Що таке "Водяний газ"? Як правильно пишеться це слово. Поняття та трактування.
Водяний газ (Watergas, Wassergas) - горюча газова суміш, одержувана при розкладанні водяної пари розпеченим вугіллям і має наступний, в граничній мірі чистоти, склад: за обсягом 50 відсотків водню і 50 відсотків окису вуглецю або за вагою 6 відсотків водню і 94 відсотки окису. Зазвичай водяний газ немає цього складу; він містить, крім названих складових частин, деяку домішку вугільної кислоти, азоту та болотного газу. Ми побачимо нижче, що склад водяного газу змінюється як за способом добування, так і по паливному матеріалу, що використовується для добування газу. Факт отримання пального газу через розкладання водяної пари розпеченим вугіллям відкритий був італійським ученим, професором Феліцієм Фонтаном, який жив у 1730-1805 р. Незважаючи на давність цього відкриття, Ст газ тільки в останні 15-20 років, і то переважно в Америці, отримав велике поширення як освітлення, так технічних цілей. Перш ніж описати різні способи та апарати, що вживаються для добування Ст газу, розглянемо спершу його фізичні та хімічні властивості, завдяки яким він справедливо заперечує свою перевагу перед іншого роду газоподібними паливами, як-то: кам'яновугільним та генераторним газами. Водяна пара при проходженні через розпечене вугілля розкладається, при чому утворюється водень, окис вуглецю та вугільна кислота. Кількість останньої залежить від температури, коли відбувається розкладання. При 500 ° відбувається повне розкладання на водень і вуглекислоту, а при 1000-1200 ° на водень і окис вуглецю, так що процес утворення Ст газу слід собі уявити таким чином, що спочатку відбувається утворення водню і вугільної кислоти, яка потім при досить високій температурі в дотику з вугіллям переходить цілком у окис вуглецю [СО2 + С = 2СО, а спочатку: С + 2Н2О = 2Н2 + СО2, отже в сумі: С + Н2О = H2 + СО]. Хоча в газовій суміші, що становить Ст газ, знаходиться невелика кількість вугільної кислоти і азоту, але відмінні якості Ст газу обумовлюються двома головними складовими його частинами: воднем і окисом вуглецю. Тому при визначенні нагрівальної здатності Ст газу і кількості одиниць тепла (калорій), що розвиваються, потрібно мати на увазі кількості тепла, що розвивається при згорянні водню у воду і окису вуглецю у вугільну кислоту. Єдина витрата теплоти, що відбувається при освіті Ст газу, - це на перетворення води в пароподібний стан, на що, за Науманом, витрачається близько 8%, так що 92% теплової здатності спожитого для добування водяного газу вуглецю міститься в Ст. газі. На підставі цього вважають, що при газі В. найвигіднішим способом утилізується теплова здатність вуглецю. Цю думку заперечує переважно Лунге, який говорить, що В. газ потрібно порівнювати не зі згорянням вугілля в печі, а з генераторним газом, який перед його вживанням не охолоджений, як приймає Науманн, до температури навколишнього повітря, а який безпосередньо з генератора надходить у те місце, де він має бути спалений. За таких умов генераторний газ, на думку Лунге, представляє більш вигідну утилізацію теплової здатності вуглецю, ніж В. газ [Термохімічні дані, що відносяться до В. газу, та порівняння його з іншими видами газоподібного та твердого палива, будуть наведені у статтях: , Паливо, Термохімія та Калориметрія. - ?.]. Порівняння Ст газу з іншими за температурами горіння показує, що більш високу температуру горіння дає Ст газ. Температура горіння буде: для світильного газу – 2700°; для генераторного газу – 9350°; для водяного газу – 2859°; для водню – 2669°; для окису вуглецю – 3041°. Лунге справедливо зауважує, що при цьому робиться припущення, яке на практиці не має місця, що генераторний газ і повітря, в якому він згоряє, мають звичайну температуру, тим часом як практично температура генераторного газу і повітря зазвичай буває 800-1100°. Тим не менш, тепловий ефект, який справляє В. газ, набагато значніший, ніж навіть нагрітого до такої високої температури генераторного газу [тим більше, що в регенеративних топках повітря, необхідне для горіння газоподібних видів палива, нагрівається на рахунок тепла, що втрачається з топки , Водяний газ дає вихідним продуктам горіння вищу температуру. - ?.]. Полум'я Ст газу незначно, але в ньому плавиться платинова дріт, розжарюється сильно магнезіальне тіло, випромінюючи яскраве біле світло, чого не можна досягти ні світильним кам'яновугільним газом, спалюючи його в бунзенівському пальнику, ні генераторним газом. Полум'я Ст газу порівняно з полум'ям світильного газу має незначну поверхню, яка майже в 6 разів менше поверхні полум'я світильного газу при рівних обсягах витікаючих газів. Внаслідок меншої поверхні полум'я Ст газу воно охолоджується через променевипускання дуже незначно. Ці властивості Ст газу і роблять його вигідним і зручним джерелом теплоти, яким техніка, як побачимо нижче, останнім часом скористалася у великих розмірах. Але, з іншого боку, завдяки своєму хімічному складу, тобто. е. великому вмісту окису вуглецю, Ст газ зустрічає багато труднощів для більш широкого поширення та застосування; хоча техніка і виробила вже відомі правила обережності при вживанні Ст газу на фабриках і в майстернях, проте побоювання отруїтися Ст газом ще дуже великі. Відомо, що окис вуглецю - отруйний газ, що виробляє псування крові і напади чаду.
