Výroba generátorového plynu

Obraz M. V. Lomonosova: Ještě dnes se tu a tam stane, že některý jednotlivec, zanícený touhou po velikém objevu, předloží učené společnosti – akademii – návrh nového přístroje, který by sám ze sebe konal práci a hodil by se proto k pohonu jiných strojů. Tato myšlenka však není nová a v dřívějších dobách mnoho vynálezců věnovalo velké úsilí k sestrojení takového stroje, který dostal i svůj název – perpetuum mobile, což v latině znamená „ustavičně se pohybující“. Fyzika však dospěla k poznatku, že perpetuum mobile nelze sestrojit. Perpetuum mobile odporuje totiž základnímu principu fyziky, zákonu zachování energie. Tento zákon, který platí bez jakékoliv výjimky, nás učí, že energii, to jest schopnost konat práci, nelze ani zničit ani vytvořit. Lze ji pouze přeměnit, a to rozmanitým způsobem. Prvním badatelem, který dospěl k takovému poznatku, byl petrohradský akademik Michajl Vasiljevič Lomonosov (1711–1765), který v roce 1760 vyslovil tento zákon. „Všechny změny, které se v přírodě dějí, jsou takové povahy, že kolik čeho se jednomu tělesu odejme, tolik připojí se k druhému.... . Tento všeobecný zákon přírodní zasahuje i v pravidlu pohybu“. Vidíme, že Lomonosov dospěl nejen k zákonu zachování energie, který tu vyjadřuje pro energii pohybovou, nýbrž i k základnímu zákonu chemickému, k zákonu zachování hmoty. Lomonosov svou skvělou myšlenkou daleko předstihl své současníky, a tak se stalo, že oba zákony, které dnešní fyzika spojuje v jediný, byly znovu objeveny a ověřeny teprve v dobách mnohem pozdějších.

+33

Koloběh vody v přírodě: Jak bylo řečeno, energii nelze vytvořit, nýbrž ji lze získat z některého zdroje, v němž potřebná energie je už obsažena. V přírodě nacházíme bohaté zdroje energie a jde jen o to, jakým způsobem lze těchto zdrojů využít. Většinou tu jde o zdroje, jejichž obsah energie má svůj původ konec konců v zářivé energii sluneční. Je to například energie vodních toků, jimiž se voda z vyšších poloh vrací do oceánů, odkud se opět působením slunečního tepla vypařuje a tím koná svůj ustavičný oběh v přírodě.

Atomová energie: Jiným důležitým zdrojem energie jsou rozličné paliva – organické sloučeniny většinou rostlinného původu, která v sobě obsahují energii slunečního záření, přijatou ze života těchto rostlin. Novodobým mocným zdrojem energie je energie, která se vybavuje štěpením atomových jader. Tato jaderná energie dochází v současné době použití k pohonu elektráren a dokonce i lodí. Na obrázku vidíte ledoborec „Lenin“, který nedávno nastoupil svou první plavbu.

Výhřevnost paliv: Vraťme se nyní k palivům, která jsou a dlouho budou vydatným zdrojem energie k pohonu nejrozmanitějších zařízení, továrních strojů a dopravních prostředků, zdrojem energie k topení a k osvětlování. Paliva v běžném slova smyslu jsou většinou látky organické, uhlíkaté, které se buď rovnou nacházejí v přírodě (uhlí, ropa, zemní plyny, dřevo) nebo se získávají z přírodních látek vhodnou úpravou, zušlechtěním. Měřítkem k posouzení hodnoty paliva je jejich výhřevnost, která se měří množstvím energie, která se vybaví spálením jistého váhového nebo objemového množství paliva. Z hlediska chemického tu jde o energii, která se vybaví při oxydaci uhlíku, někdy i vodíku, jež jsou v palivech obsaženy. Například černé uhlí obsahuje kromě menšího množství jiných součástí složité organické sloučeniny tvořené uhlíkem, vodíkem, dusíkem a kyslíkem. Ukázkou složení černého uhlí je výsledek chemického rozboru, vypočtený po odečtení obsahu anorganických, nespalitelných popelovin: uhlík 85,0 %, vodík 5,5 %, dusík 1,0 % a kyslík 8,5 %. Spálením 1 kg tohoto uhlí byla získána energie 8,170 kcal, která padá na vrub oxydace uhlíku v kysličník uhličitý, C + O₂ → CO₂ + 94,0 kcal, a na vrub oxydace vodíku ve vodu: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O + 136,7 kcal. Výhřevnost paliv se obvykle udává v kilogramových kaloriích. Jedna kilogramová kalorie, 1 kcal, je množství energie, jíž je zapotřebí k ohřátí jednoho kilogramu vody o jeden °C (přesněji z teploty 14,5 °C na teplotu 15,5 °C).

