木气(Wood gas)是一种合成气燃料,可用作炉子,炉子和车辆的燃料,代替汽油,柴油或其他燃料。 在生产过程中,生物质或其他含碳材料在木材气体发生器的氧气限制环境内气化,以产生氢气和一氧化碳。然后,这些气体可以在富氧环境中作为燃料燃烧,产生二氧化碳,水和热量。 在一些气化器中,该过程之前是热解,其中生物质或煤首先转化为焦炭,释放富含多环芳烃的甲烷和焦油。

历史
第一台木材气化炉显然是由Gustav Bischof于1839年建造的。第一辆由木材燃气驱动的车辆由Thomas Hugh Parker于1901年建造。大约在1900年,许多城市将合成气(集中生产,通常来自煤炭)运送到住宅。 天然气开始仅在1930年使用。

由于化石燃料的配给,第二次世界大战期间使用了木材燃气汽车。 仅在德国,战争结束时就有大约500,000辆“生产燃气”车辆在使用。 卡车,公共汽车,拖拉机,摩托车,轮船和火车都配备了木材气化装置。 1942年,当木材气体尚未达到其受欢迎程度的高度时,瑞典约有73,000辆木材燃气汽车,法国为65,000辆,丹麦为10,000辆,瑞士约为8,000辆。 1944年,芬兰拥有43,000辆“木质运动”,其中30,000辆为公共汽车和卡车,7,000辆私人车辆,4,000辆拖拉机和600艘船。

其中,使用木材气体来驱动机动车辆的内燃机。 发电机建在车身外面或作为拖车运载。 技术系统,木材气化器,充满木柴,并作为固定床气化器。 通过加热,可燃气体混合物(木材气体)从木材中逸出。 直到20世纪50年代初,在德国使用了许多小型卡车并获得了特殊驾驶执照,其中只使用了经过认证和批准的山毛榉原木。 大约一升汽油可以用3千克木材中的气体量代替。 木材经过特殊干燥,用于木材气化并切碎成合适的尺寸,被称为罐木,并在所谓的罐木工厂生产和储存。

在第二次世界大战结束时,德国有大约500,000辆发电汽油车或木材燃气汽车。 它的供应由发电公司提供,用于薪材和其他发电机燃料及其相关的加油站。

在苏联,木质化油器卡车是大规模生产的。 特别值得一提的是ZIS-21型号(基于ZIS-5)和GAZ-42型号,其中1939年至1946年间生产了近35,000份。原因是,特别是在苏联的最北端, 20世纪30年代和40年代的燃料供应尚未得到保障。

在列支敦士登的Schaanwald,有一个私人博物馆,有大约70辆从摩托车到拖拉机的木制汽油车。 老式汽车是适合行驶的,并且不时地移动,这是浪费家具工厂。

木材气化器仍在中国和俄罗斯生产,用于汽车和工业用发电机。 朝鲜在农村地区使用改装木材气化器的卡车,特别是在东海岸的道路上。

作为20世纪末和21世纪初越来越多地使用可再生原材料的讨论的一部分,木材气化和其他有机物质的气化,特别是有机残留物的气化,用于回收气体燃料的热量再次采用和发电,并在个别示范工厂实施。 基于这种纯粹的能量使用,产品气体作为化学合成生物燃料和化学工业产品的原料的使用也是目标,并将在不久的将来实现,特别是对于BtL燃料,二甲醚和甲醇。 通过随后的甲烷化和处理,它可以作为替代天然气(SNG)进料到天然气网格中。 含有超过50%氢的高质量产品气体也称为所谓的生物氢。

属性
木材燃气由燃烧成分组成,主要是一氧化碳34%和甲烷13%,以及少量乙烯2%和氢2%,以及不燃组分如氮1%,二氧化碳49%和水蒸气。 在正常条件下,木材气体比空气重约1.5 kg / m 3。 在常规自热气化中,木材气体的热值约为8.5MJ / m 3,在等温气化中约为12MJ / m 3。

根据生产,木材气体的成分可以广泛变化。 当使用空气(21体积%氧气,78体积%氮气)时,产物气体含有非常高比例的氮气,这不会影响气体的热值并降低氢气产率。 相反,当使用氧气和水蒸气时,产物气体不含氮,因此具有更高的热值和高的氢产率。

