С ГАЗОМ. БЕЗ ГАЗА
Александр Михайлов
В
20-50-х годах прошлого века вопросу экономии нефтяных топливных ресурсов
придавалось большое значение. В связи с этим промышленные и научные
учреждения взяли курс на создание средств для всемерного использования
альтернативных источников топлива. Наибольший интерес представляло употребление
местных ресурсов дешевого твердого топлива: дров, угля, кокса и т.д.
Подразумевалось, что при этом сократится стоимость эксплуатации двигателей
и будет разгружен железнодорожный, водный, автомобильный и др. транспорт
от излишних перевозок жидкого топлива из районов добычи в потребляющие
районы.
Очевидно, что основными потребителями
выступали тесно связанные по ряду направлений деятельности лесная промышленность,
исправительно-трудовые лагеря, а также местный транспорт, военное ведомство
и ряд других структур.
Поскольку упомянутые выше виды твердого
топлива не могли быть непосредственно использованы в двигателях внутреннего
сгорания, то предварительно требовалось перевести их в пригодное к употреблению
газообразное состояние в газогенераторных установках, или, по иному,
газогенераторах.
Газогенераторы разделялись на стационарные,
судовые (малоразмерные суда с газогенераторами - газоходы), мотовозные,
"для подвижных машин" (например - экскаваторы), автотракторные.
Автотракторные газогенераторы должны
были обладать минимальными габаритами и массой. Переменный режим работы
автотракторного двигателя требовал от генератора гибкой и устойчивой
работы на всех режимах. Противоречивые требования создавали определенные
трудности в разработке автотракторных газогенераторов.
Пионером в создании отечественных
газогенераторных установок традиционно считается работавший в северной
столице профессор В.С. Наумов, который в 1923 г. построил установку
У-1 для газификации древесного угля. В 1928 г. на автомобиле FIAT-15ter
с более совершенной газогенераторной установкой У-2 был совершен пробег
из Ленинграда в Москву и обратно. Общее количество разработанных опытных
и серийных установок очень велико. Широкое использование газогенераторов
для нужд обороны и народного хозяйства прекратилось на рубеже 1950-1960-х
гг. из-за изменения на государственном уровне отношения к рациональному
использованию природных ресурсов. Сейчас транспортные газогенераторные
установки существуют лишь в единичных экземплярах, чудом избежавших
утилизации и практически не годных к эксплуатации.
Превращение твердого топлива в газообразное
основано на сгорании топлива, последующем восстановлении продукта горения
- углекислоты в окись углерода и разложении водяных паров на водород
и кислород в присутствии раскаленного углерода.
Состав газа резко меняется с изменением влажности топлива. Уменьшение
влажности влечет увеличение числа горючих компонентов СО и уменьшает
количество СО2. Увеличение влажности способствует увеличению СО2 и уменьшению
СО.
Окисление топлива требовало введения окислителя; в то время говорили
- "подачи дутья". При подаче воздушного дутья получался "воздушный
газ", а при подаче пароводяного дутья - "водяной газ".
Процесс газификации топлива происходил
в трех зонах: подсушки и коксования; окисления; восстановления.
Расположение этих зон в газогенераторе зависит от способа ведения процесса
газификации.
Способ
газификации, в свою очередь, зависит от состава твердого топлива, который
неодинаков, а потому количество образующейся при газификации смолы,
выход золы и, разумеется, газа, различаются. Это не позволило разработать
универсальный "многотопливный" газогенератор для массового
использования. На автомобилях и тракторах нашли применение газогенераторы
трех основных типов, наиболее оптимальные для конкретного вида топлива
и конструктивно заметно отличающиеся друг от друга. Выделяют следующие
основные способы: прямой, обратный и горизонтальный.
В прямом процессе используются газогенераторы
"с противоточным движением газов", "с восходящим движением
газов" и "прямого процесса". Все три названия означают
одно и то же и равно использовались в книгах и журналах 1930-1940-х
годов.
Дутье подается в газогенератор снизу. Окисление топлива происходит в
нижней части газогенератора. Отбор газа идет из верхней части.
Топливо, заложенное в верхнюю часть
генератора, вначале подсушивается, а затем подвергается сухой перегонке
под влиянием высокой температуры в этой части газогенератора (300…400
°С). В результате из топлива выделяется влага Н2О, метан СН4 и углеводороды
типа СnНn. Так как отбор газа производится из верхней части газогенератора,
то продукты подсушки и сухой перегонки смешиваются с поступающей снизу
основной массой газа и уходят из газогенератора без дальнейших изменений.
Оставшаяся после сухой перегонки
часть твердого топлива, состоящая в основном из углерода, опускаясь
ниже и встречая на своем пути горячий газ (направление движения топлива
и газа "противоточное", отсюда и одно из названий), постепенно
нагревается до температуры 600…650 °С, вследствие чего углерод приобретает
способность вступать в химическое взаимодействие с такими продуктами
горения, как углекислота. Углекислота при соприкосновении с раскаленным
углеродом переходит в окись углерода СО, причем реакция является эндотермической.
