Wood gasification in Northern Ontario Canada/pl

Gazyfikacja biomasy to najskuteczniejsza metoda przekształcania materii organicznej w ciepło. Ponadto gaz ten może być wykorzystywany do zasilania silników spalinowych i spalinowych, co stwarza potencjał do pracy, zarówno w zakresie wytwarzania energii elektrycznej, jak i transportu. Gazyfikacja biomasy to proces, w którym paliwo jest ogrzewane w atmosferze pozbawionej tlenu, co prowadzi do niepełnego spalania. Produktami gazowymi są smoły, tlenek węgla, wodór, metan i dwutlenek węgla. Wszystkie, z wyjątkiem ostatniego, mogą podtrzymywać dalsze spalanie, które zazwyczaj zachodzi w oddzielnym miejscu lub komorze. Gazy mogą być transportowane na odległość, podobnie jak gaz ziemny. Należy pamiętać, że smoły należy usunąć z mieszanki, jeśli gaz ma być używany w silniku spalinowym, w przeciwnym razie silnik ulegnie zatarciu. Poniżej przedstawiono projekt i budowę domowej instalacji do zgazowania drewna, która ma dostarczać ciepło w północnym Ontario w Kanadzie. Projekt może wymagać dostosowania w zależności od zasobów dostępnych w danym regionie.

Proces zgazowania obejmuje kilka oddzielnych procesów termicznych przeprowadzanych w sposób kontrolowany. Procesy te to suszenie, piroliza, redukcja i utlenianie. Suszenie polega na usunięciu z biomasy wolnej wilgoci i wody związanej z komórkami poprzez odparowanie. Procesy te powinny idealnie zachodzić w temperaturze do około 160°C, wykorzystując ciepło odpadowe z procesu konwersji. Podczas pirolizy z suchej biomasy uwalniane są gazy lotne w temperaturach do około 700°C. Gazy te to pary nieulegające kondensacji (np. metan, tlenek węgla) oraz pary ulegające kondensacji (różne związki smołowe). Pozostałością z tego procesu będzie głównie węgiel aktywny. Redukcja polega na reakcji węgla aktywnego z parą wodną i dwutlenkiem węgla, tworząc gazy palne, takie jak wodór i tlenek węgla. Proces redukcji (lub zgazowania) przeprowadza się w temperaturach do około 1100°C. Na koniec następuje proces utleniania, w którym część węgla jest spalana w celu dostarczenia ciepła do wcześniej opisanych procesów.

Pierwszy etap projektu polega na gromadzeniu informacji o wcześniejszych projektach. Z przeglądu literatury i Internetu wyłoniły się trzy podstawowe projekty: z prądem wstępującym, z prądem zstępującym i ze złożem fluidalnym. Ostatni to proces przemysłowy wymagający materiałów i energii, które nie są łatwo dostępne dla wszystkich społeczności, dlatego nie będzie badany w kontekście osobistego źródła energii. Istnieją inne projekty, ale nie będą tutaj badane z podobnych powodów. Technologia z prądem wstępującym, patrz Rysunek 1 (do opracowania), polega na dodawaniu paliwa i pobieraniu gazu z górnej części komory zgazowania, podczas gdy powietrze jest dostarczane od dołu. W rezultacie piroliza paliwa zachodzi również w górnej części wsadu i przesuwa się w dół, zużywając paliwo. Konstrukcja jest prosta i solidna, ale ma jedną poważną wadę jak na urządzenie domowej roboty: gdy pokrywa jest otwierana w celu dodania paliwa, operator jest narażony na działanie gazów, z których znaczną część stanowi tlenek węgla (CO), śmiertelna trucizna. W miarę zasysania gazów, smoły nie ulegają krakingowi podczas przechodzenia przez strefę redukcji, dlatego ta konstrukcja zgazowarki nie jest dobrym wyborem do dostarczania gazu do silnika spalinowego (IC). Technologia z przepływem w dół, patrz rysunek, polega na spalaniu, gaz jest odprowadzany od dołu, a powietrze zasysane od góry. Ta konstrukcja ma tę zaletę, że zasysa smoły przez strefę redukcji, co powoduje ich kraking, dzięki czemu stają się lepszym paliwem dla silników. Lejek paliwa można otworzyć, aby dodać paliwo z mniejszym ryzykiem zatrucia tlenkiem węgla, ponieważ zarówno powietrze, jak i gaz są odprowadzane. Wyzwaniem związanym z tą konstrukcją jest jednak to, że jest ona technicznie bardziej skomplikowana i wymaga wentylatora lub silnika do odprowadzania gazów, a ponieważ paliwo jest podawane do strefy spalania, zawsze istnieje ryzyko tworzenia się mostków paliwowych. Mostki paliwowe występują, gdy kawałki drewna zakleszczają się ze sobą, tworząc blokadę. Spowoduje to ograniczenie zgazowania, a jeśli proces będzie wystarczająco długi, proces zostanie całkowicie zatrzymany. Mieszanie paliwa za pomocą wibracji lub miksera rozwiązuje ten problem, ale ponownie zwiększa złożoność systemu.

