Зарождение технологий газификации

«.. .Истинное есть целое.

Но целое есть только та сущность, которая завершается через своё развитие…»

Г. В.Ф. Гегель

«…История человечества, в основном, — история идей…»

Герберт Уэллс

Археологические раскопки свидетельствуют о том, что ещё пещерные люди (неандер­тальцы) знали древесный уголь — твёрдый продукт неполной газификации древесины. Более 100 тысяч лет назад вымершие предки современного человека собирали на пожарищах или делали специально, засыпая золой тлеющие головни, и, укрываясь в пещерах от непогоды, использовали затем как высококалорийное и практически бездымное топливо, не вызываю­щее угара. Таким образом, технология газификации древесины является, по сути, первой в истории человечества химической технологией, а древесный уголь — соответственно первым продуктом, получаемым с помощью этой технологии. Существует мнение, что овладение технологией получения древесного угля было первым импульсом, создавшим, наряду с по­следующими открытиями, нашу технократическую цивилизацию.

При этом древесный уголь служил не только в качестве топлива, но и был средством культурного развития древнего человека. С помощью древесного угля примерно 40 тысяч лет тому назад были сделаны и одни из первых (а, может быть, и первые) в истории нашей

Примерно тогда же неандертальцы научились при помощи сухой перегонки (пиролиза) превращать берёзовую кору в дёготь, ставший первым клеящим вещест­вом в истории человечества. Берёзовый дёготь служил древним предкам человека для соединения каменных и деревянных частей орудий труда и охоты.

2500-3000 лет до нашей эры в Месо­потамии и Египте жидкое природное топ­ливо — нефть, будущий объект газифика­ции, уже использовали как связующее и водонепроницаемое вещество при соору­жении дамб, причалов, дорог, зданий из кирпича и камня. Нефтяным битумом по­крывали стены зернохранилищ и водохра­нилищ. Нефть добавлялась в состав для бальзамирования в Древнем Египте.

Нефть также заливали в светильники и применяли в качестве лекарства при кож­ных болезнях у людей и домашних животных (в частности, для лечения чесотки у верблюдов).

Цивилизации наскальные рисунки (см. Рис. 2.1).

Зарождение технологий газификации

Рис. 2.1 Рисунок мамонта, сделанный при помощи древесного угля

Древние ремесленники-углежоги также использовали похожие на газификацию техно­логии, сжигая и коксуя твёрдые топлива при недостатке кислорода. Примечателен в этом от­ношении факт из весьма древней истории. Археологи установили, что немногим более 3000 лет назад в Древнем Египте внезапно прекратилась выплавка меди. Связано это было с тем, что к этому времени в окрестностях месторождения меди были полностью вырублены все пальмовые леса, в результате чего исчез получаемый из пальм древесный уголь. Из-за не­хватки топлива плавильные печи гасли одна за другой, и, в конце концов, производство не­обходимого населению металла совсем заглохло, хотя самой меди оставалось ещё достаточ­но (аналогичная ситуация сложилась в XV-XVII веках в Европе; см. ниже). Дерево играло в
те времена столь решающую роль в жизни общества, что в истории остались упоминания о «блуждающих» городах. Например, столица Эфиопии — Аддис-Абеба — несколько раз «пере­езжала» с места на место по мере того, как жители вырубали окрестные леса.

Древнегерманские племена, обитавшие на заболоченных территориях бассейна Эльбы около 1000 лет до н. э., положили начало истории использования природного (болотного) газа, придумав примитивный газопровод. Они сооружали специальные кожаные трубы и таким не­хитрым способом проводили газ к своим жилищам для обогрева, а также готовили на газе еду.

Несколькими веками позднее (в VI-IV веках до н. э.) природное газообразное топливо научились использовать в целях отопления и освещения древние китайцы. К месту сжигания газ доставлялся по бамбуковым трубам. Древние жители Кавказа и Карпат также пользова­лись природным газом для приготовления пищи и обогрева жилищ.

В V веке до н. э. древнегреческий историк, «отец истории» Геродот писал о «вечных огнях» на горе Химера, расположенной в Малой Азии. Источники природных горючих газов были известны также в Азербайджане, Иране, Ираке и Индии. Обилие горящих факелов при­вело к возникновению в этих местах религии т. н. «огнепоклонников» — приверженцев учения зороастризма (маздеизма) и последователей пророка Заратустры (Зороастра).

