El gas de madera es un combustible de gas de síntesis que se puede utilizar como combustible para hornos, estufas y vehículos en lugar de gasolina , diésel u otros combustibles. Durante el proceso de producción, la biomasa u otros materiales que contienen carbono se gasifican dentro del entorno limitado en oxígeno de un generador de gas de madera para producir hidrógeno y monóxido de carbono . Estos gases pueden luego quemarse como combustible en un ambiente rico en oxígeno para producir dióxido de carbono , agua y calor. En algunos gasificadores, este proceso está precedido por pirólisis , donde la biomasa o el carbón se convierte primero enchar , liberando metano y alquitrán ricos en hidrocarburos aromáticos policíclicos .
Historia
El primer gasificador de madera aparentemente fue construido por Gustav Bischof en 1839. El primer vehículo propulsado por gas de madera fue construido por Thomas Hugh Parker en 1901. [1] Alrededor de 1900, muchas ciudades entregaron gas de síntesis (producido centralmente, típicamente a partir de carbón ) a las residencias. El gas natural comenzó a usarse solo en 1930.
Los vehículos de leña a gas se utilizaron durante la Segunda Guerra Mundial como consecuencia del racionamiento de los combustibles fósiles. Solo en Alemania, alrededor de 500.000 vehículos de " gas productor " estaban en uso al final de la guerra. Camiones, autobuses, tractores, motocicletas, barcos y trenes fueron equipados con una unidad de gasificación de madera. En 1942, cuando el gas de madera aún no había alcanzado la cima de su popularidad, había alrededor de 73.000 vehículos de gas de madera en Suecia, [2] 65.000 en Francia, 10.000 en Dinamarca y casi 8.000 en Suiza. En 1944, Finlandia tenía 43.000 "vehículos de madera", de los cuales 30.000 eran autobuses y camiones, 7.000 vehículos privados, 4.000 tractores y 600 barcos. [3]
Los gasificadores de madera todavía se fabrican en China y Rusia para automóviles y como generadores de energía para aplicaciones industriales. En Corea del Norte [4] se utilizan camiones equipados con gasificadores de madera en zonas rurales, especialmente en las carreteras de la costa este.
Uso
Motor de combustión interna
Los gasificadores de madera pueden alimentar motores de encendido por chispa, donde todo el combustible normal se puede reemplazar con pocos cambios en la carburación, o en un motor diesel, alimentando el gas en la entrada de aire que está modificada para tener una válvula de mariposa, si no lo hiciera. ya lo tengo. En los motores diésel, el combustible diésel sigue siendo necesario para encender la mezcla de gas, por lo que la conexión de "parada" y probablemente la conexión de "aceleración" de un motor diesel regulado mecánicamente deben modificarse para proporcionar siempre al motor un poco de combustible inyectado, a menudo por debajo de la norma. volumen inactivo por inyección. La madera se puede utilizar para alimentar automóviles con motores de combustión interna ordinarios si se adjunta un gasificador de madera . Esto fue bastante popular durante la Segunda Guerra Mundial en varios países europeos, africanos y asiáticos, porque la guerra impidió un acceso fácil y rentable al petróleo. En tiempos más recientes, se ha sugerido el gas de madera como un método limpio y eficiente para calentar y cocinar en los países en desarrollo, o incluso para producir electricidad cuando se combina con un motor de combustión interna. En comparación con la tecnología de la Segunda Guerra Mundial, los gasificadores se han vuelto menos dependientes de la atención constante debido al uso de sofisticados sistemas de control electrónico, pero sigue siendo difícil obtener gas limpio de ellos. La purificación del gas y su alimentación a las tuberías de gas natural es una variante para vincularlo a la infraestructura de reabastecimiento existente. La licuefacción por el proceso de Fischer-Tropsch es otra posibilidad.
La eficiencia del sistema de gasificación es relativamente alta. La etapa de gasificación convierte aproximadamente el 75% del contenido de energía del combustible en un gas combustible que se puede utilizar como combustible para motores de combustión interna. Basado en experimentos prácticos a largo plazo y más de 100,000 kilómetros (62,000 millas) conducidos con un automóvil de madera a gas, el consumo de energía ha sido 1.54 veces mayor en comparación con la demanda de energía del mismo automóvil con gasolina, excluyendo la energía necesaria para extraer , transportar y refinar el aceite del que se deriva la gasolina, y excluyendo la energía para cosechar, procesar y transportar la madera para alimentar el gasificador. Esto significa que se ha descubierto que 1000 kilogramos (2200 lb) de materia combustible de madera equivalen a 365 litros (96 galones estadounidenses) de gasolina durante el transporte real en condiciones de conducción similares y con el mismo vehículo, por lo demás sin modificar. [5] Esto puede considerarse un buen resultado, porque no se requiere ningún otro refinado del combustible. Este estudio también considera todas las posibles pérdidas del sistema de gas de madera, como el precalentamiento del sistema y el transporte del peso extra del sistema de generación de gas. En la generación de energía, la demanda informada de combustible es de 1,1 kilogramos (2,4 libras) de materia combustible de madera por kilovatio-hora de electricidad. [6]
Se han construido gasificadores para comunidades asiáticas remotas utilizando cáscaras de arroz, que en muchos casos no tienen otro uso. Una instalación en Birmania utiliza un generador eléctrico diésel modificado de 80 kW para unas 500 personas que de otro modo se encontrarían sin energía. [7] La ceniza se puede utilizar como fertilizante de biocarbón , por lo que puede considerarse un combustible renovable.
