XXXIII. Ueber die Erzeugung und Anwendung der brennbaren Gase als Heizmaterial für industrielle Zwecke; von G. Michiels. Aus dem Recueil de la Société polytechnique, 1846 No. 16 bis 21. Mit Abbildungen auf Tab. IV und V. Michiels, über die Erzeugung und Anwendung der brennbaren Gase. Anwendung der Gase, welche aus mineralischen und vegetabilischen Brennstoffen, durch Zersetzung derselben in ihre nähern Bestandtheile und die unvollkommene Oxydation ihres Kohlenstoffs erzeugt werden. Der Hauptzweck hiebei ist, die sehr trockenen, schwer zu verbrennenden Brennstoffe, welche die untere Schicht der großen Kohlenformation bilden, sowie die Braunkohlen, Erdharze und den Torf der tertiären Gebirge und gleichzeitigen Formationen vortheilhaft zu benutzen. Die gegenwärtige Art die Brennstoffe anzuwenden, ist fehlerhaft, weil man dabei nur einen Theil ihres Nutzeffects erzielt. Der Verlust an Wärmestoff in den bestersonnenen Apparaten ist sehr groß, und noch weit größer bei ihrer gewöhnlichen Benutzung. Dieser Wärmeverlust wird bei ihrer Anwendung zu häuslichen und industriellen Zwecken so lange stattfinden, als man sich begnügt, die Brennmaterialien, so wie sie die Natur liefert, zu verwenden, weil ihre normale Verbrennung eine technische Unmöglichkeit ist; denn wenn ihnen nur so viel Luft zugeführt wird, als zur Verbrennung streng erfordert wird, so entweichen die entstandenen gasförmigen Producte, ehe sie noch ihre höchste Oxydation erreicht haben; man ist daher genöthigt diesen Uebelstand dadurch zu vermeiden, daß man eine größere Menge Luft zuläßt, welche in der Regel 2 1/2 mal so viel beträgt, als die nach der Berechnung erforderliche, diese nimmt aber die Temperatur der Flamme an und führt einen bedeutenden Theil des entwickelten Wärmestoffs mit fort. Wir wollen diese Betrachtungen in Ziffern erörtern und als Beispiel eine Dampfmaschine nach dem Watt'schen System, von niederem Druck mit Condensation wählen. Bekanntlich verbraucht diese Maschine, wenn die Kraft, wofür sie construirt ist, unausgesetzt in Anspruch genommen wird, 0,033 Meter bei 1 Atmosphäre Spannung verdampften Wassers per Pferdekraft und per Stunde. Auch ist bekannt, daß ihre mittlere Consumtion, wenn sie von gewöhnlichen Heizern bedient wird, 6 Kilogr. Steinkohlen per Pferdekraft und per Stunde beträgt. Gehen wir von diesen beiden Thatsachen aus, so können wir daraus schließen, daß 6 Kilogr. Steinkohlen mittlerer Güte in einem guten Feuerraum 0,033 Kubikmeter Wasser bei obenerwähnter Spannung verdampfen. Nun findet bei diesen Maschinen die Condensation statt, um im Cylinder einen Gegendruck von 0,040 Meter zu hinterlassen, was einer Temperatur von 35° C. für das Condensationswasser entspricht; die Speisepumpe liefert sonach dem Kessel Wasser von 35° C. Diese Angaben sind hinreichend, um die in einem guten Feuerraum zu nutze gemachten und zu Verlust gehenden Wärmemengen zu berechnen. Von 35° auf 100° C. übergehend absorbirt jedes von diesen 33 Kilogr. Wasser 65 Wärme-Einheiten, also 33 ×   65 =   2145 Wärme-Einheiten für die Verdampfung 33 × 550 = 18150     deßgl. ––––––––––––––––––               Nutzbringende Consumtion 20295 Wärme-Einheiten. Berechnen wir nun die Anzahl Wärme-Einheiten, welche 6 Kilogr. Kohle hervorbringen können, so haben wir dann nur noch eine Subtraction zu machen, um die Zahl für den Verlust zu erhalten. Wir können für die unter diesem Dampfkessel angewandte Kohle folgende Zusammensetzung annehmen: Kohlenstoff   