Академик Ю. И. Боксерман в работе «Газовая промышленность России» датирует на­чало использования природного газа в Евразии в ритуальных целях приблизительно I веком н. э., когда на Апшеронском полуострове, на месте естественного выхода газа на поверхность был построен храм огнепоклонников. Старинный храм огнепоклонников в Сураханах (Ап — шеронский полуостров, Азербайджан) сохранился наших дней в качестве музея (а до 1870-х годов там проходили и «богослужения»). Имеются свидетельства, что в Китае и Месопота­мии также существовали подобные храмы, горючий газ к которым подавался по тростнико­вым трубам и зажигался только при исполнении религиозных обрядов. Выходы горючих га­зов из земли имели место и на территории Европы — в мес­течке Питера Мала (Италия), в Ланкашире (Англия) и др.

Уже в нашу эру (I тысячелетие н. э.) были зафиксиро­ваны первые примеры «народно-хозяйственного» использо­вания газообразного топлива: когда в китайской провинции Сычуань при бурении скважин для добычи соли было от­крыто газовое месторождение Цзылюцзынь, местные жите­ли научились использовать этот газ для выпаривания соли из рассола. Примерно тогда же главными проводниками технологий ГКТ в жизнь стали угольщики-углежоги (англ. «charcoal-burner» или «collier», нем. «kohler»), одни из лю­бимых персонажей народных сказок, сложенных в Европе как минимум тысячу лет назад.

Правда углежогам (см. Рис. 2.2) и смолокурам нужны были твёрдые (древесный уголь и, позднее, каменноуголь­ный кокс) и/или смолообразные (дёготь, каменноугольная смола, пёк и т. п.) продукты термического разложения топ — лив. Горючий газ, неизбежно выделяющийся при этом, яв­лялся лишь побочным продуктом и долгое время никак не использовался. Целью же огнепоклонников было увеличе­ние продолжительности процесса горения (дабы не торо­пясь совершить все необходимые религиозные ритуалы).

Зарождение технологий газификации

Рис. 2.2 Углежоги за работой. Средневековая гравюра

А вот коренные жители Америки оказались более практичными. Они придумали вынимать сердцевину в древесных чурках и ограничивать дос­туп воздуха с одного из торцов. В результате происходила газификация древесины, а выде­ляющийся при этом ГГ свободно горел с другого торца и использовался американскими ин­дейцами для освещения и обогрева жилищ, а также для приготовления пищи. Считается, что в Европу, а затем и в другие части света, этот древний газогенератор, получивший название «ин­дейская свеча», был привезён из Америки Христофором Колумбом. В настоящее время «ин­
дейская свеча», известная также как «деревянный примус», до сих пор используется для приготовления пищи в походных условиях (см. Рис. 2.3).

Так сложилось, что первые, признанные офи­циальной историей, опыты по газификации КТ осу­ществили представительницы прекрасной половины человечества. Парфюмер и химик Таппути, жившая около 1200 лет до н. э., занималась, в частности, пе­регонкой растительных масел. Этот факт дистилля­ции (а по сути — газификации с последующим охла­ждением и конденсацией паров) жидких веществ за­фиксирован на клинописных дощечках, найденных в Месопотамии.

Следующие из попавших в исторические хро — ни-ки свидетельства газификации твёрдых веществ отсылают нас почти на полтора тысячелетия позже.

Опыты по газификации (в то время использо­вались термины «сублимация» и «возгонка») прове­ла Мария Профетисса (известная также, как Мария-еврейка, Мария коптская и Мария Хеб — реа, см. Рис. 2.4).

Эта женщина, жившая в I (по другим данным во II и даже в III) ве­ке н. э., была основательницей алек­сандрийской алхимической школы. Она изобрела ряд химических аппа­ратов, используемых и в наше время, а также описала ряд фундаменталь­ных (как для алхимии, так и, в даль­нейшем, для химии) процессов, в т. ч. и процесс сублимации (переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое). Ма­рия также предложила инструменты, многие из которых и сегодня можно найти в любой химической лаборато­рии, ей же принадлежит честь синте­за ряда веществ, например, соляной кислоты.

Кроме того, она написала книгу «О печах и аппаратах», став первой в истории женщиной, которая сочиняла книги и подпи­сывала их своим именем.

В состав легендарного секретного оружия Византийской империи — «греческого огня» — изобретённого в 673 (по другим данным — в 330) году от Рождества Христова сирийским учё­ным-химиком и инженером-механиком Каллиником, входили, по мнению ряда исследователей, продукты газификации (перегонки) конденсированных топлив (нефти, различных горючих смол и масел, угля, серы и т. п.).

