Gas de madera

El gas de madera es un combustible de gas de síntesis que se puede utilizar como combustible para hornos, estufas y vehículos en lugar de gasolina, diesel u otros combustibles. Durante el proceso de producción, la biomasa u otros materiales que contienen carbono se gasifican dentro del entorno limitado de oxígeno de un generador de gas de madera para producir hidrógeno y monóxido de carbono. Estos gases se pueden quemar como combustible en un ambiente rico en oxígeno para producir dióxido de carbono, agua y calor. En algunos gasificadores, este proceso está precedido por la pirólisis, donde la biomasa o el carbón se convierten primero en carbón, liberando metano y alquitrán rico en hidrocarburos aromáticos policíclicos.

Historia
El primer gasificador de madera fue construido aparentemente por Gustav Bischof en 1839. El primer vehículo impulsado por gas de madera fue construido por Thomas Hugh Parker en 1901. Alrededor de 1900, muchas ciudades entregaron gas de síntesis (producidas centralmente, típicamente a partir de carbón) a las residencias. El gas natural comenzó a ser utilizado sólo en 1930.

Los vehículos de gas de madera se utilizaron durante la Segunda Guerra Mundial como consecuencia del racionamiento de los combustibles fósiles. Solo en Alemania, alrededor de 500,000 vehículos de «gas productor» estaban en uso al final de la guerra. Camiones, autobuses, tractores, motocicletas, barcos y trenes estaban equipados con una unidad de gasificación de madera. En 1942, cuando el gas de madera aún no había alcanzado el apogeo de su popularidad, había aproximadamente 73,000 vehículos de gas de madera en Suecia, 65,000 en Francia, 10,000 en Dinamarca y casi 8,000 en Suiza. En 1944, Finlandia tenía 43,000 «vehículos de madera», de los cuales 30,000 eran autobuses y camiones, 7,000 vehículos privados, 4,000 tractores y 600 barcos.

El gas de madera se usaba, entre otras cosas, para impulsar motores de combustión interna de vehículos motorizados. Los generadores fueron construidos fuera del cuerpo o llevados como un remolque. El sistema técnico, el gasificador de madera, se llenó con leña y funcionó como un gasificador de lecho fijo. Al calentarse, la mezcla de gas inflamable (gas de madera) se escapó de la madera. Hasta principios de la década de 1950, varios camiones pequeños estaban en uso en Alemania con una licencia de conducir especial, para la cual solo se podían usar troncos de haya certificados y aprobados. Fue alrededor de un litro de gasolina que se puede reemplazar por la cantidad de gas obtenida de 3 kg de madera. La madera, que se secó especialmente para la gasificación de la madera y se trituró al tamaño correcto, se llamó madera de tanque y se produjo y almacenó en las llamadas fábricas de madera de tanque.

Al final de la Segunda Guerra Mundial, había alrededor de 500,000 automóviles a gas de generador o automóviles a gas de madera en Alemania. Su suministro fue proporcionado por el Ministerio de Generación de Energía de la empresa para la leña y otros combustibles de generadores con sus estaciones de servicio asociadas.

En la Unión Soviética, los camiones con carburante de madera fueron producidos en masa.Destacan los modelos ZIS-21 (basados ​​en ZIS-5) y GAZ-42, de los cuales se produjeron casi 35,000 copias entre 1939 y 1946. El motivo fue que, especialmente en el extremo norte de la Unión Soviética, El suministro de combustible en las décadas de 1930 y 1940 aún no estaba asegurado.

En Schaanwald, en Liechtenstein, hay un museo privado con alrededor de 70 vehículos de gas de madera desde la motocicleta hasta el tractor. Los autos antiguos son aptos para circular y se mueven de vez en cuando, que se operan con los residuos de una fábrica de muebles.

Los gasificadores de madera todavía se fabrican en China y Rusia para automóviles y como generadores de energía para aplicaciones industriales. Los camiones reacondicionados con gasificadores de madera se utilizan en Corea del Norte en áreas rurales, particularmente en las carreteras de la costa este.