87,96 Wasserstoff     5,24 Sauerstoff und Stickstoff     5,41 Asche     1,40 –––––– 100,00. Wir haben daher zu verwenden: 6 × 0,8795 = 5,270 Kilogr. Kohlenstoff 6 × 0,0524 = 0,310     „     Wasserstoff. Die 5,270 Kilogr. Kohlenstoff erfordern, um in Kohlensäure überzugehen 13,860 Kil. Sauerstoff Die 0,310 Kilogr. Wasserstoff absorbiren, um vollkommen zu verbrennen   2,480   „         „ ––––––––––––––––– Sauerstoff-Consumtion 16,340 Kil. welche von 71 Kilogr. oder 54,690 Kubikmeter Luft geliefert werden. Während ihres Durchzugs entwickelt der Kohlenstoff 38451 Wärme-Einheiten der Wasserstoff   6858       deßgl. ––––––––––––––––––– Summa 45309 Wärme-Einheiten. Obige nutzbringende Konsumtion 20295       deßgl. ––––––––––––––––––– Verlust: 25014 Wärme-Einheiten. Diese Zahl, welche den Verlust an Wärmestoff in einem der testen bekannten Apparate bis zur Evidenz nachweist, berechtigt uns zu der Annahme, daß im Allgemeinen nicht 20 Proc. der angewandten Brennstoffe zunutze gemacht werden. Suchen wir uns nun einen klaren Begriff von der Zerstreuung dieser verlorengehenden 25,014 Wärme-Einheiten zu machen. Ich sagte oben, daß der Act der Verbrennung in den Feuerräumen mit Rost sich zwischen zwei Klippen befinde – dem Verlust eines großen Theils des zur chemischen Zusammensetzung gehörigen Wasserstoffs und des gebildeten Kohlenoxyds, oder der Einführung einer größern Menge Luft, als zu einer vollkommenen Verbrennung gerade erforderlich ist. Nun entwickelt der Kohlenstoff bei seiner Verwandlung in Kohlenoxyd nur 1598 Wärme-Einheiten, während bei seiner Verwandlung in Kohlensäure diese Zahl sich auf 7858 erhöht; es ist daher von Wichtigkeit, die möglich größte Menge Kohlensäure zu erhalten und man entschließt sich aus diesem Grunde zu einem Verlust anderer Art, der aber von geringerm Belang ist, nämlich der Erkältung des Feuerraums durch die Zuführung einer größern Luftmasse. Ich sagte oben, daß diese eingelassene Luft im Mittel 2 1/2 mal so viel beträgt als die genau erforderliche; in dem zu unserer Berechnung gewählten Beispiel also wurden die 71 Kilogr. verwendeter Luft von ungefähr 100 weitern Kilogrammen Luft begleitet, welche nur dazu dienten, den Verlust an Kohlenoxyd und Wasserstoff zu vermindern. Diese 100 Kilogr. bei 10° C. eingetretener Luft verlassen den Feuerraum, nachdem sie sich ins Gleichgewicht der Temperatur gesetzt haben; sie nehmen eine Wärmemenge mit sich fort, welche für das dunkle Rothglühen angeschlagen werden kann = 100 Kilogr. × 790° × 0,2669 = 21085 Wärme-Einheiten. 0,2669 ist die nach den Versuchen von Delaroche und Bérard zuletzt als verläßlich angenommene Zahl für die specifische Wärme der Luft im Verhältniß zum Wasser. Wir finden folglich, daß die Erkaltung durch Einführung unnützer Luft 21/25 des oben berechneten Gesammtverlustes und 21/45 der Wärme beträgt, welche der Brennstoff entwickeln kann. Diese numerischen Resultate beweisen, daß die gegenwärtige Art die Brennstoffe zu benützen, mit mehreren davon unzertrennlichen Veranlassungen von Verlust behaftet ist; derselbe könnte wohl durch eine sehr umständliche Sorgfalt vermindert werden, niemals aber wird dieß in befriedigendem Grade der Fall seyn, so lange man die unmittelbare Anwendung der Brennstoffe, wie sie die Natur liefert, beibehält. Es müssen also neue Vorrichtungen erdacht werden, die den Verbrennungs-Proceß vollkommen machen und unabhängig von der Form und Größe des Feuerraums, der Feuercanäle und des Kamins. Die