История развития транспортных газогенераторов. Часть 2

История развития транспортных газогенераторов. Часть 1
История развития транспортных газогенераторов. Часть 3

Использование растительной биомассы для получения генераторного газа, а его в качестве топлива для автотранспорта − тема весьма актуальная в наши дни. Предлагаем вашему вниманию вторую из серии статей, рассказывающих о наиболее эффективных конструкциях газогенераторных установок транспортного типа, оказавших наибольшее влияние на развитие этой технологии в мире.

Рис. 1. Схема газогенератора Тейлора

Рис. 2. Схема газогенераторной установки «Имберт»

Рис. 3. Схема газогенератора Макдональда

Рис. 5. Схема газогенератора «Барбье»

Рисунки-схемы к статье «История развития транспортных газогенераторов. Часть 2» смотрите в PDF-версии журнала

Первая часть рассказа об истории развития газогенераторов, опубликованная в предыдущем номере журнала, охватывает период вплоть до начала XX века.

Первый газогенераторный транспорт

Первый газогенераторный автомобиль был построен в 1900 году инженером Тейлором во Франции. В этом патенте на автомобильный газогенератор была зарегистрирована особая система регулирования присадки водяного пара к воздуху. Воздух и пар поступали снизу, из-под колосниковой решетки, в снабженную огнеупорной керамической футеровкой шахту.

Газогенератор Тейлора (рис. 1) работал по прямому процессу газификации. Газ отбирался по трубе g и направлялся через охладители h и l и скруббер т к автомобильному двигателю. Охладитель h генераторного газа одновременно служил парообразователем. Вследствие разрежения, создаваемого автомобильным двигателем в шахте генератора, воздух поступал под колосниковую решетку из атмосферы в трубу p через отверстие s, регулируемое краном t, и подсасывал пар из парообразователя h через трубку j в смеси со вторичным воздухом, поступающим через отверстие r. При полностью закрытом кране t весь вырабатываемый в парообразователе h пар увлекался в генератор воздухом, заходящим снаружи через отверстие r. При полностью открытом кране t воздух поступал через трубку s в генератор, а весь пар выходил наружу через трубку j и отверстие r.

Интересным был и первый немецкий патент на автомобильный газогенератор британских изобретателей Паркер. В этом патенте описан газогенератор компактной конструкции. Его отличительной особенностью было применение расположенных в нижней и верхней частях шахты клапанов, служащих для поддержания естественной тяги в генераторе при стоянках автомобиля. При движении автомобиля нормальная работа газогенератора осуществлялась посредством труб, подающих в нижнюю часть шахты воздух и воду соответственно, а также газоотводной трубы, расположенной сбоку шахты. Шахта генератора имела коробчатую форму прямоугольного сечения. Топливо (древесный уголь, кокс и т. п.) загружалось в бункер генератора через отверстие, прикрытое крышкой. Газоотводный штуцер помещался в боковой камере топливника. Эта конструкция послужила основой для проектирования транспортных газогенераторов в царской России, а впоследствии и в СССР.

За четырнадцать лет (1900−1914) после появления первого газогенераторного автомобиля в мире было построено несколько десятков газогенераторных автомашин. В этот период газогенераторные грузовые автомобили эксплуатировались лишь в тех странах, где разница в цене между жидким и твердым топливом была велика. Это были в первую очередь тропические страны, где в качестве топлива применяли древесину или древесный уголь. Кроме автомобилей, в этих странах в начале прошлого века газогенераторными установками были оборудованы более 100 тепловозов.

B 1905 году инженер Торникрофт в Англии построил первую газогенераторную моторную лодку. В 1908 году во Франции был построен первый газогенераторный трактор. А в 1916-м между Парижем и Руаном начал совершать регулярные рейсы автобус с газогенераторным двигателем.

Первый бум газогенераторов

Началом развития и широкого применения транспортных газогенераторов можно считать 1914 год, когда экономические предпосылки вызвали к жизни это новое направление техники. Рост мирового автотракторного парка в начале прошлого века привел к сильному увеличению потребления жидкого топлива. Неравномерность распределения нефти в недрах земли поставила ряд стран перед необходимостью найти замену этому ископаемому, из которого и вырабатывается топливо. В особо тяжелом положении оказалась Франция, располагавшая меньшими энергетическими ресурсами, чем другие страны Европы. Успешное применение газогенераторов в металлургии натолкнуло французских инженеров на мысль использовать установки подобного рода для обеспечения автомобильного транспорта дешевым и доступным газо-образным топливом. Переход с бензина на другое топливо во Франции предполагался на следующих условиях: новое горючее в экономическом отношении должно было быть в состоянии конкурировать с бензином, и переход на новое топливо не должен был повлечь за собой серьезные переделки в конструкциях двигателей.

