Древесный газ

Древесный газ представляет собой синтетическое топливо, которое может использоваться в качестве топлива для печей, печей и транспортных средств вместо бензина, дизельного топлива или другого топлива. Во время производственного процесса биомасса или другие углеродсодержащие материалы газифицируются в среде, ограниченной кислородом генератора древесного газа, для получения водорода и окиси углерода. Эти газы затем могут сжигаться в качестве топлива в среде, богатой кислородом, для получения углекислого газа, воды и тепла. В некоторых газификатора этому процессу предшествует пиролиз, где биомасса или уголь сначала превращаются в уголь, выделяя метан и смолу, богатые полициклическими ароматическими углеводородами.

история
Первый деревянный газификатор, по-видимому, был построен Густавом Бишофом в 1839 году. Первый автомобиль, работающий на древесном топливе, был построен Томасом Хью Паркером в 1901 году. Примерно в 1900 году во многих городах был поставлен сингаз (в основном произведенный, как правило, из угля) в резиденции. Природный газ начал использоваться только в 1930 году.

Во время Второй мировой войны использовались транспортные средства с древесным газом в результате нормирования ископаемого топлива. Только в Германии в конце войны использовалось около 500 000 автомобилей-производителей газа. Грузовые автомобили, автобусы, тракторы, мотоциклы, корабли и поезда были оснащены блоком газификации древесины. В 1942 году, когда древесный газ еще не достиг высоты своей популярности, в Швеции было около 73 000 древесных газов, 65 000 во Франции, 10 000 в Дании и почти 8 000 в Швейцарии. В 1944 году в Финляндии было 43 000 «дровосеков», из которых 30 000 были автобусами и грузовиками, 7 000 частных транспортных средств, 4 000 тракторов и 600 лодок.

Древесный газ использовался, среди прочего, для привода двигателей внутреннего сгорания автомобилей. Генераторы были построены вне тела или вывезены в качестве трейлера.Техническая система, древесный газификатор, была заполнена дровами и работала в качестве газификатора с неподвижным слоем. При нагревании из древесины удалялась горючая газовая смесь (древесный газ). До начала 1950-х годов в Германии использовалось несколько небольших грузовиков со специальными водительскими правами, для которых использовались только сертифицированные и утвержденные буковые журналы. Примерно один литр бензина можно заменить количеством газа, полученного из 3 кг древесины.Древесина, которая была специально высушена для газификации древесины и измельчена до нужного размера, называлась танковой древесиной и производилась и хранилась на так называемых фабриках танкистов.

В конце Второй мировой войны в Германии было около 500 000 автомобилей с генераторным газом или дровяных вагонов. Его поставка была предоставлена ​​Министерством энергетики для топливной древесины и других топлив-генераторов с соответствующими заправочными станциями.

В Советском Союзе каркасно-карбюраторные грузовики были серийно произведены. Особо следует отметить модели ZIS-21 (на базе ZIS-5) и ГАЗ-42, из которых почти 35 000 экземпляров были выпущены в период с 1939 по 1946 год. Причина в том, что, особенно на крайнем севере Советского Союза, поставка топлива в 1930-х и 1940-х годах еще не была обеспечена.

В Шэнавальде в Лихтенштейне есть частный музей с около 70 деревянными газовыми транспортными средствами от мотоцикла до трактора. Старинные автомобили пригодны для эксплуатации и время от времени перемещаются, что работает с отходами мебельной фабрики.

Древесные газификаторы по-прежнему производятся в Китае и России для автомобилей и как генераторы для промышленного применения. Грузовые автомобили, модернизированные с использованием древесных газификаторов, используются в Северной Корее в сельских районах, особенно на дорогах восточного побережья.

В рамках обсуждения вопроса об увеличении использования возобновляемого сырья в конце 20-го и начале 21-го столетий газификация древесины и газификация других органических веществ, особенно органических остатков, для извлечения газообразного топлива для нагрева и производство энергии было вновь рассмотрено и реализовано на отдельных демонстрационных заводах. Основываясь на этом исключительно энергетическом использовании, использование газообразного продукта в качестве сырья для химического синтеза биотоплива и продуктов химической промышленности также было целевым и будет реализовано в ближайшем будущем, особенно для топлива BtL, диметилового эфира и метанола , При последующем метанации и обработке его можно подавать в сетку природного газа в качестве заменителя природного газа (SNG). Высококачественные газообразные продукты, содержащие более 50% водорода, также называются так называемым биоводородом.

