V. Ueber die Verwendung der flüssigen Kohlenwasserstoffe (des Petroleums, der Theere, der Schweröle) zur Erzeugung hoher Temperaturen und zum Heizen der Dampfmaschinen; von Paul Audouin, Civilingenieur. Aus den Annales de Chimie et de Physique, 4. série, t. XV p. 30; September 1868. Mit Abbildungen auf Tab. II. Audouin, über Verwendung der flüssigen Kohlenwasserstoffe zur Erzeugung hoher Temperaturen und zum Heizen der Dampfkessel. Die Steinkohle und ihre Abänderungen, der Anthracit, die Braunkohle etc. sind als die einzigen Brennmaterialien zu betrachten, welche die für die Bedürfnisse der großen Industrie der Jetztzeit erforderliche Wärmemenge auf billige Weise zu liefern vermögen; indessen ist die Verwendung dieser Substanzen in ihrem natürlichen Zustande unter manchen Umständen mit praktischen Schwierigkeiten verbunden, welche die Erzeugung sehr hoher Temperaturen unter den vortheilhaftesten Verhältnissen nicht gestatten. Diesem Uebelstande hat man in neuerer Zeit abzuhelfen gesucht, und durch Verbrennen der Gase, in welche die genannten festen Brennmaterialien in besonderen Apparaten umgewandelt werden, ist man dahin gelangt, die für die Industrie nöthigen höchsten Temperaturen auf verhältnismäßig billigem Wege hervorzubringen. Dieses zuerst von Ebelmen angegebene Verfahren wird jetzt mit Hülfe der Apparate des Hrn. Siemens industriell ausgeführt; dieser Erfinder verwendet brennbare Gase, welche in ihrer Zusammensetzung nur wenig verschieden sind und mit möglichst wenig überschüssiger Luft verbrannt werden, wodurch man die höchste Temperatur zu erzeugen im Stande ist. Bei der directen Anwendung der Steinkohle in Herden ist man nicht im Stande unter den für den Verbrennungsproceß geeignetsten Verhältnissen zu operiren; denn entweder findet eine unvollständige Verbrennung der von der Steinkohle gelieferten flüchtigen Producte statt und es bildet sich auch Kohlenoxyd in Folge des Hindurchtretens der Luft durch das in Kohks verwandelte Brennmaterial, oder die Verbrennung erfolgt unter Zutritt von überschüssiger Luft und in Folge dieser im Ueberschusse in den Herd zugeführten Luft wird die Temperatur herabgedrückt. Gewöhnlich operirt man mit überschüssig in den Herd zugeführter Luft, um den Verlust der flüchtigen Substanzen, sowie denjenigen zu vermeiden, welcher aus der Umwandlung des Kohlenstoffes in Kohlenoxydgas resultiren würde. Bei der Verwandlung der Brennstoffe in Gas von homogener Beschaffenheit, welches keinen Absatz (Asche) gibt, hat man mit diesen Uebelständen nicht zu kämpfen; bei gut eingerichteten Apparaten ist man im Stande, den Verbrennungsproceß mit dem Minimum von Luft durchzuführen und somit eine sehr hohe locale Temperatur hervorzubringen. Allein es ist zu beachten, daß diese Umwandlung der Kohks in brennbare Gase (Kohlenoxyd), welche mittelst des Hindurchdringens der Luft durch das Brennmaterial bewerkstelligt wird, nicht stattfinden kann, ohne daß gleichzeitig der dem Sauerstoffe dieser Luft beigemischte Stickstoff sich dein brennbaren Gasgemisch zugesellt. Somit besteht das auf diese Weise entstandene Gasgemisch, selbst wenn die Umwandlung des Sauerstoffes in Kohlenoxydgas eine vollständige ist, aus ungefähr 70 Volumen indifferentem Gase (Stickstoff) und 30 Volumen Kohlenoxyd. Wie leicht begreiflich, kann unter diesen Umständen