Gás de madeira

O gás de madeira é um combustível de síntese que pode ser usado como combustível para fornos, fornos e veículos em vez de gasolina, diesel ou outros combustíveis. Durante o processo de produção, a biomassa ou outros materiais contendo carbono são gaseificados dentro do ambiente limitado por oxigênio de um gerador de gás de madeira para produzir hidrogênio e monóxido de carbono. Esses gases podem então ser queimados como combustível dentro de um ambiente rico em oxigênio para produzir dióxido de carbono, água e calor. Em alguns gaseificadores este processo é precedido por pirólise, onde a biomassa ou carvão é primeiramente convertido em carvão, liberando metano e alcatrão ricos em hidrocarbonetos aromáticos policíclicos.

História
O primeiro gaseificador de madeira foi aparentemente construído por Gustav Bischof em 1839. O primeiro veículo movido a gás de madeira foi construído por Thomas Hugh Parker em 1901. Por volta de 1900, muitas cidades forneciam syngas (produzidos centralmente, tipicamente de carvão) para residências. O gás natural começou a ser usado apenas em 1930.

Veículos a gás de madeira foram usados ​​durante a Segunda Guerra Mundial como consequência do racionamento de combustíveis fósseis. Somente na Alemanha, cerca de 500.000 veículos “produtores de gás” estavam em uso no final da guerra. Caminhões, ônibus, tratores, motocicletas, navios e trens foram equipados com uma unidade de gaseificação de madeira. Em 1942, quando o gás da madeira ainda não atingira o auge de sua popularidade, havia cerca de 73.000 veículos movidos a gás de madeira na Suécia, 65.000 na França, 10.000 na Dinamarca e quase 8.000 na Suíça. Em 1944, a Finlândia tinha 43.000 “woodmobiles”, dos quais 30.000 eram ônibus e caminhões, 7.000 veículos particulares, 4.000 tratores e 600 barcos.

Gás de madeira foi usado, entre outras coisas, para impulsionar motores de combustão interna de veículos motorizados. Os geradores foram construídos fora do corpo ou transportados como um reboque. O sistema técnico, o gaseificador de madeira, estava cheio de lenha e funcionava como um gaseificador de leito fixo. Por aquecimento, a mistura de gases inflamáveis ​​(gás de madeira) escapou da madeira. Até o início da década de 1950, vários caminhões pequenos estavam em uso na Alemanha com uma carteira de motorista especial, para a qual apenas toras de faia certificadas e aprovadas eram usadas. Foi cerca de um litro de gasolina pode ser substituído pela quantidade de gás obtida a partir de 3 kg de madeira. A madeira, que era especialmente seca para gaseificação de madeira e desfiada no tamanho certo, era chamada de madeira de tanque e era produzida e armazenada nas chamadas fábricas de madeira de tanques.

No final da Segunda Guerra Mundial, havia cerca de 500.000 carros a gás geradores ou carros movidos a gás na Alemanha. Seu fornecimento foi fornecido pelo Ministério da Companhia Geradora de Energia para lenha e outros combustíveis geradores com seus respectivos postos de abastecimento.

Na União Soviética, os caminhões de madeira carburada eram produzidos em massa.Particularmente notáveis ​​são os modelos ZIS-21 (baseado no ZIS-5) e o GAZ-42, dos quais quase 35.000 exemplares foram produzidos entre 1939 e 1946. O motivo foi que, especialmente no extremo norte da União Soviética, o O fornecimento de combustível nas décadas de 1930 e 1940 ainda não estava garantido.

Em Schaanwald, no Liechtenstein, há um museu particular com cerca de 70 veículos a gás de madeira, da motocicleta ao trator. Os carros antigos são passíveis de deslocamento e são movidos de tempos em tempos, que são operados com resíduos de uma fábrica de móveis.

Gaseificadores de madeira ainda são fabricados na China e na Rússia para automóveis e como geradores de energia para aplicações industriais. Caminhões adaptados com gaseificadores de madeira são usados ​​na Coreia do Norte em áreas rurais, particularmente nas estradas da costa leste.

