Искусственные горючие газы и основы газового освещения

В наше время, когда электричество своей яркостью затмило все другие источники света, кроме Солнца, трудно представить, что еще чуть более двухсот лет тому назад наши предки использовали для освещения жилья лучины, светильники с животными жирами и растительными маслами, сальные, восковые и стеариновые свечи, сырую нефть и даже лунный свет. Керосин и керосиновое освещение появились лишь во второй половине XIX в.

Зарождавшееся газовое дело в Европе, России и Америке было основано не на природном, а на искусственном, т. н. светильном газе (искусственные газы), который получали сухой перегонкой (термическим разложением) древесины или каменного угля. Применение такого каменноугольного газа (который позже стали называть коммунальным) для освещения кардинально изменило образ жизни людей в начале XIX в. Длительность рабочего дня на фабриках значительно увеличилась; богатые семьи у себя дома по вечерам получили возможность читать книги и газеты, не пользуясь небезопасными и дорогими свечами.

Первые опыты с газовым освещением проводил еще в 1739 г. английский врач Д. Клейтон, а затем — в 1786 г. — французский инженер и химик Филипп Лебон де Гамберсэн (1767–1804), получавший светильный газ при сухой перегонке древесины. Тем не менее принято считать, что каменноугольный светильный газ был открыт в 1798 г. одновременно и независимо друг от друга Филиппом Лебоном в Париже и Уильямом Мёрдоком в Англии, хотя существует предание, что еще в XIII в. в Париже некий Езекииль добывал газ для домашнего освещения. Однако известно, что в 1791 г. Уильям Мёрдок (1754–1839) изобрел головные фары для паровой повозки, топливом для которых служил угольный газ, подаваемый из емкости по трубкам к фонарям. В 1792 г. Джеймс Уатт и У. Мёрдок приспособили головные газовые фары паровой повозки для освещения дома в Редруте (Корнуолл), а в 1795 г. установили газовое освещение на заводе Олд Кумнок в Эршире (Шотландия). В 1798 г. система освещения Мёрдока с использованием угольного газа была установлена на заводах «Бултон энд Уатт Сохо» в Бирмингеме. Первое общество газового освещения было образовано в 1804 г.

Здесь же следует упомянуть российского инженера Петра Григорьевича Соболевского (1782–1841), который около 1811 г. сконструировал установку для газификации дров термоламп с целью получения светильного газа и осветил этим газом свой дом на Литейной улице в Санкт-Петербурге и столичный Монетный двор. В январе 1812 г. П. Г. Соболевского наградили орденом Св. Владимира IV степени «За попечение и труды, с коими произвел в действие устроение термолампа, доселе в России не существовавшего». Царь Александр I утвердил проект освещения новым способом Адмиралтейского бульвара, и Соболевскому пообещали возместить затраты на изобретение, но началась Отечественная война, и проект остался невыполненным.

Схема термолампы Соболевского

1 – печь; 2 – поддувало, или зольник; 3 – зольная решетка; 4 – печные дверцы; 5 – чугунный цилиндр, который наполняется дровами; 6 – отверстие цилиндра, через которое загружаются дрова и выгружается уголь (во время работы термолампа отверстие плотно закрыто); 7 – пространство около цилиндра, через которое проходит пламя; 8 – дымовая труба; 9 – задвижка в трубе; 10 – конец цилиндра, сообщенный с обычным холодильником, применяемым на винокуренных заводах; 11 – холодильник; 12 – приемный сосуд для кислоты и дегтя; 13 – сосуд, наполовину наполненный водой; 14 – медная труба, пропускающая газ через воду из сосуда 12 в сосуд 13; 15 – кожаная трубка с краном, пропускающая очищенный газ в хранилище; 16 – хранилище из листового железа, где собирается очищенный газ; 17 – кожаная трубка, по которой газ пропускается к лампам; 18 – линия, указывающая, до какой высоты может подняться хранилище с очищенным газом; 19 – отводная трубка для излишнего газа

Название свое светильный газ получил вследствие того, что сначала применялся исключительно для целей освещения. В США в 1817 г. Рембрандтом Пиле было организовано первое газораспределительное предприятие «Гэс Лайт Компании оф Балтимор» в Мэриленде.