Исследования, направленные на достижение первого условия − достаточной дешевизны суррогата, показали, что лишь генераторный газ, получаемый из дров и древесного угля и карбонита, может дать необходимый экономический эффект. Что касается второго требования − не вносить значительных изменений в двигатель,-то оно было вызвано тем обстоятельством, что во Франции на тот момент уже существовал большой автотракторный парк и переделывать моторы машин в таком масштабе было просто нереально.

Необходимость использования альтернативных видов топлива стала особенно очевидной во время Первой мировой войны из-за перебоев с поставками бензина. Неудивительно, что первое промышленное производство транспортных газогенераторов было налажено во Франции. Промышленная апробация газогенераторов прошла в Касабланке, экономической столице Марокко, когда местный автоклуб провел ряд соревнований, в которых принимали участие первые пять газогенераторных тракторов и пять газогенераторных грузовых автомобилей. Подобные соревнования проходили и во Франции, правда без особого успеха. Первый пробег грузового автомобиля с газогенераторной установкой состоялся в 1914 году по маршруту Париж − Руан (126 км), и его результаты не дали повода для оптимизма. Интересно отметить, что по этому же маршруту в 1894 году проходили первые гонки автомобилей, больше известных тогда под названием «экипажи без лошадей». Автомобиль «пежо» с бензиновым мотором Даймлера потерпел на них поражение, уступив паровому автомобилю «де Дион-Бутон».

Открытие Георга Имберта

В 1919 году был опубликован французский патент № 490711, в котором описан ряд конструктивных деталей, успешно применяемых и в современных транспортных газогенераторах. Это изобретение предопределило создание в 1919 году французским инженером Имбертом газогенератора обращенного процесса газификации, который произвел настоящий переворот в автомобильном газогенераторостроении. До сих пор это изобретение остается самым значимым достижением в этой технологии. В 1921 году г-н Имберт приехал на автомобиле, оборудованном газогенератором собственной конструкции, в Париж, преодолев расстояние 500 км. Это событие привлекло большое внимание деловых кругов и общественности. Особый интерес к новинке проявило военное ведомство, которое и профинансировало развитие этой технологии. Целый ряд конкурсов и пробегов газогенераторных автомобилей, организованных в Европе начиная с 1922 года, оказал сильное содействие развитию нового вида транспорта. Однако с 1920 по 1938 год удобство и дешевизна видов топлива, имеющих нефтяное происхождение, сделали применение автомобильных газогенераторов непопулярным у потребителей из-за сложности их обслуживания. Тем не менее европейские правительства продолжали поощрять и субсидировать использование транспортных газогенераторов. К 1930 году во всех европейских странах, владеющих достаточными ресурсами биомассы, газогенераторная технология активно развивалась лишь благодаря правительственным субсидиям и льготам. Великобритания, Франция и Италия инициировали широкое использование транспортных газогенераторов в своих колониях. К 1923 году во Франции были доступны для покупателей 25 различных типов автомобильных газогенераторов. В 1924 году военное министерство Франции впервые испытало газогенераторные автомобили на маневрах. С 1924 по 1939 год правительством Франции было организовано 10 автопробегов газогенераторных автомобилей. К 1929 году по дорогам страны ездило приблизительно 1880 газогенераторных транспортных средств. Из них 2/3 принадлежали французской армии. Франция и ряд других стран поощряли производство газогенераторных автомобилей правительственными постановлениями, способствующими переводу работающих на бензине машин на местное топливо. А правительство Японии для поощрения эксплуатации газогенераторных автомобилей избрало путь обеспечения материальной заинтересованности владельцев, выдавая им по 300 иен при покупке такой машины.

В 1932 году французскими инженерами была разработана первая удачная газогенераторная установка для мотоцикла, которая работала на древесном угле по горизонтальному принципу газификации. Эта установка отличалась наличием системы подачи масла в генераторный газ для смазки двигателя. Мощность двигателя при этом падала не более чем на 40% по сравнению с работой двигателя на топливе нефтяного происхождения.