ВОДЯНИЙ ГАЗ, коксовий газ - газ, що виходить з коксу пропусканням через нього перегрітої водяної пари при температурі вище 1000° і що складається приблизно з рівних обсягів СО і Н 2 з домішкою невеликих кількостей 2 , Н 2 О, СН 4 і N 2 .
Теорія. При пропущенні водяної пари над розпеченим вугіллям (коксом) останній окислюється з допомогою кисню води. Залежно від окиснення може протікати по одному з наступних рівнянь. При низьких температурах (500-600 °):
При високих температурах (1000° та вище):
Рівняння (1) та (2) дають:
Останнє рівняння показує, що з підвищенням температури реакція протікає все більше і більше у напрямі правої частини, але продукт реакції буде складатися з суміші всіх чотирьох газів. Їх співвідношення визначається рівнянням:
де р - парціальний тиск відповідного газу суміші, а До- Постійна рівноваги. Рівняння (4) називається рівнянням рівноваги водяного газу. Доне залежить від тиску, але сильно зростає із підвищенням температури. Ган експериментально визначив Додля низки температур:
За теорією, при температурі близько 2800° Додосягає найвищого значення - 6,25; але внаслідок високої ендотермічності цієї реакції температура в генераторі швидко падає, що тягне за собою збільшення вмісту 2, падіння вмісту СО і Н 2 і зниження калорійності газу. Уникнути падіння температури в генераторі можна було б при перегріванні водяної пари до 2200°, що технічно неможливо. Тому температуру у генераторі відновлюють за допомогою гарячого дуття. Для цього припиняють впуск пари та одночасно починають продувати повітря, що утворює з коксом генераторний газ.
Історія. Дія водяної пари на розпечене вугілля відкрило Феліче Фонтану (1780 рік). Карбюрований нафталіном водяний газ для освітлювальних цілей вперше застосував Донован у Дубліні (1830). Жиляр у 1849 р. застосував продування генератора повітрям відновлення температури. Керкгем (1852 р.) удосконалив конструкцію генератора і застосував тепло газів для отримання пари. Близько 1855 водяний газ вперше застосували для міського освітлення у Франції (Нарбонна), близько 1860 - в Німеччині, близько 1870 - в Англії та США. У 1898 р. Дельвік та Флейшер збільшили силу повітряного дуття та зменшили висоту шару палива, чим скоротили тривалість гарячого дуття. У 900-х роках почалися досліди щодо застосування рухомих колосників для запобігання спіканню нижнього шару шихти генератора. Штрахе (1906) запропонував спосіб отримання т.з. подвійного водяного газу, що дозволяє замість коксу застосовувати вугілля. Дельвік-Флейшер (1912 р.) сконструювало генератор для потрійного водяного газу, що дає можливість отримувати з застосовуваного вугілля також і первинний дьоготь. В даний час у різних країнах ведуться роботи з автоматизації управління генераторами та збільшення їх потужності.
Класифікація водяного газу. Крім чистого водяного газу розрізняють ще карбюрований водяний газі вже названі подвійний та потрійний водяний газ. Останні виробляються переважно в Німеччині і мають назву вугільноводних газів(Kohlenwassergase). До водяного газу слід віднести також напівводяний газ.
Виробництво водяного газу. Схема пристрою для одержання звичайного водяного газу зображена на фіг. 1.
Генератор 1 складається із залізного кожуха з внутрішньою шамотною обмуровкою. У нижній його частині знаходиться колосникові грати. Нерухомі решітки – плоскі; рухливі будуються у вигляді опуклого догори, похилого конуса, чим найкраще запобігає спіканню шлаків. Дрібні генератори будують зовсім без ґрат, з шамотним подом, а генератори з продуктивністю понад 1000 м 3 газу на годину завжди забезпечуються рухомими ґратами. Над решіткою знаходяться дверцята для спуску шлаку, що герметично закриваються, під нею - такі ж дверцята для вигрібання золи.
У зольнику поміщаються труби 2, що підводять повітря для гарячого дуття і пар для нижнього парового дуття і газ, що відводять верхнього парового дуття. У верхній частині генератора знаходяться: завантажувальний люк, що самоущільнюється, труба 3, що вводить пар верхнього дуття, і відвідні труби для газу нижнього парового дуття. Висота шару коксу в залежності від розмірів генератора коливається від 1,4 до 2,5 м. При металургійному коксі вона буває дещо більшою, ніж при газовому. Завантаження здійснюється через 30-60 хв. Пар виходить або шляхом впорскування води в перегрівачі, викладені особливо стійким матеріалом (термофікс), або, у великих установках, від парового котла, для опалення якого зазвичай використовуються гази гарячого дуття. У великих установках для рівномірності дії пар вводиться одночасно знизу та зверху. Повітря, під тиском 300-600 мм водяного стовпа, вдувається повітродувками по трубопроводу 5. Вони приводяться в дію паровими машинами або електромоторами, що періодично працюють. Тривалість гарячого дуття коливається від 3/4 до 2 хв, а парового - від 4 до 8 хв. При переході від одного дуття до іншого відповідні трубопроводи закриваються засувками. Щоб уникнути помилок управління зміною ходу зосереджується одному механізмі 4, а нових установках відбувається автоматично. Гази гарячого дуття в дрібних установках випускаються через вентиль 8 димар 9, а у великих - з додатковим повітрям допалюються в пароперегрівачах і служать для нагрівання парових котлів, що обслуговують генератор. Механічний винесення накопичується в збірниках для пилу 7 за допомогою спеціальних пилеотделителей 6 або затримується в наповнених коксом колонах, де відбувається і охолодження. Для відділення смоли водяний газ пропускають через гідравліку 10 і трубопроводом 13 він надходить у газгольдер. Для живлення гідравліки водою служить трубопровід 12. Смола з гідравліки збирається в резервуарі 11. Теоретично 1 кг вуглецю та 1,5 кг водяної пари повинні дати 4 м 3 водяного газу (наведеного до 0° та 760 мм ртутного стовпа), тобто. для отримання 1 м 3 водяного газу потрібно 0,25 кг вуглецю та 0,375 кг водяної пари. Практичні виходи водяного газу та витрата пари коливаються в залежності від вмісту вуглецю в коксі та від конструкції установки. Внаслідок втрат вуглецю при гарячому дутті в шлаках і в механічному винесення вихід водяного газу на 1 кг вуглецю, що міститься в коксі, знижується в середньому до 2,2 м 3 і не перевищує 2,8 м 3 . Внаслідок неповного розкладання пари витрата його на 1 м 3 газу коливається від 0,6 до 1,0 кг. Витрата енергії для повітродувок коливається від 10 до 30 Wh, а витрата води для охолодження та промивання - від 5 до 10 л, рахуючи все на 1 м 3 водяного газу. Для характеристики теплового балансу виробництва водяного газу можуть бути результати випробувань, вироблених двома науковими установами (табл. 1).