vortheilhaften Resultate, welche ich erhielt, gestatten mir mit Bestimmtheit zu erklären, daß die bedeutendste Ersparung, welche wir zu erzielen im Stande sind und durch die wir uns der theoretischen Berechnung sehr nähern, durch Abtheilen der Verbrennung in zwei besondere Operationen erreicht wird; hienach zerfällt die Verbrennung erstens in die Umwandlung der Brennstoffe in ihre nähern, oder bloß auf den niedrigsten Oxydationsgrad gebrachten Bestandtheile, und zweitens in die vollkommene Verbrennung oder höchste Oxydation dieser gasförmigen Producte. Letztere kann entweder durch freies Zulassen der atmosphärischen Luft zu den Gasen, oder vortheilhafter, in verschlossenen Gefäßen oder Oefen, durch Einblasen kalter oder warmer Luft in dem zur vollkommenen Oxydation dieser gasförmigen Producte erforderlichen Verhältniß bewerkstelligt werden. Man kann die gasförmigen Producte von dem Vergasungs-Apparate aus direct nach der Stelle ihrer Consumtion leiten (wohin sie die vom ersten Oxydationsgrad des Kohlenstoffs entwickelte Wärme mitnehmen und wo sie in großen Reservoirs, wie das Leuchtgas, vorräthig gehalten werden), um dann von ihnen nach Maaßgabe des Bedarfs und unter dem erforderlichen Druck Gebrauch zu machen. Der mit diesem Vorräthighalten der Gase verbundene Wärmeverlust ist von geringem Belange im Verhältniß zu den daraus entspringenden Vortheilen. Ich habe mich durch einen in sehr großem Maaßstab angestellten Versuch überzeugt, daß der durch diese gasförmigen Producte mitgerissene Wärmestoff zur Erwärmung des Vergasungs-Apparats verwendet werden könnte, wodurch dieser Verlust zu einem höchst unbedeutenden vermindert würde. Ich komme hierauf später zurück. Von der Umwandlung der Brennstoffe mineralischen und vegetabilischen Ursprungs in brennbare Gase. Bei dieser Umwandlung nimmt das Kohlenoxydgas die erste Stelle ein. Um dieses Gas in unbegränzter Menge zu erzeugen, wenn es auf seine Reinheit nicht ankommt, benutzt man die Verwandtschaft des Sauerstoffs zum Kohlenstoff in der Rothglühhitze. Man füllt eine Röhre mit Kohle, zündet letztere an einem Ende an, setzt dieses Ende in Verbindung mit einem Handblasebalg und die am andern Ende austretenden gasförmigen Producte sind dann verbrennungsfähig; es sind die mit dem Stickstoff der Luft vermengten brennbaren Gase. Während des Einblasens von Luft bildet der Sauerstoff derselben mit dem Kohlenstoff der ersten, im glühenden Zustand befindlichen Kohlenschichten Kohlensäure, CO² diese, durch neue Schichten Kohlenstoffs streichend, wird zu Kohlenoxydgas C² O² = CO + CO, d.h. ein neues Aequivalent Kohlenstoff verbindet sich mit dem Aequivalent der gebildeten Säure. Das Kohlenoxydgas ist aber nicht der einzige Brennstoff in diesem Gasgemenge, sondern man findet in demselben auch Wasserstoff, welcher durch Zersetzung des in der eingeblasenen Luft enthaltenen Wasserdampfes entsteht. Die Vorgänge bei diesem Experimente sind unabhängig von den Dimensionen der Röhre, wenn nur beständig Kohle nachgefüllt wird. Man kann daher, wenn man eine große Quantität brennbarer Gase erzeugen will, besagte Röhre in der Länge und Weite beliebig vergrößern, um dann im Verhältniß der Kohlenstoffmasse Luft einzublasen; man kann ferner der Röhre eine beliebige Neigung von 0° bis 90° geben, und folglich diejenige wählen, bei welcher das Einfüllen am leichtesten zu bewerkstelligen ist. Seit 4 Jahren habe ich dieses Verfahren mit Ausdauer verfolgt und es zur Behandlung des Zuckerrohrs