Gas di legno

Il gas di legno è un carburante di syngas che può essere utilizzato come combustibile per forni, fornelli e veicoli al posto di benzina, diesel o altri combustibili. Durante il processo di produzione, la biomassa o altri materiali contenenti carbonio sono gassificati nell’ambiente limitato da ossigeno di un generatore di gas di legno per produrre idrogeno e monossido di carbonio. Questi gas possono quindi essere bruciati come combustibile all’interno di un ambiente ricco di ossigeno per produrre anidride carbonica, acqua e calore. In alcuni gassificatori questo processo è preceduto dalla pirolisi, in cui la biomassa o il carbone viene prima convertito in carbone, liberando metano e catrame ricchi di idrocarburi aromatici policiclici.

Storia
Il primo gassificatore di legna fu apparentemente costruito da Gustav Bischof nel 1839. Il primo veicolo alimentato a gas di legna fu costruito da Thomas Hugh Parker nel 1901. Intorno al 1900, molte città fornivano syngas (prodotto centralmente, tipicamente da carbone) a residenze. Il gas naturale cominciò ad essere usato solo nel 1930.

I veicoli a gas di legno furono usati durante la seconda guerra mondiale come conseguenza del razionamento dei combustibili fossili. Solo in Germania, alla fine della guerra erano in uso circa 500.000 veicoli “gas di produzione”. Camion, autobus, trattori, motocicli, navi e treni erano dotati di un’unità di gassificazione del legno. Nel 1942, quando il gas di legna non aveva ancora raggiunto il culmine della sua popolarità, in Svezia c’erano circa 73.000 veicoli a gas, 65.000 in Francia, 10.000 in Danimarca e quasi 8000 in Svizzera. Nel 1944, la Finlandia aveva 43.000 “motoslitte”, di cui 30.000 erano autobus e camion, 7.000 veicoli privati, 4.000 trattori e 600 imbarcazioni.

Il gas di legno veniva utilizzato, tra le altre cose, per azionare i motori a combustione interna dei veicoli a motore. I generatori sono stati costruiti fuori dal corpo o trasportati come un rimorchio. Il sistema tecnico, il gassificatore del legno, era pieno di legna da ardere e funzionava come gassificatore a letto fisso. Con il riscaldamento, la miscela di gas infiammabile (gas di legno) fuoriesce dal legno. Fino all’inizio degli anni ’50 in Germania erano in uso alcuni piccoli camion con una patente di guida speciale, per la quale venivano utilizzati solo tronchi di faggio certificati e approvati. Era circa un litro di benzina che può essere sostituito dalla quantità di gas ottenuta da 3 kg di legno. Il legno, che era stato appositamente essiccato per la gassificazione del legno e trinciato alla giusta misura, era chiamato legno del serbatoio e prodotto e immagazzinato nelle cosiddette fabbriche di tankwood.

Alla fine della seconda guerra mondiale, in Germania c’erano circa 500.000 autovetture a gas o macchine a gas di legno. La fornitura è stata fornita dal ministero della Power Generator Company per combustibili e altri combustibili per generatori con le relative stazioni di rifornimento.

Nell’Unione Sovietica, i camion con carburanti in legno erano prodotti in serie. Particolarmente degni di nota sono i modelli ZIS-21 (basati sullo ZIS-5) e il GAZ-42, di cui sono state prodotte circa 35.000 copie tra il 1939 e il 1946. La ragione era che, specialmente nell’estremo nord dell’Unione Sovietica, la fornitura di carburante negli anni ’30 e ’40 non era ancora garantita.

A Schaanwald in Liechtenstein c’è un museo privato con circa 70 veicoli a gas in legno dalla moto al trattore. Le auto d’epoca sono carattebili e vengono spostate di volta in volta, che vengono gestite con lo spreco di una fabbrica di mobili.

I gassificatori del legno sono ancora fabbricati in Cina e in Russia per le automobili e come generatori di energia per applicazioni industriali. I camion adattati con gassificatori a legna sono utilizzati in Corea del Nord nelle zone rurali, in particolare sulle strade della costa orientale.

Nell’ambito della discussione sul crescente uso di materie prime rinnovabili alla fine del XX e all’inizio del XXI secolo, la gassificazione del legno e la gassificazione di altre sostanze organiche, in particolare di residui organici, per il recupero di combustibili gassosi per il riscaldamento e la generazione di energia è stata ripresa e implementata in singoli impianti dimostrativi. Sulla base di questo uso puramente energetico, l’uso del gas prodotto come materia prima per la sintesi chimica di biocarburanti e prodotti dell’industria chimica è stato anche preso di mira e sarà realizzato nel prossimo futuro, specialmente per i carburanti BtL, il dimetil etere e il metanolo . Con una successiva metanazione e trattamento, può essere immesso nella rete del gas naturale come sostituto di gas naturale (SNG). I gas di prodotto di alta qualità contenenti più del 50 percento di idrogeno vengono anche chiamati bioidrogeno.