Como parte de la discusión sobre el uso creciente de materias primas renovables a fines del siglo XX y principios del siglo XXI, la gasificación de la madera y la gasificación de otras sustancias orgánicas, especialmente de residuos orgánicos, para la recuperación de combustibles gaseosos para el calor. y la generación de energía se retomó e implementó en plantas de demostración individuales. Basado en este uso puramente energético, el uso del gas producto como materia prima para la síntesis química de biocombustibles y productos de la industria química también fue objetivo y se realizará en un futuro próximo, especialmente para combustibles BtL, dimetil éter y metanol. .Mediante un tratamiento y metanización subsiguientes, se puede alimentar a la red de gas natural como Sustituto de Gas Natural (SNG). Los gases de productos de alta calidad que contienen más del 50 por ciento de hidrógeno también se denominan biohidrógeno.

Propiedades
El gas de madera consiste en componentes de combustión, principalmente en monóxido de carbono 34% y metano 13%, así como pequeñas proporciones de etileno 2% e hidrógeno 2%, así como componentes no combustibles como nitrógeno 1%, dióxido de carbono 49% y vapor de agua. El gas de madera es aproximadamente 1.5 kg / m 3 más pesado que el aire en condiciones normales. El valor calorífico del gas de madera es de aproximadamente 8,5 MJ / m 3 en la gasificación autotérmica convencional y más de 12 MJ / m 3 en la gasificación alotérmica.

Según la producción, la composición del gas de madera puede variar ampliamente. Cuando se usa aire (21% en volumen de oxígeno, 78% en volumen de nitrógeno), el gas producido contiene una proporción muy alta de nitrógeno, que no contribuye al valor calorífico del gas y reduce el rendimiento de hidrógeno. En contraste, los gases del producto no contienen nitrógeno cuando se usan oxígeno y vapor de agua y, en consecuencia, tienen un alto poder calorífico y un alto rendimiento de hidrógeno.

Uso

Motor de combustión interna
Los gasificadores de madera pueden alimentar cualquiera de los motores de encendido por chispa, donde se puede reemplazar todo el combustible normal con un pequeño cambio en la carburación, o en un motor Diesel, que alimenta el gas a la entrada de aire que se modifica para tener una válvula de mariposa, si es así. No lo tengo ya. En los motores diésel, el combustible diesel todavía se necesita para encender la mezcla de gas, por lo que un enlace de «parada» del motor diesel regulado mecánicamente y probablemente el enlace de «aceleración» debe modificarse para dar siempre al motor un poco de combustible inyectado, a menudo bajo la norma volumen inactivo por inyección. La madera se puede utilizar para alimentar automóviles con motores de combustión interna comunes si se coloca un gasificador de madera. Esto fue bastante popular durante la Segunda Guerra Mundial en varios países europeos, africanos y asiáticos, porque la guerra impidió un acceso fácil y rentable al petróleo. En tiempos más recientes, se ha sugerido que el gas de madera es un método limpio y eficiente para calentar y cocinar en países en desarrollo, o incluso para producir electricidad cuando se combina con un motor de combustión interna. En comparación con la tecnología de la Segunda Guerra Mundial, los gasificadores se han vuelto menos dependientes de la atención constante debido al uso de sofisticados sistemas de control electrónico, pero sigue siendo difícil obtener de ellos gas limpio. La purificación del gas y su alimentación en tuberías de gas natural es una variante para vincularlo a la infraestructura de reabastecimiento de combustible existente. La licuefacción por el proceso Fischer-Tropsch es otra posibilidad.

La eficiencia del sistema de gasificación es relativamente alta. La etapa de gasificación convierte aproximadamente el 75% del contenido de energía del combustible en un gas combustible que se puede usar como combustible para los motores de combustión interna. Basado en experimentos prácticos a largo plazo y más de 100,000 kilómetros (62,000 mi) conducidos con un automóvil de leña a gas, el consumo de energía ha sido 1.54 veces mayor en comparación con la demanda de energía del mismo automóvil con gasolina, excluyendo la energía necesaria para extraer , transportar y refinar el petróleo del que se deriva la gasolina, y excluir la energía para cosechar, procesar y transportar la madera para alimentar al gasificador. Esto significa que se ha encontrado que 1,000 kilogramos (2,200 lb) de materia combustible de madera son equivalentes a 365 litros (96 galones estadounidenses) durante el transporte real en condiciones de manejo similares y con el mismo vehículo, por lo demás sin modificar. Se puede considerar que este es un buen resultado, ya que no se requiere ningún otro refinamiento del combustible. Este estudio también considera todas las posibles pérdidas del sistema de gas de madera, como el precalentamiento del sistema y la carga del peso adicional del sistema generador de gas. En la generación de energía, la demanda de combustible reportada es de 1.1 kilogramos (2.4 lb) de materia combustible de madera por kilovatio-hora de electricidad.

