Gaz de bois

Le gaz de bois est un combustible de gaz de synthèse pouvant être utilisé comme combustible dans les chaudières, les poêles et les véhicules à la place de l’essence, du diesel ou d’autres combustibles. Au cours du processus de production, la biomasse ou d’autres matériaux contenant du carbone sont gazéifiés dans l’environnement limité en oxygène d’un générateur de gaz de bois pour produire de l’hydrogène et du monoxyde de carbone. Ces gaz peuvent ensuite être brûlés comme combustible dans un environnement riche en oxygène pour produire du dioxyde de carbone, de l’eau et de la chaleur. Dans certains gazéificateurs, ce processus est précédé par la pyrolyse, au cours de laquelle la biomasse ou le charbon est d’abord converti en charbon, libérant du méthane et du goudron riches en hydrocarbures aromatiques polycycliques.

L’histoire
Le premier gazéificateur à bois aurait été construit par Gustav Bischof en 1839. Le premier véhicule alimenté au gaz de bois fut construit par Thomas Hugh Parker en 1901. Vers 1900, de nombreuses villes livraient du syngas (produit de manière centrale, généralement à base de charbon) aux résidences. Le gaz naturel n’a commencé à être utilisé qu’en 1930.

Les véhicules à gaz ligneux ont été utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale à la suite du rationnement des combustibles fossiles. Rien qu’en Allemagne, environ 500 000 véhicules «au gaz producteur» étaient utilisés à la fin de la guerre. Les camions, les autobus, les tracteurs, les motos, les navires et les trains étaient équipés d’une unité de gazéification du bois. En 1942, alors que le gaz de bois n’avait pas atteint son apogée, il existait environ 73 000 véhicules à gaz de bois en Suède, 65 000 en France, 10 000 au Danemark et près de 8 000 en Suisse. En 1944, la Finlande comptait 43 000 « véhicules à bois », dont 30 000 bus et camions, 7 000 véhicules de tourisme, 4 000 tracteurs et 600 bateaux.

Le gaz de bois a notamment servi à faire fonctionner les moteurs à combustion interne de véhicules automobiles. Les générateurs ont été construits à l’extérieur du corps ou transportés en remorque.Le système technique, le gazogène du bois, était rempli de bois de chauffage et fonctionnait comme un gazogène à lit fixe. En chauffant, le mélange de gaz inflammable (gaz de bois) s’est échappé du bois. Jusqu’au début des années 50, un certain nombre de petits camions étaient utilisés en Allemagne avec un permis de conduire spécial, pour lequel seules des grumes de hêtre certifiées et approuvées pouvaient être utilisées. C’était environ un litre d’essence pouvant être remplacé par la quantité d’essence obtenue à partir de 3 kg de bois. Le bois, spécialement séché pour la gazéification du bois et déchiqueté à la taille voulue, était appelé bois de réservoir et était produit et stocké dans des usines dites de bois-citerne.

À la fin de la Seconde Guerre mondiale, il y avait environ 500 000 voitures à essence ou à bois en Allemagne. Son approvisionnement a été fourni par la société du ministère de la production d’électricité pour le bois de feu et d’autres combustibles pour génératrices, avec leurs stations-service associées.

En Union soviétique, des camions à carburateur en bois étaient fabriqués en série. Les modèles ZIS-21 (basés sur le ZIS-5) et GAZ-42, tirés à près de 35 000 exemplaires entre 1939 et 1946, méritent d’être signalés. Cela s’explique par le fait que, notamment dans l’extrême nord de l’Union soviétique, l’approvisionnement en carburant dans les années 1930 et 1940 n’était pas encore assuré.

Il existe à Schaanwald, au Liechtenstein, un musée privé avec environ 70 véhicules à essence en bois, de la moto au tracteur. Les voitures de collection sont en état de marche et sont déplacées de temps en temps, ce qui est exploité avec les déchets d’une usine de meubles.

Les gazéificateurs à bois sont toujours fabriqués en Chine et en Russie pour les automobiles et en tant que générateurs de puissance pour des applications industrielles. Les camions équipés de gazéificateurs à bois sont utilisés en Corée du Nord dans les zones rurales, en particulier sur les routes de la côte est.

Dans le cadre des discussions sur l’utilisation croissante de matières premières renouvelables à la fin du XXe et au début du XXIe siècle, la gazéification du bois et la gazéification d’autres substances organiques, en particulier de résidus organiques, pour la récupération de combustibles gazeux pour le chauffage et la production d’électricité ont été repris et mis en œuvre dans des installations de démonstration individuelles. Sur la base de cette utilisation purement énergétique, l’utilisation du gaz produit en tant que matière première pour la synthèse chimique de biocarburants et de produits de l’industrie chimique a également été ciblée et sera réalisée dans un proche avenir, en particulier pour les carburants BtL, le diméthyléther et le méthanol. . Par une méthanisation et un traitement ultérieurs, il peut être introduit dans le réseau de gaz naturel en tant que gaz naturel de remplacement (SNG). Les gaz de haute qualité contenant plus de 50% d’hydrogène sont également appelés biohydrogène.