behufs der Zuckerfabrication seit dem J. 1841 in den tropischen Ländern angewandt. Ich construirte einen 7 Meter großen Apparat in Form eines Kamins; derselbe ist oben mit einer gußeisernen Platte gedeckt, die einen weiten, unten mit einer Klappe versehenen Trichter zum Einfüllen der rohen Brennmaterialien trägt. Am Fuße des Mauerwerks, 1/2 Meter vom Boden entfernt, ließ ich eine Oeffnung für die Blasebalgröhre, und auf einer andern Seite einen Austritt für die Asche. Der innere, horizontale Durchschnitt dieses Vergasungsapparats ist ein Viereck von 0,60 Meter. Ich beschickte diesen Apparat mit kohlenstoffhaltigen Körpern verschiedenen Ursprungs, erhielt ihn bis zu verschiedenen Höhen angefüllt, wechselte mit dem Volum und der Spannung der eingeblasenen Luft und mit dem Durchmesser der Blasebalgröhre, wobei ich nie etwas anderes als brennbare Gase erhielt; dieß berechtigt mich zu der Behauptung, daß die Verwandlung der rohen Brennmaterialien in Gase mit der größten Leichtigkeit zu bewerkstelligen ist. Um ein größeres Quantum Kohlenstoff vorräthig zu halten, construirte ich einen andern Apparat von gleicher Höhe, dessen oberer Theil aus einem unten sich verengenden Schacht bestand, welcher die Region, worin der erwähnte Proceß vor sich geht, nachfüllend speiste. Ich fand nämlich, daß der Vergasungsproceß innerhalb einer einen Meter großen Zone von dem Niveau der Windformen ausgehend stattfindet, und kann daher die Oeffnung zum Austritt des Gases unmittelbar über dieser Gränze anbringen. Diese Anordnung vermindert bedeutend den Kraftaufwand, welcher für die Ventilation erforderlich wäre, wenn die Gase die ganze Säule des Brennmaterials durchstreichen müßten, um endlich in ihre Ableitungsröhre am obern Ende des Schachts zu gelangen, wie dieß bei den Hohöfen der Fall ist. Eine Folge dieser Einrichtung ist auch, daß der Theer und die andern verdichtbaren Producte, welche bei der trockenen Destillation gewisser Brennstoffe in den obern Zonen entstehen, auf ihrem Wege durch die untere Zone, wo der Austritt (der Gase) stattfindet, verbrennen; denn diese Zone ist wenigstens dunkelrothglühend. Dieser Bedingung muß entsprochen werden, wenn man nicht Gefahr laufen will, daß sich die Leitungsröhren und Verbrennungsröhren in Folge der Verdichtung dieser Substanzen verstopfen, welche kostspielige Erfahrung ich zu machen hatte. Um die Gasentwickelung zu befördern und das Absetzen der Kohlenstückchen und des größten Theils des Kohlenstaubs, welche mit den Gasen fortgerissen werden, zu bewirken, ließ ich einen verhältnißmäßig großen Raum für sie, welcher kreisförmig um die Rast in der Höhe des Gasaustritts herumläuft. Zu diesem Behuf verengerte ich den Schacht unten durch eine Steinschicht, welche einen hervorstehenden Mauerkranz über der Rast bildet. Die Brennstoffbeschickung erweitert und öffnet sich von dieser Verengung aus und läßt einen leeren ringförmigen Raum unterhalb des Vorsprungs. Hier vereinigen sich die Gase und verlassen ihre aufsteigende Richtung, um diesen horizontalen Weg einzuschlagen, welcher sie an die Austritts-Mündung führt. Wir ersehen aus diesen Betrachtungen, daß die Höhe des Apparats ohne Einfluß auf die Gaserzeugung ist und der Schacht nur als Magazin für den Brennstoff dient. Hinsichtlich der Details des Gaserzeugers verweise ich auf die Erklärung der Abbildungen. Nachdem ich mich hinreichend überzeugt habe, daß der ununterbrochenen Erzeugung brennbarer Gase in einem Vergasungs-Apparat, der