Proprietà
Il gas di legno è costituito da componenti in combustione, principalmente di monossido di carbonio 34% e metano 13%, oltre a proporzioni minori di etilene 2% e idrogeno 2%, nonché componenti non combustibili come azoto 1%, anidride carbonica 49% e vapore acqueo. Il gas di legno è circa 1,5 kg / m 3 più pesante dell’aria in condizioni normali. Il potere calorifico del gas di legno è di circa 8,5 MJ / m 3 nella tradizionale gassificazione autotermica e oltre 12 MJ / m 3 nella gassificazione allotermica.

Secondo la produzione, la composizione del gas di legno può variare ampiamente. Quando si utilizza aria (21 vol.% Di ossigeno, 78 vol.% Di azoto), il gas prodotto contiene una percentuale molto elevata di azoto, che non contribuisce al potere calorifico del gas e riduce la resa dell’idrogeno. Al contrario, i gas del prodotto non contengono azoto quando si usano ossigeno e vapore acqueo e di conseguenza hanno un potere calorifico superiore e un alto rendimento di idrogeno.

uso

Motore a combustione interna
I gassificatori a legna possono alimentare entrambi i motori ad accensione comandata, dove tutto il normale carburante può essere sostituito con pochi cambiamenti alla carburazione, o in un motore Diesel, alimentando il gas nella presa d’aria che viene modificata per avere una valvola a farfalla, se non ce l’hanno già Sui motori Diesel è ancora necessario il gasolio per accendere la miscela di gas, quindi un leveraggio “stop” del motore Diesel regolato meccanicamente e probabilmente il leveraggio “acceleratore” deve essere modificato per dare sempre al motore un po ‘di carburante iniettato, spesso sotto lo standard volume minimo per iniezione. Il legno può essere usato per alimentare auto con normali motori a combustione interna se è collegato un gassificatore di legna. Questo è stato piuttosto popolare durante la seconda guerra mondiale in diversi paesi europei, africani e asiatici, perché la guerra ha impedito un accesso facile e conveniente al petrolio. In tempi più recenti, il gas di legna è stato suggerito come un metodo pulito ed efficiente per riscaldare e cucinare nei paesi in via di sviluppo, o anche per produrre elettricità se combinato con un motore a combustione interna.Rispetto alla tecnologia della seconda guerra mondiale, i gassificatori sono diventati meno dipendenti da un’attenzione costante dovuta all’uso di sofisticati sistemi di controllo elettronico, ma rimane difficile ottenere da essi gas puliti. La purificazione del gas e la sua immissione in gasdotti è una variante per collegarlo all’infrastruttura di rifornimento esistente. La liquefazione con il processo di Fischer-Tropsch è un’altra possibilità.

L’efficienza del sistema gassificatore è relativamente elevata. Lo stadio di gassificazione converte circa il 75% del contenuto di energia del carburante in un gas combustibile che può essere utilizzato come combustibile per i motori a combustione interna. Basato su esperimenti pratici a lungo termine e oltre 100.000 chilometri (62.000 miglia) guidati da un’automobile alimentata a gas di legno, il consumo di energia è stato 1,54 volte superiore rispetto al fabbisogno energetico della stessa auto a benzina, escludendo l’energia necessaria per estrarre trasportare e perfezionare l’olio da cui viene ricavata la benzina ed escludere l’energia necessaria per raccogliere, trattare e trasportare il legno per alimentare il gassificatore. Ciò significa che 1.000 chilogrammi (2.200 lb) di materia combustibile di legno sono risultati equivalenti a 365 litri (96 US gal) di benzina durante il trasporto reale in condizioni di guida simili e con lo stesso veicolo, altrimenti non modificato. Questo può essere considerato un buon risultato, poiché non è richiesta alcuna altra raffinazione del carburante. Questo studio considera anche tutte le possibili perdite del sistema di gas di legno, come il preriscaldamento del sistema e il trasporto del peso extra del sistema di generazione del gas. Nella produzione di energia, la domanda di carburante dichiarata è di 1,1 kg (2,4 libbre) di materia combustibile di legno per kilowattora di elettricità.