Про розміри установок дозволяють судити дані заводу Франке Верке (Бремен), наведені у табл. 2.
Для обслуговування одного генератора достатньо одного робітника. Додатковий персонал необхідний розвантаження від шлаків, а великих генераторах і завантаження коксу. Поряд з типами генераторів, що встановилися, йде розробка нових типів з метою автоматизації і більш досконалого використання тепла.
Фіг. 2 зображує автоматичну установку для отримання карбюрованого водяного газу з досить досконалим використанням тепла, виконану в 1926/27 фірмою Гемфриз (Глазго, Лондон) для Societe d'Eclairage, Chauffage et Force Motrice в Женевільєрі.
Генератор А оточений водяною сорочкою, з'єднаною з паровим котлом низького тиску, службовцем для утилізації тепла, випромінюваного генератором. При гарячому дутті повітря надходить у генератор знизу. Гази, що виходять зверху, надходять у верхню частину карбюратора F, де згоряють з додатковим повітрям і нагрівають карбюратор. Надходячи в пароперегрівач G знизу, вони у верхній частині остаточно допалюються з новою порцією додаткового повітря і надходять у робочий котел Н, а звідти, через пилеотделитель J, в димову трубу К. Гази як нижнього, так і верхнього парового дуття надходять у верхню частину карбюратора, змішуються з парами масла, що вводиться туди, і карбюруються. Якщо в карбюрації немає потреби, гази, минаючи карбюратор, також надходять під казан по спеціальній трубі для теплообміну. Спікання шлаків зменшується введенням колосникової решітки Е, що обертається. Продуктивність кожного генератора досягає 80000 м 3 карбюрованого газу на добу; вся установка повинна давати 600 000-800 000 м 3 на добу. Комплект з трьох таких генераторів обслуговується трьома робітниками, що спостерігають, і одним - для прибирання шлаків.
Оскільки необхідність користуватися коксом для отримання водяного газу сильно обмежує поширення газу, то Штрахе запропонував застосовувати вугілля в генераторах особливої конструкції. Генератор Штрахе для отримання подвійного газу (фіг. 3) являє собою з'єднання генератора 1 з подобою коксової реторти 6 в його верхній частині.
Вугілля, що завантажується туди, обігрівається газами гарячого дуття, що відходять, що проходять в кільцевому просторі навколо ретортної частини генератора. Продукти сухої перегонки по трубі 13 йдуть у водяний регулюючий клапан 5 і трубу 14. У разі проникнення туди також і газів гарячого дуття контрольний пальник, з'єднаний з трубою 14, гасне, і тоді необхідно підвищити опір клапана. При гарячому дутті повітря по повітропроводу 8 надходить знизу; гази гарячого дуття надходять через вентиль 2 пароперегрівач 3, де і спалюються з додатковим повітрям, підведеним через канал 12, і йдуть через вентиль 10 в димову трубу 11. При паровому дутті (пар надходить з 4) закривають вентилі 2, 9 і 10 і впорскують у верхню частину пароперегрівача воду. Пара через канал 12 надходить у нижню частину генератора. Водяний газ, що утворився, в суміші з продуктами коксування (подвійний газ ) залишає генератор через трубу 13. Для чищення служить люк 7. Потрійний газ являє собою суміш водяного газу з генераторним і продуктами сухої перегонки застосованого вугілля.
Властивості водяного газу. Теоретично водяний газ повинен представляти суміш рівних обсягів СО та Н 2 . Такий газ (при 0° та 760 мм) має питому вагу (по відношенню до повітря) 0,52; його вища теплотворна здатність на 1 м 3 дорівнює 3070 Cal, нижча – не перевищує 2800 Cal; температура полум'я 2160 °; суміші з повітрям підривають при вмісті водяного газу від 123 до 669%. Практично склад та властивості водяного газу відхиляються від виведених теоретично. Середній склад та властивості різних видів водяного газу характеризуються табл. 3 (за де-Гралем).
Властивості карбюрованого газу залежать від способу та ступеня карбюрації. Газ збагачується метаном (до 15%) та важкими вуглеводнями (до 10%); його теплотворна здатність підвищується до 5000 Саl/м 3 .