Rozdělení paliv podle skupenství: Paliva se rozdělují podle rozličných hledisek. Podle skupenství se rozdělují v paliva tuhá, kapalná a plynná. Příkladem paliv tuhých jsou antracit, černé uhlí, hnědé uhlí, dřevo a rašelina, z umělých (získaných z přírodních látek zušlechtěním) koks, dřevěné uhlí a brikety. Přírodní kapalné palivo je nafta (ropa), umělými kapalnými palivy jsou benzín, petrolej a jiné naftové výrobky, dále výrobky dehtové a posléze i líh. Přírodní plynné palivo je zemní plyn, kdežto k umělým plynným palivům počítáme svítiplyn, generátorové plyny, kychtové plyny a acetylen.

Doprava kapalných paliv: Pro použití paliv je důležité místo a způsob jejich upotřebení. Uhelné vlaky jsou dokladem toho, že toto důležité palivo se často spotřebuje na místech, která jsou i značně vzdálená od uhelných dolů. Stejně tak tomu je s naftou a naftovými výrobky, které se mnohdy dopravují na veliké vzdálenosti v tankových lodích nebo v cisternových vagonech. Často se ovšem staví i nákladná potrubí, jimiž se nafta odvádí ze svých nalezišť na příhodnější místa pro další dopravu nebo i zpracování. Totéž platí také o plynných palivech, která se dnes často rozvádějí potrubím podle potřeby na větší nebo menší vzdálenosti.

Stará vysoká pec v průřezu: Všimněme si nyní některých plynných paliv, zejména plynů generátorových, které mají význam nejen jako paliva a pohonné látky, nýbrž jsou důležité i pro jiné druhy výroby. Místa, ve kterých se v dřívějších dobách vyrábělo železo v tehdejších vysokých pecích, poskytovala v nočních hodinách nezapomenutelný pohled. Jak víme, ve vysokých pecích se z kyslíkatých železných rud vyrábí redukcí železo. Redukčními činidly jsou uhlík a zejména kysličník uhelnatý, jehož část proniká do horní části pece, která se nazývá kychta. Až do roku 1837 plyn unikající z kycht se volně pouštěl do vzduchu, kde hořel vysokým plamenem, který osvětloval v noci daleké okolí.

Schéma současné vysoké pece: Později byl kychtový plyn z pece odváděn a zprvu používán k vysoušení slévárenských forem. Avšak ani toto použití nebylo hospodárné. Kychtový plyn, který obsahuje 22–34 objemových % kysličníku uhelnatého, 5–14 % kysličníku uhličitého, 57–63 % dusíku (ze vzduchu vháněného do vysoké pece) a něco málo vodíku a metanu, se dá využít jako palivo a pohonná látka, která je u vysoké pece po ruce ve velkých množstvích. Například pec s výrobou 500 tun železa denně poskytuje v téže době 2,500.000 krychlových metrů kychtového plynu s průměrnou výhřevností 1100 kcal/m³. Kychtovým plynem se předehřívá vzduch vháněný do vysoké pece, vytápí se jím kotelny a rozličné pražicí pece a pohánějí se jím (ovšem po přečištění) motory dmychadel. Některá z těchto zařízení jsou patrná na schematickém obrázku moderní vysoké pece.