die durch die Verbrennung des Kohlenstoffes erzeugte Wärme nicht vollständig ausgenutzt werden. Der Theorie nach muß man die höchste Temperatur erhalten, wenn man die brennbaren Gase in reinem Zustande mit dem dieselben verbrennenden Gase in dem zur vollständigen Verbrennung genau erforderlichen Verhältnisse zusammenbringt. Wirklich gelang es H. Sainte-Claire Deville, durch Verbrennen von reinem Wasserstoff, oder noch besser von dem aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehenden Leuchtgase, mit reinem Sauerstoff, die zum Schmelzen des Platins erforderliche Temperatur zu erzeugen, so daß das in einem Kalktiegel befindliche Metall zu Zainen von mehreren hundert Kilogrammen vergossen werden konnte. Leider ist das Leuchtgas theuer, und auch das Sauerstoffgas läßt sich noch immer nicht so billig herstellen, daß es außerhalb der Laboratorien benutzt werden könnte. Um in der Praxis zu annähernd vollkommenen Resultaten zu gelangen, mußte man eine wohlfeile Substanz ermitteln, welche sich in Dampf zu verwandeln vermag, indem man provisorisch zu deren Verbrennung dem Sauerstoff die Luft substituirte. Eine solche Substanz kommt an zahlreichen Stellen in der Erde vor und wird bergmännisch gewonnen; wir meinen das Petroleum, Bitumen etc. Der beim Verkohlen der Steinkohlen und bei der Gewinnung des Leuchtgases aus Steinkohlen als Nebenproduct erhaltene Theer besitzt, von dem uns hier beschäftigenden Standpunkte betrachtet, analoge Eigenschaften. Diese verschiedenen flüssigen Kohlenwasserstoffe, welche bisher allerdings in einer im Verhältnisse zu den Steinkohlen sehr geringen Menge gewonnen wurden, gestatten jedoch Resultate zu erzielen, welche hinsichtlich hoher Hitzegrade und unter manchen Umständen auch in Bezug auf leichte Verwendung der erzeugten Wärme so ausgezeichnet sind, daß es ganz natürlich war, wenn erfinderische Köpfe sich mit dieser Frage beschäftigten, namentlich in den Ländern wo die erwähnten Substanzen in reichlicherer Menge vorkommen und ohne große Mühe gewonnen werden können. Die in der neuesten Zeit in Amerika abgeführten Versuche hatten hauptsächlich die Verwendung der aus der Erde gewonnenen Oele (des Petroleums) zur Erzeugung von Wasserdampf, besonders zum Heizen der Schiffskessel, zum Zwecke. Die ersten Erfinder, welche in Amerika die Benutzung der Mineralöle und vorzugsweise des Petroleums zu dem gedachten Zwecke versuchten, wendeten ein complicirtes Verfahren an, welches wesentlich darin besteht, diese Oele in einem besonderen Destillirapparate in Dämpfe zu verwandeln und diese dann im Herde zu verbrennen, und zwar unter gleichzeitiger Zuführung eines Dampfstromes, durch welchen der Verbrennungsproceß begünstigt und eine längere, weniger rauchende Flamme erzeugt werden sollte. Bei einer anderen Anordnung wurde das Oel mittelst überhitzten und dann in einen gewöhnlichen Herd injicirten Wasserdampfes in Dämpfe verwandelt; die zur Verbrennung erforderliche Luft fand durch zahlreiche kleine, in der Thür angebrachte Oeffnungen Zutritt. Bei diesen Methoden finden durch den Wasserdampf bedeutende Wärmeverluste statt. Ein Theil des im Herde zersetzten Dampfes regenerirt sich allerdings auf seinem Wege und gibt einen Bruchtheil der zu seiner Zersetzung verbrauchten Wärme zurück; es ist aber nicht möglich, den Verlust eines