Очищення водяного газупровадиться в залежності від його призначення. Газ для освітлення та технічних цілей очищається, як і світильний газ. Так як водяний газ має отруйні властивості, але разом з тим не має ні кольору, ні запаху, то з обережності до нього домішують пари речовин, що сильно пахнуть (меркаптани, карбіламін). Останнім часом, у зв'язку із застосуванням водяного газу для каталітичних цілей, знадобилося ретельне очищення його від присутніх у ньому отруйних домішок, які отруюють каталізатори. З них у водяному газі знаходяться сірководень, сірковуглець та сіроокис вуглецю. Для видалення їх Ф. Фішер пропонує наступний спосіб, що дає разом з тим можливість виділити і утилізувати сірку, що міститься в них. Сірковуглець і сіроокис вуглецю відновлюються каталітично воднем водяного газу за температури 350-400° (залежно від каталізатора). Каталізатори: Сu, Pb, Bi, CuPb, Сг 2 O 3 та ін. При цьому сірка цих сполук кількісно дає сірководень H 2 S та його солі, які окислюються до S наступної реакції:
(Реакція йде в присутності карбонатів або бікарбонатів); K 4 Fe(CN) 6 на нікелевому аноді окислюється до K 3 Fe(CN) 6 з виходом струму 100 %. На 1 кг отриманої S витрачається 3 kWh.
Застосування водяного газу. Найбільше застосування водяний газ знаходить у висвітленні; але через те, що він горить несвітлим полум'ям, його карбюрують: гарячим способом - нафтовими маслами, холодним способом - бензолом , легкими нафтовими тощо погонами - або домішують до світильного газу. Гаряче карбюрування поширене в США., де карбюрований водяний газ становить близько 75% всього світильного газу, що виробляється. Домішування водяного газу до кам'яновугільного світильника поширене в 3ападній Європі, де майже кожен газовий завод має установку для водяного газу. Тут водяний газ становить від 5 до 8% всієї кількості світильного газу, що виробляється. Водяний газ широко поширений у металургійній та скло-порцеляновій промисловості у вигляді високої температури його полум'я та можливості попереднього підігріву. Водяний газ застосовується для отримання водню і, замість водню, у ряді відновлювальних процесів: для свинцювання жерсті (за Мелею і Шанкенбергом), для отримання NО (за Гейсером), для отримання S з SО 2 (за Тельдом, Зульманом і Пікаром). Останнім часом водяний газ став застосовуватись для виготовлення штучного рідкого палива та синтетичного метилового спирту. У зв'язку з цим зводяться потужні генератори (Вінклер) для газування до 1000 т коксу та напівкоксу на добу, причому тут застосовують спосіб прискорення реакції при пульсації порошкоподібного палива під дією дуття повітря та пари.
У 80-х роках. минулого століття водяний газ називали «паливом майбутнього», але потім інтерес до нього послабшав внаслідок низки непереборних труднощів. В останні роки, завдяки можливості при виробництві водяного газу доцільного використання найнижчого сорту (порошкоподібного, високозольного) сировини як палива, так і для хімічних реакцій, до водяного газу знову прокинувся інтерес.
Уникнути спалювання викопних вуглеводнів і отримати дешеве альтернативне джерело енергії – було і залишається мрією багатьох заповзятливих людей. Та й хто з домовласників не хотів би отримати подібне джерело у своє розпорядження, щоб з мінімальними витратами обігрівати своє житло? Одне з таких джерел - так званий газ Брауна, що отримується зі звичайної води. Але як його здобути і наскільки він дешевий – питання, відповіді на які можна знайти в даному матеріалі.
Трохи теорії
Необхідно відзначити, що резонансне розкладання води в газ Брауна - аж ніяк не міф, а реальний хімічний процес, покликаний виділяти газоподібне пальне з води. Цей газ отримав своє ім'я на честь винахідника, який першим спробував вивести цю технологію за межі експериментів. Інша назва, що існує в інтернеті – гримучий газ (гіпотетична формула ННО).
Горючий газ Брауна - це не що інше, як суміш вільного водню та кисню, що виділяється з води шляхом електролітичної реакції.
Вода, чию хімічну формулу (Н2О) знають навіть діти, це водень, який повністю окислений. Окремо ці хімічні елементи дуже активні, водень добре горить і вважається енергоносієм, а кисень підтримує горіння. Ось чому розщепити воду, чия ціна – копійки, на такі корисні складові стало дуже популярною ідеєю.
В результаті працями різних людей на світ з'явився генератор для отримання газу електролізер. Глибоко не вдаючись до тонкощів процесу, відзначимо, що вищезазначений апарат методом електролізу виділяє з води газ Брауна, а точніше, суміш кисню з воднем. Для цього через занурені в ємність з водою електроди пропускається струм оптимальної частоти. Отриманий газ накопичується під водяним затвором і при досягненні певного тиску виходить по трубці назовні і може бути використаний у різних цілях.
Доцільність отримання газу Брауна
Генератори газу Брауна, чий принцип роботи описаний вище, знайшли своє практичне застосування у 2 сферах:
- виробництво водневого палива для автомобілів;
- газополум'яні роботи (зварювання та паяння металів).
Їздити з електролізером на борту автомобіль не може, оскільки йому потрібне зовнішнє джерело електроенергії. Штатної батареї вистачає ненадовго, тому що на отримання газу Брауна необхідно витратити більше енергії, ніж віддає паливо при спалюванні. Тому компанії, які серйозно розробляють тему водневого пального на авто, впровадили схему заправки машин паливом, отриманим з окремого генератора.
