Древесный газ - Wood gas

Пламя из генератор древесного газа

Древесный газ это синтез-газ топливо, которое можно использовать в качестве топлива для печей, печей и транспортных средств вместо бензин, дизель или другое топливо. В процессе производства биомасса или другие углеродсодержащие материалы газифицированный в среде с ограниченным содержанием кислорода генератор древесного газа производить водород и монооксид углерода. Затем эти газы можно сжигать в качестве топлива в среде, богатой кислородом, для получения углекислый газ, воды и тепло. В некоторых газификаторах этому процессу предшествует пиролиз, где биомасса или уголь сначала превращаются в char, выпуская метан и деготь богат в полициклические ароматические углеводороды.

История

Автобус, работающий на древесном газе, вырабатываемом газогенератором на прицепе, Лидс, Англия, 1943 год.

По всей видимости, первый дровяной газификатор был построен Густав Бишоф в 1839 году. Первое транспортное средство, работающее на древесном газе, было построено Томас Хью Паркер в 1901 г.[1] Около 1900 года многие города доставили синтез-газ (производится централизованно, обычно из уголь ) в жилые дома. Натуральный газ начали использовать только в 1930 году.

Транспортные средства на древесном газе использовались во время Вторая Мировая Война как следствие нормирования ископаемых видов топлива. Только в Германии около 500 000 "производитель газа "транспортные средства использовались в конце войны. Грузовые автомобили, автобусы, тракторы, мотоциклы, корабли и поезда были оснащены установкой газификации древесины. В 1942 году, когда древесный газ еще не достиг пика своей популярности, их было около 73000 автомобилей на древесном газе в Швеции,[2] 65 000 во Франции, 10 000 в Дании и почти 8 000 в Швейцарии. В 1944 году в Финляндии было 43 000 «лесомобилей», из которых 30 000 были автобусами и грузовиками, 7 000 частных автомобилей, 4 000 тракторов и 600 лодок.[3]

Газификаторы древесины по-прежнему производятся в Китае и России для автомобилей и в качестве генераторов энергии для промышленного применения. Грузовые автомобили, оснащенные газификаторами древесины, используются в Северная Корея[4] в сельской местности, особенно на дорогах восточного побережья.

Применение

Двигатель внутреннего сгорания

А Генератор древесного газа установлен на грузовик Ford, переоборудованный в трактор, Музей тракторов Пера Ларсена, Швеция, 2003 г.
Система газификации древесины
Автомобиль, работающий на древесном газе, Берлин, 1946 год. Обратите внимание на вторичный радиатор, необходимый для охлаждения газа перед его вводом в двигатель.

Газификаторы древесины могут приводить в действие либо двигатели с искровым зажиганием, где все обычное топливо можно заменить с небольшим изменением карбюрации, либо в дизельном двигателе, подавая газ во впускное отверстие для воздуха, которое модифицировано так, чтобы иметь дроссельный клапан, если это не так. его уже нет. На дизельных двигателях дизельное топливо все еще необходимо для воспламенения газовой смеси, поэтому механически регулируемая тяга «стоп» дизельного двигателя и, возможно, «дроссельная» тяга должны быть изменены, чтобы всегда давать двигателю немного впрыскиваемого топлива, часто ниже стандартного. объем холостого хода на впрыск. Древесину можно использовать для питания автомобилей обычными двигатель внутреннего сгорания если газификатор древесины прилагается. Это было довольно популярно во время Второй мировой войны в нескольких странах Европы, Африки и Азии, потому что война помешала легкому и рентабельному доступу к нефти. В последнее время древесный газ был предложен в качестве чистого и эффективного метода нагрева и приготовления пищи в развивающихся странах или даже для производства электроэнергии в сочетании с двигателем внутреннего сгорания. По сравнению с технологиями времен Второй мировой войны газификаторы стали менее зависимыми от постоянного внимания из-за использования сложных электронных систем управления, но получить из них чистый газ по-прежнему сложно. Очистка газа и подача его в трубопроводы природного газа - это один из вариантов подключения его к существующей заправочной инфраструктуре. Разжижение Процесс Фишера-Тропша это еще одна возможность.