свойства
Древесный газ состоит из горящих компонентов, в основном из моноксида углерода 34% и метана 13%, а также незначительных пропорций этилена 2% и водорода 2%, а также негорючих компонентов, таких как азот 1%, диоксид углерода 49% и водяной пар. Древесный газ составляет около 1,5 кг / м 3 тяжелее воздуха в нормальных условиях. Теплотворная способность древесного газа составляет около 8,5 МДж / м 3 при обычной автотермической газификации и более 12 МДж / м 3 при аллотермической газификации.

Согласно производству, состав древесного газа может сильно различаться. При использовании воздуха (21 об.% Кислорода, 78 об.% Азота) газообразный продукт содержит очень высокую долю азота, что не способствует калорийности газа и снижает выход водорода. Напротив, газы продукта не содержат азота при использовании кислорода и водяного пара и, соответственно, имеют более высокую теплотворную способность и высокий выход водорода.

использование

Двигатель внутреннего сгорания
Древесные газификаторы могут приводить в действие двигатели с искровым зажиганием, где все нормальное топливо может быть заменено небольшим изменением на карбюрацию или дизельным двигателем, подавая газ в воздухозаборник, который модифицирован, чтобы иметь дроссельный клапан, если он У меня это уже есть. На дизельных двигателях дизельное топливо по-прежнему необходимо для зажигания газовой смеси, поэтому необходимо отрегулировать механически регулируемую «стоп-связь» дизельного двигателя и, возможно, «дроссельную» тягу, чтобы всегда давать двигателю немного впрыскиваемого топлива, часто под стандартным холостой ход для инъекций. Древесина может использоваться для питания автомобилей с обычными двигателями внутреннего сгорания, если используется древесный газификатор. Это было довольно популярно во время Второй мировой войны в нескольких европейских, африканских и азиатских странах, потому что война предотвратила легкий и экономически эффективный доступ к нефти. В последнее время древесный газ был предложен как чистый и эффективный метод нагрева и приготовления пищи в развивающихся странах или даже для производства электроэнергии в сочетании с двигателем внутреннего сгорания. По сравнению с технологиями Второй мировой войны газификаторы стали менее зависимыми от постоянного внимания благодаря использованию сложных электронных систем управления, но из-за них трудно получить чистый газ. Очистка газа и подача его в трубопроводы природного газа — это один из вариантов привязки его к существующей инфраструктуре дозаправки. Еще одна возможность — сжижение процесса Фишера-Тропша.

Эффективность системы газификатора относительно высока. Стадия газификации преобразует около 75% содержания топливной энергии в горючий газ, который может использоваться в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Основываясь на долгосрочных практических экспериментах и ​​более чем 100 000 километров (62 000 миль), приводимых в движение с помощью дерева с газовым двигателем, потребление энергии было в 1,54 раза выше по сравнению с потреблением энергии того же автомобиля на бензине, за исключением энергии, необходимой для извлечения , транспортировать и совершенствовать нефть, из которой получен бензин, и исключать энергию для сбора, обработки и транспортировки древесины для подачи газификатора. Это означает, что 1000 килограммов (2200 фунтов) древесного горючего вещества, как было установлено, эквивалентно 365 литрам (96 галлонов США) бензина во время реальной перевозки в аналогичных условиях движения и с тем же, в противном случае немодифицированным транспортным средством.Это можно считать хорошим результатом, потому что другого рафинирования топлива не требуется. В этом исследовании также рассматриваются все возможные потери системы древесного газа, такие как предварительный нагрев системы и перенос дополнительного веса газогенерирующей системы. При выработке электроэнергии заявленная потребность в топливе составляет 1,1 килограмма (2,4 фунта) древесного топлива на киловатт-час электроэнергии.

