الغاز الخشبي هو وقود الغاز التخليقي الذي يمكن استخدامه كوقود للأفران والمواقد والمركبات بدلاً من البنزين والديزل أو أنواع الوقود الأخرى. خلال عملية الإنتاج يتم تغويز الكتلة الحيوية أو غيرها من المواد المحتوية على الكربون في بيئة محدودة الأوكسجين لمولد غاز الخشب لإنتاج الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. ويمكن حرق هذه الغازات كوقود في بيئة غنية بالأكسجين لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون والماء والحرارة. يسبق هذه العملية في بعض الغازات الانحلال الحراري ، حيث يتم تحويل الكتلة الحيوية أو الفحم لأول مرة إلى الفحم ، مما يؤدي إلى إطلاق غاز الميثان والقطران الغني بالهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات.

التاريخ
بني غوستاف بيشوف في عام 1839 أول مغيِّر للغازات الخشبية. بنى توماس هيو باركر أول مركبة تعمل بالغاز من الأخشاب في عام 1901. وفي حوالي عام 1900 ، قامت العديد من المدن بإيصال غاز التخليق (الذي يتم إنتاجه مركزيًا من الفحم عادة) إلى المساكن. بدأ استخدام الغاز الطبيعي فقط في عام 1930.

تم استخدام سيارات الغاز الخشب خلال الحرب العالمية الثانية نتيجة لتقليد الوقود الأحفوري. في ألمانيا وحدها ، تم استخدام حوالي 500000 سيارة “غاز للمنتج” في نهاية الحرب. تم تجهيز الشاحنات والحافلات والجرارات والدراجات النارية والسفن والقطارات مع وحدة تغويز الخشب. في عام 1942 ، عندما لم يصل غاز الخشب بعد إلى ذروة شهرته ، كان هناك حوالي 73،000 عربة غاز خشبية في السويد ، و 65،000 في فرنسا ، و 10،000 في الدنمارك ، وحوالي 8000 في سويسرا. في عام 1944 ، كان لدى فنلندا 43،000 “عربات خشبية” ، منها 30،000 حافلة وشاحنة ، و 7000 سيارة خاصة ، و 4000 جرار زراعي و 600 قارب.

تم استخدام الغاز الخشب ، من بين أمور أخرى ، لدفع محركات الاحتراق الداخلي للسيارات. بنيت المولدات خارج الجسم أو حملت كمقطورة.تم ملء النظام التقني ، وهو جهاز تغويز الخشب ، بالحطب ، وعمل كمكبر صوتي ثابت. بالتدفئة ، هرب خليط الغاز القابل للاشتعال (غاز الخشب) من الخشب. حتى أوائل خمسينيات القرن العشرين ، كان عدد من الشاحنات الصغيرة قيد الاستخدام في ألمانيا برخصة قيادة خاصة ، حيث تم استخدام سجلات خشب الزان المعتمدة والمعتمدة فقط. كان حوالي لتر واحد من البنزين يمكن الاستعاضة عن كمية الغاز التي تم الحصول عليها من 3 كجم من الخشب. تم استدعاء الخشب ، الذي تم تجفيفه خصيصًا لتغويز الخشب وتمزيقه إلى الحجم المناسب ، بخشب الخزان وإنتاجه وتخزينه في ما يسمى مصانع الأخشاب.

في نهاية الحرب العالمية الثانية ، كان هناك حوالي 500000 سيارة غاز مولدة أو سيارات تعمل بالغاز في ألمانيا. وقد زودت شركة وزارة الطاقة المولدة بإمداداتها لحطب الوقود وغيره من أنواع وقود المولدات بمحطات التعبئة التابعة لها.

في الاتحاد السوفياتي ، كانت الشاحنات المليئة بالخشب منتجة بكميات كبيرة. وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى نماذج ZIS-21 (على أساس ZIS-5) و GAZ-42 ، والتي تم إنتاج ما يقرب من 35000 نسخة منها بين عامي 1939 و 1946. وكان السبب ، خاصة في أقصى شمال الاتحاد السوفيتي ، لم يتم تأمين إمدادات الوقود في 1930s و 1940s بعد.

يوجد في شانوالد في ليختنشتاين متحف خاص يضم حوالي 70 عربة غاز خشبية من الدراجة النارية إلى الجرار. السيارات القديمة صالحة للسير ويتم نقلها من وقت لآخر ، والتي تعمل مع النفايات من مصنع للأثاث.

