Piroliza

Piroliza (inaczej sucha destylacja lub destylacja rozkładowa) to rozkład biomasy lub innego paliwa stałego (drewna) pod wpływem dostarczonego ciepła przy znacznym niedomiarze powietrza (tlenu).

Piroliza zachodzi w temperaturze 200-600°C przy bardzo małym dostępnie tlenu. W jej trakcie następuje wyodrębnienie z drewna lotnych składników (drewno zawiera ich nawet do 80%).

Jako odrębny, samodzielny proces, piroliza jest stosowana w przemyśle do produkcji różnych substancji. W czasie pirolizy drewna powstaje węgiel drzewny, palny gaz (nieco różniący się składem od gazu drzewnego — jest w nim mniej azotu, więc ma większe ciepło spalania) oraz smoła.

Retorty do wypalania węgla drzewnego

Współczesne retorty do wypalania węgla drzewnego – Lipna, Beskid Niski. W takim urządzeniu ma miejsce piroliza drewna. W tym przypadku palne lotne substancje w większości ulatniają się do atmosfery.
Zdjęcie na licencji GNU FDL, pochodzi z serwisu Wikimedia Commons.

Ponieważ piroliza to jeden z etapów zgazowania, pojęcia te są czasami mylone. Główną różnicą jest ilość powietrza (tlenu), która bierze udział w procesie. Różnica jest też w produktach obu procesów — w przypadku zgazowania mamy tylko palny gaz (gaz drzewny) i popiół.

Poniższy film przedstawia proste urządzenie do prowadzenia procesu pirolizy.

Źródła dodatkowych informacji:
hasło „Piroliza” w serwisie Wikipedia [pl.]
hasło „Piroliza” w serwisie Wikipedia [ang.]

Przykłady zastosowań tej technologii:
piroliza odpadów smołowych i asfaltowych
piroliza odpadów

Produkcja holzgazu w praktyce

W artykule „Produkcja gazu drzewnego” omówione zostały etapy
powstawania holzgazu od strony teoretycznej. Jak to jednak wyglądało w praktyce?

Na początek przyda się schemat gazogeneratora systemu Imberta. Kliknięcie w obrazek otworzy nowe okno z jego większą wersją.

Gazogenerator Imberta - schemat (mały)
Gazogenerator Imberta na drewno [1].

Z lewej strony rysunku widoczny jest gazogenerator, serce całego układu. Od góry zamykany jest on szczelnie pokrywą, utrzymywaną w położeniu przez sprężynującą sztabę, którą pokrywa jest zamknięta. Sprężyna ta sprawia, że w przypadku niebezpiecznego wzrostu ciśnienia w generatorze pokrywa działa jak zawór bezpieczeństwa. Podczas pracy urządzenia pokrywa jest zamknięta.

Od góry ładowano do urządzenia paliwo. Spływa ono w dół do paleniska, jest podgrzewane przez ciepło wyprodukowane w palenisku, powoduje to odparowanie zawartej w drewnie wody a także wyodrębnienie się z niego lotnych substancji w procesie pirolizy. W palenisku drewno przemienia się w węgiel drzewny, który następnie służy jako źródło ciepła w procesie redukcji. Na rysunku widoczna jest gruba warstwa węgla drzewnego leżąca na ruszcie.

Powietrze do generatora dostaje się przez system dysz umieszczonych w palenisku. Po przejściu przez palenisko i węgiel drzewny jest już rozgrzanym gazem drzewnym. Następnie przepływa między dwoma płaszczami generatora, gdzie chłodzi się, podgrzewając jednocześnie znajdujące się w zbiorniku drewno.

Następnie gaz kierowany jest do osadnika, w którym następuje usunięcie części pyłów niesionych przez gaz z generatora. Na ściankach osadnika (zwanego siodłowym z racji widocznej na przekroju konstrukcji) skrapla się też nieco wody i smoła. W tym miejscu zbiera się również woda skroplona w umieszczonej wyżej chłodnicy.

Po wyjściu z osadnika gaz przepływa przez chłodnicę, w której następuje dalsze ochłodzenie gazu i skroplenie pary wodnej.

Kolejnym etapem przygotowania gazu jest jego oczyszczenie w drugim filtrze, powierzchniowym. Celem tego filtra jest dokładne usunięcie z gazu drobnych cząstek pyłu, które przedostały się przez osadnik. Wkładem tego filtra był w przypadku generatorów Imberta najczęściej korek. Ponieważ nie jest on odporny na wysoką temperaturę, filtr musiał być umieszczony za chłodnicą, aby gaz był już odpowiednio chłodny.

Nad filtrem widoczny jest wentylator, służący do wytworzenia w generatorze podciśnienia w czasie rozruchu. To podciśnienie wymusza ruch powietrza przez gazogenerator i umożliwia powstanie holzgazu. Gdy wyprodukowany gaz był odpowiednio palny, dmuchawa była wyłączana i uruchamiano silnik.

Przed silnikiem gaz mieszany jest z powietrzem w mieszaczu, zwanym również niekiedy gaźnikiem.

Osiągi [2]

Gazogenerator Imberta ładowany był drewnem o wilgotności rzędu 20-25%. Powstały holzgaz miał wartość opałową około 5-6 MJ/m3n i następujący skład: 42% N2, 10% CO2, 2% CH4, 18% H2, 23% CO.