Generátory s pevným roštem: Kychtový plyn je konec konců vedlejším produktem při výrobě železa. K četným účelům se však spalitelné plyny přímo vyrábějí, a to zplynováním tuhého paliva tak, že přes vrstvu rozžhaveného paliva se vede vzduch, vodní pára, nebo směs vzduchu a vodní páry. Podle toho vzniká plyn generátorový (jinak vzdušný nebo chudý), plyn vodní a plyn smíšený. Zplynování se provádí v zařízeních, která se odborně nazývají generátory (latinsky: generator = ten, který tvoří, vytváří). Generátory mají rozličnou konstrukci. Zpravidla jsou to šachtové pece ze žáruvzdorného zdiva, opatřené plechovým pláštěm. Jindy jsou stavěny z nýtovaných plechů, kolem nichž je upraven parní kotel, který současně chladí stěny vlastního generátoru.

Generátory s pohyblivými rošty: Na předchozích dvou obrázcích byly schematicky znázorněny generátory s pevným roštem. Staví se však i generátory bez roštu, s vodní uzávěrou nebo generátory s pohyblivými rošty.

Chemické děje v generátorech: Generátory se plní různým palivem, např. koksem nebo uhlím. Získaný plyn obsahuje (schéma) asi 26 % kysličníku uhelnatého CO, 4 % kysličníku uhličitého CO₂, 68 % dusíku N₂ a něco málo vodíku a kyslíku. Chemické děje v generátoru vyjadřují rovnice na obrázku 12. Podle první se uhlík spaluje (v okolí roštu) za hojného přístupu vzduchu. Vzniká kysličník uhličitý a vybavuje se značné množství tepla (první rovnice). Tím se rozžhaví další vrstva paliva a tam probíhá redukce kysličníku uhličitého v kysličník uhelnatý (druhá rovnice). Výhřevnost tohoto generátorového plynu je asi 800–1100 kcal/mol. Výhřevnější plyn, obsahující něco vodíku a metanu se získá spalováním uhlí v generátoru.

Hlava generátoru: Obrázek ukazuje hlavu čili horní část generátoru opatřenou dobře těsnicí uzávěrkou. Při práci s generátorovým plynem je třeba pamatovat na dobré větrání, neboť plyn obsahuje jedovatý kysličník uhelnatý.

Průměrné složení generátorového plynu: Vidíme, že generátorový plyn obsahuje jedovatý kysličník uhelnatý, a proto při práci u generátorů a při práci s generátorovým plynem je třeba dbát náležité opatrnosti.

Dmychadlo na vzduch: Na obrázku je dmychadlo, jímž se do generátoru vhání vzduch potřebný k spalování.

Zauhlování generátoru: Zauhlování generátoru = plnění generátoru palivem.

Vyzdívání generátoru: Vyzdívání vnitřku generátoru žáruvzdornými cihlami.

Pohled na spodní část generátoru s vodní uzávěrkou

Čistění generátorového plynu: Zařízení k čistění generátorového plynu, který se k rozličným účelům musí zbavit zejména prachu.

Sběrné potrubí generátorového plynu: Sběrné potrubí, kterým se vede plyn od baterie generátorů.

Chemické děje při výrobě vodního plynu: Mnohem výhřevnější než generátorový plyn je plyn vodní, který se získá tím, že na rozžhavenou vrstvu koksu se vede vodní pára. Výroba probíhá ve dvou fázích, periodách. V první, tzv. horké, se koks rozžhaví spalováním uhlíku podle rovnice C + O₂ → CO₂. V druhé fázi se přívod vzduchu uzavře a vhání se vodní pára. Podle rovnice C + H₂O → CO + H₂ tu vznikne směs kysličníku uhelnatého a vodíku, čili vodní plyn. Podle napsané rovnice by tu měly vznikat stejné objemy obou složek. Ve skutečnosti však vodní plyn obsahuje kromě malého množství dusíku a metanu 46–50 % vodíku, 34–40 % kysličníku uhelnatého a 4–7 % kysličníku uhličitého, který vzniká reakcí CO + H₂O → H₂ + CO₂, doprovázející reakci předchozí. Výhřevnost vodního plynu je asi 2600–2800 kcal/mol, tedy značně vyšší než plynu generátorového, avšak nižší než výhřevnost svítiplynu. Ten má výhřevnost asi 5500 kcal/mol, často se však užívá i směsi svítiplynu a vodního plynu s výhřevností asi 4200 kcal/mol.