لا تزال آلات تحويل الغازات الخشبية تصنع في الصين وروسيا للسيارات ومولدات للطاقة للتطبيقات الصناعية. يتم إعادة تجهيز شاحنات مزودة بمغازات خشبية في كوريا الشمالية في المناطق الريفية ، وخاصة على طرق الساحل الشرقي.

كجزء من المناقشة حول الاستخدام المتزايد للمواد الخام المتجددة في نهاية القرن العشرين وبداية القرن الواحد والعشرين ، تغويز الخشب وتغويز المواد العضوية الأخرى ، وخاصة المخلفات العضوية ، لاستعادة الوقود الغازي للحرارة وأخذت الطاقة مرة أخرى وتنفيذها في مصانع مظاهرة فردية. واستناداً إلى هذا الاستخدام النشط البحت ، تم أيضًا استخدام غاز المنتج كمواد خام للتخليق الكيميائي للوقود الحيوي ومنتجات الصناعة الكيميائية ، وسيتم تحقيقه في المستقبل القريب ، خاصة بالنسبة لوقود BtL ، و dimethyl ether والميثانول. . من خلال المعالجة التالية بالميثان والعلاج ، يمكن إدخالها في شبكة الغاز الطبيعي كغاز طبيعي بديل (SNG). كما يشار إلى غازات المنتجات عالية الجودة التي تحتوي على أكثر من 50 في المائة من الهيدروجين باسم ما يسمى الهيدروجين الحيوي.

الخصائص
يتكون غاز الخشب من مكونات احتراق ، بشكل رئيسي من أول أكسيد الكربون 34٪ والميثان 13٪ ، بالإضافة إلى نسب ثانوية من الإثيلين 2٪ والهيدروجين 2٪ ، بالإضافة إلى مكونات غير قابلة للاشتعال مثل النيتروجين 1٪ وثاني أكسيد الكربون 49٪ و بخار الماء. غاز الخشب حوالي 1.5 كجم / م 3 أثقل من الهواء في الظروف العادية. تبلغ القيمة الحرارية لغاز الأخشاب حوالي 8.5 MJ / m 3 في تغويز حراري تقليدي وأكثر من 12 MJ / m 3 في تغويز متعدد الحرارة.

وفقا للإنتاج ، قد يختلف تكوين غاز الخشب بشكل كبير. عند استخدام الهواء (21 vol.٪ Oxygen، 78 vol.٪ Nitrogen) ، يحتوي غاز المنتج على نسبة عالية جدًا من النيتروجين ، والذي لا يساهم في القيمة الحرارية للغاز ويقلل من إنتاج الهيدروجين. وعلى النقيض من ذلك ، لا تحتوي غازات المنتج على أي نيتروجين عند استخدام الأكسجين وبخار الماء ، وبالتالي يكون لها قيمة حرارية أعلى وعائد هيدروجين مرتفع.

استعمال

محرك الاحتراق الداخلي
يمكن لمولدات الغاز الخشبية أن تعمل إما بمحركات إشعال شرارة ، حيث يمكن استبدال كل الوقود العادي بتغيير بسيط في الكربوهيدرات ، أو في محرك الديزل ، لتغذية الغاز في مدخل الهواء الذي يتم تعديله ليكون لديه صمام خنق ، إذا كان انها بالفعل. على محركات الديزل ، مازالت هناك حاجة إلى وقود الديزل لإشعال خليط الغاز ، لذلك يجب تعديل وصلة “توقف” محرك الديزل التي يتم التحكم فيها ميكانيكيًا وربما ربط “دواسة الوقود” لإعطاء المحرك دائمًا القليل من الوقود المحقون ، غالبًا تحت المعيار حجم التباطؤ لكل حقنة. يمكن استخدام الخشب لتشغيل السيارات بمحركات الاحتراق الداخلي العادية إذا كان مدمرًا للخشب موصلاً. كانت هذه شعبية كبيرة خلال الحرب العالمية الثانية في العديد من البلدان الأوروبية والإفريقية والآسيوية ، لأن الحرب منعت الوصول السهل والفعال من حيث التكلفة للنفط. في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح غاز الخشب كطريقة نظيفة وفعالة للتدفئة والطهي في البلدان النامية ، أو حتى لإنتاج الكهرباء عند دمجها مع محرك الاحتراق الداخلي. بالمقارنة مع تكنولوجيا الحرب العالمية الثانية ، أصبحت أجهزة تنقية الغاز أقل اعتمادًا على الاهتمام المستمر بسبب استخدام أنظمة التحكم الإلكترونية المتطورة ، ولكن لا يزال من الصعب الحصول على الغاز النظيف منها. تنقية الغاز وإطعامه في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي هو واحد البديل لربطه بالبنية التحتية لإعادة التزود بالوقود الحالية. والإيذاء من خلال عملية فيشر – تروبش هو احتمال آخر.

