Текст И. Нечаева рассказывает о работах Зиновия Чуханова, молодого учёного, исследовавшего фундаментальный механизм горения и газификации топлива. Он обнаружил, что традиционные представления о горении углерода неверны: процесс идёт одновременно по двум реакциям, образуя смесь \({\mathrm{CO}}_2\) и \(\mathrm{CO}\), причём при высокой скорости подачи дутья можно «выносить» первичную окись углерода из зоны горения, не давая ей догореть. Это открытие позволило впервые получать горючий газ в один приём, без отдельной зоны восстановления, что радикально повышает производительность газогенераторов и делает возможным создание компактных, мощных установок для промышленности, транспорта и сельского хозяйства. Чуханов также выявил аналогию между газификацией и теплопередачей, предложив методы интенсификации теплообмена, позволяющие использовать даже низкотемпературные дымовые газы. Его исследования открыли путь к новым типам генераторов и более эффективным теплотехническим системам.
Лёгкий поворот крана, движение зажжённой спички — и в воздухе вспыхивает факел чистого, бесцветного пламени. Оно греет неутомимо и ровно, как электрическая плита. Над ним не веет неопрятный хвост дыма, не кружится жирный пух копоти. Этот огонь не оставляет никаких следов — ни золы, ни полуобгоревших угольев, ни удушающего запаха серы. Он горит в ослепительно чистой ванной, в строгой лаборатории учёного, в педантически опрятном операционном зале больницы. Он бушует под раскалёнными добела сводами стекловарных печей и мартенов, вспышки его толкают поршни мощных двигателей внутреннего сгорания.
Это благородное топливо — газ.
Буквально одним мановением руки вы можете усилить и ослабить газовое пламя, повысить и понизить его температуру. Газовое топливо можно гнать по подземным трубам, как воду, снабжая им десятки тысяч потребителей в тесно застроенном городе. Его можно передавать и за сотни километров по трубопроводам, через поля и леса — к децентрализованным электростанциям наших дней, не испускающим ни одной пылинки копоти.
Получить газ удаётся почти из любого малоценного горючего. Не только кокс и антрацит, но и низкосортный бурый уголь можно превратить в отличный газ. Из древесноугольной мелочи — громоздкого отхода углевыжигательной промышленности — можно получить газ. Льняная костра и торф, камыш и солома, хворост и опилки — всё это поддаётся газификации.
В технике, однако, ничего не достигается даром. Нельзя получить благородное топливо с теплотворной способностью в 1000 калорий из низкосортного топлива той же калорийности. Чтобы выиграть в качестве, приходится жертвовать количеством: чтобы получить горючий газ, приходится твёрдое топливо частью сжечь.
Можно сказать, что газификация — это особый случаи горения, при котором получается горючее.
Но что такое горение?
Пытаясь найти ответ на этот вопрос, и начал в 1932 г. свою самостоятельную научную работу девятнадцатилетний юноша Зиновий Чуханов.
Чуханов обнаружил, что, как это ни странно, никто ещё до сих пор не дал удовлетворительного объяснения процессам горения, хотя на этих процессах основана вся техника нашего времени. На столь простой и фундаментальный вопрос — что такое горение? — могущественная наука XX века не нашла ещё точного и определённого ответа.
Правда, из любого школьного учебника известно, что горение — это соединение кислорода с углеродом, сопровождающееся выделением тепла и света. Но каков механизм горения? Как и почему происходит воспламенение топлива? Что такое пламя? И, наконец, какие вещества образуются в первый момент горения углерода? Ведь соединений углерода с кислородом известно по крайней мере два: углекислота (которую химики обозначают формулой \({\mathrm{CO}}_2\)) и окись углерода, или угарный газ (\(\mathrm{CO}\)). Какое же именно из этих веществ первоначально образуется при горении? На все эти вопросы Чуханов не нашёл чёткого ответа ни в учебниках, ни в монографиях, ни в специальных журналах.