noch kolossaler ist als die größten Hohöfen, nichts im Wege steht, beabsichtige ich bei meiner Zurückkunft nach Europa einen Apparat herzustellen, der eine Beschickung von 100,000 Kilogr. Kohlenstoff aufnimmt und in 24 Stunden das Zehnfache dieser Quantität verbraucht. Zu diesem Behufe wird der Apparat 398,154 Kubikmeter Sauerstoff durch Einblasen von 1,915,012 Kubikmeter Luft erhalten. Auch wird in ihn Wasserdampf geleitet werden (gemäß der Erklärung der Abbildungen); das Volum dieses Dampfs, auf die Spannung von 760 Millimeter reducirt, beträgt 957,506 Kubikmeter. Unter diesen Umständen wird der Vergasungs-Apparat (die Volume auf 0° Temperatur und 760 Millimet. Druck berechnet) liefern: auf Rechnung des eingeblasenen Sauerstoffs   797,028 Kubikm. Kohlenoxyd auf Rechnung des Sauerstoffs von der Zersetzung desWasserdampfs   957,506         deßgl. –––––––––––––––––– Gesammt-Volum des Kohlenoxyds 1,754,534 Kubikm. Durch Zersetzung des Wasserdampfs erzeugter Wasserstoff    957,506 Kubikm. Auf Rechnung der eingeblasenen Luft an Stickstoff 1,516,498      „ Verwandeln wir diese Volume in Gewichte, so erhalten wir folgende Quantitäten: 1,754,534 Kubikmet. Kohlenoxyd wiegen 2,181,061 Kilogr.   957,506      „ Wasserstoff     „     85,636     „ 1,516,498      „ Stickstoff     „ 1,922,161     „ Wir wollen nun mit Hülfe dieser Daten und der Wärme-Capacitäten der Gase die Quantität des für diese Art von Vergasung aufgeopferten Wärmestoffs zu ermitteln suchen. Ein Kubikmeter Kohlenstoffdampf entwickelt bekanntlich, wenn er sich mit einem Kubikmeter Sauerstoff verbindet, 1,598 Wärme-Einheiten; wir können demnach die Summe des im Apparat abgesetzten Wärmestoffs berechnen. Wir werden dann auch seinen Verbrauch bestimmen. Der Gaserzeugungs-Apparat erhielt: durch die Bildung von Kohlenoxyd                                           1754534/100 × 1598 = 1,401,872,666 Wärme-Einheiten, durch das Einführen von Wasserdampf       366,925,000 Summa des in 24 Stunden erhaltenenWärmestoffs 1,768,797,666. Der Wärmeverbrauch kann durchAufstellung folgender Verhältnisse,welche sich auf die specifische Wärmeder verschiedenen Gase und auf dieTemperatur des Ofens gründen, welcheletztere wenigstens 800°C. betragen muß,festgestellt werden. 2,181,061 Kil. × 0,2884 × 800° = dem vonder Kohlensäure fortgeführten Wärmestoff =    503,214,392     85,636 Kil. × 3,2936 × 800° = dem vondem Wasserstoff fortgeführten Wärmestoff =    225,640,577 1,922,161 Kil. × 0,2734 × 800° = dem vomStickstoff fortgeführten Wärmestoff =    420,415,053 –––––––––––––– Summa des durch die Gasentwickelungverbrauchten Wärmestoffs 1,149,270,022 ––––––––––––– DifferenzDer auf Tab. IV und V abgebildete Gaserzeugungs-Apparat besteht aus einer äußern starken Mauer, einem Rauhschacht von feuerbeständigen Backsteinen, einem Herd mit einer Rast und einem hervorspringenden Mauerkranz von Puddingstein darüber; ich muß aber bemerken, daß ich überall, wo ich heißes Wasser oder Wasserdampf zu Bade-Etablissements, Dampfmaschinen und andern Zwecken verwenden könnte, ich den Gaserzeuger von Eisenblechtafeln construiren würde, welche wie Hochdruckdampfkessel zusammengefügt und genietet würden. Bei dieser Construction würden der Herd, die Rast und der innere Rauhschacht von einer Eisenblechwand gebildet werden; eben so die äußere Mauer. Der zwischen diesen beiden Wänden enthaltene Raum würde vom Wasser und dessen Dampf eingenommen. Auf diese Weise könnte der Verlust an Wärmestoff durch Berührung und Strahlung auf einen ganz unmerklichen reducirt werden.    