Зі зварюванням і паянням металів справа краща, водневі пальники використовуються на багатьох виробництвах Західної Європи. Оскільки температура горіння газу Брауна (2235 °C) нижче, ніж ацетилену (2620 °C), а продуктом спалювання є водяна пара, багато заходів щодо екологічної безпеки стали зайвими. Промислові генератори газу, що при цьому використовуються, дуже дорогі, оскільки для підвищення ефективності в них застосовуються каталізатори рідкісних елементів, у тому числі платини.
Менеджери однієї з британських виробничих компаній підрахували, що загальна вартість виділення та використання газу Брауна дорівнює витратам на закупівлю та доставку ацетилену. Тільки спалювання водню безпечніше та екологічніше. Інша річ, що на його одержання витрачається електроенергія, видобута шляхом спалювання тих самих вуглеводнів.
На даний момент опалення газом Брауна вкрай неефективне, тому що енергії на виробництво пального витрачається більше, ніж виходить під час його згоряння. Існуючі електролізери поки що не в змозі забезпечити високий вихід палива за малих витрат. Щоб у цьому переконатися, варто переглянути відео:
На другій хвилині знятого матеріалу чітко видно показання приладів генератора при працюючому водневому пальнику. Напруга - 250 В, сила струму - 14 А, відповідно, споживана потужність апарата становить 250 х 14 = 3500 Вт або 3.5 кВт. А тепер питання: чи зможе такий смолоскип нагріти воду для обігріву кімнати площею хоча б 30 м2? Навіть візуально помітно, що ні. Простий електрокотел потужністю 3.5 кВт легко обігріє приміщення до 40 м2.
Висновок: Горючий газ Брауна в домашніх умовах не може зрівнятися з опаленням із звичайними електричними нагрівачами. Занадто багато витрачається енергії на його виділення з води, а значить, використовувати його для обігріву – недоцільно. Самостійним отриманням водню можна займатися як хобі або як експеримент.
Як отримати водень у домашніх умовах?
На просторах інтернету легко можна знайти креслення та схеми найрізноманітніших саморобних установок, що дозволяють виділяти з води газ Брауна. Якщо відфільтрувати інформаційне сміття, що відноситься до цієї теми, то з'ясується, що вдома ви зможете отримати водень двома шляхами. Перший – це придбати готовий електролізер, які вже є у продажу. Одна біда – ціна їх надто висока, а величина ККД невідома.
Купуючи водневий генератор, треба розуміти, що він не стане вам панацеєю в плані опалення. Ціна обладнання та споживаної електроенергії вийде вище, ніж простий електричний нагрівання води, так що про окупність не йдеться.
Можна як експеримент зробити генератор газу Брауна своїми руками, що дозволяє виділити невелику кількість пального. Використовувати його для обігріву будівлі навряд чи вийде, а от на харчування невеликого пальника для плавлення металу цілком може вистачити. Для початку треба виготовити електролізер, що є ємністю з водою, куди занурені електроди. Чим більша площа поверхні електродів, тим вища продуктивність установки. Підійдуть сталеві пластини довільного розміру, прикріплені до основи діелектрика. Робоча схема апарату показано малюнку:
Електроди опускаються в герметично закриту ємність з водою, куди поліпшення реакції додана звичайна сіль. Через кришку виводиться трубка для газу, що йде в другу посудину, що є водяним затвором, він наповнюється водою на 2/3.
Друга трубка, що виходить із цієї ємності, підключається до пальника. Напругу на електроди краще подавати за допомогою автотрансформатора, контролюючи його величину мультиметром. Як зібрати міні-генератор газу Брауна своїми руками, показано на відео:
Увага! Якщо вам вдалося досягти значної продуктивності установки, пальник до трубки слід підключати через зворотний клапан, щоб уникнути зворотного удару і вибуху.
Висновок
На даний момент не існує недорогого та водночас високоефективного обладнання для отримання газу Брауна з води. Поки що першість в опаленні залишається за вуглеводнями, але технології продовжують удосконалюватися і не виключено, що незабаром водневі генератори будуть гідно конкурувати з традиційними джерелами теплової енергії.
ВОДЯНИЙ ГАЗ У ЯКОСТІ СИЛОВОГО ГАЗУ
Інженер Н.Г. Кузнєцов, "Двигун" № 3, 1911 р.
Водяний газ, що набув широкого поширення в багатьох галузях промисловості, як у залізоробній (зварювання), у скляній (плавлення) та освітлювальній техніці (освітлення міста, опалення, газова кухня), не має досі як силового приводу того успіху, якого від на нього можна було очікувати. На жаль, вина в цьому падає не на водяний газ, а на заводи теплових двигунів, які його відсунули на другий план через деякі досить значні труднощі, пов'язані із застосуванням цього газу. Завдяки цьому вийшло таке положення, що в тих місцях, де є газові заводи для освітлення, не можна з'єднати заводські двигуни з газовою мережею, а їх доводиться живити бензином, оскільки вони не пристосовані для роботи на водяному газі.
Австрійському інженеру K. Reitmaier у кілька років тому вдалося пристосувати газові двигуни існуючих конструкцій для роботи на водяному газі. Але перш ніж пояснити причину колишніх невдач у цьому напрямку і приступити до опису виробленого інженером Рейтмейєром способу, спочатку треба зупинитися на властивостях водяного газу.
Останній утворюється при пропусканні водяної пари через шар розпеченого коксу в генераторі, подібно до того, як у всмоктувальному генераторі через шар розпеченого пального пропускається суміш пари і повітря. В даному випадку проводиться тільки пара, причому відбувається розпад останнього і утворення окису вуглецю.