Правительственная поддержка производства газогенераторов

В том же 1932 году в Италии был издан закон о переводе до конца 1937 года автотранспорта на «национальное горючее». Кроме того, автомобили, переводимые с жидкого топлива на генераторный газ, освобождались от государственного налога на пять лет. Позже для владельцев газогенераторных автомобилей (в зависимости от тоннажа) были установлены государственные субсидии до 9000 лир при покупке автомашин. В 1942 году правительственным декретом все, зарегистрированные на тот момент в Италии 68 500 автомобилей, были переведены на твердое топливо. Однако, несмотря на большое количество эксплуатировавшихся в стране газогенераторных автомобилей, итальянская практика копирования иностранных конструкций газогенераторных установок показала несостоятельность такого подхода для развития газогенераторостроения − все четыре типа существовавших тогда в Италии газогенераторных установок: «Италия», «Нострум», «Рома» и «Дукс», − представляли собой копии французских моделей.

Довоенная Германия также поощряла перевод автотранспорта на «национальное топливо», назначив государственную субсидию до 1000 марок при покупке газогенераторных автомобилей и 300 марок на переоборудование бензиновых машин в машины с газогенераторными установками. Одновременно владельцам автотехники бесплатно выдавалась одна тонна топлива и предоставлялись льготы по уплате налогов. Для обслуживания автопарка с газогенераторными установками во Франции и Германии были организованы древесноугольные и дровяные раздаточные станции.

Наиболее успешные конструкции газогенераторов

Переломным в развитии автомобильных газогенераторов стал 1924 год. Именно тогда был выдан ряд фундаментальных патентов, основные идеи которых заложены во все конструкции современных газогенераторов. Так, в 1924 году во Франции впервые был предложен способ газификации топлива с малым содержанием летучих в автомобильных газогенераторах с опрокинутым процессом горения. Способ отличался тем, что присадка водяного пара, необходимого для обеспечения высокой степени газификации топлива, производилась за счет добавки к основному топливу небольшого количества влажного древесного топлива. Он интересен до сих пор в силу простоты и высокой эффективности.

Как мы уже упоминали, в 1919 году известный французский изобретатель Имберт построил первую установку с газогенератором обращенного процесса газификации (рис. 2). Базируясь на его ранних работах, посвященных созданию газогенератора горизонтального процесса газификации, южноафриканский инженер Макдональд запатентовал газогенератор, схема работы которого показана на рис. 3. Газогенератор Макдональда работает на антраците с присадкой водяных паров к воздуху. Воздух поступает в сопло, имеющее канал для подвода воды. Вода захватывается воздухом и образует с ним благодаря испарению паровоздушную смесь. Отбор газа производится через патрубок, расположенный напротив сопла.

Внизу топливника в этой установке имеется качающаяся колосниковая решетка. Кожух топливника снабжен специальным отверстием с обратным клапаном для шуровки топливника. Газогенератор хорошо работает на антраците при размере зерен 5−10 мм, зольности топлива не выше 8−10% при малом содержании серы.

Разработки Имберта и Макдональда оказали огромное влияние на развитие транспортных газогенераторов, получив мировое признание и широкое распространение.

В 1923 году во Франции изобретателем Фажолем был создан первый газогенератор автомотрисного типа (от фр. аutomotrice − «самодвижущаяся», автономный железнодорожный вагон с двигателем внутреннего сгорания). А через год американский конструктор Смит построил первый автомотрисный газогенератор автоматического действия.

Следующий крупный шаг в области развития технологии автотракторных газогенераторов горизонтального процесса был сделан французским изобретателем Гоеном в 1928 году. По его схемам до сих пор проектируют газогенераторы для грузовых автомобилей и сельхозтехники во всем мире. Конструкция газогенератора Гоена позволяла создать условия, при которых углерод, содержащийся в топливе, окислялся непосредственно в окись углерода, минуя углекислотную фазу.

Следует также отметить конструкцию древесноугольного автомобильного газогенератора прямого процесса, предложенную Гоеном. Запатентованный им метод регулирования высоты активной зоны использован во многих более поздних конструкциях автомобильных газогенераторов.

