Holzgas

Holzgas ist ein Synthesegas, der anstelle von Benzin, Diesel oder anderen Kraftstoffen als Brennstoff für Öfen, Öfen und Fahrzeuge verwendet werden kann. Während des Produktionsprozesses werden Biomasse oder andere kohlenstoffhaltige Materialien in der sauerstofflimitierten Umgebung eines Holzgasgenerators vergast, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. Diese Gase können dann als Brennstoff in einer sauerstoffreichen Umgebung verbrannt werden, um Kohlendioxid, Wasser und Wärme zu erzeugen. Bei einigen Vergasern geht diesem Prozess eine Pyrolyse voraus, bei der die Biomasse oder Kohle zuerst in Kohle umgewandelt wird, wodurch Methan und Teer freigesetzt werden, die reich an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen sind.

Geschichte
Der erste Holzvergaser wurde anscheinend 1839 von Gustav Bischof gebaut. Das erste mit Holzgas betriebene Fahrzeug wurde 1901 von Thomas Hugh Parker gebaut. Um 1900 lieferten viele Städte Synthesegas (zentral produziert, typischerweise aus Kohle) an Wohnhäuser. Erdgas wurde erst 1930 verwendet.

Holzgasfahrzeuge wurden während des Zweiten Weltkriegs als Folge der Rationierung fossiler Brennstoffe eingesetzt. Allein in Deutschland waren nach Kriegsende rund 500.000 „Producer Gas“ -Fahrzeuge im Einsatz. Lkw, Busse, Traktoren, Motorräder, Schiffe und Züge wurden mit einer Holzvergasungsanlage ausgestattet. Im Jahr 1942, als das Holzgas noch nicht so populär war, gab es in Schweden etwa 73.000 Holzgasfahrzeuge, in Frankreich 65.000, in Dänemark 10.000 und in der Schweiz fast 8.000. 1944 hatte Finnland 43.000 „Holzfahrzeuge“, davon 30.000 Busse und Lastwagen, 7.000 Privatfahrzeuge, 4.000 Traktoren und 600 Boote.

Holzgas wurde unter anderem zum Antrieb von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen verwendet. Die Generatoren wurden außerhalb der Karosserie gebaut oder als Anhänger getragen.Das technische System, der Holzvergaser, war mit Brennholz gefüllt und arbeitete als Festbettvergaser. Durch Erhitzen entwich das brennbare Gasgemisch (Holzgas) aus dem Holz. Bis Anfang der 1950er Jahre waren in Deutschland eine Reihe von Kleinlastwagen mit einem speziellen Führerschein im Einsatz, für den nur zertifizierte und zugelassene Buchenstämme verwendet werden konnten. Es konnte etwa ein Liter Benzin durch die aus 3 kg Holz gewonnene Gasmenge ersetzt werden. Das Holz, das speziell für die Holzvergasung getrocknet und auf die richtige Größe zerkleinert wurde, wurde als Tankholz bezeichnet und in sogenannten Tankwood-Fabriken produziert und gelagert.

Am Ende des Zweiten Weltkrieges gab es in Deutschland rund 500.000 Generatorgasautos oder Holzgasautos. Die Lieferung erfolgte durch das Ministerium für Stromerzeuger für Brennholz und andere Kraftstoffe mit den zugehörigen Tankstellen.

In der Sowjetunion wurden Holzvergaserkraftwagen in Massenproduktion hergestellt. Besonders erwähnenswert sind die Modelle ZIS-21 (basierend auf dem ZIS-5) und der GAZ-42, von denen zwischen 1939 und 1946 fast 35.000 Exemplare hergestellt wurden. Der Grund war, dass insbesondere im hohen Norden der Sowjetunion die Treibstoffversorgung in den 1930er und 1940er Jahren war noch nicht gesichert.

In Schaanwald in Liechtenstein gibt es ein privates Museum mit rund 70 Holzgasfahrzeugen vom Motorrad bis zum Traktor. Die Oldtimer sind verkehrssicher und werden von Zeit zu Zeit bewegt, das heißt mit Müll einer Möbelfabrik betrieben.