Механизм горения изучали многие. Но каждый исследователь приходил к различным выводам. Одни утверждали, что при горении сразу образуется одна только углекислота. Другие доказывали, что сначала образуется только окись углерода, которая тут же догорает, превращаясь в углекислоту. А третьи защищали третий из возможных вариантов — что первоначально образуется смесь углекислоты и окиси углерода, которая, дополнительно соединяясь с кислородом, также даёт углекислоту.
Чуханов учился тогда на третьем курсе химического института. Ему предстояло разобраться в запутанном клубке химических реакций. Каждая из них длится мгновения, может быть, миллионные доли секунды. Едва возникнув, новые вещества тут же распадаются или превращаются в другие. И все возможные здесь реакции обратимы: они могут протекать в прямо противоположных направлениях. Углерод, соединяясь с кислородом, может дать углекислоту. Но эта же углекислота при высокой температуре может немедленно распасться обратно на кислород и углерод. А встретив раскалённый уголь, она соединяется с ним и даёт двойное по объёму количество окиси углерода. В свою очередь, горючая окись углерода, соединяясь с кислородом, образует опять углекислоту. Нужно быть поистине виртуозом эксперимента, чтобы уследить за этими молниеносными противоречивыми манёврами молекул.
Но тут требовалось не только высокое экспериментальное искусство. Для начала надо было просто многое знать — знать основательно физическую химию, химическую термодинамику. Чуханов в то время работал в исследовательском теплотехническом институте, а предметы вузовской программы он сдавал экстерном. Юный экстерн изучил теорию химических превращений весьма глубоко.
В течение года он сделал несколько любопытных открытий.
Один и тот же уголь, оказалось, может воспламеняться и при 200°, и при 750°.
А воспламенение — это не что иное, как горение окиси углерода (а также водорода и других горючих газов, образующихся при разложении угля). Пока не начнёт усиленно выделяться СО, углерод не загорится, мы не увидим пламени.
Не подтверждало ли это просто-напросто вторую из трех гипотез горения? Нет! Опыты и расчёты заставили Чуханова отвергнуть все прежние гипотезы горения и выдвинуть новую.
Он доказывал, что соединение углерода с кислородом в топках, печах и газогенераторах происходит сразу по двум реакциям: по одной образуется смесь равных количеств углекислоты и окиси углерода, по другой возникает одна только окись углерода. Обе реакции всегда идут бок о бок, но в зависимости от температуры и скорости подачи кислорода может преобладать то одна, то другая.
Специалисты по сжиганию и газификации топлив отнеслись к новой теории так же равнодушно, как и ко всем прежним.
Не всё ли, в конце концов, равно, что именно образуется в первый момент горения? Если и верно, что сначала рождается окись углерода, то ведь она в «зоне горения» живёт только неуловимые доли секунды и тут же сгорает. Факт тот, что в конечном счёте мы всё же получаем одну только углекислоту, то есть газ негорючий. Чтобы получить горючую окись углерода, приходится углекислоту «восстанавливать», пропуская её через раскалённый уголь.
Вековой опыт учил, что газификация возможна только в два приёма: сначала горение, потом восстановление.
 |
Схема обычного газогенератора. Внизу, на колосниках,
происходит горение; образующаяся углекислота, поднимаясь через верхние слои раскалённого
кокса, соединяется с ним и даёт горючую окись углерода. |
Однако Зиновий Чуханов отверг это традиционное представление.
Тщательно изучив кинетику реакции горения, Чуханов сделал сугубо практический вывод: он решил резко ускорить подачу дутья в слой топлива, горящего в газогенераторе.
«Нелепость! — сказали бы об этом все теплотехники мира. — Ускорить подачу дутья — значит заставить углекислоту, образующуюся в очаге горения, так быстро проскакивать через верхние слои угля, что она не успеет восстановиться. Вы сожжёте зря всё топливо и получите много дымовых газов, больше ничего».
Но Чуханов у себя в лаборатории, применяя большие скорости дутья, получил не дымовые газы, а окись углерода! Это была та самая первичная окись углерода, которая, по утверждению Чуханова, образуется в первый момент горения. Поток дутья с такой скоростью выносил её из зоны горения, что она не успевала догореть и превратиться в никому не нужную углекислоту.
 |
Схема высокоскоростного газогенератора. Горючий газ
получается непосредственно в зоне горения. |
Этот эксперимент означал полный переворот в технике газификации.