كفاءة نظام التغويز عالية نسبيا. تحول مرحلة التغويز نحو 75٪ من محتوى طاقة الوقود إلى غاز قابل للاشتعال يمكن استخدامه كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي. استنادًا إلى تجارب عملية طويلة المدى وأكثر من 100 ألف كيلومتر (62،000 ميل) مدفوعة بسيارة تعمل بالغاز ، فقد ارتفع استهلاك الطاقة بنسبة 1.54 مرة مقارنة بالطلب على الطاقة لنفس السيارة على البنزين ، باستثناء الطاقة اللازمة لاستخراج ونقل وتكرير النفط الذي يشتق منه البترول ، وباستثناء الطاقة اللازمة لحصاد ومعالجة ونقل الخشب لإطعام الغاز. وهذا يعني أن 1000 كيلوغرام (2200 رطل) من المواد الخشبية القابلة للاحتراق قد وجد أنها تعادل 365 لترًا (96 جالونًا أمريكيًا) من البنزين أثناء النقل الحقيقي في ظروف قيادة مماثلة ومع نفس السيارة ، غير معدلة على خلاف ذلك. يمكن اعتبار ذلك نتيجة جيدة ، لأنه لا يلزم تكرير الوقود. كما تتناول هذه الدراسة جميع الخسائر المحتملة في نظام غاز الخشب ، مثل التسخين المسبق للنظام وحمل الوزن الزائد لنظام توليد الغاز. في مجال توليد الطاقة ، بلغ الطلب على الوقود 1.1 كيلوغرام (2.4 رطل) من المواد القابلة للاشتعال من الخشب لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء.

تم بناء أجهزة تنقية الهواء للمجتمعات الآسيوية النائية باستخدام هياكل الأرز ، والتي في كثير من الحالات ليس لها استخدام آخر. يستخدم أحد التركيبات في بورما مولدًا كهربائيًا معدّلًا بقدرة 80 كيلوواط يعمل بالديزل لحوالي 500 شخصًا بدون طاقة. يمكن استخدام الرماد كأسمدة الفحم النباتي ، لذلك يمكن اعتبار هذا وقودًا متجددًا.

انبعاثات غاز العادم من محرك الاحتراق الداخلي أقل بشكل ملحوظ على غاز الخشب مقارنة بالبنزين. خاصة انبعاثات الهيدروكربونات منخفضة على غاز الخشب. يعمل المحول الحفاز الطبيعي بشكل جيد مع غاز الخشب ، ولكن حتى بدونه ، يمكن تحقيق مستويات انبعاث أقل من 20 جزء في المليون من HC و 0.2٪ CO بسهولة بواسطة معظم محركات السيارات. ولا ينتج عن احتراق الغاز الحجري أي جسيمات ، وبالتالي يجعل الغاز الأسود قليلًا جدًا من الكربون بين زيت المحرك.

المواقد والطهي والأفران
تصميمات معينة للموقد هي ، في الواقع ، أجهزة تعمل بالغاز تعمل على مبدأ تكويم: الهواء يمر من خلال الوقود ، والذي يمكن أن يكون عمودًا من هياكل الأرز ، ويتم حرقه ، ثم يتم تخفيضه إلى أول أكسيد الكربون بواسطة الفحم المتبقي على السطح. ثم يتم حرق الغاز الناتج عن طريق الهواء الثانوي الساخن الذي يصل إلى أنبوب متحد المركز. مثل هذا الجهاز يتصرف إلى حد كبير مثل موقد غاز. يُعرف هذا الترتيب أيضًا باسم موقد صيني.

كما يوفر الموقد البديل الذي يعتمد على مبدأ خفض المستوى والذي يتم بناؤه عادة باستخدام أسطوانات متداخلة كفاءة عالية. يخلق الاحتراق من القمة منطقة تغويز ، مع تسرب الغاز لأسفل من خلال المنافذ الموجودة في قاعدة غرفة الموقد. يخلط الغاز مع هواء وارد إضافي لتوفير حرق ثانوي. يتم أكسدة معظم CO الناتج عن طريق التحويل إلى CO2 في دورة الاحتراق الثانوية. لذلك ، تحمل مواقد تغويز مخاطر صحية أقل من حرائق الطبخ التقليدية.