Theiles der Wärme zu vermeiden, welche mit den Verbrennungsproducten in Form von latenter Wärme durch den regenerirten Wasserdampf mitgerissen wird. Bei einem dritten, im Herbste 1867 an Bord des nordamerikanischen Kanonenbootes „Palos“ probirten Systeme wurde die als Foote's Retortenapparat bezeichnete EinrichtungBeschrieben im polytechn. Journal Bd. CLXXXVII S. 211. benutzt und Wasserdampf gar nicht angewendet. Das Mineralöl ward in einem besonderen Destillirapparate in Dampf verwandelt und dieser wurde nebst der zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung erforderlichen Luftmenge mittelst einer kräftigen Luftpumpe continuirlich eingeblasen. Diese verschiedenen Einrichtungen, mit Ausnahme der letztgedachten, veranlagen einen wesentlichen Wärmeverlust. Sie erfordern sämmtlich die Benutzung von Wasserdampf oder von mechanischen Apparaten, Pumpen etc., und es ist auch zu befürchten, daß die Umwandlung der Mineralöle in Dämpfe in einem besonderen Destillirapparate – eine Anordnung welche bei allen diesen Systemen adoptirt ist – eine Complication bildet, deren Schattenseiten erst nach einem längeren Gebrauche sich herausstellen werden. Diese Ansicht findet ihre Bestätigung in der Zeitschrift American Artizan vom 8. Mai 1868, in welcher es heißt: „Was die Dauerhaftigkeit des Apparates anbetrifft, so ist dieselbe von der Art, daß sie von der Benutzung des Petroleums zu Heizzwecken noch mehr abschrecken muß; denn wenn man die hohe Temperatur berücksichtigt, bei welcher dieses Material Dampfform annimmt, so läßt sich die Nothwendigkeit unaufhörlicher Reparaturen mancher Theile des Apparates von vorn herein nicht in Zweifel ziehen. Gleichwohl müssen wir hier noch den wichtigsten Einwurf erwähnen, welcher gegen diese Heizmethode gemacht werden kann. Derselbe beruht darauf, daß sich bei der Anwendung des Petroleums in den Retorten und Röhren Kohle, Kohks und andere unverbrannte Substanzen absetzen. Bei den abgeführten Versuchen zeigte sich, daß die Röhren und die verschiedenen Leitungen sich nach Verlauf von nicht ganz 48 Stunden dermaßen verstopft hatten, daß sie auseinander genommen und gereinigt werden mußten.“ Dazu kommt noch, daß der Apparat sehr theuer ist; nach Angabe des American Artizan betragen die Kosten für jeden Dampfkesselherd 1250 Frcs. Die von mir gewählte Vorrichtung, von welcher sich ein Exemplar auf der letzten Pariser Welt-Ausstellung befand, zeigt sich von den angegebenen Uebelständen frei; sie functionirt vermittelst des in Substanz angewendeten Oeles, ohne Beihülfe mechanischer Hülfsmittel, durch den natürlichen Zug der Feuerungen. Dieser Apparat ist so einfach, daß seine Unterhaltungskosten als Null betrachtet werden können; er läßt sich eben so gut zur Erzeugung von Dampf, als zur Erzielung der höchsten in der Technik bisher bekannten Temperaturen benutzen. Die Verwendung der Schweröle des Steinkohltheeres zur Dampferzeugung versuchte ich zum erstenmale im Juli 1865 auf der Theerfabrik in la Villette (bei Paris). Diese Versuche, welche wegen besonderer Umstände bald unterbrochen werden mußten, wurden mit Benutzung der eben erwähnten Vorrichtung Anfangs September 1867 wieder aufgenommen. Der zwanzigpferdekräftige Dampfkessel hat einen inneren Heizraum mit an den Seiten zurückkehrender Flamme und steht mit einer noch