Газификаторы были построены для удаленных азиатских общин, используя рисовые корпуса, которые во многих случаях не имеют другого применения. Одна установка в Бирме использует модифицированный дизельный генератор мощностью 80 кВт для примерно 500 человек, которые в противном случае не имеют силы. Золу можно использовать в качестве биочипового удобрения, поэтому это можно считать возобновляемым топливом.

Выбросы отработавших газов из двигателя внутреннего сгорания значительно ниже на древесном топливе, чем на бензине. В частности, выбросы углеводородов низки на древесном топливе. Нормальный каталитический нейтрализатор хорошо работает с древесным газом, но даже без него уровни выбросов менее 20 ppm HC и 0,2% CO могут быть легко достигнуты большинством автомобильных двигателей. Сжигание древесного газа не образует частиц, а газ делает таким образом очень мало сажи среди моторного масла.

Печи, плиты и печи
Определенные конструкции печей — это, в сущности, газификаторы, работающие по принципу восходящего потока: воздух проходит через топливо, которое может быть колонкой рисовых корпусов, и сжигается, а затем восстанавливается до окиси углерода остаточным углем на поверхности. Полученный газ затем сжигается нагретым вторичным воздухом, поднимающимся вверх по концентрической трубке. Такое устройство ведет себя очень похоже на газовую плиту. Это устройство также известно как китайская горелка.

Альтернативная печь, основанная на принципе «вниз» и обычно построенная с вложенными цилиндрами, также обеспечивает высокую эффективность. Сгорание сверху создает зону газификации, при этом газ выходит вниз через отверстия, расположенные в основании камеры горелки. Газ смешивается с дополнительным входящим воздухом для обеспечения вторичного ожога. Большая часть СО, образующегося при газификации, окисляется до СО2 во вторичном цикле сгорания; поэтому газификационные печи несут более низкие риски для здоровья, чем обычные курящие пожары.

Другая заявка — использование газа-производителя для вытеснения масел малой плотности (LDO) в промышленных печах.

Использование газа
Газ, добываемый в газификации биомассы, может использоваться как энергетически, так и материально.

Энергетическое использование при сжигании
В настоящее время общее использование для газовой смеси газификации биомассы — это использование двигателя (в соответствии с принципом бензина или дизельного топлива) или сжигание в соответствующих мусоросжигательных установках для производства тепла (пара) и электроэнергии с использованием силового теплосоединения a Достигнута высокая эффективность преобразования энергии. Конденсат древесного газа, образующийся при охлаждении газа, должен быть должным образом обработан на этих установках, прежде чем он может быть отправлен в принимающую воду, поскольку для этого требуется высокий уровень биохимического кислорода. Альтернативно, газовая смесь газификации биомассы в твердооксидных топливных элементах может быть преобразована непосредственно в электричество. Активный принцип уже был доказан в экспериментах в 2004 году.

Использовать в качестве синтез-газа
Кроме того, в качестве синтез-газа можно использовать газообразный продукт моноксида углерода и водорода для химического синтеза различных продуктов. Материальное использование синтез-газа из газификации биомассы все еще находится в разработке, такие установки в настоящее время находятся только в лабораторных и демонстрационных масштабах. Крупномасштабное производство и использование CO / H 2 -Synthesegas соответственно происходит исключительно на основе природного газа и других ископаемых видов топлива, таких как уголь и нафта.

Варианты химико-технического использования — это в первую очередь производство водорода и получаемое в результате производство аммиака с использованием процесса Хабера-Боша, синтез метанола, различные виды оксосинтеза и производство биотоплива (топливо BtL) и другие продукты через синтез рыбаков-Тропша:

в синтезе аммиака в соответствии с процессом Хабера-Боша

в синтезе метанола

в синтезе оксо

в синтезе Фишера-Тропша

В дополнение к этим химико-техническим применениям синтез-газ также может быть использован биотехнологически путем ферментации синтез-газа. Продуктами этого варианта могут быть, например, спирты, такие как этанол, бутанол, ацетон, органические кислоты и биополимеры. Это использование в настоящее время все еще находится на стадии разработки и не используется соответственно в больших масштабах.