Жившие в те времена византийцы чаще называли «греческий огонь» «морским огнём», т. к. наиболее эффективен он был в борьбе с судами их противников (см. Рис. 2.5).

Зарождение технологий газификации

Рис. 2.3 «Индейская свеча» хорошо известна и современным туристам

Зарождение технологий газификации

Рис. 2.4 Мария-еврейка и её «белая трава на горе» — основа алхимических рецептов получения золота

Так в 717 г. этим огнём был сожжён огромный мусульманский флот, состоящий из 1800 кораблей.

В летописи Нестора, «греческий огонь» упоминается при описании похода 907 года киевского князя Олега на Царьград (Константинополь), когда флот наших предков был прак­тически полностью уничтожен под стенами столицы Византийской империи.

В 941 г. при помощи этого оружия была одержана победа над флотом другого русского князя Игоря, который также подошёл непосредственно к крепостным стенам Константино­поля.

В статье «Греческий огонь без селитры», опубликованной в журнале «Химия и жизнь» № 2 за 2010 г., М. Ю. Тарасов довольно убедительно изложил свою версию состава этой го­рючей смеси и способа её метания. Он предположил, что главным компонентом «греческого

Огня» была сырая нефть. А для создания силы, выбрасываю­щей нефть из огнемётного уст­ройства, называемого «сифо­ном», византийцам достаточно было просто вовремя поджечь легкогорючий нефтяной газ, об­разующийся при нагревании и газификации самой нефти (см. Рис. 2.6), а не использовать меха или другие внешние механизмы, повышающие давление внутри сифона.

При этом выбрасываемую из сифона горючую смесь не обязательно специально под­жигать — с этим могли справиться раскалённые газы, прорывающиеся вместе с нефтью из жерла сифона. Не исключено, что при воспламе­нении распыленной нефти мог происходить и объёмный взрыв, повергавший противника в ужас. По некоторым данным, помимо византий­цев «греческий огонь» позднее стали применять арабы в битвах с крестоносцами, русичи в войне

С Волжско — Камской Бул- гарией и тур­ками-османами при осаде и взятии в 1453 г. всё того же Константино­поля.

В IX веке газификацией жидких веществ с целью по­лучения парфюмерных продуктов и лекарств занимался арабский философ, математик и химик Аль-Кинди (в Евро­пе был известен под именем Alkindus). Он также обосновал технологию получения чистого спирта перегонкой вина и создал перегонный куб «алембик» (см. Рис. 2.7), который в виде самогонного аппарата хорошо знаком жителям мно­гих стран, включая россиян.

Зарождение технологий газификации

Рис. 2.5 «Греческий огонь» в действии. Средневековая миниатюра

Зарождение технологий газификации

Зарождение технологий газификации

Рис. 2.7 Перегонный куб «алембик» Аль-Кинди — газогенератор жидкостей

К XII веку относятся первые письменные свидетель­ства продажи-покупки дёгтя (жидкого продукта пиролиза древесины, прежде всего, берёзы). Хотя есть мнение, что древние греки и скандинавы получали и использовали (главным образом, для просмаливания судов и как лечебное средство) дёготь ещё в III тысячелетии до нашей эры.

В 1273 г. в Англии, во времена правления короля Эдуарда IV, был принят первый зако­нодательный акт в истории охраны воздушной среды. Этот закон запрещал использование каменного угля в Лондоне для отопления.

Нарушителю королевской воли полагалась смертная казнь. Спустя шесть веков, во вто­рой половине XIX столетия, проблема загрязнения воздушного бассейна проявится в том же Лондоне и других крупных годах Европы и США с гораздо большей силой. Надо признать, что и производство искусственных горючих газов сыграло в этом деле не последнюю роль. Но можно взглянуть на ситуацию по-другому и сказать «спасибо» светильному газу за то, что он «высветил» насущную проблему газоочистки (см. Гл. 3).

К оборудованию газификации твёрдых, в данном случае взрывчатых веществ, можно отнести и все виды огнестрельного оружия, первые образцы которого появились в Европе в XIV веке (древние египтяне, индусы и китайцы, возможно, изготавливали и использовали его ещё во II тысячелетии до нашей эры). Правда, в этом случае, как и, скорее всего, с Тап — пути и Марией Профетиссой, либо исходное сырьё, либо получаемые газы, либо то и другое (например, при газификации воды с получением водяного пара) не являются горючими. И потому в данной книге эти случаи газификации предметно не рассматриваются.