Holzvergaser werden immer noch in China und Russland für Automobile und als Stromerzeuger für industrielle Anwendungen hergestellt. In Nordkorea werden in ländlichen Gebieten, insbesondere auf den Straßen der Ostküste, mit Holzvergaser nachgerüstete Lkw eingesetzt.

Im Rahmen der Diskussion um die zunehmende Nutzung nachwachsender Rohstoffe Ende des 20. und Anfang des 21. Jahrhunderts, Holzvergasung und Vergasung anderer organischer Stoffe, insbesondere von organischen Reststoffen, zur Rückgewinnung von gasförmigen Brennstoffen für Wärme und Energieerzeugung wurden wieder aufgenommen und in einzelnen Demonstrationsanlagen umgesetzt. Ausgehend von dieser rein energetischen Nutzung wurde auch der Einsatz des Produktgases als Rohstoff für die chemische Synthese von Biokraftstoffen und Produkten der chemischen Industrie angestrebt und wird in naher Zukunft insbesondere für BtL-Kraftstoffe, Dimethylether und Methanol realisiert . Durch eine anschließende Methanisierung und Behandlung kann es als Substitute Natural Gas (SNG) in das Erdgasnetz eingespeist werden.Hochwertige Produktgase, die mehr als 50 Prozent Wasserstoff enthalten, werden auch als sogenanntes Biowasserstoff bezeichnet.

Eigenschaften
Holzgas besteht aus brennenden Bestandteilen, hauptsächlich aus Kohlenmonoxid 34% und Methan 13%, sowie geringen Anteilen Ethylen 2% und Wasserstoff 2%, sowie nicht brennbaren Komponenten wie Stickstoff 1%, Kohlendioxid 49% und Wasserdampf. Holzgas ist unter normalen Bedingungen etwa 1,5 kg / m 3 schwerer als Luft. Der Brennwert von Holzgas beträgt bei konventioneller autothermer Vergasung ca. 8,5 MJ / m 3 und bei allothermer Vergasung über 12 MJ / m 3.

Je nach Produktion kann die Zusammensetzung des Holzgases stark variieren. Bei Verwendung von Luft (21 Vol.% Sauerstoff, 78 Vol.% Stickstoff) enthält das Produktgas einen sehr hohen Anteil an Stickstoff, der nicht zum Brennwert des Gases beiträgt und die Wasserstoffausbeute verringert. Im Gegensatz dazu enthalten die Produktgase bei Verwendung von Sauerstoff und Wasserdampf keinen Stickstoff und haben dementsprechend einen höheren Heizwert und eine hohe Wasserstoffausbeute.

Verwendungszweck

Verbrennungsmotor
Holzvergaser können entweder Fremdzündungsmotoren antreiben, bei denen der gesamte normale Brennstoff durch geringe Änderung der Vergasung ersetzt werden kann, oder in einem Dieselmotor, der das Gas in den Lufteinlass einspeist, der modifiziert ist, um eine Drosselklappe zu haben, wenn dies der Fall ist Habe es schon. Bei Dieselmotoren wird der Dieselkraftstoff immer noch benötigt, um das Gasgemisch zu zünden. Daher müssen ein „reguliertes“ Gestänge und eine wahrscheinlich „Gas“ -Verbindung des Dieselmotors modifiziert werden, um dem Motor immer ein wenig eingespritzten Kraftstoff zu geben, oft unter dem Standard Leerlauf pro Injektionsvolumen. Holz kann verwendet werden, um Autos mit gewöhnlichen Verbrennungsmotoren anzutreiben, wenn ein Holzvergaser angebracht ist. Dies war während des Zweiten Weltkriegs in mehreren europäischen, afrikanischen und asiatischen Ländern sehr populär, weil der Krieg einen einfachen und kostengünstigen Zugang zu Öl verhinderte. In neuerer Zeit wurde Holzgas als eine saubere und effiziente Methode zum Erhitzen und Kochen in Entwicklungsländern oder sogar zur Stromerzeugung in Kombination mit einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen. Verglichen mit der Technologie des Zweiten Weltkriegs sind Vergaser aufgrund der Verwendung hochentwickelter elektronischer Kontrollsysteme weniger von ständiger Aufmerksamkeit abhängig, aber es bleibt schwierig, sauberes Gas von ihnen zu erhalten. Die Reinigung des Gases und die Einspeisung in Erdgasleitungen ist eine Variante, um es mit der bestehenden Betankungsinfrastruktur zu verbinden.Verflüssigung durch das Fischer-Tropsch-Verfahren ist eine andere Möglichkeit.