Se han construido gasificadores para comunidades asiáticas remotas que usan cascos de arroz, que en muchos casos no tienen otro uso. Una instalación en Birmania utiliza un generador eléctrico de diesel de 80 kW modificado para unas 500 personas que, de lo contrario, carecen de energía. La ceniza se puede utilizar como fertilizante de biochar, por lo que puede considerarse un combustible renovable.

La emisión de gases de escape de un motor de combustión interna es significativamente menor en el gas de madera que en la gasolina. Especialmente las emisiones de hidrocarburos son bajas en gas de madera. Un convertidor catalítico normal funciona bien con el gas de madera, pero incluso sin él, la mayoría de los motores de automóviles pueden alcanzar fácilmente niveles de emisión inferiores a 20 ppm de HC y un 0,2% de CO. La combustión de gas de madera no genera partículas, y el gas produce muy poco negro de carbón entre el aceite de motor.

Estufas, cocinas y hornos.
Ciertos diseños de estufas son, en efecto, gasificadores que funcionan según el principio de la corriente ascendente: el aire pasa a través del combustible, que puede ser una columna de cascos de arroz, y se quema, luego se reduce a monóxido de carbono por el carbón residual en la superficie. El gas resultante es quemado por aire secundario caliente que sube por un tubo concéntrico. Tal dispositivo se comporta como una estufa de gas. Este arreglo también se conoce como un quemador chino.

Una estufa alternativa basada en el principio de tiro descendente y típicamente construida con cilindros anidados también proporciona alta eficiencia. La combustión desde la parte superior crea una zona de gasificación, con el gas escapando hacia abajo a través de los puertos ubicados en la base de la cámara del quemador. El gas se mezcla con el aire entrante adicional para proporcionar una quemadura secundaria. La mayor parte del CO producido por la gasificación se oxida a CO2 en el ciclo de combustión secundario; por lo tanto, las estufas de gasificación conllevan menos riesgos para la salud que los incendios de cocción convencionales.

Otra aplicación es el uso de gas productor para desplazar el fuel oil de densidad ligera (LDO) en hornos industriales.

Uso del gas
El gas producido en la gasificación de la biomasa se puede utilizar tanto energética como materialmente.

Uso energético por combustión.
El uso común en la actualidad para la mezcla de gases de la gasificación de biomasa es el uso del motor (según el principio de la gasolina o el diesel) o la combustión en los incineradores correspondientes para la producción de calor (vapor) y energía eléctrica, utilizando un acoplamiento de fuerza-calor a Se logra una eficiencia de conversión de energía muy alta. El condensado de gas de madera producido durante el enfriamiento con gas debe tratarse adecuadamente en estas plantas antes de que pueda enviarse a un agua receptora, ya que requiere un alto nivel de oxígeno bioquímico. Alternativamente, la mezcla de gases de la gasificación de biomasa en celdas de combustible de óxido sólido puede convertirse directamente en electricidad. El principio activo ya fue probado en experimentos en 2004.

Utilizar como gas de síntesis.
Además, como gas de síntesis se puede utilizar un gas producto de monóxido de carbono e hidrógeno para la síntesis química de varios productos. El uso de material de gas de síntesis a partir de la gasificación de biomasa aún está en desarrollo, tales plantas están actualmente solo a escala de laboratorio y demostración. En consecuencia, la producción y el uso a gran escala de CO / H 2 -Síntesis se realizan exclusivamente a base de gas natural y otros combustibles fósiles como el carbón y la nafta.

Las opciones de utilización técnico-química son principalmente la producción de hidrógeno y la producción resultante de amoníaco utilizando el proceso de Haber-Bosch, la síntesis de metanol, varias síntesis de oxo y la producción de biocombustibles (combustibles BtL) y otros productos a través de la síntesis de pescadores-Tropsch:

En síntesis de amoniaco según el proceso de Haber-Bosch.

en la síntesis de metanol

en la síntesis de oxo

en la síntesis de Fischer-Tropsch

Además de estas aplicaciones químico-técnicas, el gas de síntesis también se puede usar biotecnológicamente a través de la fermentación de gas de síntesis. Los productos de esta opción pueden ser, por ejemplo, alcoholes tales como etanol, butanol, acetona, ácidos orgánicos y biopolímeros. Este uso se encuentra actualmente en la etapa de desarrollo y no se usa en consecuencia a gran escala.