Na podstawie tych badań zdecydowano się na zastosowanie konstrukcji z prądem wstępującym ze względu na jej względną prostotę.

Po ogólnym ustaleniu projektu możliwe jest teraz dokładniejsze jego zbadanie. Jedną z zasad sukcesu, które wyniosłem z doświadczenia, jest zasada KISS (Keep It Simple Stupid), i odkryłem, że nieprzestrzeganie jej zazwyczaj oznacza, że ​​to ja jestem „głupi” w tym równaniu. Dlatego szukałem zastosowań gazyfikacji na małą skalę. Byłem zaskoczony, że wiele najmniejszych urządzeń to domowe kuchenki kempingowe z puszek. Niektóre z nich miały wentylatory zasilane bateriami, ale najprostsze były wykonane z trzech puszek. To rozwiązanie jest powszechnie nazywane kuchenką typu „midge” (Modified Inverted Downdraft Gasifier Experiment).

Nieco dalsze badania wykazały, że wszystkie ogniotrwałe gazyfikatory prętowe zostały przetestowane i że ich właściwości izolacyjne prowadziły do ​​problemów wybuchowych (Richard C. Hill, Design, Construction and Performance of Stick-Wood Fired Furnace for Residential and Small Commercial Application, październik 1979, kontrakt Departamentu Energii USA EC 77-S-02-45). Problem został rozwiązany poprzez zastosowanie płaszcza chłodzącego. Może to być konieczne, ale nie musi, ponieważ jednostka była opalana od dołu, a gaz był odprowadzany z dołu poziomo do drugiej komory. Zamierzam unosić gaz, wykluczając w ten sposób tlen i wprowadzając powietrze zewnętrzne tylko do komory spalania i na dno komory zgazowania. Unoszące się ciepło i gazy powinny odprowadzać dodatkowy O2 do komina i nie stanowić problemu. Zostanie to dokładnie sprawdzone.

Po przeanalizowaniu rocznych rachunków za ogrzewanie, zużywam około 6,16 metrów sześciennych gazu ziemnego dziennie w ciągu naszego 5-miesięcznego okresu grzewczego. Odpowiada to około 230 000 BTU dziennie, czyli 57,96 Mcal. Przy wydajności 80%, czyli docelowej, oznacza to 72,45 Mcal dziennie. Używam kalorii, ponieważ ma to być dwudniowy zbiornik ciepła w postaci zbiornika na wodę, a pojemność magazynowania w kaloriach jest łatwa do obliczenia. Metr sześcienny (1000 l) wody miałby pojemność magazynowania 55 Mcal przy temperaturze początkowej 90 stopni Celsjusza i niższej temperaturze 35 stopni Celsjusza. Oznacza to, że potrzebny byłby zbiornik o pojemności 3000 l i wymiarach 2 m x 1 m x 1,5 m (dł. x szer. x wys.). Wymienniki ciepła ciecz-powietrze są łatwo dostępne, a z pewnością możliwe jest zbudowanie ich w domu przy użyciu chłodnic samochodowych. Rzeczywiście, utrzymując wentylator 12 V DC i pompę obiegową DC, można by nawet dostarczać ciepło podczas przerw w dostawie prądu przy użyciu zapasowego akumulatora i ręcznej ładowarki (np. zasilanej od roweru).

Gęstość ogniotrwała4G/CM3