Como parte da discussão sobre o uso crescente de matérias-primas renováveis ​​no final do século XX e início do século XXI, a gaseificação da madeira e a gaseificação de outras substâncias orgânicas, especialmente de resíduos orgânicos, para a recuperação de combustíveis gasosos para aquecimento e geração de energia foram retomadas e implementadas em plantas de demonstração individuais. Com base neste uso puramente energético, o uso do produto gás como matéria-prima para a síntese química de biocombustíveis e produtos da indústria química também foi direcionado e será realizado em um futuro próximo, especialmente para combustíveis BtL, dimetil éter e metanol. .Através de uma metanização e tratamento subsequentes, pode ser introduzido na rede de gás natural como gás natural substituto (SNG). Gases de alta qualidade contendo mais de 50% de hidrogênio são também chamados de biohidrogênio.

Propriedades
O gás de madeira consiste na queima de constituintes, principalmente de monóxido de carbono 34% e metano 13%, bem como proporções menores de eteno 2% e hidrogênio 2%, além de componentes não combustíveis como nitrogênio 1%, dióxido de carbono 49% e vapor de água. O gás da madeira é cerca de 1,5 kg / m3 mais pesado que o ar em condições normais. O valor calorífico do gás da madeira é de cerca de 8,5 MJ / m3 na gaseificação autotérmica convencional e superior a 12 MJ / m3 na gaseificação alotérmica.

De acordo com a produção, a composição do gás da madeira pode variar amplamente. Ao usar ar (21 vol.% De oxigênio, 78 vol.% De nitrogênio), o produto gasoso contém uma proporção muito alta de nitrogênio, que não contribui para o valor calorífico do gás e reduz o rendimento de hidrogênio.Em contraste, os gases do produto não contêm nitrogênio quando usam oxigênio e vapor de água e, consequentemente, têm um poder calorífico maior e um alto rendimento de hidrogênio.

Uso

Motor de combustão interna
Gaseificadores de madeira podem alimentar motores de ignição por centelha, onde todo o combustível normal pode ser substituído com pouca mudança na carburação, ou em um motor Diesel, alimentando o gás na entrada de ar que é modificada para ter uma válvula de borboleta, se não já o tenho. Em motores a diesel, o combustível diesel ainda é necessário para inflamar a mistura de gases, portanto, uma articulação de “parada” do motor Diesel mecanicamente regulada e provavelmente uma articulação “aceleradora” deve ser modificada para fornecer ao motor um pouco de combustível injetado, geralmente abaixo do padrão volume inativo por injeção. A madeira pode ser usada para alimentar carros com motores de combustão interna comuns se um gaseificador de madeira estiver conectado. Isso foi bastante popular durante a Segunda Guerra Mundial em vários países europeus, africanos e asiáticos, porque a guerra impedia o acesso fácil e econômico ao petróleo. Em tempos mais recentes, o gás da madeira tem sido sugerido como um método limpo e eficiente para aquecer e cozinhar nos países em desenvolvimento, ou mesmo para produzir eletricidade quando combinado com um motor de combustão interna. Em comparação com a tecnologia da Segunda Guerra Mundial, os gaseificadores tornaram-se menos dependentes da atenção constante devido ao uso de sofisticados sistemas de controle eletrônico, mas continua difícil obter gás limpo a partir deles. A purificação do gás e sua alimentação em gasodutos de gás natural é uma variante para ligá-lo à infra-estrutura existente de reabastecimento. A liquefação pelo processo de Fischer-Tropsch é outra possibilidade.

A eficiência do sistema de gaseificador é relativamente alta. O estágio de gaseificação converte cerca de 75% do conteúdo de energia do combustível em um gás combustível que pode ser usado como combustível para motores de combustão interna. Baseado em experimentos práticos de longo prazo e mais de 100.000 quilômetros (62.000 mi) conduzidos com um carro a gás, o consumo de energia foi 1,54 vezes maior em comparação com a demanda de energia do mesmo carro com gasolina, excluindo a energia necessária para extrair , transporte e refinar o óleo do qual a gasolina é derivada, e excluindo a energia para colher, processar e transportar a madeira para alimentar o gaseificador. Isto significa que 1.000 kg (2.200 lb) de matéria combustível de madeira foram encontrados para ser equivalente a 365 litros (96 US gal) de gasolina durante o transporte real em condições de condução semelhantes e com o mesmo veículo, caso contrário não modificado. Isso pode ser considerado um bom resultado, porque nenhum outro refinamento do combustível é necessário. Este estudo também considera todas as perdas possíveis do sistema de gás da madeira, como o pré-aquecimento do sistema e o transporte do peso extra do sistema de geração de gás. Na geração de energia, a demanda relatada de combustível é de 1,1 kg (2,4 lb) de matéria combustível de madeira por quilowatt-hora de eletricidade.