Впервые горючий газ был получен в один приём непосредственно из зоны горения. Отпала необходимость в особой «зоне восстановления». А главное, в эту старую область техники был введён новый, могучий прогрессивный фактор — скорость.
Ускорение дутья резко ускорило процесс газификации. Но от скорости процесса непосредственно зависит производительность аппарата, от производительности — его размеры, от размеров — стоимость!
 |
| Один высокоскоростной газогенератор по своей производительности сможет заменить несколько десятков генераторов прежнего типа. |
Именно малая производительность аппаратов была до сих пор ахиллесовой пятой, наиболее слабым местом газогенераторной промышленности. Простой пример разъяснит это: чтобы обслужить газом один крупный паровой котёл современного типа, нужна целая батарея самых мощных газогенераторов, несколько десятков агрегатов.
Громоздкость современных генераторов закрывает газу путь на транспорт — на поезда и корабли. Из-за этого на железной дороге всё ещё держится старомодная паровая машина и судовые дизеля приходится «кормить» драгоценной нефтью.
Жизнь предъявляет сейчас требование на генераторы иной производительности, иных размеров. Нужен компактный аппарат, способный один дать столько же газа, сколько дают 20—30 лучших промышленных аппаратов современного типа. Нужны также небольшие, но мощные генераторы, которые можно было бы легко «вписать» в тесные габариты локомотива или теплохода. Нужны, наконец, маленькие дешёвые аппараты для колхозов, способные превратить громоздкие отбросы — солому, хворост, костру и опилки — в газ и энергию.
Работы Чуханова, с 1933 г. проводившиеся им совместно с М. К. Гродзовским, и открыли возможность создания таких генераторов.
Для нового метода надо было найти соответствующее конструктивное оформление. Поиски наиболее удачной конструктивной формы для генератора нового типа продолжались несколько лет и не совсем закончены ещё до сих пор. Во время последних испытаний экспериментального промышленного генератора, работающего на высоких скоростях, уже удалось добиться непрерывной работы в течение двенадцати часов.
Недавно Чуханов сделал новое интересное открытие. Оно касается техники теплопередачи в топках — области, которая на первый взгляд не имеет ничего общего ни с газификацией, ни с химией вообще. Но это только на первый взгляд. Острый глаз исследователя подметил глубокое принципиальное сходство между этими разнородными явлениями.
Что с того, что горение углерода — процесс химический, а передача тепла от горячих топочных газов к котлу — процесс физический? И в том, и в другом случае происходит взаимодействие между поверхностью твёрдого тела и газом. И в том, и в другом случае это взаимодействие, как выяснилось, протекает по одинаковым математическим законам. Одно и то же дифференциальное уравнение определяет ход высокоскоростной газификации и передачу тепла от горячего газа к слою твёрдых частиц топлива, к котлу или экономайзеру.
А раз так, то нельзя ли и процесс передачи тепла ускорить, интенсифицировать его в такой же степени, как и процесс газификации? Нельзя ли таким путём усовершенствовать топки котлов, калориферы и все другие аппараты, обогреваемые теплом горячих газов?
Оказалось, можно.
В лаборатории Энергетического института Академии наук, которой сейчас руководит Чуханов, удаётся использовать тепло газов с температурой всего в 170°. С такой температурой газы обычно покидают дымовые трубы. Тепло, содержащееся в дымовых газах, очевидно, отбросное, с практической точки зрения безнадёжно потерянное тепло. А в лаборатории Чуханова сумели рационально использовать его для подогрева воды и топлива!
Расчёты показывают, что применение нового метода теплопередачи позволило бы заменить железом всю медь в тендер-конденсаторах и уменьшить их общий вес на 50— 70%. Не менее интересные перспективы открывает новый метод и в других областях техники.
За выдающиеся научные работы Зиновий Федорович Чуханов избран членом-корреспондентом Академии наук. Он самый молодой из членов-корреспондентов Академии: ему сейчас всего двадцать семь лет.
Комментариев нет:
Отправить комментарий