахты на высоте двух третей слоя горючего материала, так что постоянный карбюрированный (или содержащий тяжелые углеводородные пары и газы) водяной газ образуется в самой шахте.

Наиболее употребителен способ Лоу. Приборы для добывания этого карбюрированного В. газа представлены на фиг. 4 и 5. Фиг. 4. Прибор Лоу для добывания карбюрированного водяного газа.

Фиг. 4 изображает первую оригинальную форму аппарата. А есть генератор, камера, сделанная из огнеупорного материала и наполняемая антрацитом или крупным коксом. Воздух, вдуваемый под решетку генератора, приводит в раскаленное состояние горючий материал. Образующиеся при этом горючие газы по трубе С достигают основания перегревателя (регенератора) B и сгорают там при доступе воздуха; через это огнеупорные камни, наполняющие перегреватель, приходят в раскаленное состояние. Как только в генераторе горючий материал раскалился до надлежащего состояния, дутье прекращают, выпускной клапан запирают и пропускают водяной пар под колосники генератора. Водяной пар, проходя кверху через слой горючего материала, разлагается и образует не светящий В. газ. Он поглощает пары минерального масла, поступающего в верхнюю часть генератора. Смесь этих газов затем проходит по трубе C в перегреватель B и там, приходя в соприкосновение с раскаленными докрасна камнями, становится постоянным газом. Фиг. 5 представляет усовершенствованное устройство, или двойной перегреватель. Фиг. 5. Усовершенствованное устройство прибора Лоу.

В этом аппарате нет очистителя или сифона с промежуточной стенкой, который, удерживая некоторое время газы под водою, не только промывает их, но извлекает из них часть составных частей, которыми обусловливается световое качество. Но главнейшие усовершенствования заключаются в увеличении поперечника генератора и замене прежней отводящей трубы С полным перегревателем. Каменная выкладка первого перегревателя, или карбюратора (ибо в него вводят карбюрирующие вещества), устроена для употребления тяжелых масел. Четырехугольные огнеупорные камни расположены рядами таким образом, что между ними остаются промежутки начиная от основания карбюратора до вершины его. При употреблении необработанных масел тяжелые нечистоты могут стекать по дну к дверцам, через которые производится очистка. Преимущества аппарата Лоу, кроме выгодного пользования материалом, заключаются в значительной ширине генератора, в возможности употреблять уголь твердый и мягкий, газовый кокс, в накоплении жара (перегреватель), очень сильном прогревании минерального масла; употребляя два перегревателя различных температур возможно пользоваться для карбюризации тяжелыми необработанными маслами или дистиллятами нефти. Кроме того, в перегревателе скопляется много теплоты и углеводороды нефти переходит в газы при умеренном жаре. Вследствие этого из полученного таким образом карбюрированного водяного газа не осаждается ни копоть, ни нафталин, что обыкновенно происходит при сильном перегревании газа. От карбюризации тяжелыми углеводородами процентное отношение окиси углерода в В. газе уменьшается до 36% и еще ниже. Но все-таки это большое количество окиси углерода вредит употреблению В. газа, так как в обыкновенном светильном каменноугольном газе содержание окиси углерода обыкновенно не допускают более 6-9%. Выработаны некоторые правила предосторожности при употреблении водяного газа; именно: постоянное наблюдение при помощи особых приборов (Мушаля) за плотностью газоносных труб, устройство вентиляции и выхода продуктов горения наружу, установка кранов, горелок выше человеческого роста и другие. Затем рекомендуется вводить в В. газ сильно пахучие вещества (напр., меркаптан), чтобы малейший прорыв газа был явно слышен и дурной запах пахучих веществ предупреждал о необходимости исправления. Все эти предосторожности возможно исполнять на фабриках и заводах, но не в частных жилых помещениях, где, конечно, с изобретением электрической лампочки накаливания, не дающей никаких продуктов горения, лучеиспускающей только весьма незначительное количество теплоты и не имеющей свободного пламени, следовательно, уменьшающей возможность пожара, всякое газовое освещение жилых помещений становится уже менее желательным. Однако, производство водяного газа в настоящее время в Америке составляет одну из важнейших отраслей газового производства. Из 1100 городов Америки, имеющих газовое освещение, 305 имеют водяной газ с 867 заводами. Наиболее употребительный способ добывания водяного газа (на 312 заводах) основан на принципе генератора с перегревателем. В Германии и во Франции употребляют водяной газ только для технических целей. В Англии на некоторых заводах каменноугольного газа стали приготовлять в виде опыта карбюрированный В. газ для примешивания его к каменноугольному газу с целью обогащения последнего, т. е. для возвышения силы света [В России при дешевизне нефтяных продуктов, потребных для освещения (керосина, нефтяного газа и т. п.), ныне В. газ можно рекомендовать только для таких металлургических заводов, которые могут дешево получать кокс или антрациты. Для этих последних может родиться не только выгода от замены многих реператоров, дающих горючую смесь окиси углерода с азотом одним заводом В. газа, но и от применения этого последнего к освещению завода (карбюрированием). — Д. Менделеев.].

Литература: A. Naumann, "Die Heizungsfrage" (Гиссен, 1881); Quaglio, "Wassergas als Brennstoff der Zukunft" (1680); Blass, "Ueber Wassergas in Essen" ("J. f. Gasbeleuchtung", 1836, S. 221); Lunge, "Zur richtigen Werthschälzung des Wassergases" ("Chemische Industrie" 1887); M. Geitel "Das Wassergas und seine Verwendung in der Technik" (Берлин, 3890); M. Latfont, "Le gaz d'eau" (Пар., 1889); С. Ламанский, "О нефтяном, каменноугольном и водяном газе" (С.-Петербурт, 1887); И. Темников, "Водяной газ" ("Горный журнал", 1891 г., стр. 23).

С. И. Ламанский. Δ.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон

1890—1907