В 1818 г. Франц Динненфельд в Германии устроил на своем предприятии в Эссене освещение с использованием угольного газа. В 1819 г. при покровительстве французского короля Людовика XVIII в Париже, на улице Тур де Овернь 26, был построен газовый завод, а в 1820 г. впервые каменноугольный газ был применeн для уличного освещения Парижа. Дело быстро стало на твердую почву и выросло в большую промышленность.

Газ стали применять для освещения улиц, зданий и в обогревательных приборах (газовые плиты, ванны, печи и др.).

В 1815 г. англичанином Джоном Тайлором была взята привилегия на освещение масляным газом, для добывания которого он употреблял животные и растительные масла. Таким газом освещались некоторое время города Ливерпуль и Гуль. Однако лишь в 70-х гг. XIX в. освещение масляным газом получило большое распространение в Европе, когда этот газ стали готовить из минеральных масел, нефти и нефтяных остатков.

В нескольких источниках, в том числе в Большой советской энциклопедии, упоминается имя ещe одного русского самородка — Ивана Ивановича Овцына, работавшего в первой четверти XIX в., который задумал открыть «секрет устроения термолампа». И. И. Овцын «удалился для испытания своих предположений и усовершенствований в середину Казанских лесов», где открыл «секрет устроения термолампа», но «...никто не верил, чтобы русский простолюдин мог постичь столь важную операцию; никто не смел положиться на слова его и вверить ему капитал». В феврале 1824 г. на берегу Чeрной речки, на Охте, в Петербурге Иван Овцын соорудил оригинальную углеобжигательную печь. В нее загрузили «двадцать кубических сажен семичетвертовых дров... и развели огонь в топках». Половину дров взяли берeзовых, а половину — сосновых. Сухая перегонка дала: 400 кулей угля, 100 пудов дeгтя и смолы, 100 ведер уксуса, 20 ведер «скипидарной эссенции» и очень большое количество газа.

Общество для освещения Санкт-Петербурга газом было учреждено февраля 15-го дня 1835 г. с капиталом в 1,5 млн руб. Начиная с 1835 г., санкт-петербургский газовый завод работал на английском каменном угле и вырабатывал не более 4,5 млн м³ газа в год.

В 1839 г. на улицах города было 200 газовых фонарей. К 1870 г. в городе было уже пять газовых заводов с общей производительностью более 20 млн м³ газа в год.

Московский газовый завод был построен в 1865 г. за нынешним Курским вокзалом на берегу р. Яузы. Начальная производительность завода неизвестна, а вот в 1915 г. выработка газа увеличилась до 117 млн м³ в год. Последний газовый завод в Москве был построен на шоссе Энтузиастов в 1931 г. На заводе «Нефтегаз» высококалорийный нефтяной газ (11 000 ккал / м³) смешивался с водяным генераторным газом с теплопроизводительностью до 4000 ккал/м³ и подавался на освещение и бытовое потребление.

Третьим городом с городским уличным освещением был Харьков, в котором 26 декабря 1871 г. зажглись газовые фонари. Позже в городе было два газовых завода и несколько небольших газовых установок.

24 (12) декабря 1874 г. в Казани был построен один из крупнейших в России газовый завод по производству светильного газа из бакинского нефтяного мазута, принадлежавший статскому советнику С. Д. Башмакову (1831–1877). На заводе было 30 чугунных реторт, отапливавшихся дубовыми дровами.