Определенных успехов в постижении тайны получения «голубого огня» и его «приру­чении» добились средневековые алхимики, которые в ходе своих поисков философского камня не раз совершали весьма важные для науки открытия.

В XV-XVII веках в Европе наблюдался резкий рост населения, повлекший за собой бы­строе истощение традиционного энергоносителя — древесины. Предприятия горной промыш­ленности оказались на грани остановки из-за отсутствия топлива для железоплавильных пе­чей (древнеегипетская история грозила повториться; см. выше). Сложившийся топливный кризис стал мощным толчком для поиска новых видов топлив. В результате вместо древеси­ны широко стали применяться горючие ископаемые (каустобиолиты), прежде всего, камен­ный уголь.

К XVI столетию относится начало применения технологии неполной газификации (пи­ролиза) в промышленных масштабах. В это время шведские корабелы освоили пропитку древесины дубильными смолами, получаемыми в результате пиролиза древесины, главным образом сосны. Происходило это следующим образом. В медный чан закладывались поленья хвойных пород древесины, чан герметично закрывался, чем достигалось отсутствие доступа воздуха внутрь. Чан на открытом пламени разогревали до температуры 400-500 0С, на дне скапливались маслянистые смолы, которые периодически сливались через специальное от­верстие.

Примерно в это же время, в связи с развитием металлургии получил новое развитие и другой промысел, основанный на технологии пиролиза древесины, — углежжение. При на­гревании древесины без доступа воздуха получался древесный уголь. Его использовали в ка­честве топлива и восстановителя при выплавке чугуна и стали.

В 1589 г. англичане Проктер и Петерсон первыми получили кокс из каменного угля.

В 1596 г. впервые были переработаны горючие сланцы (из них стали получать ихтиол). Произошло это в местечке Зеефильд, располагающемся на территории современной Авст­рии.

В XVII веке работниками английских угольных копей было отмечено, что поднимаю­щийся из трещин угольных пластов газ горюч и даёт при горении светящееся пламя.

В 1649 г. немецкий химик Иоганн Глаубер получил в результате перегонки каменно­угольной смолы (жидкого продукта пиролиза угля) жидкое вещество, получившее позднее, в XIX веке, имя «бензол» и химическую формулу С6Н6 (см. Гл. 3).

В 1667 г. английский учёный Томас Ширлей в своей работе «Philosophical Transactions» Попытался объяснить способность газа светить при горении, а продолживший его исследова­ния профессор химии Иоганн Бехер из Мюнхена в 1680 г. получил светящийся газ посредст­вом перегонки торфа и каменного угля и назвал его «философским светом».

Технологиями получения Искусственных горючих газов (к которым относится и ГГ) как главных целевых продуктов человечество окончательно овладело в конце XVII — начале

XVIII века, когда в Англии в результате нагрева угля без доступа кислорода получили газ, способный гореть на воздухе (хотя существует предание, что ещё в XIII веке некий парижа­нин по имени Езекииль получал подобным образом горючий газ и использовал его для осве­щения и обогрева собственного жилища, а также историческое свидетельство о получении в 1609 г. горючего газа из древесного угля Джоном Ван Хельмонтом из Брюсселя).

В 1690-е годы химик Джон Клейтон открыл и впервые научно описал процесс получе­ния горючего газа путём сухой перегонки древесины. Однако Клейтон не смог найти этому газу практическое применение и использовал его лишь для забавы своих гостей.

В 1694 г. в Англии был выдан первый патент на термическую переработку горючих сланцев.

В 1709 г. Абрагам Дерби (Англия) впервые выплавил железо с помощью каменно­угольного кокса, вместо применявшегося с незапамятных времен древесного угля.

В начале XVIII века студенты университета бельгийского города Леувене, посещавшие лекции профессора Йоханна Петруса Минкелерса (1748­1824 гг.; см. Рис. 2.8), писали по вечерам свои кон­спекты при свете созданного их преподавателям фо­наря, работающего на искусственном газе.

Работавшие в первой половине XVIII века учё­ные Галль, Уотсон, Клайтон проводили опыты по получению каменноугольного газа, причем Клайтон В 1739 г. даже разработал способ транспортировки небольших его порций на малые расстояния.