Der Wirkungsgrad des Vergasersystems ist relativ hoch. Die Vergasungsstufe wandelt etwa 75% des Energiegehalts der Brennstoffe in ein brennbares Gas um, das als Brennstoff für Verbrennungsmotoren verwendet werden kann. Basierend auf langfristigen praktischen Experimenten und über 100.000 Kilometer mit einem mit Holzgas betriebenen Auto, war der Energieverbrauch 1,54 Mal höher als der Energiebedarf des gleichen Autos für Benzin, mit Ausnahme der Energie, die für die Extraktion benötigt wird , transportieren und verfeinern das Öl, aus dem Benzin gewonnen wird, und schließen die Energie für die Ernte, Verarbeitung und den Transport des Holzes aus, um den Vergaser zu speisen. Dies bedeutet, dass 1.000 kg (2.200 lb) Holzbrennstoff bei einem echten Transport unter ähnlichen Fahrbedingungen und mit demselben, ansonsten unveränderten Fahrzeug 365 l (96 US gal) Benzin entsprechen. Dies kann als ein gutes Ergebnis angesehen werden, da keine weitere Verfeinerung des Kraftstoffs erforderlich ist. Diese Studie berücksichtigt auch alle möglichen Verluste des Holzgassystems, wie das Vorwärmen des Systems und das Tragen des zusätzlichen Gewichts des Gaserzeugungssystems. Bei der Stromerzeugung beträgt der gemeldete Brennstoffbedarf 1,1 Kilogramm (2,4 lb) Holzbrennstoff pro Kilowattstunde Strom.

Vergaser wurden für abgelegene asiatische Gemeinden mit Reishülsen gebaut, die in vielen Fällen keine andere Verwendung haben. Eine Installation in Burma verwendet einen 80 kW starken modifizierten Diesel-Generator für etwa 500 Menschen, die ansonsten ohne Strom sind. Die Asche kann als Pflanzenkohledünger verwendet werden, daher kann dies als erneuerbarer Brennstoff angesehen werden.

Die Abgasemission eines Verbrennungsmotors ist bei Holzgas deutlich geringer als bei Benzin. Vor allem die Kohlenwasserstoffemissionen sind bei Holzgas gering. Ein normaler Katalysator funktioniert gut mit Holzgas, aber auch ohne ihn können Emissionswerte von weniger als 20 ppm HC und 0,2% CO leicht von den meisten Kraftfahrzeugmotoren erreicht werden. Die Verbrennung von Holzgas erzeugt keine Partikel, und das Gas macht somit sehr wenig Ruß in Motoröl.

Öfen, Kochen und Öfen
Bestimmte Ofenkonstruktionen sind in der Tat Vergasungsvorrichtungen, die nach dem Aufwindprinzip arbeiten: Die Luft strömt durch den Brennstoff, der eine Säule aus Reishülsen sein kann, und wird verbrannt und dann durch die Restkohle auf der Oberfläche zu Kohlenmonoxid reduziert. Das entstehende Gas wird dann durch erhitzte Sekundärluft verbrannt, die in einem konzentrischen Rohr nach oben strömt. Ein solches Gerät verhält sich sehr ähnlich wie ein Gasherd.Diese Anordnung wird auch als chinesischer Brenner bezeichnet.

Ein alternativer Kaminofen, der auf dem Down-Draft-Prinzip basiert und in der Regel mit ineinander gesteckten Zylindern gebaut ist, bietet ebenfalls eine hohe Effizienz. Die Verbrennung von oben erzeugt eine Vergasungszone, wobei das Gas durch Öffnungen am Boden der Brennerkammer nach unten entweicht. Das Gas vermischt sich mit zusätzlicher zugeführter Luft, um eine sekundäre Verbrennung zu erzeugen. Der Großteil des durch Vergasung erzeugten CO wird im sekundären Verbrennungszyklus zu CO2 oxidiert; Vergasungsöfen haben daher ein geringeres Gesundheitsrisiko als herkömmliche Kochherde.