Z jednego kg drewna gazogenerator produkował ok. 2,5 m3 holzgazu, spalanie wynosiło ok. 2,5 kg drewna na jeden litr benzyny.

Źródła:
[1] H.LaFontaine, P.Zimmerman – „Drewno zamiast benzyny. Jak zbudować generator gazu drzewnego i jeździć samochodem ponad 5 razy taniej?”
[2] About Producer Gas

Produkcja gazu drzewnego (holzgazu)

Holzgas powstaje na skutek przejścia paliwa stałego przez kilka następujących po sobie przemian. Jeżeli gaz drzewny ma być wykorzystany do zasilenia silnika spalinowego, po wyprodukowaniu musi zostać poddany „obróbce” mającej na celu poprawienie jego jakości.

W dokumencie tym opisane są od strony teoretycznej etapy powstawania i poprawiania jakości gazu drzewnego. Inne podejście do tematu zawarte jest w artykule „Produkcja holzgazu w praktyce”.

Suszenie

Paliwo na samym początku poddawane jest suszeniu, tj. ciepło docierające do paliwa powoduje odparowanie zawartej w nim wody. Dzieje się to przy temperaturze poniżej 200°C.

Piroliza

Następnie kolejne porcje ciepła w temperaturze z przedziału 200-600°C powodują wyodrębnienie się z paliwa jego lotnych frakcji.

Utlenianie

Powyżej 700°C następuje utlenienie znajdujących się w paliwie pierwiastków węgla i wodoru. Wynikiem tego jest powstanie tlenku i dwutlenku węgla (CO i CO2) oraz pary wodnej (H2O).

Utlenianie jest pierwszym etapem zgazowywania, na którym powstaje tlenek węgla.

W strefie tej mają miejsce następujące reakcje:
C + 0,5 O2 <=> CO + Energia
CO + 0,5 O2 <=> CO2 + Energia

C + O2 <=> CO2 + Energia
2 H + 0,5 O2 <=> H2O + Energia

Redukcja

Podczas przejścia powstałych wcześniej gazów przez warstwę rozżarzonego węgla następuje redukcja CO2 i pary wodnej do tlenku węgla CO i wodoru H2.

Na etapie redukcji powstaje wodór, a także tlenek węgla. Jest to najważniejszy etap produkcji gazu drzewnego.

W strefie redukcji mają miejsce reakcje:
C + CO2 + Energia <=> 2 CO
C + H2O + Energia <=> 2 CO + H2

C + 2 H2 + Energia <=> CH4.

Jeżeli gaz drzewny ma zostać spalony w celu uzyskania ciepła, w tym momencie jest gotowy do użycia. Spalenie tego gazu w silniku spalinowym jest niemożliwe, ponieważ gaz jest zbyt zanieczyszczony i gorący. Zanieczyszczenia spowodowałyby prawdopodobnie uszkodzenia silnika a wysoka temperatura oznacza, że gaz jest rozrzedzony i związku z tym ma niską kaloryczność w przeliczeniu na metr sześcienny.

Pierwsze (zgrubne) oczyszczenie

W tym miejscu gaz przechodzi przez pierwsze urządzenie usuwające z niego cząstki stałe (popiół, pył) i substancje smoliste. Najczęściej jest to osadnik, szybkościowy lub odśrodkowy (cyklon).

Chłodzenie

Gaz generatorowy zaraz po opuszczeniu generatora ma bardzo wysoką temperaturę (rzędu 200-600 stopni). W tej temperaturze nie może on zostać podany do silnika, ponieważ jest zbyt rzadki i niesie w sobie zbyt mało energii w przeliczeniu na jednostkę objętości. Silnik zasilony takim gazem nie będzie wcale pracować, lub nie osiągnie oczekiwanej mocy. Drugim powodem, dla którego gaz musi zostać w tym miejscu schłodzony, może być mała odporność termiczna substancji, z której wykonany jest filtr wtórny.

Na tym etapie następuje również oczyszczenie gazu generatorowego z pary wodnej, której obecność w gazie nie jest pożądana (rozcieńcza ona tylko gaz, zmniejszając jego wartość opałową, może też powodować korozję wewnętrznych elementów silnika po jego wyłączeniu). Para wodna skrapla się na ściankach chłodnicy.

Oczyszczenie wtórne

Najczęściej ma ono miejsce w filtrze wtórnym, powierzchniowym. Filtr ten to nic innego jak jakaś substancja o dużej powierzchni kontaktu z gazem, np. warstwa tkaniny lub korka, ale także drobne kawałki drewna czy nawet szyszki. Na tym etapie cząstki zanieczyszczeń niesione przez gaz przyklejają się do powierzchni substancji filtrującej.

W tym momencie gaz jest gotowy do podania go do silnika. Jest więc mieszany z powietrzem, a następnie zasysany przez silnik i spalany.

Więcej informacji na temat spalania gazu drzewnego w silnikach spalinowych znajduje się w artykule „Holzgas w silniku”.

Źródła:
[1] H.LaFontaine, P.Zimmerman – „Drewno zamiast benzyny. Jak zbudować generator gazu drzewnego i jeździć samochodem ponad 5 razy taniej?”