En todos estos tipos de uso, se debe tener en cuenta que el agua se condensa como parte de la cadena del proceso con un enfriamiento del gas y en diversos grados, ya que el condensado de gas de madera está contaminado de manera diversa con materia orgánica; la eliminación adecuada de estas aguas residuales (aproximadamente 0,5 litros por kg de madera) se incluye aquí en el esquema BtL como «subproductos», pero es una parte integral de dichos sistemas.

Producción
Un gasificador de madera toma astillas de madera, aserrín, carbón vegetal, carbón, caucho o materiales similares como combustible y los quema de manera incompleta en una caja de incendios, produciendo gas de madera, cenizas sólidas y hollín, los cuales deben eliminarse periódicamente del gasificador. El gas de la madera puede entonces filtrarse para detectar alquitranes y partículas de hollín / ceniza, enfriarse y dirigirse a un motor o celda de combustible. La mayoría de estos motores tienen estrictos requisitos de pureza del gas de madera, por lo que el gas a menudo tiene que pasar por una limpieza exhaustiva del gas para eliminar o convertir, es decir, «grietas», alquitranes y partículas. La eliminación de alquitrán a menudo se realiza mediante un depurador de agua. Hacer funcionar el gas de madera en un motor de combustión interna sin modificar que funcione con gasolina puede provocar una acumulación problemática de compuestos sin quemar.

La calidad del gas de diferentes gasificadores varía mucho. Los gasificadores por etapas, donde la pirólisis y la gasificación se producen por separado, en lugar de en la misma zona de reacción como en el caso, por ejemplo, los gasificadores de la Segunda Guerra Mundial, se pueden diseñar para producir gas esencialmente libre de alquitrán (menos de 1 mg / m³), mientras que los gasificadores de lecho fluido de reactor único pueden exceder los 50,000 mg / m³ de alquitrán. Los reactores de lecho fluido tienen la ventaja de ser mucho más compactos, con más capacidad por unidad de volumen y precio. Dependiendo del uso previsto del gas, el alquitrán puede ser beneficioso, además de aumentar el valor de calentamiento del gas.

El calor de combustión del «gas productor», un término utilizado en los Estados Unidos que significa gas de madera producido para su uso en un motor de combustión, es bastante bajo en comparación con otros combustibles. Taylor informa que el gas productor tiene un calor de combustión más bajo de 5.7 MJ / kg en comparación con 55.9 MJ / kg para el gas natural y 44.1 MJ / kg para la gasolina.El calor de combustión de la madera suele ser de 15-18 MJ / kg. Presumiblemente, estos valores pueden variar algo de una muestra a otra. La misma fuente informa la siguiente composición química por volumen, que probablemente también sea variable:

Un productor de gas de carbón vegetal en el festival alternativo Nambassa en Nueva Zelanda en 1981
Durante la producción de carbón vegetal para polvo negro, el gas de madera volátil se ventila.Resultados de carbono de área de superficie extremadamente alta, adecuados para uso como combustible en polvo negro.

Nitrógeno N2: 50.9%
Monóxido de carbono CO: 27.0%
Hidrógeno H2: 14.0%
CO2 dióxido de carbono: 4,5%
Metano CH4: 3.0%
Oxígeno O2: 0.6%.

Se señala que la composición del gas depende en gran medida del proceso de gasificación, el medio de gasificación (aire, oxígeno o vapor) y la humedad del combustible. Los procesos de gasificación por vapor típicamente producen altos contenidos de hidrógeno, los gasificadores de lecho fijo de tiro descendente producen altas concentraciones de nitrógeno y bajas cargas de alquitrán, mientras que los gasificadores de lecho fijo de corriente ascendente producen altas cargas de alquitrán.

Biocombustibles
También en la producción de biocombustibles, el gas producido en el gas del producto de gasificación se utiliza como gas de síntesis en los procesos de síntesis ya descritos. La atención se centra en los combustibles gaseosos, como el biohidrógeno, los sustitutos del gas natural (metano, SNG) y el éter dimetílico, así como los combustibles líquidos como el metanol y los combustibles BtL. [8º]

El biohidrógeno se extrae del gas de síntesis mediante reformado con vapor; el metano se puede producir por metanización del gas. Para la preparación de metanol y dimetil éter, se utiliza la síntesis de metanol. Los combustibles BtL se producen a través de la síntesis de Fischer-Tropsch, por lo que tanto las fracciones de gasolina como las de diesel se pueden producir según los parámetros del proceso.