تطبيق آخر هو استخدام الغاز المنتج لتحل محل زيت الوقود الكثافة الخفيفة (LDO) في الأفران الصناعية.

استخدام الغاز
يمكن استخدام الغاز المنتج في تغويز الكتلة الحيوية بشكل فعال ومادي.

الاستخدام النشط من الاحتراق
الاستخدام الشائع حاليًا لخليط الغاز من تغويز الكتلة الحيوية هو استخدام المحرك (وفقًا لمبدأ البنزين أو الديزل) أو الاحتراق في المرمدات المقابلة لإنتاج الحرارة (البخار) والطاقة الكهربائية ، باستخدام قوة-قوة اقتران يتم تحقيق كفاءة تحويل الطاقة العالية جدا. يجب معالجة تكاثف غاز الخشب الناتج أثناء تبريد الغاز بشكل صحيح في هذه النباتات قبل إرساله إلى مياه مستقبلة ، حيث يتطلب مستوى عالي من الأكسجين البيوكيميائي. بدلا من ذلك ، يمكن تحويل خليط الغاز من تغويز الكتلة الحيوية في خلايا الوقود المؤكسدة الصلبة مباشرة إلى الكهرباء. وقد ثبت بالفعل المبدأ النشط في التجارب في عام 2004.

تستخدم كغاز التخليق
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام غاز منتج من أول أكسيد الكربون والهيدروجين للتوليف الكيميائي لمختلف المنتجات كغاز التخليق. الاستخدام المادي للغاز التخليقي من تغويز الكتلة الحيوية لا يزال في مرحلة التطوير ، مثل هذه المصانع حاليًا فقط في المعامل ومقياس العرض. وبناءً على ذلك ، فإن إنتاج واستخدام CO / H 2 -Synthesegas على نطاق واسع يتم حصريًا على أساس الغاز الطبيعي وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى مثل الفحم والنفتا.

إن خيارات الاستخدام الكيميائي – التقني هي في المقام الأول إنتاج الهيدروجين والإنتاج الناتج للأمونيا باستخدام عملية هابر – بوش ، وتوليف الميثانول ، وتوليف أكسيد الأكسيد وإنتاج الوقود الحيوي (الوقود BtL) وغيرها من المنتجات عن طريق التوليف الصياد – التروبك:

في تركيب الأمونيا وفقا لعملية هابر بوش

في توليف الميثانول

في تخليق oxo

في تركيب فيشر تروبش

بالإضافة إلى هذه التطبيقات الكيميائية التقنية ، يمكن أيضا استخدام syngas biotechnologically عن طريق تخمير الغاز التخليق. يمكن أن تكون منتجات هذا الخيار ، على سبيل المثال ، كحولات مثل الإيثانول ، البوتانول ، الأسيتون ، الأحماض العضوية والبوليمرات الحيوية. لا يزال هذا الاستخدام في مرحلة التطوير حاليًا ولا يستخدم وفقًا لذلك على نطاق واسع.

في جميع هذه الأنواع من الاستخدام ، يجب ملاحظة أن الماء يتكثف كجزء من سلسلة العملية مع تبريد الغاز وبدرجات متفاوتة حيث يكون مكثف غاز الخشب ملوثًا بشكل مختلف بالمادة العضوية ؛ إن التخلص السليم من مياه الصرف هذه (حوالي 0.5 لتر لكل كيلوجرام من الخشب) مدرج هنا في مخطط BtL باعتباره “منتجات ثانوية” ، ولكنه جزء لا يتجزأ من هذه الأنظمة.

إنتاج
يأخذ جهاز التغويز بالخشب رقائق الخشب أو نشارة الخشب أو الفحم النباتي أو الفحم أو المطاط أو المواد المماثلة كوقود ويحرقها بشكل غير كامل في صندوق النار ، وينتج غاز الخشب والرماد الصلب والسخام ، ويجب إزالة هذه الأخيرة بشكل دوري من جهاز التحويل إلى غاز.ويمكن بعد ذلك تصفية غاز الخشب للقطران وجسيمات السخام / الرماد ، ويتم تبريده وتوجيهه إلى المحرك أو خلية الوقود. معظم هذه المحركات لديها متطلبات نقاوة صارمة للغاز الحجري ، لذا فإن الغاز غالباً ما يمر عبر تنظيف الغاز المكثف من أجل إزالة أو تحويل ، أي “الكراك” ، القطران والجزيئات. غالباً ما يتم إزالة القطران باستخدام جهاز تنقية المياه. قد يؤدي تشغيل غاز الخشب في محرك احتراق داخلي غير محروق يعمل بالبنزين إلى تراكم إشكالي للمركبات غير المحترقة.