Propriétés
Le gaz de bois comprend des composants de combustion, principalement du monoxyde de carbone (34%) et du méthane (13%), ainsi que des proportions mineures d’éthylène 2% et d’hydrogène 2%, ainsi que des composants non combustibles tels que l’azote 1%, le dioxyde de carbone 49% et le dioxyde de carbone. vapeur d’eau. Le gaz de bois est environ 1,5 kg / m 3 plus lourd que l’air dans des conditions normales. La valeur calorifique du gaz de bois est d’environ 8,5 MJ / m 3 en gazéification autothermique conventionnelle et de plus de 12 MJ / m 3 en gazéification allothermique.

Selon la production, la composition du gaz de bois peut varier considérablement. Lors de l’utilisation d’air (21% en volume d’oxygène, 78% en volume d’azote), le gaz produit contient une très forte proportion d’azote, ce qui ne contribue pas à la valeur calorifique du gaz et réduit le rendement en hydrogène. En revanche, les gaz produits ne contiennent pas d’azote lorsqu’ils utilisent de l’oxygène et de la vapeur d’eau et ont donc un pouvoir calorifique supérieur et un rendement élevé en hydrogène.

Usage

Moteur à combustion interne
Les gazogènes au bois peuvent alimenter soit des moteurs à allumage par étincelle, où tout le carburant normal peut être remplacé avec peu de changement de la carburation, soit un moteur diesel, introduisant le gaz dans l’entrée d’air qui est modifiée pour avoir un papillon des gaz. Je ne l’ai pas déjà. Sur les moteurs diesel, le carburant diesel est toujours nécessaire pour enflammer le mélange de gaz. Il est donc nécessaire de modifier la tringlerie « stop » et probablement la tringle « papillon » d’un moteur diesel, de manière à toujours donner au moteur un peu de carburant injecté, souvent dans les conditions normales. volume inactif par injection. Le bois peut être utilisé pour alimenter des voitures équipées de moteurs à combustion interne ordinaires si un gazéificateur de bois est fixé. Cela a été assez populaire pendant la Seconde Guerre mondiale dans plusieurs pays d’Europe, d’Afrique et d’Asie, car la guerre empêchait un accès facile et rentable au pétrole. Plus récemment, le gaz de bois a été suggéré comme méthode propre et efficace de chauffage et de cuisson dans les pays en développement, voire de produire de l’électricité lorsqu’il est combiné à un moteur à combustion interne. Comparés à la technologie de la Seconde Guerre mondiale, les gazéificateurs sont devenus moins dépendants d’une attention constante en raison de l’utilisation de systèmes de contrôle électroniques sophistiqués, mais il est toujours difficile d’obtenir un gaz propre.La purification du gaz et son acheminement dans des gazoducs constituent une variante permettant de le relier à l’infrastructure de ravitaillement existante. La liquéfaction par le processus Fischer – Tropsch est une autre possibilité.

L’efficacité du système de gazéification est relativement élevée. L’étape de gazéification convertit environ 75% de la teneur en énergie du carburant en un gaz combustible pouvant être utilisé comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Sur la base d’expériences pratiques à long terme et de plus de 100 000 kilomètres parcourus avec une voiture à essence, la consommation d’énergie a été 1,54 fois supérieure à celle de la demande en essence de la même voiture, à l’exclusion de l’énergie nécessaire à l’extraction. , transportez et raffinez l’huile d’essence et excluez l’énergie nécessaire à la récolte, à la transformation et au transport du bois afin d’alimenter le gazéifieur. Cela signifie que 1 000 kilogrammes (2 200 lb) de matières combustibles pour le bois équivalent à 365 litres d’essence lors d’un transport réel dans des conditions de conduite similaires et avec le même véhicule, sinon non modifié. Cela peut être considéré comme un bon résultat, car aucun autre raffinage du carburant n’est requis. Cette étude prend également en compte toutes les pertes possibles du système de gaz de bois, telles que le préchauffage du système et le port du poids supplémentaire du système de génération de gaz. Dans la production d’électricité, la demande de combustible déclarée est de 1,1 kg (2,4 lb) de matières combustibles pour le bois par kilowatt-heure d’électricité.