Наибольшего размаха получение искусственного горючего газа достигло в Северной Америке. В 1868 г. в США насчитывалось 971 газовое общество и в Канаде — 47. Из этих обществ 616 эксплуатировали каменноугольный газ; 312 употребляли другие способы добывания газа, преимущественно добывали водяной газ. Из 118 газовых обществ в Пенсильвании шесть эксплуатировали природный газ нефтяных месторождений, из них одно общество (Bradford Gaslight et Heating С°) показывало годовой расход газа в 34 млн м³. В Англии в 1890–1891 гг. насчитывалось 594 газовых завода; количество проданного газа — 2915 млн м³; число потребителей — 2,3 млн; число уличных фонарей — 460 тыс. штук; длина газоносной сети — 35 150 км. В Берлине ежегодное потребление газа в 1890–1891 гг. достигло 94 млн м³; в Париже — 308 млн м³. В России газовая промышленность не была развита так, как за границей. В 1888 г. в России было более 210 газовых заводов; 30 из них служили для освещения городов, 157 — фабрик и 23 — железнодорожных станций. Число газовых заводов на фабриках и железнодорожных станциях не может служить мерилом развития газовой промышленности страны, так как эти заводы были небольших размеров. В 1888 г. 40 заводов употребляли каменный уголь, 6 — дерево, остальные — нефтяные остатки или нефть. В России, включая Царство Польское и Финляндию, всего 24 города освещались газом. Светильный газ, употреблявшийся для освещения городов, преимущественно каменноугольный, только Казань и Ялта освещались нефтяным газом, Киев — смешанным (дре весно-неф тяным), Вильно и Гельсингфорс — древесным. Из всех городов России Петербург потреблял наибольшее количество газа, хотя его потребление ежегодно уменьшалось: так, в 1886 г. все петербургские газовые заводы продали 21,1 млн м³ газа, а в 1890 г. — только 20,1 млн м³. Количество потреблявшегося в год газа на одного жителя: в Лондоне — 176; в Брюсселе — 111; в Париже — 108; в Берлине — 86; в Вене — 70; в Варшаве — 27,4; в Петербурге — 20,2 м³ газа.

Таким образом, вся газовая промышленность России по своим размерам меньше газовой промышленности одного Берлина. Изучение в последние годы истории получения искусственных газов доказывает, что в России эта промышленность была развита значительно шире, но полного ее учета не велось. О размерах газового производства в Англии в 1908 г. можно судить по тому, что на получение светильного газа было израсходовано 17 млн т угля, т. е. приблизительно то количество угля, которое добывалось в России за год. В Париже в 1908 г. израсходовано 400 млн м³ газа, а в Лондоне в 1907 г. — 1285 млн м³.

В 1926 г. газовое производство на одного городского жителя достигло в Англии 178 м³ газа, в Германии — 51, во Франции — 40, в Голландии — 74, в США > 100, в Австралии — 117 м³.

В Англии в 1927 г. было 782 газовых предприятия, вырабатывавших 8,4 млрд м³ и обслуживавших 8,7 млн человек; газовое производство потребило 18,0 млн т угля (9,5% всего потребления его в стране), 1,0 млн т кокса и 12,7 млн л нефти; длина газопроводной сети достигла 73,7 тыс. км. В США в 1909 г. было 1296 заведений газового производства, в 1925 г. — 919; выработка газа — 4,3 млрд м³ и 10,2 млрд м³ соответственно. Газовые предприятия кроме вырабатывавшегося ими самими газа перепродавали купленный на стороне газ (главным образом коксовый и природный). Всего в 1913 г. ими было продано 5,3 млрд м³ газа, в 1925 г. — 12,9, в 1927 г. — 14,4 млрд м³. В Германии выработка городского газа в 1928 г. достигла 3,5 млрд м³, в газовом производстве израсходовано 4,2 млн т угля. Длина газопроводной сети в 1925 г. составила 20 264 км.