anderen Oefen gemeinschaftlichen Esse in Verbindung. Das Innere des centralen cylindrischen Kesselkörpers, von welchem die gußeiserne Platte an der Vorderseite weggenommen worden, ist auf eine Länge von beiläufig 75 Centimeter mit einer walzenförmigen Garnitur von auf die hohe Kante gestellten feuerfesten Steinen versehen, welche dazu bestimmt ist, in dem eigentlichen Herde die zur Verflüchtigung und vollständigen Verbrennung des Oeles erforderliche Temperatur zu unterhalten und gleich' zeitig das Blech vor dem Verbrennen zu schützen. Die Thür, welche von einer aus einem einzigen Stücke feuerfesten Thones bestehenden. Platte gebildet wird, nimmt an ihrem oberen Theile eiserne Röhren auf die das Oel herbeileiten; letzteres wird von zwölf Hähnen vertheilt; jedem dieser Hähne gegenüber ist in der Thür eine Reihe von verticalen Spalten von ungefähr 5 Millim. Weite angebracht. Durch die Verbrennung der Steinkohlen- oder Petroleum-Schweröle in diesem Apparate vermag man bei einem nicht ganz 10 Millimeter Wasserdruck entsprechenden Zuge pro Kilogr. verbrannten Oeles 15 Kilogr. Wasser zu verdampfen. Analog dem so eben beschriebenen Apparate ist die von Dupuy de Lôme und H. Sainte-Claire Deville auf der kaiserlichen sechzigpferdekräftigen Yacht „Puebla“ angewendete Vorrichtung. Die Thür besteht, anstatt aus feuerfestem Thone, aus einer Reihe von verticalen gußeisernen Stäben, die an ihrem oberen Theile durch eine horizontale Platte mit einander verbunden sind, in welcher die dreizehn, zum Zuführen des Oeles dienenden Röhren stecken. Da in Folge der kleinen Dimensionen des nur einige Meter hohen Schornsteines und des geringen Durchmessers der Röhren, durch welche die Flammen streichen müssen, der Zug zu schwach war, so mußte man zum Anheizen einen Ventilator benutzen. Sobald im Kessel Druck entsteht, unterbricht man den Gang des Ventilators und leitet durch einen besonderen Hahn einen Dampfstrahl in die Esse. Während der Fahrt genügt das Blaserohr (welches wie bei den Locomotiven wirkt) um einen guten Zug zu erhalten. Man konnte mit diesem Apparat, ohne daß Rauchbildung stattfand, eine Geschwindigkeit von 242 Umdrehungen der Schraubenwelle erhalten mit einem Verbrauch von 96 Kilogrm. Oel per Stunde. Die Maschine dieses Dampfbootes ist eine Hochdruckmaschine ohne Condensation. Das Anheizen würde weit rascher von statten gehen und die Anwendung eines Ventilators zu diesem Zwecke unnöthig seyn, wenn man den Kessel so aufstellte, daß die Flamme unmittelbar in die Esse treten könnte, ohne die Röhren zu passiren, denn diese würden sich hierbei mit Ruß verstopfen, der sich bildet, wenn die Herdwände noch nicht stark genug erhitzt sind, um die Verbrennung des Oeldampfes unter normalen Umständen zu gestatten. Die beschriebene Einrichtung für die am häufigsten angewendeten Dampfkessel mit innerem Feuerraum ist auch bei Dampfkesseln mit Siederöhren, bei Locomotiven etc. anwendbar; in diesem Falle braucht man nur die Stäbe wegzulassen, den Aschenfall in Form einer Sohle anzuwenden und die Thür des Aschenraumes durch einen mit geeigneten Oeffnungen versehenen Rahmen zu ersetzen. Fig. 3 Tab. II stellt die Einrichtung eines mit innerem Feuerraum versehenen Dampfkessels dar; die punktirten Linien zeigen die Lage des Rostes und der Thür für den Fall wo mit Kohlen gefeuert werden