Gaseificadores foram construídos para comunidades remotas da Ásia usando casca de arroz, que em muitos casos não tem outro uso. Uma instalação na Birmânia usa um gerador elétrico movido a diesel modificado de 80 kW para cerca de 500 pessoas que estão sem energia. A cinza pode ser usada como fertilizante de biochar, então isso pode ser considerado um combustível renovável.

A emissão de gases de escape de um motor de combustão interna é significativamente menor no gás de madeira do que na gasolina. Especialmente as emissões de hidrocarbonetos são baixas em gás de madeira. Um catalisador normal funciona bem com gás de madeira, mas mesmo sem ele, níveis de emissão inferiores a 20 ppm de HC e 0,2% de CO podem ser facilmente alcançados pela maioria dos motores de automóveis. A combustão de gás de madeira não gera partículas, e o gás torna assim muito pouco negro de carbono entre o óleo do motor.

Fogões, fornos e fornos
Certos projetos de fogões são, na verdade, gaseificadores trabalhando no princípio de corrente ascendente: o ar passa pelo combustível, que pode ser uma coluna de cascas de arroz, e é queimado, depois reduzido a monóxido de carbono pelo carvão residual na superfície. O gás resultante é então queimado pelo ar secundário aquecido, subindo por um tubo concêntrico. Tal dispositivo se comporta muito como um fogão a gás. Esse arranjo também é conhecido como queimador chinês.

Um fogão alternativo baseado no princípio de redução de inclinação e normalmente construído com cilindros aninhados também oferece alta eficiência. A combustão do topo cria uma zona de gaseificação, com o gás escapando para baixo através de portas localizadas na base da câmara do queimador. O gás se mistura com ar adicional de entrada para fornecer uma queima secundária. A maior parte do CO produzido pela gaseificação é oxidada em CO2 no ciclo de combustão secundária; Portanto, fogões de gaseificação carregam riscos de saúde menores do que os fogões convencionais.

Outra aplicação é o uso de gás produtor para substituir o óleo combustível de densidade leve (LDO) em fornos industriais.

Uso de gás
O gás produzido na gaseificação de biomassa pode ser usado tanto energeticamente quanto materialmente.

Uso energético por combustão
O uso atualmente comum para a mistura gasosa da gaseificação da biomassa é o uso do motor (de acordo com o princípio da gasolina ou diesel) ou a combustão nos incineradores correspondentes para a produção de calor (vapor) e energia elétrica, usando um acoplamento de força-calor. eficiência de conversão de energia muito alta é alcançada. O condensado de gás de madeira produzido durante o resfriamento do gás deve ser adequadamente tratado nessas plantas antes que ele possa ser enviado para uma água receptora, uma vez que requer um alto nível de oxigênio bioquímico. Alternativamente, a mistura gasosa da gaseificação da biomassa em células a combustível de óxido sólido pode ser convertida diretamente em eletricidade. O princípio ativo já foi comprovado em experimentos em 2004.

Use como gás de síntese
Além disso, um produto gasoso de monóxido de carbono e hidrogênio para a síntese química de vários produtos pode ser usado como gás de síntese. O uso de material de gás de síntese a partir da gaseificação de biomassa ainda está em desenvolvimento, tais plantas estão atualmente apenas em escala laboratorial e de demonstração. A produção em larga escala e o uso de CO / H 2 -Synthesegas, portanto, ocorrem exclusivamente com base no gás natural e outros combustíveis fósseis, como carvão e nafta.

As opções de utilização técnico-química são principalmente a produção de hidrogênio e a resultante produção de amônia utilizando o processo Haber-Bosch, síntese de metanol, várias oxo-sínteses e a produção de biocombustíveis (combustíveis BtL) e outros produtos através da síntese de Tropsch.

na síntese de amônia de acordo com o processo Haber-Bosch

na síntese de metanol

na síntese oxo

na síntese de Fischer-Tropsch

Além dessas aplicações técnicas químicas, o syngas também pode ser usado biotecnologicamente via fermentação de gás de síntese. Os produtos desta opção podem ser, por exemplo, álcoois tais como etanol, butanol, acetona, ácidos orgânicos e biopolímeros. Esse uso ainda está em fase de desenvolvimento e não é usado adequadamente em grande escala.