نوعية الغاز من مختلف gasifiers يختلف كثيرا. إن أجهزة التحويل الغازي المُقَسَّمة ، حيث يحدث الانحلال الحراري والتغويز بشكل منفصل ، بدلاً من منطقة التفاعل نفسها كما في الحالة ، على سبيل المثال ، أجهزة تحويل الغازات في الحرب العالمية الثانية ، يمكن هندستها لإنتاج غاز خالٍ من القطران (أقل من 1 مجم / م 3) ، في حين أن أجهزة تحويل الهواء ذات المائع الواحد ذات المائع قد تتجاوز 50.000 ملغم / م 3.تتميز مفاعلات طبقة السائل بكونها أكثر تعقيدًا ، مع سعة أكبر لكل وحدة حجم وسعر. اعتمادا على الاستخدام المقصود للغاز ، يمكن أن تكون القطران مفيدة ، وكذلك عن طريق زيادة قيمة التسخين للغاز.

إن حرارة احتراق “غاز المنتج” – وهو المصطلح المستخدم في الولايات المتحدة والذي يعني غاز الخشب المنتج للاستخدام في محرك الاحتراق – منخفض إلى حد ما بالمقارنة مع أنواع الوقود الأخرى. أفاد تايلور أن غاز المنتج يحتوي على حرارة حرارية أقل من 5.7 ميجا جول / كجم مقابل 55.9 ميجا جول / كيلوجرام للغاز الطبيعي و 44.1 ميجا جول / كيلوجرام للبنزين. عادة ما تكون حرارة احتراق الخشب 15-18 MJ / kg. من المفترض أن هذه القيم يمكن أن تختلف إلى حد ما من العينة إلى العينة. نفس المصدر يشير إلى التركيب الكيميائي التالي بالحجم الذي من المرجح أيضًا أنه متغير:

منتج غاز الفحم في مهرجان نامباسا البديل في نيوزيلندا في عام 1981
أثناء إنتاج الفحم للبارود ، يتم تهوية غاز الخشب المتطاير. نتائج الكربون عالية للغاية في منطقة السطح ، ومناسبة للاستخدام كوقود في مسحوق أسود.

النيتروجين N2: 50.9 ٪
أول أكسيد الكربون CO: 27.0 ٪
الهيدروجين H2: 14.0 ٪
ثاني أكسيد الكربون CO2: 4.5 ٪
الميثان CH4: 3.0 ٪
Oxygen O2: 0.6٪.

يشار إلى أن تركيبة الغاز تعتمد بشكل كبير على عملية التغويز ، وسط تغويز (الهواء ، الأكسجين أو البخار) ووقود الوقود. تسفر عمليات التغويز بالبخار عادة عن محتوى هيدروجين مرتفع ، وتنتج غاسلات سفلية ذات أسطوانات ثابتة ثابتة تركيزات عالية من النيتروجين وأحمال منخفضة من القطران ، في حين تنتج أجهزة التحويل الذاتي للغازات ذات الزعانف العالية أحمالاً عالية من القطران.

الوقود الحيوي
أيضا في إنتاج الوقود الحيوي ، يتم استخدام الغاز المنتج في غاز تغويز المنتج كغاز التخليق في عمليات التوليف الموصوفة بالفعل. وينصب التركيز على الوقود الغازي مثل الهيدروجين الحيوي ، وبدائل الغاز الطبيعي (الميثان ، SNG) وثنائي ميثيل الأثير ، وكذلك الوقود السائل مثل الميثانول وأنواع الوقود BtL. [8]

يتم استخراج الهيدروجين الحيوي من الغاز التخليقي عن طريق إصلاح البخار ، ويمكن إنتاج الميثان عن طريق الميثانول للغاز. لإعداد الميثانول وثنائي ميثيل الأثير ، يتم استخدام توليف الميثانول. يتم إنتاج الوقود BtL عبر توليف فيشر تروبش ، حيث يمكن إنتاج كل من أجزاء البنزين والديزل على أساس معايير العملية.