I gassificatori sono stati costruiti per le comunità asiatiche remote usando carene di riso, che in molti casi non hanno altro uso. Un’installazione in Birmania utilizza un generatore elettrico a diesel modificato da 80 kW per circa 500 persone altrimenti prive di alimentazione. La cenere può essere utilizzata come fertilizzante biochar, quindi questo può essere considerato un combustibile rinnovabile.

L’emissione di gas di scarico da un motore a combustione interna è significativamente inferiore sul gas di legna che sulla benzina. Soprattutto le emissioni di idrocarburi sono basse sul gas di legno.Un normale convertitore catalitico funziona bene con gas di legno, ma anche senza di esso, i livelli di emissione inferiori a 20 ppm di HC e 0,2% di CO possono essere facilmente raggiunti dalla maggior parte dei motori automobilistici. La combustione del gas di legno non genera particelle, e il gas rende così poco nero di carbonio tra l’olio motore.

Stufe, cucine e fornaci
Alcuni modelli di stufe sono, in effetti, gassificatori che funzionano secondo il principio di updraft: l’aria passa attraverso il combustibile, che può essere una colonna di scafi di riso, ed è bruciata, quindi ridotta al monossido di carbonio dal carbone residuo sulla superficie. Il gas risultante viene quindi bruciato dall’aria secondaria riscaldata che sale su un tubo concentrico. Tale dispositivo si comporta molto come una stufa a gas. Questa disposizione è anche conosciuta come un bruciatore cinese.

Una stufa alternativa basata sul principio di tiraggio verso il basso e generalmente costruita con cilindri annidati offre anche un’elevata efficienza. La combustione dall’alto crea una zona di gassificazione, con il gas che fuoriesce verso il basso attraverso le porte situate alla base della camera del bruciatore. Il gas si miscela con l’aria in ingresso aggiuntiva per fornire una bruciatura secondaria. La maggior parte del CO prodotto dalla gassificazione viene ossidato a CO2 nel ciclo di combustione secondario; pertanto, le stufe per la gassificazione comportano minori rischi per la salute rispetto agli incendi convenzionali.

Un’altra applicazione è l’uso del gas produttore per spostare l’olio combustibile a densità leggera (LDO) nei forni industriali.

Utilizzo del gas
Il gas prodotto nella gassificazione della biomassa può essere utilizzato sia energeticamente che materialmente.

Uso energetico per combustione
L’uso corrente comune per la miscela gassosa della gassificazione della biomassa è l’uso del motore (secondo il principio della benzina o del diesel) o la combustione in corrispondenti inceneritori per la produzione di calore (vapore) e energia elettrica, utilizzando un accoppiamento forza-calore a si ottiene un’efficienza di conversione energetica molto elevata. Il condensato di gas di legno prodotto durante il raffreddamento del gas deve essere adeguatamente trattato in queste piante prima che possa essere inviato ad un’acqua ricevente, in quanto richiede un alto livello di ossigeno biochimico.In alternativa, la miscela di gas della gassificazione della biomassa in celle a combustibile ad ossidi solidi può essere convertita direttamente in elettricità. Il principio attivo era già stato dimostrato in esperimenti nel 2004.

Utilizzare come gas di sintesi
Inoltre, come gas di sintesi può essere utilizzato un gas prodotto di monossido di carbonio e idrogeno per la sintesi chimica di vari prodotti. L’uso materiale del gas di sintesi dalla gassificazione della biomassa è ancora in fase di sviluppo, tali impianti sono attualmente solo in scala di laboratorio e di dimostrazione. La produzione su larga scala e l’uso di CO / H 2 -Synthesegas avvengono di conseguenza esclusivamente sulla base del gas naturale e di altri combustibili fossili come il carbone e la nafta.

Le opzioni di utilizzo chimico-tecnico sono principalmente la produzione di idrogeno e la conseguente produzione di ammoniaca utilizzando il processo Haber-Bosch, la sintesi di metanolo, varie sintesi di ossidi e la produzione di biocarburanti (carburanti BtL) e altri prodotti attraverso i pescatori -Tropsch sintesi:

nella sintesi dell’ammoniaca secondo il processo di Haber-Bosch

nella sintesi del metanolo

nella sintesi dell’oxo

nella sintesi di Fischer-Tropsch

Oltre a queste applicazioni chimico-tecniche, il syngas può anche essere usato biotecnologicamente tramite la fermentazione del gas di sintesi. I prodotti di questa opzione possono essere, ad esempio, alcoli come etanolo, butanolo, acetone, acidi organici e biopolimeri. Questo utilizzo è attualmente ancora in fase di sviluppo e non viene utilizzato di conseguenza su larga scala.