soll, indem dann die zur Verbrennung des Oeles dienenden verticalen Roste weggenommen werden. Fig. 4 zeigt eine Abänderung in der Vertheilung des Oeles, bei welcher nur ein einziger Hahn nöthig ist; hier gelangt das Oel in eine Art Rinne und wird durch eine Reihe von Einschnitten vertheilt, welche oberhalb der Lufteintrittsöffnungen, diesen gegenüber, angebracht sind. Die Vortheile, welche die Verwendung der Schweröle zum Heizen der Dampfkessel, namentlich von Transportschiffen gewährt, sind zahlreich: bessere Ausnutzung des für das Brennmaterial bestimmten Raumes; größere Dampfproduction als mit Kohlen bei gleichem Brennmaterialgewicht, folglich die Möglichkeit eine größere Gewichtsmenge von Waaren transportiren zu können; endlich Ersparniß an Arbeit für die Heizer. Ueberdieß muß hervorgehoben werden, daß die Steinkohlen-Schweröle, welche erst bei 200° C. zu destilliren beginnen, und das Rohpetroleum, nachdem diesem ungefähr 10 Proc. der leichtflüchtigen Hydrocarbüre (Essenzen) entzogen worden, keineswegs leicht entflammbar sind. Freiwillig fangen sie niemals Feuer, wogegen dieß bei Kohlen zuweilen vorkommt, und sie lassen sich in dichten, mit einem Wassermantel versehenen Blechbehältern leicht aufbewahren. Zur Erzeugung hoher Temperaturen gibt man dem Ofen eine seiner Bestimmung entsprechende Einrichtung (als Flammofen, Tiegelofen etc.) und läßt das Oel, wie bei den Dampfkesselöfen, durch an der Vorderseite angebrachte Oeffnungen eintreten (vergl. Fig. 1). Die Flüssigkeit verwandelt sich im Hinabfallen in Dämpfe und diese kommen nun mit der Luft in Berührung, welche durch die in der Thür angebrachten Oeffnungen eintritt; auf diese Weise entsteht eine Stich- oder Löthrohrflamme, welche sich durch bloße Vermittelung von Hähnen leicht in der zweckentsprechendsten Weise benutzen läßt. Man kann so nach Belieben in einer oxydirenden oder reducirenden Atmosphäre operiren. Bei gehöriger Bedienung des Ofens erfolgt die Verbrennung vollständig, ohne Rauchbildung, und das Oel hinterläßt nicht den geringsten Rückstand. Die zur Verbrennung verwendete Luftmenge übersteigt die nach der Theorie erforderliche nur um einige Procente. Wenn die Umstände es erfordern, kann man auch einen Ventilator oder einen anderen geeigneten Apparat zur Injection der Luft in dem Herd anwenden. Das beschriebene Verfahren läßt sich zum Heizen der kleinsten Oefen, z.B. der Muffelöfen für Laboratorien, benutzen. Die Anzahl und die Richtung der Löthrohrflammen muß selbstverständlich den Dimensionen und der Form des zu heizenden Ofens angepaßt werden. Werden die Oele in einem Ofen verbrannt, welcher die Hitze in einem kleinen Raum concentrirt (z.B. zum Schmelzen von Stabeisen), so entsteht eine so intensive Hitze, daß die besten feuerfesten Backsteine binnen einigen Stunden zusammenschmelzen. Diese von mir bereits vor mehreren Jahren gemachte Beobachtung veranlaßt mich einen kleinen Ofen herzustellen zum rasch ausführbaren, vergleichenden Probiren verschiedener Materialien auf ihre Feuerfestigkeit. Um dem eben erwähnten Uebelstande abzuhelfen, kann man zur Herstellung des Ofenfutters zusammengesetzte Substanzen, z.B. ist ein Gemenge von Graphit mit etwas Thon oder Magnesia, deren Feuerfestigkeit schon von vielen Chemikern sehr vortheilhaft benutzt wird, oder Bauxit, das zur