Углерод, не вошедший в химическое
соединение с продуктами горения, попадает в нижнюю часть газогенератора,
где и будет сгорать, соединяясь с кислородом воздуха, поступающим в
газогенератор. Последняя реакция сопровождается выделением тепла, благодаря
которому в восстановительной зоне происходит реакция восстановления
углекислоты.
В состав газа будут входить окись
углерода (СО), углекислота (СО2), метан (СН4), этилен (С2Н4), азот (N2),
кислород (О2) и водяные пары (Н2О).
Рассмотрим газогенераторы с прямоточным
движением газа (опрокинутый процесс, обращенный процесс). Для содержащих
смолы топлив (древесные чурки, торф, бурый уголь) применяют газогенераторы
с прямоточным движением газа и топлива. Дутье подается в газогенератор
сверху, а газ отводится снизу. Влага топлива и продукты сухой перегонки
вместе с газами дутья движутся вниз, нагреваясь, окисляясь и разлагаясь.
Опускающееся топливо нагревается горящими продуктами перегонки, и подсушка
происходит благодаря теплу, выделяющемуся при окислении топлива. Влага
целиком попадает в зону газификации. Газ из газогенераторов обращенного
процесса содержит мало углеводородов, повышенное количество водорода
и смолы.
Для газификации топлив, не выделяющих
смол и с малым количеством золы (до 3...4 %), нашли применение газогенераторы
с поперечноточным движением газа в топливе (горизонтальный процесс).
Газогенератор,
работающий по горизонтальному процессу, представляет собой цилиндрический
бункер, нижняя часть которого, образующая камеру газификации, выполняется
из углеродистой листовой стали толщиной 6-8 мм. Воздухопроводящая фурма,
снабженная воздушным или водяным охлаждением, располагается на некотором
расстоянии от днища. Фурма с водяным охлаждением включается в систему
охлаждения двигателя или питается от отдельного бачка емкостью в 20…40
л.
Зона газификации локализована в
центре камеры в пространстве между фурмой и газоотборной решеткой. Топливо,
лежащее на периферии, почти не принимает участия в процессе газификации
и выполняет роль тепловой изоляции.
Рассмотрим автомобильные газогенераторы.
По соображениям экономического характера в качестве базовых для создания
газогенераторных машин использовались коммерческие автомобили, соответствующим
образом дооборудованные.
В зависимости от степени приспособленности для работы на газе автомобили
условно разделяли на специально построенные, переоборудованные для постоянной
работы и приспособленные для временной работы.
Специально построенные в заводских
условиях автомобили отличались доработанным двигателем, измененным передаточным
числом в главной передаче и иной архитектурой кабины и кузова, а также
установкой специальных контрольных приборов и приспособлений.
Автомобили, оборудованные для временной
работы на газе, за исключением не всегда рационального размещения газогенератора,
не очень отличались от обычных.
Автомобили различались также по
типу размещения газогенератора: "рассредоточенно на шасси автомобиля",
в виде блочной конструкции и на специальном прицепе. Все три варианта
имели как свои достоинства, так и недостатки.
Топливом для газогенераторов служили
деревянные чурки или швырок, а также угольные или торфяные брикеты.
Автомобильные бензиновые двигатели
при переводе их на генераторный газ существенно теряли в мощности. Если
учесть, что газогенераторы обладали значительными собственной массой
и габаритами, то становится понятным, почему эксплуатационные параметры
газогенераторных автомобилей по сравнению с их "бензиновыми"
собратьями сильно снижались.
Как
пример могут быть приведены данные по автомобилю М-1Г, переделанному
из обычной легковушки М-1. Из-за установки специального оборудования
масса машины возросла с 1350 до 1600 кг. Мощность же двигателя составила
всего 37 л.с., в то время как у базовой машины мотор развивал 50 л.с.
По данной причине заметно пострадала динамика автомобиля - в ходе проведенного
осенью 1938 г. испытательного пробега средняя скорость автомобиля не
дотягивала до 61 км/ч.
Аналогичной была ситуация с грузовыми
автомобилями. Газогенераторный грузовик ГАЗ-42, построенный на основе
полуторки ГАЗ-АА, имел грузоподъемность 1200 кг. Мощность двигателя
составила 30 л.с. против 40 л.с. у базовой модели. Велик был расход
топлива - одной "заправки" ГАЗ-42 дровами хватало всего на
45-50 км пробега.
Большая часть процессов обслуживания
стационарных газогенераторов была автоматизирована, но из-за жестких
требований к массогабаритным характеристикам автотракторных газогенераторов
на водителя возлагались еще и обязанности кочегара.
Поскольку влажность топлива более 20 % сильно понижала температуру горения
в зоне окисления, то чурки или швырок требовалось предварительно просушить
в специальных сушилках.
Как можно видеть, немногие достоинства
газогенераторных автомобилей с лихвой "компенсировались" их
многочисленными недостатками.
Вместе с тем, учитывая перспективу
сокращения (по мнению оптимистов) или прекращения (по мнению пессимистов)
использования производных нефти в качестве топлива, газогенераторные
установки вновь могут вернуться.