In tutti questi tipi di utilizzo, si dovrebbe notare che l’acqua si condensa come parte della catena di processo con un raffreddamento del gas e in misura variabile in quanto il condensato del gas di legno è variamente contaminato con materia organica; il corretto smaltimento di queste acque reflue (circa 0,5 litri per kg di legno) è elencato qui nello schema BtL come “sottoprodotti”, ma è parte integrante di tali sistemi.

Produzione
Un gassificatore di legna prende trucioli di legno, segatura, carbone, carbone, gomma o materiali simili come combustibile e li brucia in modo incompleto in un focolare, producendo gas di legno, ceneri solide e fuliggine, i secondi devono essere rimossi periodicamente dal gassificatore. Il gas di legno può quindi essere filtrato per catrami e particelle di fuliggine / cenere, raffreddato e diretto verso un motore o una cella a combustibile. La maggior parte di questi motori ha requisiti rigorosi di purezza del gas di legna, quindi il gas deve spesso passare attraverso un’estesa pulizia del gas per rimuovere o convertire, cioè “crack”, catrami e particelle. La rimozione del catrame viene spesso eseguita utilizzando un depuratore d’acqua. L’utilizzo di gas di legna in un motore a combustione interna non modificato a benzina può causare un accumulo problematico di composti incombusti.

La qualità del gas di diversi gassificatori varia molto. I gassificatori a fasi, in cui la pirolisi e la gassificazione avvengono separatamente, anziché nella stessa zona di reazione, ad esempio i gassificatori della seconda guerra mondiale, possono essere progettati per produrre essenzialmente gas esenti da catrame (meno di 1 mg / m³), mentre i gassificatori a letto fluido a singolo reattore possono superare 50.000 mg / m³ di catrame. I reattori a letto fluido hanno il vantaggio di essere molto più compatti, con una maggiore capacità per unità di volume e prezzo. A seconda dell’uso previsto del gas, il catrame può essere utile, oltre ad aumentare il valore di riscaldamento del gas.

Il calore di combustione del “gas di produzione” – un termine utilizzato negli Stati Uniti che indica il gas di legno prodotto per l’uso in un motore a combustione – è piuttosto basso rispetto ad altri combustibili. Taylor riferisce che il gas produttore ha un calore di combustione inferiore di 5,7 MJ / kg contro 55,9 MJ / kg per il gas naturale e 44,1 MJ / kg per la benzina. Il calore della combustione del legno è in genere di 15-18 MJ / kg. Presumibilmente, questi valori possono variare leggermente da campione a campione. La stessa fonte riporta la seguente composizione chimica per volume, che molto probabilmente è anche variabile:

Un produttore di carbone di legna al festival alternativo Nambassa in Nuova Zelanda nel 1981
Durante la produzione di carbone per la polvere nera, il gas di legno volatile viene scaricato. Risultati di carbonio ad altissima superficie, adatti all’uso come carburante in polvere nera.

Azoto N2: 50,9%
CO monossido di carbonio: 27,0%
Idrogeno H2: 14,0%
CO2 anidride carbonica: 4,5%
Metano CH4: 3,0%
Ossigeno O2: 0,6%.

Si sottolinea che la composizione del gas dipende fortemente dal processo di gassificazione, dal mezzo di gassificazione (aria, ossigeno o vapore) e dall’umidità del carburante. I processi di gassificazione del vapore tipicamente producono un alto contenuto di idrogeno, i gassificatori a letto fisso in basso producono alte concentrazioni di azoto e bassi carichi di catrame, mentre i gassificatori a letto fisso updraft producono elevati carichi di catrame.

biocarburanti
Anche nella produzione di biocarburanti, il gas prodotto nel gas prodotto dalla gassificazione viene utilizzato come gas di sintesi nei processi di sintesi già descritti. L’attenzione si concentra sui combustibili gassosi come il bioidrogeno, i sostituti del gas naturale (metano, SNG) e il dimetil etere, nonché i combustibili liquidi come il metanolo e i carburanti BtL. [8]

Il bioidrogeno viene estratto dal gas di sintesi mediante reforming del vapore, il metano può essere prodotto dalla metanazione del gas. Per la preparazione di metanolo e dimetiletere viene utilizzata la sintesi del metanolo. I carburanti BtL sono prodotti attraverso la sintesi di Fischer-Tropsch, in base al quale sia la benzina che le frazioni diesel possono essere prodotte in base ai parametri di processo.