Od biomasy do biogazu

Ed Burton wykorzystuje kawałki drewna do produkcji biogazu [tak naprawdę, w całym artykule mowa o gazie drzewnym a nie o biogazie -- przyp. tłum.] bogatego w wodór.

Zdjęcia i tekst: Byron Anderson.
Tłumaczenie: Krzysztof Lis.
Oryginalna wersja artykułu znajduje się pod adresem http://www.clean-air.org/Ed Bur­ton Sto­ry/wood_chips_to_bio.htm

Wstęp: zagrożenie pożarowe w Kalifornii

Przez większą część roku Kalifornijskie wybrzeże i wzgórza stanowią piękny ekosystem, jednakże od lipca do października miejsca te są areną niszczących pożarów, podsycanych przez suche wiatry i wysokie temperatury. Tereny te porośnięte są przez wiele różnych gatunków krzewów i drzew, które bardzo łatwo się palą i przez to stanowią zagrożenie dla zabudowań mieszkających tam ludzi.

Zniszczenia lasów i dobytku są olbrzymie. Kalifornijski Departament Leśnictwa (CDF) ocenia, że w roku 2001 miało miejsce 6223 pożarów w stanie Kalifornia, w ich wyniku spłonęło 90985 akrów. Gaszenie tych pożarów kosztowało 109 milionów dolarów. Uszkodzenia budynków (domów mieszkalnych, obiektów handlowych i innych) oceniono na 87295001 dolarów, 389 budynków zostało zniszczonych.

Aby chronić się przed pożarem, właściciele domów znajdujących się na zagrożonych terenach powinni oczyszczać las wokół swoich nieruchomości z leżących gałęzi. Czytaj dalej…

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

Rodzaje gazogeneratorów

Jak już zostało wspomniane w osobnym artykule, gazogenerator (inaczej zgazowarka albo czadnica) to urządzenie do produkcji gazu generatorowego. W tym tekście postaram się wyjaśnić, jakie podstawowe rodzaje takich urządzeń były i są produkowane.

Gazogeneratory współprądowe

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

Przedstawiony na ilustracji gazogenerator Imberta na drewno jest właśnie przykładem urządzenia współprądowego. Od góry podawane jest paliwo, które przepływa w dół. W tym samym kierunku przepływa przez zgazowarkę powietrze, a później gaz drzewny. Stąd nazwa – współprądowy… Dokładnie cały proces w takim urządzeniu opisany został w artykule o produkcji holzgazu.

Gaz generatorowy ze zgazowarki współprądowej jest gorący, bo ostatnią strefą, przez którą przepływa, jest strefa redukcji w warstwie rozżarzonego węgla drzewnego. Jest również zapylony, bo porywa cząstki popiołu, ale za to zawiera niewiele substancji smolistych. Te ostatnie rozkładają się w strefach spalania i redukcji. Z tego względu gaz jest stosunkowo łatwy do oczyszczenia.

Gazogeneratory przeciwprądowe

Gazogenerator Imberta - schemat (mały)
Gazogenerator Klöckner-Deutz na antracyt [2].

Przedstawione na powyższej ilustracji urządzenie jest przykładem gazogeneratorów przeciwprądowych. Droga paliwa (w tym przypadku jest to antracyt) jest analogiczna jak poprzednio, powietrze natomiast dostarczane jest u dołu, przez pojedynczą dyszę przechodzącą przez ruszt.

W takim urządzeniu gaz generatorowy przechodzi najpierw przez strefę redukcji i spalania a później przez strefę pirolizy. Z tego względu zawartość substancji smolistych będzie większa. Mniejsza będzie jednak zawartość popiołów, które zostaną oddzielone podczas przepływania gazu przez warstwy paliwa. To konkretne urządzenie zasilane jest antracytem. Paliwo to zawiera mało frakcji lotnych, ale za to więcej popiołu, niż drewno. Z tego względu gaz po opuszczeniu urządzenia musiał być jeszcze odpylony.

Gazogeneratory fluidalne

To, można powiedzieć, wkład ostatnich lat w technikę zgazowywania paliw stałych. W takim urządzeniu warstwa paliwa utrzymywana jest w formie „warstwy fluidalnej”. Od dołu urządzenia wdmuchiwane jest powietrze z taką prędkością, że paliwo zaczyna się delikatnie unosić i jakby „bulgotać”. Dzięki temu powietrze/gaz wciąż miesza się z kawałkami paliwa, co pozwala na ich skuteczne zgazowanie.

Porównanie gazogeneratorów

Poniższa tabela przedstawia porównanie cech dwóch najważniejszych rodzajów gazogeneratorów [3]. Zgazowarki fluidalne pominąłem, jako nieistotne z punktu widzenia użytkownika, który chce takie urządzenie zbudować dla siebie.

współprądowy przeciwprądowy
temperatura gazu na wylocie [°C] 700 200-400
zawartość substancji smolistych [mg/m3n] 0,015-0,5 30-150
sprawność zgazowania, odniesiona do schłodzonego gazu 65-75% 40-60%
wartość opałowa gazu [MJ/m3n] 4,5-5 5-6

Należy w tym momencie wspomnieć, że wartości zawarte w tabeli odnoszą się do gazu drzewnego. W przypadku produkcji gazu generatorowego z innego paliwa, wielkości te mogą być różne.

Źródła:
[1] H. La Fontaine, P. Zimmerman – „Drewno zamiast benzyny. Jak zbudować generator gazu drzewnego i jeździć samochodem ponad 5 razy taniej?”
[2] St. v. Szenasy – „Generatorbetrieb”
[3] P. Quaak, H. Knoef, H. Stassen – „Energy from Biomass – A Review of Combustion and Gasification Technologies”

Gazogenerator (czadnica, gazownica)

Gazogenerator (inaczej czadnica, zgazowarka albo gazownica) to urządzenie, w którym następuje zgazowanie paliwa stałego. Nazwa czadnica pochodzi od jednego z najważniejszych składników powstałego gazu generatorowego — tlenku węgla – czadu.