Les gazéificateurs ont été construits pour les communautés asiatiques isolées en utilisant des balles de riz qui, dans de nombreux cas, n’ont aucune autre utilisation. Une installation en Birmanie utilise un groupe électrogène modifié diesel de 80 kW pour environ 500 personnes qui sont autrement sans électricité. Les cendres peuvent être utilisées comme engrais biochar, ce qui peut donc être considéré comme un carburant renouvelable.

Les émissions de gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne sont nettement plus faibles sur le gaz de bois que sur l’essence. En particulier, les émissions d’hydrocarbures sont faibles en gaz de bois. Un convertisseur catalytique normal fonctionne bien avec le gaz de bois, mais même sans celui-ci, des niveaux d’émission inférieurs à 20 ppm de HC et à 0,2% de CO peuvent être facilement atteints par la plupart des moteurs d’automobiles. La combustion du gaz de bois ne génère pas de particules et le gaz produit donc très peu de noir de carbone parmi l’huile de moteur.

Poêles, cuisson et fours
Certaines conceptions de poêles sont en fait des gazéificateurs fonctionnant selon le principe du courant ascendant: l’air passe par le combustible, qui peut être une colonne d’écales de riz, et est brûlé, puis réduit en monoxyde de carbone par le charbon restant à la surface. Le gaz résultant est ensuite brûlé par l’air secondaire chauffé qui monte dans un tube concentrique. Un tel appareil se comporte très bien comme une cuisinière à gaz. Cet arrangement est également connu comme un brûleur chinois.

Un réchaud alternatif basé sur le principe de réduction de tirage et généralement construit avec des cylindres imbriqués offre également un rendement élevé. La combustion par le haut crée une zone de gazéification, le gaz s’échappant par des orifices situés à la base de la chambre du brûleur. Le gaz se mélange à l’air entrant supplémentaire pour fournir une combustion secondaire. La majeure partie du CO produit par la gazéification est oxydée en CO2 lors du cycle de combustion secondaire;par conséquent, les poêles à gazéification présentent moins de risques pour la santé que les feux de cuisson traditionnels.

Une autre application est l’utilisation du gaz de production pour déplacer le mazout de densité légère (LDO) dans les fours industriels.

Consommation de gaz
Le gaz produit lors de la gazéification de la biomasse peut être utilisé à la fois énergétiquement et matériellement.

Utilisation énergétique par combustion
L’usage courant du mélange gazeux de la gazéification de la biomasse est l’utilisation du moteur (selon le principe de l’essence ou du diesel) ou la combustion dans des incinérateurs correspondants pour la production de chaleur (vapeur) et d’énergie électrique, au moyen d’un couplage force-chaleur. une très grande efficacité de conversion d’énergie est obtenue. Le condensat de gaz de bois produit pendant le refroidissement du gaz doit être traité correctement dans ces installations avant de pouvoir être envoyé dans une eau réceptrice, car il nécessite un taux élevé d’oxygène biochimique. En variante, le mélange gazeux de la gazéification de la biomasse dans les piles à combustible à oxyde solide peut être converti directement en électricité. Le principe actif avait déjà fait ses preuves lors d’expérimentations en 2004.

Utiliser comme gaz de synthèse
De plus, un gaz produit de monoxyde de carbone et d’hydrogène pour la synthèse chimique de divers produits peut être utilisé comme gaz de synthèse. L’utilisation matérielle du gaz de synthèse issu de la gazéification de la biomasse est toujours en cours de développement. De telles installations ne sont actuellement utilisées qu’à l’échelle de laboratoire et de démonstration. La production et l’utilisation à grande échelle de CO / H 2 -Synthèse sont par conséquent exclusivement basées sur le gaz naturel et d’autres combustibles fossiles tels que le charbon et le naphta.

Les options d’utilisation chimico-techniques sont principalement la production d’hydrogène et la production d’ammoniac qui en résulte par le procédé Haber-Bosch, la synthèse du méthanol, diverses synthèses d’oxo et la production de biocarburants (carburants BtL) et d’autres produits par l’intermédiaire des pêcheurs – Synthèse de Tropsch:

en synthèse d’ammoniac selon le procédé Haber-Bosch

dans la synthèse du méthanol

dans la synthèse oxo

dans la synthèse de Fischer-Tropsch

Outre ces applications technico-chimiques, le gaz de synthèse peut également être utilisé de manière biotechnologique via la fermentation du gaz de synthèse. Les produits de cette option peuvent être, par exemple, des alcools tels que l’éthanol, le butanol, l’acétone, des acides organiques et des biopolymères. Cette utilisation est encore au stade du développement et n’est donc pas utilisée à grande échelle.