Eine andere Anwendung ist die Verwendung von Produktionsgas zur Verdrängung von Leichtöl (LDO) in Industrieöfen.

Gasverbrauch
Das bei der Biomassevergasung entstehende Gas kann sowohl energetisch als auch stofflich genutzt werden.

Energetische Nutzung durch Verbrennung
Die derzeit gebräuchliche Verwendung für das Gasgemisch der Biomassevergasung ist der motorische Einsatz (nach dem Benzin- oder Dieselprinzip) oder die Verbrennung in entsprechenden Verbrennungsanlagen zur Erzeugung von Wärme (Dampf) und elektrischer Energie, unter Verwendung einer Kraft-Wärme-Kopplung a Es wird eine sehr hohe Energieumwandlungseffizienz erreicht. Das bei der Gaskühlung entstehende Holzgaskondensat muss in diesen Anlagen vor der Einleitung in ein aufnehmendes Wasser entsprechend aufbereitet werden, da es einen hohen biochemischen Sauerstoffgehalt erfordert. Alternativ kann das Gasgemisch der Biomassevergasung in Festoxidbrennstoffzellen direkt in Elektrizität umgewandelt werden. Der Wirkstoff wurde bereits 2004 in Experimenten nachgewiesen.

Verwenden Sie als Synthesegas
Zusätzlich kann ein Produktgas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff für die chemische Synthese verschiedener Produkte als Synthesegas verwendet werden. Die stoffliche Nutzung von Synthesegas aus Biomassevergasung befindet sich noch in der Entwicklung, solche Anlagen sind derzeit nur im Labor- und Demonstrationsmaßstab. Die großtechnische Herstellung und Verwendung von CO / H 2 -Synthesegas erfolgt demnach ausschließlich auf Basis von Erdgas und anderen fossilen Brennstoffen wie Kohle und Naphtha.

Die chemisch-technischen Einsatzmöglichkeiten sind in erster Linie die Herstellung von Wasserstoff und die daraus resultierende Produktion von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren, Methanolsynthese, verschiedene Oxosynthesen und die Herstellung von Biokraftstoffen (BtL-Kraftstoffen) und anderen Produkten über die Fischer-Tropsch-Synthese:

in der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren

bei der Synthese von Methanol

in der Oxosynthese

in der Fischer-Tropsch-Synthese

Neben diesen chemisch-technischen Anwendungen kann Synthesegas auch über Synthesegasfermentation biotechnologisch eingesetzt werden. Produkte dieser Option können beispielsweise Alkohole wie Ethanol, Butanol, Aceton, organische Säuren und Biopolymere sein.Diese Anwendung befindet sich derzeit noch in der Entwicklungsphase und wird dementsprechend nicht in großem Umfang genutzt.

Bei all diesen Verwendungsarten ist zu beachten, dass das Wasser als Teil der Prozesskette bei einer Abkühlung des Gases kondensiert und in unterschiedlichem Maße als Holzgaskondensat unterschiedlich mit organischem Material kontaminiert wird; Die ordnungsgemäße Entsorgung dieses Abwassers (ca. 0,5 Liter pro kg Holz) wird hier im BtL-Schema als „Nebenprodukte“ aufgeführt, ist aber integraler Bestandteil solcher Systeme.

Produktion
Ein Holzvergaser nimmt Holzspäne, Sägemehl, Holzkohle, Kohle, Gummi oder ähnliche Materialien als Brennstoff und verbrennt diese unvollständig in einer Brennkammer, wobei Holzgas, feste Asche und Ruß entstehen, die periodisch aus dem Vergaser entfernt werden müssen. Das Holzgas kann dann nach Teeren und Ruß / Aschepartikeln gefiltert, gekühlt und zu einem Motor oder einer Brennstoffzelle geleitet werden. Die meisten dieser Motoren haben strenge Reinheitsanforderungen an das Holzgas, so dass das Gas oft einer ausgedehnten Gasreinigung unterzogen werden muss, um Teere und Partikel zu entfernen oder umzuwandeln, dh „Risse“ zu bilden. Die Entfernung von Teer wird oft durch Verwendung eines Wasserwäschers erreicht. Das Betreiben von Holzgas in einem nicht modifizierten benzinverbrennenden Verbrennungsmotor kann zu einer problematischen Ansammlung von unverbrannten Verbindungen führen.

