Во многих городах нашей страны газ широко вошел в быт людей.
Кислород играет решающую роль при его горении. Прикройте на минутку воздушную заслонку у горелки газовой плиты. Пламя газовой горелки станет белым, коптящим и недостаточно горячим. Это потому, что газ сгорает не полностью, ему не хватает того кислорода, который он встречает в воздухе при выходе из горелки.
Чтобы полнее использовать теплотворную способность газа, горелка устроена так, что при входе в нее газ подсасывает воздух и, смешиваясь с ним, подходит к пламени с таким количеством кислорода, которого достаточно для его полного сгорания. Пламя при этом получается синеватое, короткое и очень горячее. Прикрывая кран газовой горелки, вы уменьшаете приток газа и тем самым уменьшаете подсос воздуха.
Газ, которым пользуются в быту, чаще всего добывается из недр земли и называется природным газом.
Большинство природных газов — это смесь органических соединений, главным образом углеводородов, то есть соединений, в состав которых входят углерод и водород. Оба эти элемента при соединении с кислородом выделяют огромное количество тепла.
В настоящее время открыто очень много крупных месторождений природного газа. Особенно богата природными газами Саратовская область.
По специальному газопроводу Саратов — Москва газ поступает в столицу нашей Родины, где широко используется в промышленности и для бытовых нужд населения.
Преимущества газообразного топлива перед твердым огромны. К ним прежде всего относятся удобства потребления, легкость подачи топлива в топку или газовую горелку, чрезвычайная простота управления пламенем и большая гигиеничность.
Но самым важным преимуществом газообразного топлива является его высокая теплотворная способность. Температура пламени горящего газа значительно выше температуры пламени твердого топлива и в некоторых случаях достигает 3000°.
Как же проходит процесс горения твердого и газообразного топлива?
При горении твердое топливо вначале подсушивается, а затем наступает так называемая сухая перегонка. Образуются газообразные вещества, содержащие углерод. Углерод этих горючих веществ соединяется с кислородом воздуха.
Сгорая, углерод образует углекислый газ (СO2). При этом выделяется тепло. Часть этого тепла расходуется на осушку и перегонку новых частей твердого топлива; часть тепла забирает азот, который поступает в топку вместе с кислородом.
Нагреваясь до высокой температуры, азот покидает топку, бесцельно унося с собой тепло в атмосферу. Кроме того, из-за плохого «перемешивания» воздуха с твердым топливом не весь кислород, поступающий в топку, участвует в горении; часть его, нагреваясь вместе с азотом, также уходит в атмосферу. Большое количество тепла уходит бесполезно, и вместе с ним уносится много мелких частиц угля в виде дыма.
При использовании газообразного топлива часть этик недостатков устраняется. Горючий газ еще до подхода к пламени хорошо перемешивается с кислородом воздуха. Подачу воздуха в топку можно отрегулировать так, чтобы его было достаточно для полного сгорания газа и не было лишней потери тепла.
При подаче в топку подогретого газа и горячего воздуха потери тепла почти полностью устраняются. На подогревание воздуха и газа обычно используется тепло газов, выходящих из топки. Газообразное топливо экономичнее и удобнее твердого.
Газообразное топливо можно получить и искусственным путем. Для этой цели служат так называемые газогенераторные установки.
В высокую колонку, снабженную внизу колосниковой решеткой, загружают уголь. Загрузка угля производится через верхнее загрузочное отверстие. Когда колонка заполнена, отверстие закрывают, оставляя только узкий выход для газов. Снизу колонки под решетку подают воздух с определенным содержанием кислорода и поджигают уголь. Нижние слои угля, сгорая в присутствии кислорода, образуют углекислый газ и выделяют тепло. Это тепло поднимается вверх по колонке и накаляет верхние слои угля. Углекислый газ, полученный при горении нижних слоев, проходит через раскаленные до 700° верхние слои угля, отдает им часть своего кислорода и образует окись углерода (CO2 + C → 2CO). Окись углерода вместе с азотом воздуха проходит через выходное отверстие и собирается в газохранилищах.
Газ, получаемый в генераторных установках, называют генераторным газом.
Если в генератор вместе с воздухом пустить водяной пар, то одновременно с окисью углерода образуется и водород (4C + O2 + 2H2O → 4CO + 2H2). Смесь этих газов носит название водяного газа и также используется как газообразное топливо. При горении водяного газа окись углерода соединяется с кислородом и образует углекислый газ (2CO + O2 → 2CO2). А водород, соединяясь с кислородом, дает воду (2H2 + O2 → 2H2O).
Как генераторный, так и водяной газ содержит окись углерода. Окись углерода — бесцветный газ, не имеющий запаха, немного легче воздуха. Она ядовита и вызывает угар, откуда и происходит другое ее название — угарный газ. В общежитии мы часто подразумеваем под «угаром» запах несгоревшего топлива. Однако запах этот принадлежит не окиси углерода, а другим продуктам горения, также содержащим углерод.
Если продолжительное время (3—4 часа) находиться в помещении, где на каждые 100 тысяч частей воздуха приходится только одна часть окиси углерода, можно угореть. Примесь одной части окиси углерода к 800 частям воздуха уже крайне опасна для жизни человека и за полчаса может вызвать смерть.
Лучшим средством для пострадавшего является чистый воздух, а при сильном отравлении — чистый кислород.
Окись углерода обладает большой калорийностью. При сгорании 1 граммолекулы окиси углерода (28 граммов) выделяется 67 500 калорий; это на 29 500 калорий меньше тепла, выделяемого при сгорании 1 грамматома углерода (12 граммов):
(С + O2 = СO2 + 97 000 кал.)
(СО + 1/2O2 = СO2 + 67 500 кал.)
Казалось бы, что при таком соотношении тепловых эффектов нецелесообразно уголь переводить в окись углерода, с тем чтобы, в конечном итоге, при сжигании ее получить меньше тепла. В действительности же это не так. Если подсчитать все потери тепла при сгорании твердого топлива, в том числе и потери на золу, которая составляет 5—30 процентов, то использование генераторного газа окажется выгодным.
Еще более целесообразным является получение окиси углерода на месте залегания угля без добычи его на поверхность. Такой способ получения газообразного топлива носит название подземной газификации угля.
Схема газогенераторной установки для получения горючего газа из твердого топлива: 1 — загрузочное отверстие; 2 — твердое топливо; 3 — колосниковая решетка; 4 — отверстие для подачи воздуха; 5 — выход генераторного газа.
Идея подземной газификации угля впервые родилась у великого русского химика Менделеева. В 80-х годах прошлого столетия он писал: «Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что угля из земли вынимать не будут, а там, в земле, сумеют превращать в горючие газы и их по трубам будут распределять на далекие расстояния».
Эта смелая для того времени мысль была подхвачена многими учеными. Начало осуществления идеи подземной газификации было оценено В. И. Лениным в статье «Одна из величайших побед в технике», опубликованной в «Правде» в 1913 году. В. И. Ленин охарактеризовал подземную газификацию как переворот в промышленности, равносильный гигантской технической революции едва ли не самой важной отрасли производства.
Однако в условиях царской России не удалось развить подземную газификацию. Это стало возможным только при советской власти.
В 1931 году Центральный Комитет Всесоюзной Коммунистической партии принял решение по реализации проблем подземной газификации угля. С тех пор в нашей стране идет непрерывная работа по широкому внедрению этого передового метода добычи топлива из недр земли.
Преимущества этого метода огромны.
Подземная газификация значительно упрощает и удешевляет разработку каменноугольных месторождений и облегчает труд горняков. Транспорт освобождается от перевозок большого количества твердого топлива.