Generátor na vodní plyn: Obrázek ukazuje řez generátorem na výrobu vodního plynu. Zde však je třeba připojit podrobnější výklad. Reakce vodní páry s rozžhaveným uhlíkem je reakce endotermická, probíhající za spotřeby energie. Ta se odebírá žhoucímu uhlíku, který by proto rychle vychladl. Proto se musí občas uzavřít přívod páry a vháněným vzduchem se musí uhlík opět rozžhavit. Tento postup se ovšem neustále opakuje. Jímá-li se plyn z obou dějů společně, získá se plyn smíšený, který obsahuje asi 30 % kysličníku uhelnatého, 15 % vodíku, 5 % kysličníku uhličitého a 50 % dusíku, a který má výhřevnost kolem 1300 kcal/mol. Střídavé otevírání přívodů vodní páry a vzduchu lze ovšem provádět automatickým zařízením. Někdy se však postupuje i nepřetržitě. Na rozžhavený koks se pouští směs vzduchu a vodní páry v takovém poměru, aby výsledná celková reakce byla exotermická, provázená vývojem jistého množství tepla, potřebného k udržení paliva v žáru 4 C + 2 H₂O + O₂ → 4 CO + 2 H₂ + 2000 kcal.

Winklerův generátor: V současné době mají velký význam generátory, které dovolují využít i méně hodnotného paliva, zejména uhelného prachu. Příkladem je generátor Winklerův a generátor Koppersův. V SSSR byly též sestrojeny generátory na využití rašelinového prachu.

Koppersův generátor: V současné době mají velký význam generátory, které dovolují využít i méně hodnotného paliva, zejména uhelného prachu. Příkladem je generátor Winklerův a generátor Koppersův. V SSSR byly též sestrojeny generátory na využití rašelinového prachu.

Řídicí panel generátorové stanice: Generátorové stanice bývají opatřeny ústředním kontrolním řízením. Obrázek ukazuje řídicí panel takové stanice.

Junkersův kalorimetr na stanovení výhřevnosti plynu: Výhřevnost plynů se určuje v kalorimetrech, kde se spaluje odměřené množství plynu a stanoví se vybavená energie v podobě tepla. Na obrázku je jeden takový kalorimetr, Junkersův.

Přístroj na chemický rozbor plynu: Složení plynu se zjišťuje chemickým rozborem, který se obvykle provádí v přístroji Orsatově, kde se jednotlivé složky plynné směsi pohlcují vhodnými chemickými činidly.

Průmyslová měřidla plynu: K celkovému zjištění množství vyrobeného nebo spotřebovaného plynu se používá měřicích přístrojů rozličné konstrukce.

Plynojem: Vyrobený plyn se uchovává v plynojemech buď suchých (pístových) nebo mokrých, s vodní uzávěrkou. V pozadí je suchý plynojem, vpředu je mokrý plynojem, téměř vyprázdněný.

Plynárenská pec: Na tomto obrázku je plynárenská pec vytápěná generátorovým plynem.

Vyjímání vyhřátého ingotu: Na dalším obrázku je vyjímání vyhřátého ingotu z pece před jeho dalším zpracováním (např. válcováním). Ve směsi s vodním plynem se generátorového plynu používá k pohonu plynových motorů. Velké množství generátorového plynu se spotřebuje v průmyslu k vytápění různých zařízení. Vodní plyn je základním zdrojem vodíku pro syntetickou přípravu amoniaku; upravený na poměr CO : H₂ = 1 : 2 se nazývá syntézní plyn a je výchozí látkou pro výrobu např. metanolu, vyšších alkoholů a uhlovodíků (umělého benzínu).