619,527,644 Nehmen wir an, daß diese Differenz von 619,527,644 Wärme-Einh. nebenbei zur Deckung des sehr kleinen Verlustes an Wärmestoff diene, welchen der Apparat durch Ausstrahlung oder Berührung erleidet, daß sie aber vorzüglich den bei der Verwandlung des Wassers in Dampf latent werdenden Wärmestoff liefere) nehmen wir ferner an, daß die 1,149,270,022 Wärme-Einheiten, welche von dem brennbaren Gemenge fortgeführt werden, nur zur Erzeugung des Wasserdampfs dienen können, welcher bei der Gasbildung und durch die Triebkraft des Gebläses consumirt wurde, so daß der einzige Nutzeffect der Operation der wäre, in das Reservoir ein brennbares Gemenge von 0° Temperatur zu liefern. Bei dieser Sachlage, welche als die ungünstigste betrachtet werden kann, die eintreten könnte, finden wir, daß wir 924,552 Kilogr. Kohlenstoff verwendet haben, um 2,181,061 Kilogr. Kohlenoxyd und      85,636     „ Wasserstoff zu erhalten. Untersuchen wir nun einmal, was diese Menge Kohlenstoff bei dem gegenwärtigen System der Verbrennung zu erzeugen vermag; und ermitteln wir auch den Nutzeffect, der von unserm Gasgemenge hervorgebracht werden kann; diese Vergleichung wird uns eine richtige Vorstellung von dem relativen Werth beider Systeme verschaffen. Ich zeigte oben, daß die Notwendigkeit, unnütze Luft in unsere gegenwärtigen Feuerräume einzuführen, einen Verlust von 21/45 der Wärme verursacht, welche der Brennstoff zu entwickeln vermag. Die Anwendung dieses Erfahrungssatzes auf die           924,552 Kilogr. Kohlenstoff, mit welchen wir es zu thun haben,ergibt einen Verlust von           431,457 deßgl. ––––––––––––––––––– Bleiben nutzbringend übrig           493,095 welche an Wärme-Einheiten geben können 3,597,716,341 Das andere System aber gibt uns: von 2,181,061 Kilogr. Kohlenoxyd eineQuantität Wärme-Einheiten, welche bestimmtwird durch 1,754,534 Kubikmeter × 3130 = 5,491,691,420 von 85,636 Kilogr. Wasserstoff eine Quantitätvon 85,636 × 555 = 2,959,151,980 ––––––––––––––          Summa 8,450,843,400 Wärme-Einh. Hievon ist der von dem Stickstoff des Gemengesunnütz absorbirte Antheil abzuziehen; diese Quantitätergibt sich gleich 1,922,161 Kil. × 0,2734 × 790 =    414,369,220 –––––––––––––– bleiben nutzbringend übrig 8,036,474,180 Wärme-Einh. Nach dieser Erörterung muß man anerkennen, daß der durch das unmittelbare Verbrennen der Brennstoffe, wie sie die Natur liefert, erhaltene Nutzeffect zu demjenigen beim neuen System sich verhält wie 36 zu 80. Zu dieser Ersparung von mehr als 50 Proc. an Brennmaterial kommt aber bei dem neuen System noch der Vortheil, daß wir durch dasselbe in Stand gesetzt sind, den schwer zu verbrennenden Anthracit und mehrere Brennstoffe von geringem Werth vortheilhaft zu verwenden. Ich werde mich zunächst beschäftigen mit der Anwendung des neuen Systems: a) zum Heizen der Wohnungen und zu häuslichen Zwecken überhaupt; b) in den Gewerbszweigen, welche in Städten betrieben werden, z.B. in der Schlosserei, Färberei, Bäckerei, Branntweinbrennerei etc.; c) zur Fabrication und zum Raffiniren des Zuckers aus dem Zuckerrohr und den Runkelrüben; d) zur Erzeugung von Wasserdampf als Triebkraft für stationäre und Schiffs-Dampfmaschinen; e) zur Behandlung mehrerer Erze; f) endlich zur Beleuchtung von Privathäusern, öffentlichen Gebäuden und Straßen und überhaupt zur Erzeugung von Licht. (Die Fortsetzung folgt im nächsten Heft.)