Aluminiumfabrication dienende, sehr thonerdereiche Mineral, anwenden. Die schon bei den ersten Proben erzielten Resultate stellten die Vortheile heraus, welche die Verwendung der Mineralöle und anderer Hydrocarbüre gewähren würde. Im Vergleich mit Kohle und bei gleichem Gewicht erzeugen diese Substanzen beinahe die doppelte Dampfmenge. Mit ihnen ist man im Stande die, bisher nur in Laboratorien hervorgebrachten, höchsten Hitzegrade für industrielle Zwecke in praktischer Weise zu erzeugen. Nur die Frage bezüglich der verfügbaren Menge dieser Heizmaterialien, somit bezüglich ihres Preises, kann für ihre zukünftige Verwendung ein Hinderniß seyn. In Amerika kann dieß nicht der Fall seyn; hat doch ein einziger Staat der Union, Pennsylvanien, an Mineralölen in den letzten Jahren täglich über 13,000 Barrels, also beiläufig 1560 Tonnen à 1000 Kilogr. geliefert. Dagegen ist Frankreich in Bezug auf die Production flüssiger Kohlenwasserstoffe weit weniger begünstigt. Abgesehen von den wenigen Mineralölquellen im Elsaß wird solches Oel gegenwärtig nur durch Destillation der (7 bis 10 Proc. davon enthaltenden) bituminösen Schiefer gewonnen. Indessen gibt Cognet in einer neuen (im März 1868 erschienenen) Arbeit über diesen Gegenstand an, daß Frankreich, selbst wenn keine neuen Lagerstätten von bituminösem Schiefer entdeckt werden sollten, jährlich 1,084,000 Tonnen Schieferöl, also etwa den zehnten Theil der gesammten französischen Steinkohlenproduction, zu liefern vermag. Der Preis per Tonne würde sich am Gewinnungsplatze auf höchstens 100 Frcs. belaufen, und zwar vorausgesetzt daß kein vervollkommnetes Gewinnungsverfahren erfunden wurde und daß der Oelgehalt des Schiefers 7 Proc. nicht übersteigt. Andererseits beträgt die Menge der Schweröle, welche von den den Steinkohlentheer verarbeitenden Fabriken producirt werden, in Frankreich nur ungefähr 20,000 Tonnen jährlich, im Durchschnittspreise von 40 bis 50 Frcs. per Tonne; es könnte jedoch ein weit größeres Quantum erzeugt werden, wenn die Fabrikanten von Hüttenkohks in Folge der neuen Verwendungsweise der Schweröle sich entschließen würden, die bei der Destillation (Verkohkung) der Steinkohle sich entwickelnden und jetzt zum größeren Theile verloren gehenden theerigen Producte aufzufangen. Uebrigens würde sich auch der rohe Theer ebenso gut zur Heizung verwenden lassen, wie die durch Destillation desselben gewonnenen Schweröle; man würde in diesem Falle in Frankreich über mindestens 250,000 Tonnen (à 1000 Kilogr.) jährlich zu verfügen haben. Erklärung der Abbildungen. Fig. 1 und 2 stellen die Anordnung eines Flammofens dar. Fig. 1 ist der Aufriß (Schnitt nach CD der Fig. 2); Fig. 2 ist der Grundriß (Schnitt nach AB der Fig. 1). Bei B, Fig. 1, tritt die zur Verbrennung des Oeles erforderliche Luft in den Ofen. Fig. 3–6 zeigen die Anordnung des Ofens für einen Dampfkessel von zwanzig Pferdekräften. Fig. 3 ist ein verticaler Längendurchschnitt. Bei R, R tritt das Oel ein. (Die punktirten Linien stellen die Anordnung des Feuerraumes dar, wenn wie gewöhnlich mit Steinkohlen oder Kohks geheizt werden soll.) Fig. 5 stellt den Querschnitt des Rostes (nach OP der Fig. 3) dar; Fig. 6 den Querschnitt von einem Theile des Rostes (nach MN der Fig. 4). Die Pfeile in Fig. 5 und 6 bezeichnen die Richtung in welcher die Luft eindringt.