Em todos estes tipos de uso, deve-se notar que a água condensa como parte da cadeia de processo com um resfriamento do gás e em graus variados como o condensado de gás de madeira é contaminado de várias maneiras com matéria orgânica; o descarte adequado dessas águas residuais (cerca de 0,5 litros por kg de madeira) é listado aqui no esquema BtL como “subprodutos”, mas é parte integrante de tais sistemas.

Produção
Um gaseificador de madeira retira cavacos de madeira, pó de serra, carvão, carvão, borracha ou materiais semelhantes como combustível e os queima incompletamente em uma caixa de fogo, produzindo gás de madeira, cinzas sólidas e fuligem, as quais devem ser removidas periodicamente do gaseificador. O gás da madeira pode então ser filtrado para alcatrão e partículas de fuligem / cinza, resfriado e direcionado para um motor ou célula de combustível. A maioria destes motores tem requisitos rigorosos de pureza do gás da madeira, pelo que o gás tem de passar frequentemente por uma extensa limpeza do gás, a fim de remover ou converter, isto é, “crack”, alcatroes e partículas. A remoção de alcatrão é frequentemente realizada usando um purificador de água. O funcionamento do gás da madeira em um motor de combustão interna não queimado, que queima a gasolina, pode levar ao acúmulo problemático de compostos não queimados.

A qualidade do gás de diferentes gaseificadores varia muito. Gaseificadores em etapas, onde a pirólise e gaseificação ocorrem separadamente, em vez de na mesma zona de reação como, por exemplo, os gaseificadores da Segunda Guerra Mundial, podem ser projetados para produzir gás essencialmente isento de alcatrão (menos de 1 mg / m³) enquanto os gaseificadores de leito fluidizado de reator único podem exceder 50.000 mg / m³ de alcatrão. Os reatores de leito fluidizado têm a vantagem de serem muito mais compactos, com mais capacidade por unidade de volume e preço. Dependendo do uso pretendido do gás, o alcatrão pode ser benéfico, aumentando também o valor de aquecimento do gás.

O calor da combustão do “gás de produção” – termo usado nos Estados Unidos para gás de madeira produzido para uso em um motor de combustão – é bastante baixo em comparação com outros combustíveis. Taylor relata que o gás de produção tem um menor calor de combustão de 5,7 MJ / kg versus 55,9 MJ / kg para o gás natural e 44,1 MJ / kg para a gasolina. O calor da combustão da madeira é tipicamente 15-18 MJ / kg. Presumivelmente, esses valores podem variar um pouco de amostra para amostra. A mesma fonte reporta a seguinte composição química por volume, que provavelmente também é variável:

Um produtor de gás de carvão no festival alternativo de Nambassa na Nova Zelândia em 1981
Durante a produção de carvão vegetal para a pólvora negra, o gás volátil da madeira é ventilado.Resultados de carbono de área superficial extremamente alta, adequados para uso como combustível em pó preto.

Nitrogênio N2: 50,9%
Monóxido de Carbono CO: 27.0%
Hidrogênio H2: 14,0%
Dióxido de Carbono CO2: 4,5%
Metano CH4: 3,0%
Oxigênio O2: 0,6%.

Ressalta-se que a composição do gás é fortemente dependente do processo de gaseificação, do meio de gaseificação (ar, oxigênio ou vapor) e da umidade do combustível. Os processos de gaseificação a vapor normalmente produzem altos teores de hidrogênio, os gaseificadores de leito fixo e descendente produzem altas concentrações de nitrogênio e baixas cargas de alcatrão, enquanto os gaseificadores de leito fixo de updraft produzem altas cargas de alcatrão.

Biocombustíveis
Também na produção de biocombustíveis, o gás produzido no gás de gasificação é utilizado como gás de síntese nos processos de síntese já descritos. O foco é em combustíveis gasosos como biohidrogênio, substitutos de gás natural (metano, SNG) e dimetil éter, bem como combustíveis líquidos como metanol e combustíveis de BtL. [8th]

O bio-hidrogênio é extraído do gás de síntese por reforma a vapor, o metano pode ser produzido por metanação do gás. Para a preparação de metanol e éter dimetílico, é utilizada a síntese de metanol.Os combustíveis de BtL são produzidos por meio da síntese de Fischer-Tropsch, onde as frações de gasolina e diesel podem ser produzidas com base nos parâmetros do processo.