Суміш водню, що звільнився, і окису вуглецю і утворює водяний газ. Хімічна реакція супроводжується поглинанням тепла, оскільки розкладання пари на кисень і водень для 12 кг коксу потребує приблизно 57 560 калорій. Теплова втрата, отже, виражається в 28970 калоріях, яка відшкодовується періодичною перервою газоутворення (пропускання пари) та свіжою задувкою генератора. На практиці задувка триває дві хвилини, а газовий період – 6 хвилин.
Генератор водяного газу, що відрізняється здатністю накопичувати в стовпі коксу великий запас тепла в період дуття має наступну конструкцію. Кокс лежить в генераторі, як у відкритому ящику, і повітря, що вдметься, проникає в нього з усіх боків, утворюючи майже повне горіння. Це досягається тим, що повітря входить тільки однією частиною в генератор (через трубу), а інша частина його надходить в кожух генератора, розподіляється там в кільцевому каналі і тільки після цього потрапляє через грати в шар коксу, де відбувається згоряння окису вуглецю в вуглекислоту . На ступінь повноти згоряння вказує склад продуктів горіння, що випускаються в період дуття через отвір димаря: СО2 - 17,2%; ЗІ - 5,5.%; O-0,4%; N – інше.
На підставі даних цього аналізу обчислюється кількість накопиченого в генераторі тепла кожні 12 кг коксу. Виходить всього 98 818 калорій.
Так як продукти горіння йдуть з температурою 600°С, вони несуть із собою 21012 калорій.
Залишається в генераторі 98818 - 21012 = 77806 калорій, тим часом як втрата під час газоутворення становить 28 970 калорій на 12 кг вуглецю. Ця втрата, таким чином, покривається з надлишком, що на практиці виявляється у вельми короткому періоді дуття (3/4 - 1 хв.) та довгому періоді газоутворення (близько 7 хв.).
Газ, що виходить з генератора, потребує ще очищення, оскільки крім сірки містить ще золу і кремнезем. Останній відкладається у вигляді тонкого білого порошку на стінках генератора та трубопроводів. Цей кремнезем утворюється від окислення кремневодню, що міститься в золі коксу.
Видалення з газу твердого осаду та сірководню безумовно необхідне. Неповне очищення газу від цих речовин веде до того, що циліндри і поршні швидко втрачають свою герметичність, наслідком є втрата газу в період стиснення, зменшення ступеня наповнення, а тому - зменшення потужності двигуна. Втрата герметичності відбувається, з одного боку, під впливом роз'їдаючої дії на стінки циліндра і поршня сірчаної кислоти, що утворюється від згоряння в циліндрі сірководню, а з іншого боку, порошкоподібний кремнезем, змішуючись з маслом, утворює рід наждака, який стирає стінки циліндрів.
Для видалення сірки та кремнезему потрібно у разі правильно обладнаної газової установки два очищувачі; один наповнений гідратом окису заліза для поглинання сірководню, а інший - деревною тирсою, що вловлює частинки кремнезему. Крім того, до надходження в очищувачі газ промивається у скрубері, де звільняється від золи та охолоджується. З очисників газ прямує до резервуару, а звідти до двигуна. Вміст очисників має оновлюватись через кожні 5-6 тижнів; Крім того необхідно проводити частіше випробування газу на наявність у ньому сірки та кремнезему.
Для цього є наступний прилад. Газ підводиться до нього за допомогою гуттаперчевой трубки і проходить через регулятор, встановлений на прохід 50 літрів газу на годину, йде далі скляною трубкою і згоряє в пальнику, забезпеченої градуйованим циліндром. У скляній трубці є паперова смужка, змочена оцтовокислим свинцем (свинцевим цукром). Якщо в газі є сірководень, то останній забарвлює папірець у коричневий або чорний колір. Наявність кремнезему в газі виявляється за допомогою шматка звичайного листового заліза (чорної жерсті), який тримають над циліндром; Поява на чорній поверхні металу білої плями вказує на присутність кремнекислоти. Зрозуміло, що у разі виявлення зазначених елементів у газі, потрібно заповнити очищувачі свіжими реагентами.
Водяному газу приписується ще той недолік, що має схильність давати передчасні спалахи. При застосуванні електричного запалення цього, звичайно, не буває, але при запаленні трубкою цей недолік проявляється досить регулярно. Пояснюється це високим вмістом водню у водяному газі порівняно з генераторним газом. Усуваються передчасні спалахи укорочуванням трубки розжарювання, або приміщенням лампи ближче до кінця трубки, так як стиснена газова суміш при цьому пізніше доходить до розжареної частини трубки; або ж поміщають лампу ближче до кінця трубки.
Залишається ще вказати тепловий коефіцієнт корисної дії двигуна, що живиться водяним газом, та вартість його експлуатації. Тепловий коефіцієнт корисної дії, як відомо, визначається формулою:
а дійсний коефіцієнт корисної дії виводиться із теплового еквівалента Q = 624 калорії на 1 л. силу, поділеного на дійсну витрату одиниць тепла.
Так як теплопродуктивна здатність газу – 2500 калорій на 1 кб. метр, температура полум'я - 1700°С, а температура газів, що йдуть близько 400°С, то при витраті 900 метрів газу на силу, отримаємо: Тепловий коефіцієнт отриманої дії дорівнює 0,66, дійсний тепловий коефіцієнт корисної дії дорівнює 0,276, а дійсне використання складає 41,9%.