Dans tous ces types d’utilisation, il convient de noter que l’eau se condense dans la chaîne du processus lors du refroidissement du gaz et à des degrés divers, car le condensat de gaz de bois est contaminé de manière diverse par des matières organiques; l’élimination appropriée de ces eaux usées (environ 0,5 litre par kg de bois) est répertoriée ici dans le programme BtL en tant que « sous-produits », mais elle fait partie intégrante de tels systèmes.

Production
Un gazéificateur de bois récupère des copeaux de bois, de la sciure de bois, du charbon de bois, du charbon, du caoutchouc ou des matériaux similaires, puis les brûle incomplètement dans une boîte à feu, produisant du gaz de bois, des cendres solides et de la suie, ces derniers devant être retirés périodiquement du gazéifieur. Le gaz de bois peut ensuite être filtré pour rechercher les goudrons et les particules de suie / cendre, refroidi et dirigé vers un moteur ou une pile à combustible. La plupart de ces moteurs ont des exigences strictes en matière de pureté du gaz de bois, ce qui oblige souvent les gaz à subir un nettoyage poussé afin de les éliminer ou de les transformer, c’est-à-dire les « fissures », les goudrons et les particules. L’élimination du goudron est souvent réalisée à l’aide d’un épurateur à eau. L’utilisation de gaz de bois dans un moteur à combustion interne à essence non modifiée peut entraîner une accumulation problématique de composés non brûlés.

La qualité du gaz de différents gazéificateurs varie beaucoup. Les gazéificateurs étagés, où la pyrolyse et la gazéification se produisent séparément, plutôt que dans la même zone de réaction que dans les gazéifiants de la Seconde Guerre mondiale, par exemple, peuvent être conçus pour produire un gaz essentiellement exempt de goudron (moins de 1 mg / m³), tandis que les gazéificateurs à lit fluidisé à réacteur unique peuvent dépasser 50 000 mg / m³ de goudron. Les réacteurs à lit fluidisé ont l’avantage d’être beaucoup plus compacts, avec une plus grande capacité par unité de volume et de prix. En fonction de l’utilisation prévue du gaz, le goudron peut être bénéfique, en augmentant également le pouvoir calorifique du gaz.

La chaleur de combustion du « gaz producteur » – un terme utilisé aux États-Unis pour désigner le gaz de bois produit pour être utilisé dans un moteur à combustion – est plutôt basse comparée à d’autres combustibles. Taylor signale que la chaleur de combustion du gaz producteur est inférieure à 5,7 MJ / kg, contre 55,9 MJ / kg pour le gaz naturel et 44,1 MJ / kg pour l’essence. La chaleur de combustion du bois est généralement de 15 à 18 MJ / kg. Vraisemblablement, ces valeurs peuvent varier quelque peu d’un échantillon à l’autre. La même source indique la composition chimique en volume suivante, qui est aussi très probablement variable:

Un producteur de gaz de charbon de bois au festival alternatif de Nambassa en Nouvelle-Zélande en 1981
Lors de la production de charbon de bois pour poudre noire, le gaz de bois volatil est évacué.Résultats du carbone extrêmement haute surface, appropriés pour une utilisation en tant que combustible en poudre noire.

Azote N2: 50,9%
Monoxyde de carbone CO: 27,0%
Hydrogène H2: 14,0%
Dioxyde de carbone CO2: 4,5%
Méthane CH4: 3,0%
Oxygène O2: 0,6%.

Il est à noter que la composition du gaz dépend fortement du processus de gazéification, du milieu de gazéification (air, oxygène ou vapeur) et de l’humidité du carburant. Les processus de gazéification à la vapeur donnent généralement des teneurs élevées en hydrogène, les gazéificateurs à lit fixe à aspiration basse entraînent des concentrations élevées en azote et de faibles charges de goudron, tandis que les gazéificateurs à lit fixe à flux ascendant produisent des charges de goudrons élevés.

Biocarburants
Également dans la production de biocarburants, le gaz produit dans le gaz de gazéification est utilisé comme gaz de synthèse dans les procédés de synthèse déjà décrits. L’accent est mis sur les combustibles gazeux tels que le biohydrogène, les substituts du gaz naturel (méthane, SNG) et le diméthyléther, ainsi que les combustibles liquides tels que le méthanol et les combustibles BtL.[8ème]

Le biohydrogène est extrait du gaz de synthèse par reformage à la vapeur. Le méthane peut être produit par méthanisation du gaz. Pour la préparation du méthanol et de l’éther diméthylique, la synthèse du méthanol est utilisée. Les carburants BtL sont produits via la synthèse Fischer-Tropsch, qui permet de produire des fractions d’essence et de diesel en fonction des paramètres du processus.