В дореволюционной России газовое производство было ничтожно. В 1906 г. в восьми крупных городах (Петербурге, Москве, Риге, Одессе, Харькове, Ростове-на-Дону, Ревеле и Варшаве) на одного жителя было произведено не более 13,3 м³ газа. В 1915 г. имелось лишь 20 газовых заводов. В 1929 г. функционировал лишь Московский газовый завод, производивший около 24 млн м³ газа.

К началу 1930-х гг. плановые органы СССР обратили внимание на вопросы газового хозяйства и, по данным «Торгово-промышленной газеты», к газификации был намечен ряд городов: Ленинград, Ростов, Саратов, Казань, Самара, Тула, Сталинград, Свердловск, Иваново-Вознесенск, Владивосток, Ново рос сийск, Киев, Одесса, Харьков и Тифлис. По непонятной причине в числе указанных городов отсутствовали Баку и Грозный, располагавшие всеми данными для первоочередной газификации. Разрабатывались проекты газификации Московской области с ожидаемым дебитом коксового газа из Под мос ковного бассейна в 2500 млн м³ в год. Другим источником искусственного газа должны были служить Оршинские торфоразработки с ожидаемым дебитом 3200 млн м³ в год.

Намечались крупнейшие газопроводы:

Однако, как показало время, практически ничего из намеченных планов по использованию искусственных газов выполнено не было. Газификация же Москвы, Московской области и других центральных районов СССР природным газом началась лишь после окончания 11 июля 1946 г. строительства магистрального газопровода Саратов — Москва.

Искусственные горючие газы в зависимости от способа их получения, назначения (применения) и исходного топлива разделяются на: генераторный, доменный, коксовый; светильный, топливный; водяной, каменноугольный, нефтяной (масляный, блаугаз), древесный и другие. Искусственные горючие газы — смесь газообразных продуктов переработки (газификации) топлив в специальных аппаратах. Они состоят главным образом из окиси углерода, водорода, метана и других газообразных углеводородов, а также из негорючих газов (диоксида углерода и азота). Получаются при выплавке металлов (доменный газ), коксовании угля (коксовый газ), нефтепереработке, газификации твердых топлив (генераторный газ). Используются в качестве топлива, а также в химической промышленности.

При сравнении свойств природного нефтяного газа со свойствами искусственных газов выявляется громаднейшее преимущество первого. Теплотворная способность его выше в несколько раз, кроме того, он не ядовит, в отличие от всех газов, имеющих в своем составе СО. Наличие СО в воздухе, которым человек дышит, в количестве 0,2% вызывает смерть через 30 мин, в количестве 0,05% создает слабую степень отравления — головокружение, сердцебиение и одышку. Отравление предопределяется тем, что СО имеет химическое сродство с гемоглобином крови в 150 раз большее, чем кислород, поэтому он поглощается кровью, и гемоглобин уже не способен вбирать кислород, а человек умирает от внутриклеточного голодания, вернее, отравления. Чистота природного нефтяного газа также является значительным преимуществом; в природном газе обычно отсутствуют негорючие составляющие (N, СО₂) или имеется незначительная их примесь. Благодаря его более высокой теплотворной способности для подачи одинакового числа единиц топливной энергии к потреблению необходимо оборудование меньшего размера, чем при искусственном газе.

В Западной Европе обычное давление газа в городских сетях составляло 40...80 мм вод. ст.; в Москве максимальное давление — 50 мм вод. ст.; в США — 75...100 мм вод. ст. Отметим нерациональные приeмы пользования нефтяным газом в Баку, где газ поступал потребителю непосредственно из магистрали под давлением: в Сураханах — 4000...7500 мм вод. ст.; в Балаханах — 600...1500 мм и в Заводском районе, где газ подается из газгольдеров, давление достигало 100...150 мм вод. ст. Почти все крупные газопроводы низкого давления европейских, американских и российских (советских) городов были оборудованы из чугунных труб. Эти газопроводы, особенно при незначительном давлении (не более 100...150 мм вод. ст.), работали удовлетворительно. «Для мелких ответвлений от двух дюймов (2» = 50,8 мм) и ниже к отдельным пунктам потребления применялись железные винтовые трубы, изредка свинцовые«. Итальянская фирма «Этернит» предлагала асбестобетонные трубы на давление 10...12 атм (1,0...1,2 МПа) для целей газоснабжения.