Вартість експлуатації 100-сильної установки, що доставляє 1000 куб. метрів водяного газу на день або 300 000 куб. метрів на рік.
15 вагонів коксу по 250 марок..................3750 марок
3 вагони вугілля для виробництва пари....…….600 марок
1 майстер та помічник..................................…..1800 марок
Очищення газу................................................ ......... 300 марок
Ремонт................................................. ..............……....200 марок
Погашення капіталу та % з нього (7 % з 35000 марок).......2450 марок
РАЗОМ................................................. .............………………9100 марок
Вартість 1 куб. м. газу......9100/300000=3.03 пфен.
Вартість 1 сили-година. 3.03х0.9 = 2.727 пфен.
Міські газові заводи в Німеччині стягують 10 пфенігів за 1 куб. метр водяного газу для промислових цілей Для тих, хто користується покупним газом, вартість 1 сили-година висловиться, отже, величиною 10х0.9 = 9 пфен.
У Шенеберзі багато дрібних і середніх підприємств харчуються водяним газом, що доставляється міською центральною газовою станцією, і дія їх цілком бездоганна.
Двигун, що живиться водяним газом, має, на думку Рейтмейєра, велике майбутнє. Шлях, яким іде розвиток міського благоустрою, приведе в найближчому майбутньому до злиття газової та електричної центральних станцій в одну, двигуни якої харчуватимуться водяним газом і приводити в дію динамомашини. Така станція, виробляючи одночасно газову та електричну енергію для цілей освітлення, опалення та передачі сили, має на своєму боці перевагу дешевизни обладнання та експлуатації.
(Підготовка до друку: інженер Д.А. Боєв, 06-2006)
Газифікація є процес перетворення органічної частини твердого, котрий іноді рідкого палива на газоподібний стан. Головними складовими частинами отриманого генераторного газу є СО, Н2, СН4 та важкі вуглеводні.
Газоподібне паливо в техніці знаходить дуже широке застосування внаслідок ряду переваг.
Для газифікації з отриманням газу високої калорійності можуть бути використані різне малоцінне тверде паливо та його покидьки.
Гази можна спалювати при незначному надлишку повітря з попереднім його підігрівом теплотою продуктів горіння, що відходять; при спалюванні газів розвивається висока температура (1500-1900е), внаслідок чого коефіцієнт корисної дії печі або іншого нагрівального апарату виходить високим н зростає продуктивність печі.
Надається можливим одержувати гази на центральній газогенераторній станції.
При спалюванні газів досягається зручність обслуговування печей, простота конструкції пальників, можливість точного регулювання процесу горіння.
Тверде паливо, перетворене на газоподібний стан, може бути використане як хороше та економічно вигідне пальне для двигунів внутрішнього згоряння.
Але поряд з великими перевагами генераторний газ при застосуванні його як пального має і недоліки, до яких слід віднести додаткові капіталовкладення на встановлення газогенераторів і втрату фізичного тепла генераторного таза при охолодженні його в процесі очищення.
Однак внаслідок вельми великих переваг газоподібного палива всі великі сучасні заводи, що мають багато печей та інших нагрівальних пристроїв, розташованих на великій площі, мають центральні газогенераторні станції.
На уральських металургійних заводах і склоплавильних заводах у багатьох районах СРСР газогенераторні установки працюють на деревному паливі. За останні роки набули великого значення газогенераторні установки на автомобілях та тракторах, що працюють на дерев'яних цурках.
Генераторний газ були повітряні і, мішані і, що й 11 оксигаз.
Одержання повітряного газу досягається продуванням сухого повітря через шар розжареного палива. Змішаний газ отримують продуванням суміші повітря та водяної пари через шар розпеченого палива. Водяний газ можна отримати пропусканням через шар розпеченого палива парів води та повітря при періодичній подачі то водяної пари, то повітря. Отримання окси - газу досягається пропусканням через шар розжареного палива парів води у суміші з киснем.
Повітряний газ.При інтенсивній подачі повітря через шар розпеченого палива виходить повітряний газ. За його обробки розвивається дуже висока температура (1400-1500°). що є вкрай небажаною, оскільки викликає шлакування в газогенераторі, внаслідок чого порушується його нормальний хід.
Змішаний газ.Спосіб газифікації, при якому виходить змішаний генераторний газ, є найбільш прийнятним для промисловості, тому що дозволяє використовувати для розкладання парів води той надлишок тепла, що виходить при освіті повітряного газу. Водяна пара вводиться одночасно з повітряним дуванням.
Співвідношення між кількістю повітря та парою води встановлюється досвідченим шляхом, причому воно має бути таким, щоб генератор надмірно не остигав і не шлакувався. Про вміст вологи, що вводиться з дуванням, судять за температурою пароповітряної суміші, яку зазвичай вимірюють термометром, що показує точку роси повітряної суміші, що подається. Ця температура зазвичай тримається не більше 38-52°.
Водяний газ.У зв'язку з розвитком синтезу аміаку, метанолу, рідкого палива та інших речовин знаходить велике застосування водяний газ. Його використовують у суміші зі світильним або іншим висококалорійним газом та забезпечують їм населення для використання, як пальне.
До складу водяного газу входять в основному СО та Н: при невеликому вмісті СО^, N2 та СН4.
Водяний газ у промисловому масштабі можна отримувати шляхом накопичення тепла в газогенераторі (перший спосіб) або підведенням тепла в газогенератор з газогазової суміші (другий спосіб).