Повторный бум газогенераторов

Активное развитие технология автомобильных газогенераторов получила в 1936 году, когда в обстановке политической нестабильности, царящей в мировом сообществе, руководители большинства европейских стран, предвидя возможность войны и стараясь обеспечить энергетическую безопасность своих государств, начали субсидировать развитие этого направления.

Во Франции к 1938 году имелось 7800 газогенераторных грузовиков, которые составляли примерно 2% всего автомобильного парка страны. В 1940 году Франция предприняла массовое переоборудование коммерческих и военных транспортных средств с целью перевода их на использование отходов биомассы. И к концу 1940 года 50 тыс. газогенераторных автомобилей (рис. 4) было в действии, а еще 40 тыс. газогенераторных установок находилось в производстве. Это стало возможным благодаря созданию в стране ряда удачных конструкций газогенераторных установок, оказавших большое влияние на развитие технологии в мировом масштабе.

Ключевые разработки в газогенерации

Рис. 4. Газогенераторный автомобиль Ford, 1937 год

Наибольшее значение среди конструкций, разработанных во Франции до начала Второй мировой войны, имели следующие газогенераторные установки.

Газогенератор «Сомюа», относящийся к конструкциям с горизонтальным типом процесса газификации, был предназначен для работы на древесном угле и интересен как газогенератор транспортного типа большой мощности (до 100 кВт).

Газогенератор «Имберт» обращенного процесса газификации (рис. 2), в отличие от подобных себе газогенераторов, не имел кожуха для подогрева воздуха и колосниковой решетки. В верхней части бункера газогенератора «Имберт» имелся наружный кожух. В рубашку, образуемую двойными стенками, поступал конденсат через щели внутреннего кожуха. Периодически этот конденсат выливался наружу через гидравлический затвор. Для равномерного отбора газа вокруг бункера устроен кольцевой канал. В некоторых конструкциях установки «Имберт» не имелось устройства для отбора конденсата и кольцевого газового канала.

Газогенератор «Берлие» опрокинутого процесса газификации имел особую форму топливника из жаро-упорной стали. Предварительно подогретый от горячих стенок бункера воздух подавался через восемь фурм диаметром 10 мм. Отбор газа происходил в верхней части бункера, что способствовало охлаждению газа и одновременно подогреву топлива. Это обстоятельство улучшало процесс газификации. В нижней части топливника имелась колосниковая решетка для очистки от воды, она же являлась площадкой, на которую насыпался древесный уголь. Через два специальных люка в кожухе топливника и верхний люк бункера засыпался древесный уголь до уровня фурм. Этот уголь образовывал восстановительный слой, способствующий лучшей газификации и восстановлению СО2 в СО, а также разложению смол. Конструкция установки «Берлие» базировалась на патенте инженера Имберта.

Газогенератор «Панар-Левассор» опрокинутого процесса газификации. Топливник в нем имел шамотную футеровку и щелевую подачу воздуха. Установка была снабжена вращающейся колосниковой решеткой для улучшения очистки топливника от золы. Розжиг газогенератора производился при помощи вентилятора.

Прямоточный газогенератор G. G. B., созданный для работы на каменном угле и антраците, отличался конструкцией трубы отбора газа, которая обеспечивала малую засоренность генераторного газа пылевыми частицами.

Прямоточный тракторный газогенератор «Сабатье», работавший на древесном угле, отличался от других газогенераторов этого типа устройством двух зон горения. Одна действует тогда, когда трактор работает с небольшой нагрузкой, а другая − при полной нагрузке двигателя.

Газогенератор «Гоен-Пулен» относится к типу газогенераторов горизонтального процесса. Топливник газогенератора не имел футеровки. Сбоку было подведено воздушное сопло. Сопло охлаждалось циркулирующей водой. Вода на охлаждение сопла поступала из радиатора двигателя. Сопло было введено почти до вертикальной оси газогенератора, что способствовало сохранению теплоты в процессе и обеспечению высоких температур.

Напротив сопла располагалась решетка для грубой очистки газа при его отборе из газогенератора. Топливо загружалось сверху, через люк, и заполняло весь объем бункера. Газогенератор имел цилиндрическую форму. Газогенераторы «Гоен-Пулен» работали на древесном угле или буроугольных брикетах. В последнем случае газогенераторы снабжались двумя соплами, а после решетки устанавливалась еще и пылевая камера (зольник). Как разновидность газогенератора «Гоен-Пулен» можно упомянуть газогенератор конструкции «Хемельрук» (Германия), который отличался от первого тем, что вместо водяного охлаждения его сопло имело охлаждение воздушное.