Die Qualität des Gases aus verschiedenen Vergasern ist sehr unterschiedlich. Inszenierte Vergaser, bei denen die Pyrolyse und die Vergasung getrennt statt in der gleichen Reaktionszone stattfinden, wie dies beispielsweise in den Vergasern des zweiten Weltkrieges der Fall war, können so ausgeführt werden, daß im wesentlichen teerfreies Gas (weniger als 1 mg / m³) erzeugt wird. während Ein-Reaktor-Wirbelschichtvergasungsanlagen 50.000 mg / m³ Teer überschreiten können.Die Wirbelschichtreaktoren haben den Vorteil, dass sie viel kompakter sind, mit mehr Kapazität pro Volumeneinheit und Preis. Abhängig von der beabsichtigten Verwendung des Gases kann Teer vorteilhaft sein, ebenso wie durch Erhöhen des Heizwertes des Gases.

Die Verbrennungswärme des „Produzentengases“ – ein in den USA verwendeter Begriff für Holzgas, das zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor erzeugt wird – ist im Vergleich zu anderen Brennstoffen eher gering. Taylor berichtet, dass das Produktionsgas eine geringere Verbrennungswärme von 5,7 MJ / kg gegenüber 55,9 MJ / kg für Erdgas und 44,1 MJ / kg für Benzin hat. Die Verbrennungswärme von Holz beträgt typischerweise 15-18 MJ / kg. Vermutlich können diese Werte von Probe zu Probe etwas variieren. Dieselbe Quelle meldet die folgende chemische Zusammensetzung nach Volumen, die höchstwahrscheinlich auch variabel ist:

Ein Kohlegasproduzent auf dem Nambassa Alternative Festival in Neuseeland im Jahr 1981
Bei der Herstellung von Holzkohle für Schwarzpulver wird das flüchtige Holzgas entlüftet. Extrem kohlenstoffreicher Oberflächenbereich, geeignet für den Einsatz als Kraftstoff in Schwarzpulver.

Stickstoff N2: 50,9%
Kohlenmonoxid CO: 27,0%
Wasserstoff H2: 14,0%
Kohlendioxid CO2: 4,5%
Methan CH4: 3,0%
Sauerstoff O2: 0,6%.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Gaszusammensetzung stark vom Vergasungsprozess, dem Vergasungsmedium (Luft, Sauerstoff oder Dampf) und der Brennstofffeuchte abhängig ist.Dampfvergasungsprozesse ergeben typischerweise hohe Wasserstoffgehalte, Abstromfestbettvergaser ergeben hohe Stickstoffkonzentrationen und niedrige Teerbeladungen, während Hochfestbettvergaser hohe Teerbeladungen ergeben.

Biokraftstoffe
Auch bei der Herstellung von Biokraftstoffen wird das im Vergasungsprodukt entstehende Gas als Synthesegas in den bereits beschriebenen Syntheseverfahren eingesetzt. Im Fokus stehen dabei gasförmige Brennstoffe wie Biowasserstoff, Erdgasersatzstoffe (Methan, SNG) und Dimethylether sowie flüssige Brennstoffe wie Methanol und BtL-Kraftstoffe. [8]

Biohydrogen wird durch Dampfreformierung aus dem Synthesegas extrahiert, Methan kann durch Methanisierung des Gases erzeugt werden. Zur Herstellung von Methanol und Dimethylether wird die Methanolsynthese verwendet. BtL-Kraftstoffe werden über die Fischer-Tropsch-Synthese hergestellt, wobei basierend auf den Prozessparametern sowohl Benzin- als auch Dieselfraktionen hergestellt werden können.