用法

内燃机
木材气化器可以为火花点火发动机提供动力,其中所有普通燃料都可以在很少改变碳化物的情况下进行更换,或者在柴油发动机中,将气体送入空气入口,如果没有,则将其改装为具有节流阀的空气入口还没有。 在柴油发动机上仍然需要柴油燃料来点燃气体混合物,因此必须修改机械调节的柴油发动机的“停止”连杆和可能的“节流”连杆,以便始终为发动机提供一点点喷射燃料,通常在标准下每次注射空转量。 如果连接木材气化器,木材可用于为普通内燃机提供动力。 这在第二次世界大战期间在几个欧洲,非洲和亚洲国家非常受欢迎,因为这场战争阻碍了石油的轻松和具有成本效益的获取。 最近,木材气体被认为是一种清洁有效的方法,可以在发展中国家进行加热和烹饪,甚至可以在与内燃机结合使用时发电。 与第二次世界大战的技术相比,由于使用了复杂的电子控制系统,气化器不再受到持续关注,但仍难以从中获取清洁气体。 净化天然气并将其输送到天然气管道是将其与现有加油基础设施连接起来的一种变体。 Fischer-Tropsch工艺液化是另一种可能性。

气化器系统的效率相对较高。 气化阶段将约75%的燃料能量转化为可燃气体,该可燃气体可用作内燃机的燃料。 基于长期实际试验和超过100,000公里(62,000英里)的柴油驱动汽车驱动,与同一辆汽油对汽油的能源需求相比,能耗高出1.54倍,不包括提取所需的能源,运输和精炼从中获取汽油的油,并排除能量来收获,加工和运输木材以供给气化器。 这意味着在类似驾驶条件下的实际运输过程中发现1,000千克(2,200磅)的木质可燃物质相当于365升(96美制加仑)汽油,并且使用相同的,未经修改的车辆。 这可以被认为是一个好结果,因为不需要其他精炼燃料。 该研究还考虑了木材气体系统的所有可能损失,例如系统的预热和携带气体发生系统的额外重量。 在发电方面,报告的燃料需求是每千瓦时电力1.1千克(2.4磅)木材可燃物质。

使用稻壳为偏远的亚洲社区建造了气化器,在许多情况下没有其他用途。 缅甸的一个装置使用80千瓦改进的柴油动力发电机,大约500人,否则没有电力。 灰可以用作生物炭肥,因此可以认为是可再生燃料。

来自内燃机的废气排放在木材气体上明显低于汽油。 特别是木材气体的碳氢化合物排放量很低。 普通的催化转化器与木材气体配合良好,但即使没有它,大多数汽车发动机也可轻松实现低于20 ppm HC和0.2%CO的排放水平。 木材气体的燃烧不产生颗粒,因此气体在机油中产生非常少的炭黑。

炉子,烹饪和炉子
实际上,某些炉子设计是根据上升气流原理工作的气化器:空气向上通过燃料,该燃料可以是一个稻壳柱,并且燃烧,然后通过表面上的残余炭被还原成一氧化碳。 然后,所产生的气体通过加热的二次空气燃烧,该二次空气来自同心管。 这种装置的行为非常像燃气灶。 这种安排也被称为中国燃烧器。

基于下牵引原理并且通常使用嵌套气缸构建的替代炉也提供高效率。 从顶部燃烧产生气化区,气体通过位于燃烧室底部的端口向下逸出。 气体与额外的进入空气混合以提供二次燃烧。 气化产生的大部分CO在二次燃烧循环中被氧化成CO2; 因此,气化炉比传统的烹饪炉具有更低的健康风险。

另一个应用是使用生产气体取代工业炉中的轻质燃料油(LDO)。

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燃气使用量
生物质气化中产生的气体可以在能量上和物质上使用。

通过燃烧充分利用
目前生物质气化的气体混合物的常用用途是电动机使用(根据汽油或柴油原理)或相应焚烧炉中的燃烧,用于产生热量(蒸汽)和电力,使用力 – 热耦合a实现了非常高的能量转换效率。 在气体冷却过程中产生的木材气体冷凝物必须在这些工厂中进行适当处理才能送到接收水中,因为它需要高水平的生化氧气。 或者,固体氧化物燃料电池中的生物质气化的气体混合物可以直接转化为电。 有效原则已在2004年的实验中得到证实。