Источники света газового освещения для каменноугольного, нефтяного, водяного карбюрированного или смешанного газов состоят из отдельных горелок или рожков или из их комбинаций, заключенных в отдельном кожухе, снабженном газовым краном и остекленном для предохранения горелок от внешних атмосферных влияний^; все это устройство называется фонарем. Конструкция горелок и фонарей зависит главным образом от способа питания их газом низкого (100...25 мм вод. ст.) или высокого (110 мм рт. ст.) давления. Газовые горелки по принципу устройства разделяются на прямые и внизгорящие (инвертные).

Техника газового освещения до конца 80-х гг. XIX в. довольствовалась примитивной горелкой, где газ горел прямо на воздухе пламенем в виде рыбьего хвоста; однако конкуренция с электрическим освещением (дуговой лампой и электрической лампочкой Томаса Эдисона 1879 г.) заставила экономить газ. Были изобретены усовершенствованные горелки. Своевременное изобретение австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельс бахом в 1885 г. горелки с накаливающимся колпачком Ауэра (газокалильной сеткой) предотвратило уничтожение газового освещения, и наконец появились горелки, использующие сжатый газ. При зарождении газовой промышленности единственной областью применения газа было освещение, что предъявляло особые требования к газу с точки зрения его светильной способности (именно присутствие непредельных углеводородов). С появлением сеток накаливания (газокалильных колпачков) «светящие» свойства газа утратили свое значение и уступили место его теплотворности, ибо степень и сила освещения калильной газовой горелки стали функцией накала, т. е. тепла. Это привело к тому, что вместо одного светильного газа для освещения стали применяться и другие газы, не обладающие «светящими» свойствами, как то природный, коксовый, водяной и карбюрированные газы, а также пропан и бутан, т. е. источником света стало тепло.

Преимущество газокалильного освещения перед простым газовым, помимо качества света и экономии, заключается в значительно меньшей порче воздуха жилых помещений нагреванием и продуктами сгорания. Так, плоская газовая горелка в 30 свечей (30 кд), расходуя 400 л светильного газа за один час, выделяет при этом 2000 кал тепла, 210 л углекислого газа и 482 л водяных паров, а горелка Ауэра в то же количество свечей и время, расходуя 60 л газа, выделяет 300 кал тепла, 31,5 л углекислоты и 73 л паров. Но некоторые приверженцы газового освещения, забывая, что при горении газа в атмосфере помещения выгорает кислород, утверждали: «В упрек газовому освещению ставят то, что оно нагревает воздух. В нашем суровом климате, где, как например, в Петербурге, главнейшее освещение необходимо в те месяцы, когда нужно и отопление, это не только не недостаток, а большое преимущество, т. к. тепло источника света, во-первых, уменьшает расходы на отопление и, во-вторых, служит для вентиляции и при надлежащих приспособлениях настолько деятельно проветривает бальные залы, курильные комнаты и пр., что температура в них не повышается, и воздух, несмотря на скопления народа, остается свежим, чего нельзя достигнуть при другом освещении».

Газовые фонари в зависимости от назначения крепились на подвесках внутри зданий и на металлических столбах или тросах на улицах. В последнем случае питание фонарей газом производилось по гибким трубам. Стоимость эксплуатации газового освещения была значительно дороже электрического (по отчетам Московского коммунального хозяйства в перечислении на стоимость эксплуатации одного фонаря-часа в 1000 свечей в час за 1930 г.

Газовое освещение улиц Москвы сохранялось до 1932 г., а вот последний керосиновый фонарь был погашен в 1926 г. Надо отметить, что уже в начале ХХ в. некоторые центральные улицы Москвы освещались электрическим светом.