La emisión de gases de escape de un motor de combustión interna es significativamente menor en el gas de madera que en la gasolina. [8] Especialmente las emisiones de hidrocarburos son bajas en el gas de madera. [9] Un convertidor catalítico normal funciona bien con gas de madera, pero incluso sin él, la mayoría de los motores de automóviles pueden alcanzar fácilmente niveles de emisión inferiores a 20 ppm de HC y 0,2% de CO. La combustión de gas de madera no genera partículas y, por lo tanto, el gas produce muy poco negro de humo entre el aceite de motor. [10]
Estufas, cocina y hornos
Ciertos diseños de estufas son, en efecto, gasificadores que funcionan según el principio de corriente ascendente: el aire pasa a través del combustible, que puede ser una columna de cáscaras de arroz, y se quema y luego se reduce a monóxido de carbono por el carbón residual en la superficie. El gas resultante se quema luego con aire secundario calentado que sube por un tubo concéntrico. Tal dispositivo se comporta de manera muy similar a una estufa de gas. Este arreglo también se conoce como quemador chino.
Una estufa alternativa basada en el principio de tiro descendente y típicamente construida con cilindros encajados también proporciona alta eficiencia. La combustión desde la parte superior crea una zona de gasificación, con el gas escapando hacia abajo a través de los puertos ubicados en la base de la cámara del quemador. El gas se mezcla con el aire entrante adicional para proporcionar una combustión secundaria. La mayor parte del CO producido por la gasificación se oxida a CO
2en el ciclo de combustión secundaria; por lo tanto, las estufas de gasificación conllevan menores riesgos para la salud que los fuegos para cocinar convencionales.
Otra aplicación es el uso de gas de producción para desplazar el fueloil ligero (LDO) en hornos industriales. [11]
El gas de hidrógeno verde también se extrae del gas de madera, que a su vez se produce a partir de biomasa neutra en carbono y ampliamente disponible . [12] Todos los productos del gasificador de madera (carbón vegetal, líquidos de hidrocarburo, metano y monóxido de carbono) se pueden convertir en hidrógeno mediante un proceso de reformado con vapor sin aporte de calor externo. 5 a 6 kg de biomasa seca rinden 1 kg de hidrógeno con una eficiencia mínima del 60%.
Producción
Un gasificador de madera toma astillas de madera, aserrín, carbón vegetal, carbón, caucho o materiales similares como combustible y los quema de forma incompleta en una cámara de combustión, produciendo gas de madera, cenizas sólidas y hollín , el último de los cuales debe retirarse periódicamente del gasificador. El gas de madera se puede filtrar en busca de alquitrán y partículas de hollín / cenizas, enfriar y dirigir a un motor o celda de combustible . [13] La mayoría de estos motores tienen requisitos estrictos de pureza del gas de madera, por lo que el gas a menudo tiene que pasar por una limpieza de gas exhaustiva para eliminar o convertir, es decir , " agrietar ", alquitranes y partículas. La eliminación del alquitrán se logra a menudo mediante el uso de un depurador de agua . Hacer funcionar gas de madera en un motor de combustión interna de gasolina sin modificar puede provocar una acumulación problemática de compuestos no quemados.
La calidad del gas de diferentes gasificadores varía mucho. Los gasificadores por etapas, donde la pirólisis y la gasificación ocurren por separado, en lugar de en la misma zona de reacción como fue el caso en, por ejemplo , los gasificadores de la Segunda Guerra Mundial, pueden diseñarse para producir gas esencialmente libre de alquitrán (menos de 1 mg / m 3 ). , mientras que los gasificadores de lecho fluidizado de reactor único pueden superar los 50.000 mg / m 3 de alquitrán. Los reactores de lecho fluidizado tienen la ventaja de ser mucho más compactos, con mayor capacidad por unidad de volumen y precio. Dependiendo del uso previsto del gas, el alquitrán puede ser beneficioso, además de aumentar el poder calorífico del gas.