用作合成气
另外,用于各种产物的化学合成的一氧化碳和氢的产物气体可用作合成气。 来自生物质气化的合成气的材料使用仍处于开发阶段,此类工厂目前仅处于实验室和示范规模。 因此,CO / H 2 – 合成气的大规模生产和使用仅基于天然气和其他化石燃料如煤和石脑油进行。

化学技术利用方案主要是使用Haber-Bosch工艺,甲醇合成,各种羰基合成以及生物燃料(BtL燃料)和其他产品通过渔民生产氢气和生产氨 – -Tropsch合成:

根据Haber-Bosch法在氨合成中

在甲醇的合成中

在羰基合成中

在Fischer-Tropsch合成中

除了这些化学技术应用之外,合成气还可以通过合成气发酵在生物技术上使用。 该选择的产品可以是,例如,醇类,如乙醇,丁醇,丙酮,有机酸和生物聚合物。 该用途目前仍处于开发阶段,因此未大规模使用。

在所有这些类型的使用中,应该注意的是,随着气体的冷却,水作为工艺链的一部分冷凝,并且随着木材气体冷凝物被有机物质不同地污染,水会不同程度地冷凝。 BtL计划中将这种废水(每公斤木材约0.5升)的适当处置列为“副产品”,但它是此类系统的组成部分。

生产
木材气化器采用木屑,锯末,木炭,煤,橡胶或类似材料作为燃料,并在火箱中不完全燃烧,产生木材气体,固体灰和烟灰,后者必须定期从气化器中除去。 然后可以过滤木材气体用于焦油和烟灰/灰分颗粒,冷却并引导至发动机或燃料电池。 这些发动机中的大多数对木材气体具有严格的纯度要求,因此气体通常必须通过大量的气体清洁以去除或转换,即“裂化”,焦油和颗粒。 通常使用水洗涤器来除去焦油。 在未改性的汽油燃烧内燃机中运行木材气体可能导致未燃烧化合物的有问题的积聚。

来自不同气化器的气体质量差异很大。 分段气化器,其中热解和气化单独发生,而不是在例如第二次世界大战气化器中的相同反应区中,可以设计成产生基本上不含焦油的气体(小于1mg / m 3),而单反应器流化床气化器可能超过50,000 mg /m³焦油。 流化床反应器具有更紧凑的优点,每单位体积和价格具有更大的容量。 取决于气体的预期用途,焦油可以是有益的,并且通过增加气体的热值。

“生产气体”的燃烧热 – 在美国使用的术语,意指用于内燃机的木材气体 – 与其他燃料相比相当低。Taylor报告说,生产燃气的燃烧热为5.7 MJ / kg,而天然气为55.9 MJ / kg,汽油为44.1 MJ / kg。 木材的燃烧热通常为15-18MJ / kg。 据推测,这些值可能因样品而有所不同。 相同的来源报告了以下化学成分的体积,这很可能也是可变的:

1981年新西兰Nambassa替代节日的木炭天然气生产商
在生产用于黑色粉末的木炭期间,挥发性木材气体被排出。 产生极高表面积的碳,适合用作黑色粉末中的燃料。

氮N2:50.9%
一氧化碳CO:27.0%
氢H2:14.0%
二氧化碳CO2:4.5%
甲烷CH4:3.0%
氧气O2:0.6%。

需要指出的是,气体组成强烈依赖于气化过程,气化介质(空气,氧气或蒸汽)和燃料水分。 蒸汽 – 气化过程通常产生高氢含量,下吸式固定床气化器产生高氮浓度和低焦油负荷,而上升气流固定床气化器产生高焦油负荷。

生物燃料
同样在生物燃料的生产中,在气化产物气体中产生的气体在已经描述的合成过程中用作合成气。 重点是气体燃料,如生物氢,天然气替代品(甲烷,SNG)和二甲醚,以及液体燃料,如甲醇和BtL燃料。[8]

通过蒸汽重整从合成气中提取生物氢,可以通过甲烷化气体产生甲烷。 为了制备甲醇和二甲醚,使用甲醇的合成。 BtL燃料通过Fischer-Tropsch合成生产,由此可以基于工艺参数生产汽油和柴油馏分。

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