Istnieje wiele rodzajów generatorów gazu, można dzielić je na kilka sposobów, przede wszystkim ze względu na:

  • kierunek przepływu paliwa i gazu, np.:
    • współprądowy (paliwo i czynnik zgazowujący / gaz poruszają się w tym samym kierunku, zazwyczaj z góry do dołu, zwany jest również przebiegiem odwrotnym),
    • przeciwprądowy (paliwo porusza się w dół z zasobnika do paleniska, powietrze do generatora dociera z dołu, a opuszcza go jako gaz u góry urządzenia, określany również mianem przebiegu prostego),
  • rodzaj stosowanego paliwa: generatory na węgiel drzewny, węgiel, drewno i na inne rodzaje biomasy.

Poniżej znajduje się rysunek gazogeneratora schematu Imberta, na drewno. Po kliknięciu w nowym oknie ukaże się większa wersja tego obrazka.

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

Najprostszy typ gazogeneratora to współprądowy gazogenerator warstwowy z otwartym zbiornikiem paliwa. Budowa i eksploatacja tego urządzenia, opisana jest bardzo dokładnie (wraz ze zdjęciami i rysunkami) w książce [1].

Inne konstrukcje zgazowarek opisane zostały w artykule o rodzajach gazogeneratorów.

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

Inne paliwa do produkcji gazu generatorowego

Gaz generatorowy można produkować nie tylko z drewna. Inne paliwa wymagają zastosowania nieco innych urządzeń do oczyszczania wyprodukowanego gazu niż te będące częścią instalacji na drewno.

O tych właśnie innych paliwach będzie mowa w tym wpisie.

Węgiel drzewny

Węgiel drzewny ma mniej więcej trzykrotnie większą wydajność energetyczną niż drewno. Oznacza to że w przybliżeniu 1 kg węgla drzewnego daje ilość energii równą litrowi benzyny. Po przeliczeniu na złotówki (cena 1 kg zwykłego węgla drzewnego to wydatek zazwyczaj rzędu 1,50 – 2 zł) koszt pracy silnika wychodzi w porównaniu do paliw płynnych konkurencyjnie. Węgiel drzewny jest też bardzo łatwo dostępny, latem można go kupić na wielu stacjach benzynowych.

Warto wziąć pod uwagę fakt, że na wyprodukowanie 1 kg węgla drzewnego potrzebne jest ok. 5 kg drewna, dlatego w szerszym ujęciu węgiel drzewny się nie opłaca.

Węgiel drzewny ma bardzo małą gęstość, przez co stosunkowo niewielki jego zapas zajmuje dużo miejsca. Poza tym jest niewygodny przy manipulacji — kruszy się i pyli, co powoduje stratę części paliwa. Nieco lepiej wygląda sytuacja w przypadku brykietów węgla drzewnego, są one mniej kruche i mają większą gęstość, jednakże są droższe od zwykłego węgla drzewnego o ok. 30%.

Ponieważ węgiel drzewny nie zawiera smoły i ma mniej wilgoci niż drewno, więc gaz będzie mniej zanieczyszczony. Oznacza to możliwość zastosowania mniejszego filtra i konieczność usunięcia mniejszej ilości pary wodnej z gazu.

Moim zdaniem użycie węgla drzewnego jako podstawowego paliwa do gazogeneratora jest nieopłacalne, drewno będzie lepszym wyborem.

Węgiel

Węgiel - antracyt
Węgiel (antracyt). Zdjęcie
pochodzi z serwisu Wikimedia Commons.

W porównaniu do paliw wymienionych do tej pory, węgiel ma stosunkowo dużą gęstość, co pozwala na posiadanie dużego jego zapasu w pojeździe z zainstalowanym generatorem. Ma on również większą wartość opałową, co oznacza lepszą wydajność energetyczną. Niestety, węgiel zawiera dużo więcej popiołu niż drewno, co oznacza konieczność usunięcia z gazu większej ilości pyłów niż w instalacjach na drewno. W gazie generatorowym wyprodukowanym z węgla będzie niewiele wodoru, ponieważ paliwo to ma względnie małą wilgotność (węgiel należy zgazowywać nie w powietrzu a w powietrzu z dodatkiem pary wodnej).

W tym miejscu trzeba zaznaczyć, że węgiel zawiera pewną ilość siarki, która jest substancją niepożądaną. W wyniku jej spalania powstają tlenki siarki, które łączą się z wodą tworząc kwas siarkowy. Może on niszczyć metalowe powierzchnie m.in. instalacji wydechowych silników. Poza tym emisja tlenków siarki jest regulowana odpowiednimi przepisami.

Torf

Wysuszony torf opałowy w czasie II Wojny Światowej stosowany był również jako paliwo do generatorów gazu, jako domieszka do drewna, w ilości nie przekraczającej 50%. Zawiera on dość dużo zanieczyszczeń mineralnych różnego rodzaju, a także posiada zdolność akumulacji olbrzymich ilości wody (300-1500% masy, zależnie od gatunku), co może powodować konieczność długotrwałego suszenia.

Moim zdaniem zastosowanie torfu jako paliwa do generatorów gazu nie ma większego sensu, nie licząc pojedynczych sytuacji gdy np. użytkownik ma bardzo łatwy dostęp do tego surowca po bardzo niskich cenach lub może wykorzystać torf odpadowy np. z procesu produkcyjnego pieczarek.