КПД системы газификатора относительно высок. На стадии газификации около 75% энергии топлива преобразуется в горючий газ, который можно использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. На основе длительных практических экспериментов и более 100000 километров (62000 миль), проеханных с автомобилем, работающим на древесном газе, потребление энергии было в 1,54 раза выше по сравнению с потреблением энергии того же автомобиля на бензине, за исключением энергии, необходимой для извлечения энергии. , транспортировать и очищать нефть, из которой получают бензин, и исключая энергию для сбора, обработки и транспортировки древесины для подачи в газогенератор. Это означает, что 1000 килограммов (2200 фунтов) древесного горючего вещества оказались эквивалентны 365 литрам (96 галлонам США) бензина при реальной транспортировке в аналогичных условиях вождения и с тем же автомобилем, не подвергшимся никаким изменениям.[5] Это можно считать хорошим результатом, потому что никакой другой очистки топлива не требуется. В этом исследовании также рассматриваются все возможные потери системы древесного газа, такие как предварительный нагрев системы и перенос лишнего веса газогенераторной системы. При производстве электроэнергии заявленная потребность в топливе составляет 1,1 кг (2,4 фунта) древесного горючего вещества на киловатт-час электроэнергии.[6]

Газификаторы были построены для отдаленных азиатских общин с использованием рисовой шелухи, которая во многих случаях не имеет другого применения. Одна установка в Бирме использует модифицированный дизельный электрогенератор мощностью 80 кВт для примерно 500 человек, которые в остальном остались без электричества.[7] Зола может использоваться как biochar удобрение, поэтому его можно рассматривать как возобновляемое топливо.

Выбросы выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания значительно ниже при использовании древесного газа, чем при использовании бензина.[8] Особенно низкие выбросы углеводородов при использовании древесного газа.[9] Обычный каталитический нейтрализатор хорошо работает с древесным газом, но даже без него в большинстве автомобильных двигателей можно легко достичь уровней выбросов менее 20 ppm HC и 0,2% CO. При сгорании древесного газа не образуются твердые частицы, и поэтому выделяемый газ очень мало угольно черный среди моторного масла.[10]

Плиты, кулинария и печи

Коаксиальная газификационная печь с нисходящей тягой

Некоторые конструкции печей, по сути, являются газификаторами, работающими по принципу восходящего потока: воздух проходит через топливо, которое может представлять собой столб рисовой шелухи, и сгорает, а затем восстанавливается до окиси углерода за счет остаточного полукокса на поверхности. Образующийся газ затем сжигается нагретым вторичным воздухом, поднимающимся по концентрической трубе. Такое устройство ведет себя очень похоже на газовую плиту. Это устройство также известно как китайская горелка.

Альтернативная печь, основанная на принципе нисходящей тяги и обычно построенная с вложенными цилиндрами, также обеспечивает высокую эффективность. Горение сверху создает зону газификации, при которой газ выходит вниз через отверстия, расположенные в основании камеры горелки. Газ смешивается с дополнительным входящим воздухом, чтобы обеспечить вторичное горение. Большая часть CO, образующегося при газификации, окисляется до CO
2 во вторичном цикле сгорания; следовательно, печи с газификацией несут меньший риск для здоровья, чем традиционные камины.

Другое применение - использование генераторного газа для замещения световой плотности. горючее (LDO) в промышленных печах.[11]

Зеленый водород газ также извлекается из древесного газа, который, в свою очередь, производится из широко доступных и углеродно-нейтральный биомасса.[12] Все продукты газификатора древесины (древесный уголь, углеводородные жидкости, метан и окись углерода) могут быть преобразованы в водород путем Паровой риформинг процесс без внешнего ввода тепла. От 5 до 6 кг сухой биомассы дает 1 кг водорода с минимальной эффективностью 60%.

Производство

Псевдоожиженный слой газификатор в Гюссинг, Австрия, работала на щепе

Газификатор древесины принимает древесную щепу, опилки, древесный уголь, уголь, резину или аналогичные материалы в качестве топлива и не полностью сжигает их в топке, производя древесный газ, твердую золу и сажа, последние должны периодически удаляться из газогенератора. Затем древесный газ можно фильтровать от смол и частиц сажи / золы, охлаждать и направлять в двигатель или Топливный элемент.[13] Большинство этих двигателей предъявляют строгие требования к чистоте древесного газа, поэтому газ часто должен проходить тщательную очистку, чтобы удалить или преобразовать, т.е., "трещина ", смолы и частицы. Удаление смолы часто осуществляется с помощью воды скруббер. Использование древесного газа в немодифицированном двигателе внутреннего сгорания, работающем на бензине, может привести к проблемному накоплению несгоревших соединений.