Прямоточный газогенератор «Малбей» представляет интерес прежде всего тем, что может работать на буром угле.

Газогенератор «Барбье» (рис. 5), работавший по опрокинутому процессу газификации, был снабжен коническим футерованным топливником 1. В его нижней части располагалась подвижная колосниковая решетка 4. В верхней же части был помещен кольцевой воздухораспределительный канал 5 с радиальными фурмами. Они соединялись с вентилятором 6 для розжига генератора. Бункер 2 был снабжен загрузочным люком 3. Кожух 7 генератора, а также кожух 14 очистителя 12 имели водяную «рубашку».

Эти водяные «рубашки» были соединены с системой циркуляционного охлаждения мотора и служили для охлаждения газа, выходящего из генератора в очиститель по трубе 9. Кроме того, они предотвращали перегрев генераторного кожуха. В нижней части генераторного кожуха имелся люк 8 для удаления золы. Распределительная камера 11 в нижней части очистителя 12 служила приемником для газа, выпускаемого затем из очистителя к мотору по трубе 13. Вода же из системы охлаждения мотора помпой (не показана на чертеже) нагнеталась через патрубок 15 в нижнюю часть рубашки очистителя 12. Затем из верхней части этой рубашки вода трубкой 16 подводилась к баку 17, соединенному трубками 18 и 19 с «рубашкой» генераторного кожуха. Трубка 19 ответвлением 20 соединялась с охлаждающей водяной «рубашкой» мотора.

Тракторный газогенератор «Рено» являлся характерным типом конструкции опрокинутого процесса с центральным верхним подводом воздуха через сопло. Воздух здесь интенсивно подогревался, проходя через лабиринт сопла. Топливник имел форму опрокинутого усеченного конуса. Снизу топливника располагалась качающаяся колосниковая решетка. Топливом являлся древесный уголь.

Газогенератор «Панар» обращенного процесса газификации был также разработан для работы на древесном угле. В топливник, имеющий огнеупорную футеровку, подавалось топливо. В зону горения подавался предварительно подогретый воздух, который проходил вверх через кольцевой зазор между огнеупорной футеровкой и внешним кожухом. Газогенератор был оборудован сферической колосниковой решеткой, которая могла вращаться. Чистка газогенератора осуществлялась через зольниковые люки.

Газогенератор «Брандт» двухзонный и рассчитан на использование древесины, хотя небольшое количество древесного угля также было необходимо. Под цилиндрической рубашкой генератора находился цилиндрический же бункер, диаметр которого составлял ¼ наружного диаметра. В бункере находился древесный уголь, а пространство между бункером и рубашкой заполнялось древесиной. Через кольцевой зазор в бункере воздух подавался из загрузочного бункера генератора, а в первой зоне топливника имелись вертикальные фурмы. Воздух проходил вниз через древесину к колосниковой решетке зоны горения. Решетка изолировалась от теплоотдачи огнеупорной футеровкой и воздушным зазором. Бункер был опущен на 4/5 высоты между фурмами и решеткой. Под ним проходили газы, которые затем возносились через древесный уголь, выгоравший при этом. Очищенный газ отводился через верхний патрубок. Колосниковая решетка отличалась наличием вращающегося центрального сектора, доступ к которому возможен через смотровой люк на корпусе газогенератора.

Газогенератор «Роукс» горизонтального процесса газификации с виду напоминает дровяную печь. Он был спроектирован для установки на легковые автомобили и работал на брикетированном древесном угле. Топливо подавалось через два люка на верхней крышке генератора в бункер, опускаясь далее в зону горения. Воздух подавался в зону горения через вертикальные трубы, проходящие через испаритель и вокруг газоотводящей трубы. Далее воздух через узкое пространство между испарителем и топливником подавался к фурмам на колосниковую решетку, где и происходило горение топлива. На корпусе газогенератора имелся смотровой люк для наблюдения за работой газогенератора и его обслуживания.

Александр САМЫЛИН,
Михаил ЯШИН

Продолжение

История развития транспортных газогенераторов. Часть 1