Процес отримання водяного газу за першим способом, тобто за способом накопичення тепла в газогенераторі, полягає в тому, що через розпечений шар коксу або вугілля деревини знизу шахти газогенератора продується повітря; шар палива поступово розігрівається, а газ, що виходить при цьому викидається зазвичай в атмосферу. Як тільки температура в зоні газифікації підвищиться до 1100-1200 °, доступ повітря припиняють і пускають перегріту пару зверху вниз. Водяні пари, проходячи через розпечений шар палива, розкладаються за наведеними нижче реакціями, даючи водяний газ, що спрямовується до споживача.
Процес розкладання водяної пари є процес ендотермічний; тому температура у шахті газогенератора поступово падає. Після зниження температури до певної межі (800°) подачу пари припиняють і шахту знову подають повітря. Зазвичай роботу ведуть так, що протягом 10 хвилин вдувають повітря, потім протягом 5 хвилин - пари води.
Другий спосіб отримання водяного газу, тобто шляхом підведення тепла в газогенератор з газифікує парогазовою сумішшю, є більш новим; він може бути здійснений двояко: або сумішшю кисню з водяною парою, або сумішшю водяної пари з циркуляційним газом, попередньо нагрітої до високої температури.
Другий спосіб отримання водяного газу має перед першим ту перевагу, що при ньому процес ведеться безперервно при постійному режимі роботи газогенератора.
Апарати, в яких газифікується паливо, називають газогенераторами.
Як паливо для газифікації служить кокс, кам'яне вугілля, торф, дрова та ін. Ми розглянемо лише газогенератори, що працюють на деревному паливі.
Паливо надходить у шахту газогенератора зверху і, спускаючись вниз назустріч нагрітому газовому потоку, поступово перетворюється на парогазові продукти.
У низ шахти газогенератора (рис. 44) під колосникові грати, при отриманні змішаного газу, підводять повітря і водяну пару, які, піднімаючись вгору, проходять спочатку через шар шлаку (зона V),за рахунок теплоти якого вони трохи підігріваються, а потім - через шар розпеченого пального, вступаючи в реакцію з його вуглецем. У зоні IV горіння (у кисневій зоні) виходить і С02 і СО; пари води частково реагують із вуглецем.
Утворена в зоні горіння (кисневій зоні) СОг і пари води, що не розклалися, піднімаючись вище і проходячи через шар розпеченого вуглецю палива, відновлюються з утворенням СО і Н2.
Шар палива, в якому відбувається утворення СО та Н2, називається зоною відновлення (зона ІІІ).У складі газового потоку на виході із зони відновлення переважає СО, але не С02.
Обидві зони, киснева та відновлення, зазвичай називаються зонами газифікації.
Вище, безпосередньо над зоною відновлення /// знаходиться зона IIсухий перегонки. У цій зоні відбувається виділення
/-Зона сшкн; //-зона сухої перегонки: ///- зона відновлення:VI-Зона горіння (киснева); V-Зона шлаку-, /-Шахта газогенератора; 2-фартух шахти-, 3-завантажувальний пристрій; -^-Колосникові грати; 5-обертається чаша; 6-рухливі опори чаші; 7-привід чаш-, 8- шлаковий ніж; У-шуровочний отвір; 10-вивідний патрубок; 11 -повітря-.опронод-, 12 -Дутьова камера; 13- Нижній гідравлічний затвор; 14 -люк для розпалювання
Летючої парогазової суміші, до складу якої входять гази, кислоти, спирти, смоли та інші пароподібні органічні речовини, що не конденсуються.
У верху шахти газогенератора, у зоні /, відбувається сушіння палива.
Зона IIсухої перегонки та зона Iсушіння палива звуться зони підготовки палива.
ОСНОВНІ РЕАКЦІЇ ГАЗИФІКАЦІЇ
У кисневій зоні.З питання взаємодії вуглецю з киснем існують три гіпотези.
1. Редукційна гіпотеза передбачає, що в результаті взаємодії вуглецю та кисню утворюється безпосередньо С02 за рівнянням:
TOC o "1-3" h z С - 02 = CO.,; Q, (97)
Причому наявність у вище зонах СО з цієї гіпотези розглядається, як результат відновлення С02 розпеченим вуглецем палива за реакцією:
CO.З = 2СО - Q. (98)
2. Гіпотеза первинної освіти СО передбачає, що до результату взаємодії С і (): утворюється спочатку СО але рівняння:
2С а::СО-Q, (99)
Яка потім може окислюватися за рівнянням:
2С0-0, = 2С02 Q. (100)
3. Гіпотеза комплексу передбачає, що спочатку утворюється складний вуглецево-кисневий комплекс, а потім з нього утворюється С02 та СО за реакціями:
Л-С-^-0, = Cr0v (10!)
CxOv= mCO, л СО. (102)
Найбільш ймовірною нз зазначених злочинів гіпотез в даний час вважається третя гіпотеза.
У зоні відновлення.Вона починається там, де зникають останні сліди кисню. У зоні відновлення мають місце такі ендотермічні реакції:
А) взаємодії С з С02:
З CO., - 2СО; (103)
Б) взаємодії водяної пари з розпеченим вуглецем палива:
З 211Про - CO. 2Н, (104
З 1<> З> Н.. (105)
Можливо, що ці дві останні реакції частково протікають і в кисневій зоні. При температурах вище 900 ° переважає друга з цих двох реакцій, а нижче 900 ° - перша.
Процеси відновлення встигають досить повно пройти, якщо висота відновлювальної зони становить 12-15 діаметрів шматків вугілля.
Таким чином, висота шару палива в газогенераторі є основним конструктивним розміром.