Качество газа из разных газификаторов сильно различается. Поэтапные газификаторы, в которых пиролиз и газификация происходят отдельно, а не в одной реакционной зоне, как это было в случае, например, газификаторы времен Второй мировой войны, могут быть сконструированы для производства газа, практически не содержащего смол (менее 1 мг / м33), а однореакторный псевдоожиженный слой газификаторы могут превышать 50 000 мг / м3 деготь. Реакторы с псевдоожиженным слоем имеют то преимущество, что они намного более компактны, имеют большую производительность на единицу объема и цену. В зависимости от предполагаемого использования газа смола может быть полезной, а также за счет увеличения теплотворной способности газа.

Теплота сгорания «генераторного газа» - термин, используемый в Соединенных Штатах, означающий древесный газ, производимый для использования в двигателе внутреннего сгорания, - довольно низка по сравнению с другими видами топлива. Тейлор[14] сообщает, что добывающий газ имеет более низкую теплота сгорания 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 о следующем химическом составе по объему, который, скорее всего, также варьируется:

Производитель древесного угля на заводе Намбасса альтернативный фестиваль в Новой Зеландии в 1981 году

Отмечено, что состав газа сильно зависит от процесса газификации, среды газификации (воздух, кислород или пар) и влажности топлива. Процессы паровой газификации обычно дают высокое содержание водорода, газификаторы с нисходящим потоком с неподвижным слоем дают высокие концентрации азота и низкие содержания смол, тогда как газификаторы с восходящим потоком с неподвижным слоем дают высокие содержания смол.[13][15]

Во время производства древесный уголь за черный порох, летучий древесный газ удаляется. Углерод с очень большой площадью поверхности, пригодный для использования в качестве топлива в виде черного пороха.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Томас Хью Паркер".
  2. ^ Экерхольм, Елена. «Культурное значение древесного газа как автомобильного топлива в Швеции, 1930-1945 годы». В прошлом и настоящем энергетических обществах: как энергия соединяет политику, технологии и культуры, под редакцией Нины Мёллерс и Карин Захманн. Билефельд: Transcript verlag, 2012.
  3. ^ Транспортные средства на древесном газе: дрова в топливном баке Журнал Low-tech, 18 января 2010 г.
  4. ^ Дэвид Воган (2 января 2013 г.). «Как Северная Корея заправляет свои военные грузовики деревьями». Scientific American. Получено 22 июня, 2016.
  5. ^ Микконен, Веса (2010). Древесный газ для мобильных приложений. Опубликовано автором, доступно на сайте www.ekomobiili.fi. п. 31.
  6. ^ Микконен, Веса (2010). Древесный газ для мобильных приложений. Опубликовано автором, доступно на сайте www.ekomobiili.fi. п. 142.
  7. ^ Газификатор рисовой шелухи в Бирманской деревне
  8. ^ Микконен, Веса (2010). Древесный газ для мобильных приложений. Опубликовано автором, доступно на сайте www.ekomobiili.fi. п. 3.
  9. ^ Микконен, Веса (2010). Древесный газ для мобильных приложений. Опубликовано автором, доступно на сайте www.ekomobiili.fi. п. 4.
  10. ^ Микконен, Веса (2010). Древесный газ для мобильных приложений. Опубликовано автором, доступно на сайте www.ekomobiili.fi. п. 70.
  11. ^ Джорапур, Раджив; Раджванши, Анил К. (1997). «Газификаторы из жмыха сахарного тростника для промышленного отопления». Биомасса и биоэнергетика. 13 (3): 141–146. Дои:10.1016 / S0961-9534 (97) 00014-7.
  12. ^ «Это лучший способ производить дешевый водород?». Получено 17 июля 2020.
  13. ^ а б Электроэнергия из древесины за счет комбинации газификации и твердооксидных топливных элементов, Кандидат наук. Диссертация Флориана Нагеля, Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе, 2008 г.
  14. ^ Тейлор, Чарльз Фейет (1985). Двигатель внутреннего сгорания в теории и практике - Том 1. Кембридж: MIT Press. С. 46–47. ISBN  978-0-262-70027-6.
  15. ^ Справочник по системам двигателя газификатора с нисходящим потоком биомассы (Раздел 5.2, параграф 2, стр. 30), подготовленный Исследовательским институтом солнечной энергии, Программа технической информации по солнечной энергии Министерства энергетики США, Исследовательский институт солнечной энергии, 1988 г.
  16. ^ Печи на древесном газе с биочаром

внешняя ссылка