El calor de combustión del "gas productor", un término utilizado en los Estados Unidos que significa gas de madera producido para su uso en un motor de combustión, es bastante bajo en comparación con otros combustibles. Taylor [14] informa que el gas productor tiene un calor de combustión más bajo de 5,7 MJ / kg frente a 55,9 MJ / kg para el gas natural y 44,1 MJ / kg para la gasolina. El calor de combustión de la madera es típicamente de 15-18 MJ / kg. Es de suponer que estos valores pueden variar algo de una muestra a otra. La misma fuente informa la siguiente composición química por volumen, que muy probablemente también sea variable:
- Nitrógeno N 2 : 50,9%
- Monóxido de carbono CO: 27,0%
- Hidrógeno H 2 : 14,0%
- Dióxido de carbono CO 2 : 4,5%
- Metano CH 4 : 3,0%
- Oxígeno O 2 : 0,6%.
Se señala que la composición del gas depende en gran medida del proceso de gasificación, el medio de gasificación (aire, oxígeno o vapor) y la humedad del combustible. Los procesos de gasificación con vapor normalmente producen altos contenidos de hidrógeno, los gasificadores de lecho fijo de corriente descendente producen altas concentraciones de nitrógeno y bajas cargas de alquitrán, mientras que los gasificadores de lecho fijo de corriente ascendente producen altas cargas de alquitrán. [13] [15]
Durante la producción de carbón vegetal para la pólvora , se ventila el gas volátil de la madera. Resultados de carbono de área de superficie extremadamente alta, adecuados para su uso como combustible en pólvora negra.
Ver también
- Biogás
- Biochar - carbón vegetal de biomasa
- Producción combinada de gas de madera y biocarbón
- Gasificación
- Gas pobre
- Estufa cohete
- Gas de agua
- Calderas de gasificación de leña para exteriores
Referencias
- ^ "Thomas Hugh Parker" .
- ^ Ekerholm, Helena. 'Significados culturales del gas de madera como combustible para automóviles en Suecia, 1930-1945'. In Past and Present Energy Societies: How Energy Connects Politics, Technologies and Cultures, editado por Nina Möllers y Karin Zachmann. Bielefeld: Transcripción verlag, 2012.
- ^ Vehículos de gas de madera: leña en el tanque de combustible Revista Low-tech, 18 de enero de 2010
- ^ David Wogan (2 de enero de 2013). "Cómo Corea del Norte alimenta sus camiones militares con árboles" . Scientific American . Consultado el 22 de junio de 2016 .
- ^ Mikkonen, Vesa (2010). Wood Gas para aplicaciones móviles . Publicado por el autor, disponible en www.ekomobiili.fi. pag. 31.
- ^ Mikkonen, Vesa (2010). Wood Gas para aplicaciones móviles . Publicado por el autor, disponible en www.ekomobiili.fi. pag. 142.
- ^ Gasificador de cáscara de arroz de aldea birmana
- ^ Mikkonen, Vesa (2010). Wood Gas para aplicaciones móviles . Publicado por el autor, disponible en www.ekomobiili.fi. pag. 3.
- ^ Mikkonen, Vesa (2010). Wood Gas para aplicaciones móviles . Publicado por el autor, disponible en www.ekomobiili.fi. pag. 4.
- ^ Mikkonen, Vesa (2010). Wood Gas para aplicaciones móviles . Publicado por el autor, disponible en www.ekomobiili.fi. pag. 70.
- ^ Jorapur, Rajeev; Rajvanshi, Anil K. (1997). "Gasificadores de bagazo de hoja de caña de azúcar para aplicaciones de calefacción industrial". Biomasa y Bioenergía . 13 (3): 141-146. doi : 10.1016 / S0961-9534 (97) 00014-7 .
- ^ "¿Es esta la mejor manera de producir hidrógeno barato?" . Consultado el 17 de julio de 2020 .
- ^ a b Electricidad de madera a través de la combinación de gasificación y pilas de combustible de óxido sólido , Ph.D. Tesis de Florian Nagel, Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich, 2008
- ^ Taylor, Charles Fayette (1985). Motor de combustión interna en teoría y práctica - Vol.1 . Cambridge: The MIT Press. págs. 46–47. ISBN 978-0-262-70027-6.
- ^ Manual de sistemas de motores gasificadores de corriente descendente de biomasa (sección 5.2, párrafo 2, página 30), preparado por el Instituto de Investigación de Energía Solar, Programa de Información Técnica Solar del Departamento de Energía de los Estados Unidos, Instituto de Investigación de Energía Solar, 1988
enlaces externos
- Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación: Wood Gas as Engine Fuel , 1986