Фриц Винклер

Фриц Винклер (нем. Fritz Winkler; 12 апреля 1894, Йена — 24 октября 1964, Лейпциг) — немецкий инженер-химик и изобретатель, создатель первого промышленного газогенератора для газификации твёрдого топлива в кипящем (псевдоожиженном) слое. Его разработка заложила основы технологии, которая впоследствии получила широкое распространение в энергетике, химической промышленности и металлургии.

Биография

Ранние годы и образование

Фриц Винклер родился 12 апреля 1894 года в городе Йена (Тюрингия) в семье врача. После окончания гимназии в 1912 году поступил в Йенский университет имени Фридриха Шиллера, где изучал химию, физику и математику. В 1914 году, с началом Первой мировой войны, прервал обучение и был призван в армию. Служил в санитарных частях, затем в артиллерии. В 1918 году, после демобилизации, вернулся к учёбе. В 1920 году защитил докторскую диссертацию по физической химии под руководством профессора Макса Боденштейна.

Работа в промышленности

С 1921 года Винклер работал в концерне BASF (Баденское анилиновое и содовое производство, ныне BASF SE) в Людвигсхафене. Первоначально занимался исследованиями в области катализа и газовых реакций. В 1922 году перешёл в дочернее предприятие BASF — «Газовое общество» (Gasgesellschaft), где сосредоточился на проблемах газификации угля.

В 1926 году, после слияния BASF с другими компаниями в концерн IG Farbenindustrie (IG Farben — организация, признанная в 1945 году преступной Международным военным трибуналом в Нюрнберге), Винклер возглавил отдел разработки газогенераторов. В этот период он создал экспериментальную установку, которая в 1926 году продемонстрировала принципиальную возможность газификации бурого угля в кипящем слое.

Вторая мировая война и послевоенный период

В годы Второй мировой войны Винклер продолжал работу над усовершенствованием газогенераторов, однако его проекты не были реализованы в промышленных масштабах из-за ограниченности ресурсов. После войны, в 1945 году, IG Farben был расформирован, и Винклер перешёл на работу в компанию «Газ- и электротехническое общество» (Gas- und Elektrotechnische Gesellschaft) в Лейпциге, которая в 1949 году вошла в состав государственной корпорации ГДР «Феб Газтехник» (VEB Gastechnik).

В 1950-е годы Винклер занимался внедрением технологии кипящего слоя на предприятиях ГДР. В 1956 году он вышел на пенсию, но продолжал консультировать инженеров. Умер 24 октября 1964 года в Лейпциге.

Изобретение газогенератора с кипящим слоем

Предпосылки

К началу XX века традиционные способы газификации угля (например, в шахтных газогенераторах) имели существенные недостатки: низкая интенсивность процесса, неравномерное распределение температуры, малая производительность. Особенно остро стояла проблема переработки мелкозернистого угля и угольной пыли, которые не могли эффективно использоваться в обычных генераторах.

Принцип кипящего слоя

Винклер предложил пропускать газ (воздух или пар) через слой измельчённого угля снизу вверх с такой скоростью, чтобы частицы угля переходили во взвешенное состояние, напоминающее кипящую жидкость. В этом состоянии резко увеличивается поверхность контакта между газом и твёрдым топливом, что ускоряет химические реакции горения и газификации. Температура в кипящем слое поддерживается в диапазоне 800–1000 °C.

Первый промышленный газогенератор

В 1926 году Винклер построил опытную установку диаметром 0,5 метра и высотой 2 метра, которая успешно газифицировала бурый уголь. В 1927 году на заводе в Лойне (Саксония-Анхальт) был запущен первый промышленный газогенератор Винклера диаметром 2,5 метра и высотой 8 метров. Его производительность составляла до 10 000 кубометров генераторного газа в час.

Классификация и развитие технологии

Типы газогенераторов с кипящим слоем

Технология, изобретённая Винклером, дала начало нескольким поколениям газогенераторов:

• Газогенератор Винклера (Winkler-Generator) — классическая конструкция с неподвижной решёткой и подачей газа снизу.
• Газогенератор с циркулирующим кипящим слоем (CFB) — модификация, в которой частицы угля уносятся газовым потоком, отделяются в циклоне и возвращаются обратно.
• Газогенератор с пузырьковым кипящим слоем (BFB) — вариант с более низкой скоростью газа, при котором слой остаётся относительно стабильным.

Сравнение с другими методами

Применение

Энергетика

Генераторный газ, полученный по методу Винклера, использовался для отопления промышленных печей и котлов, а также для привода газовых двигателей. В 1930–1940-е годы такие установки работали на электростанциях в Германии, Чехословакии и Польше.

Химическая промышленность

Синтез-газ, получаемый в газогенераторах Винклера, служил сырьём для производства аммиака (по процессу Габера — Боша), метанола и других органических соединений. В 1930-е годы на заводе в Лойне был налажен выпуск аммиака из газа, полученного из бурого угля.

Металлургия

В 1950-е годы технология кипящего слоя была адаптирована для восстановления железной руды. Винклеровские газогенераторы применялись для получения восстановительного газа в процессе прямого восстановления железа.

Значение и наследие

Изобретение Фрица Винклера стало одним из ключевых этапов в развитии химической технологии XX века. Кипящий слой позволил значительно повысить эффективность газификации твёрдого топлива, снизить потери тепла и расширить сырьевую базу за счёт использования низкосортных углей. Впоследствии принцип кипящего слоя был применён не только в газификации, но и в каталитическом крекинге нефти, сушке сыпучих материалов, обжиге руд и сжигании отходов.

В современной энергетике технология Винклера используется в установках по газификации угля и биомассы, а также в процессах «чистого угля» (clean coal), направленных на снижение выбросов CO₂ и других загрязнителей. В России разработки в области кипящего слоя ведутся в Институте горючих ископаемых (ИГИ) и на ряде энергетических предприятий.

Интересные факты

• Первый газогенератор Винклера был построен вручную, без применения сварки — все соединения были фланцевыми.
• В 1930-е годы технология Винклера была засекречена, и публикации о ней появились только после войны.
• В 1950-е годы в ГДР на базе газогенераторов Винклера была создана первая в мире промышленная установка по газификации бурого угля с использованием кислорода.
• Имя Фрица Винклера носит одна из улиц в городе Лойна (Саксония-Анхальт).

Источники

• Winkler, F. «Die Vergasung von Braunkohle im Wirbelschichtverfahren» (1927) — оригинальная статья изобретателя.
• Bischoff, K. «Entwicklung der Wirbelschichttechnik in Deutschland» (1965) — монография по истории технологии.
• Schilling, H.-D. «Fritz Winkler und die Wirbelschichtvergasung» (1994) — биографический очерк к 100-летию со дня рождения.
• «Technische Chemie: Grundlagen und Verfahren» (2008) — учебник, раздел о газификации в кипящем слое.