Во всех этих типах использования следует отметить, что вода конденсируется как часть технологической цепочки с охлаждением газа и в той или иной степени, поскольку конденсат древесного газа по-разному загрязнен органическим веществом; надлежащая утилизация этой сточной воды (около 0,5 литра на кг древесины) приведена здесь в схеме BtL как «побочные продукты», но она является неотъемлемой частью таких систем.

производство
Древесный газификатор берет древесную щепу, опилки, уголь, уголь, каучук или аналогичные материалы, такие как топливо, и сжигает их не полностью в огневом ящике, производя древесный газ, твердую золу и сажу, последние из которых необходимо периодически удалять из газификатора. Затем древесный газ может быть отфильтрован на наличие смол и частиц сажи / золы, охлажден и направлен к двигателю или топливному элементу. Большинство из этих двигателей имеют строгие требования к чистоте древесного газа, поэтому газ часто должен проходить через обширную очистку газа для удаления или преобразования, т. Е. «Трещины», смолы и частицы. Удаление смолы часто осуществляется с помощью скруббера для воды. Запуск древесного газа в немодифицированном бензиновом двигателе внутреннего сгорания может привести к проблемному накоплению несгоревших соединений.

Качество газа от разных газификаторов сильно варьируется. Стационарные газификаторы, где пиролиз и газификация происходят отдельно, а не в той же реакционной зоне, что и в случае, например, газификаторов Второй мировой войны, могут быть сконструированы для получения газа, не содержащего газы (менее 1 мг / м³) в то время как одножильные газификаторы с псевдоожиженным слоем могут превышать 50 000 мг / м3 смолы. Реакторы с псевдоожиженным слоем имеют преимущество в том, что они намного компактнее, с большей мощностью на единицу объема и ценой. В зависимости от предполагаемого использования газа, смола может быть полезной, а также путем увеличения теплотворной способности газа.

Теплота сгорания «газообразного производителя» — термин, используемый в Соединенных Штатах, означающий древесный газ, предназначенный для использования в двигателе внутреннего сгорания, — относительно невысокий по сравнению с другими видами топлива.Тейлор сообщает, что у добывающего газа более низкая теплота сгорания составляет 5,7 МДж / кг против 55,9 МДж / кг для природного газа и 44,1 МДж / кг для бензина. Теплота сгорания древесины обычно составляет 15-18 МДж / кг. Предположительно, эти значения могут несколько отличаться от образца к образцу. Тот же источник сообщает следующий химический состав по объему, который, скорее всего, также является переменным:

Производитель угля на альтернативном фестивале Nambassa в Новой Зеландии в 1981 году
Во время производства древесного угля для черного порошка выделяется летучий древесный газ. Исключительно высокие по площади поверхности углеродные результаты, пригодные для использования в качестве топлива в черном порошке.

Азот N2: 50,9%
Окись углерода CO: 27,0%
Водород H2: 14,0%
Двуокись углерода CO2: 4,5%
Метан CH4: 3,0%
Oxygen O2: 0,6%.

Отмечено, что состав газа сильно зависит от процесса газификации, среды газификации (воздух, кислород или пар) и влажности топлива. Процессы парогазификации, как правило, приводят к высокому содержанию водорода, газификаторы с неподвижным слоем нисходящего потока дают высокие концентрации азота и низкие нагрузки на смолу, в то время как газификаторы с неподвижным слоем восходящего потока дают высокие нагрузки на смолу.

Биотопливо
Также в производстве биотоплива газ, полученный в газификационном продукте, используется в качестве синтез-газа в уже описанных процессах синтеза. Основное внимание уделяется газообразному топливу, например, биоводороду, заменителям природного газа (метан, SNG) и диметиловому эфиру, а также жидким топливам, таким как метанол и топливо BtL. [Восьмой]

Биогидроген извлекают из синтез-газа путем парового риформинга, метан может быть получен путем метанирования газа. Для получения метанола и диметилового эфира используют синтез метанола. Топливо BtL производится с помощью синтеза Фишера-Тропша, в результате которого как бензиновые, так и дизельные фракции могут быть получены на основе параметров процесса.