В 1740-х годах жители немецкого города Вюрцбурга вечерами собирались под окнами про­фессора Пиккеля, чтобы полюбоваться на необычный свет, струившийся из окон его кабинета. Свет этот давало при сгорании горючий газ искусственного происхождения.

В середине XVIII века Британия вступила в пе­риод промышленной революции, эпоху перехода к индустриальному обществу. Уголь обеспечил произ­водство энергоресурсами, а демографический взрыв — рабочей силой.

Увеличение числа фабрик и заводов, систематическая работа в вечерние и ночные сме­ны, быстрый рост торговли и городов вызвали потребность и в новых источниках освещения. Свет от традиционных масляных ламп и свечей в цехах оказался недостаточным.

В 1766 г. Генри Кавендиш, британский физик и химик, член Лондонского королевского общества открывает водород, который образует с воздухом (кислородом) взрывоопасные смеси. Позднее он изобрёл «эвдиометр» — прибор для анализа газовых смесей, содержащих горючие компоненты.

В 1773 году британский аристократ Арчибальд Кокрейн пытался наладить переработку каменного угля в смолу, пригодную для ремонта поврежденных судов. Во время опытов он поджигал образовавшиеся при этом газы. Дело происходило в одной из башен аббатства Карлос, расположенного на берегу залива Ферт-оф-форт, и полученный свет оказался на­столько ярким, что его было видно за несколько километров (несколькими десятилетий спустя этот эффект будет использован в маяках; см. Гл. 3 и Гл. 9). Таким образом, Кокрейн Может считаться одним из многочисленных претендентов на лавры изобретателя газового освещения.

Зарождение технологий газификации

Рис. 2.8 Й. П. Минкелерс увековечен в родном голландском городе Маастрихт с газовым светильником в руках

В 1773-1774 гг. французский химик Антуан Лавуазье (см. Рис. 2.9), основоположник современной химии, провёл удачные опыты по термическому разложению водяного пара с целью получения кислорода и водорода. Лавуазье, кстати, и ввёл в обращение эти термины. До этого воздух в течение многих тысячелетий считался единым и неделимым элементом. И только в 1760-1770 годы самые «продвинутые» химики, в т. ч. и сам Лавуазье, кислород ста­
ли называть «горючим («огненным», «жизненным», «дефлогистированным») воздухом», а азот и углекислый газ — «негорючим («безжизненным») воздухом».

В течение этих же двух лет (1773 — 1774 гг.) швед­ский химик Карл-Вильгельм Шееле и британский естест­воиспытатель Джозеф Пристли независимо друг от друга и от Лавуазье получают кислород. Занимался Пристли, Так же как и Лавуазье и многие другие известные учёные того времени, в частности, Ван-Гельмонт и Гей-Люсак, и проблемой получения из конденсированных топлив горю­чих газов.

В 1776 г. французский врач Ж. де Лассон в ходе опытов по нагреванию древесного угля с монооксидом (окисью) цинка получил монооксид углерода (угарный газ) СО — один из основных компонентов большинства искусственных горючих газов.

1777 год многие исследователи техники считают го­дом, когда был сделан первый шаг к созданию двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Тогда были проведены опы­ты по подрыву с помощью электрической искры смеси воздуха с горючим каменноугольным газом в капсуле. Провёл эти опыты Алессандро Вольта — итальянский ес­тествоиспытатель, физик, химик и физиолог, наиболее прославившийся, как один из основоположников учения об электричестве.

Кроме электричества его интересовали и горючие газы (как природные, в частности, ему принадлежит открытие в 1776 г. и изучение свойств «болотного газа» — метана, так и ис­кусственные). Вольта также конструировал газовые горелки и пистолеты, изобрёл водород­ную лампу и эвдиометр (прибор для определения количества кислорода в воздухе).

В 1781 г. А. Лавуазье создал первый лабораторный газгольдер для хранения газов.

В 1782 г. итальянский профессор Феличе Фонтана впервые исследовал процесс разло­жения водяного пара над раскалённым углём и обнаружил образование горючего газа (смеси водорода и монооксида углерода), названного позднее «водяным газом».

В 1783 г. голландский физик Гюнгенс соорудил машину, в которой поршень поднимал­ся кверху под воздействием продуктов газификации порохового заряда.

Зарождение технологий газификации

Рис. 2.9 Антуан Лавуазье (1743-1794 гг.)

В 1788 г. Роберту Гарднеру был выдан первый патент на способ газификации угля.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв