Jak działa zgazowanie

Niektóre z najbardziej obiecujących, przyciągających uwagę alternatyw energetycznych nie są pomysłami rewolucyjnymi. Wszyscy wiemy o wiatrakach i kołach wodnych, które istnieją od wieków. Obecnie szereg ulepszeń, w tym innowacyjne projekty turbin, przekształca te starożytne maszyny w najnowocześniejsze technologie, które mogą pomóc narodom zaspokoić ich potrzeby energetyczne.

Istnieje inny stary proces, o którym prawdopodobnie nie wiesz zbyt wiele, który zyskuje na popularności i może dołączyć energię wiatrową i wodną do panteonu czystej, odnawialnej energii. Proces ten jest znany jako zgazowanie , zestaw reakcji chemicznych, w których wykorzystuje się ograniczoną ilość tlenu do przekształcenia surowca zawierającego węgiel w gaz syntetyczny lub gaz syntezowy .

Brzmi jak spalanie, ale tak nie jest. Spalanie wykorzystuje obfitość tlenu do wytwarzania ciepła i światła poprzez spalanie. Zgazowanie wykorzystuje tylko niewielką ilość tlenu, który łączy się z parą i gotuje pod dużym ciśnieniem. To inicjuje serię reakcji, w wyniku których powstaje mieszanina gazowa składająca się głównie z tlenku węgla i wodoru. Ten gaz syntezowy może być bezpośrednio spalany lub wykorzystywany jako punkt wyjścia do produkcji nawozów, czystego wodoru, metanu lub płynnych paliw transportowych.

Wierzcie lub nie, ale zgazowanie istnieje od dziesięcioleci. Szkocki inżynier William Murdoch otrzymuje uznanie za opracowanie podstawowego procesu. Pod koniec lat 90. XVIII wieku, używając węgla jako surowca, wyprodukował gaz syntezowy w ilości wystarczającej do oświetlenia swojego domu. W końcu miasta w Europie i Ameryce zaczęły używać gazu syntezowego – lub „gazu miejskiego”, jak go wówczas nazywano – do oświetlania ulic i domów. Ostatecznie gaz ziemny i energia elektryczna wytwarzana w elektrowniach opalanych węglem zastąpiły gaz miejski jako preferowane źródło ciepła i światła.

Dziś, gdy na horyzoncie pojawia się globalny kryzys klimatyczny, a żądne władzy narody poszukują alternatywnych źródeł energii, zgazowanie powraca. Rada ds. Technologii Zgazowania spodziewa się, że światowe zdolności zgazowania wzrosną o ponad 70 procent do 2015 r. Znaczna część tego wzrostu nastąpi w Azji, napędzana szybkim rozwojem w Chinach i Indiach. Ale Stany Zjednoczone również popierają zgazowanie.

Przyjrzyjmy się bliżej, jak działa ten proces. Zaczniemy od zgazowania węgla, najpowszechniejszej formy tego procesu.

Zawartość

1. Zgazowanie węgla
2. Zgazowanie drewna
3. Domowe zgazowanie

Sercem elektrowni węglowej jest kocioł, w którym spalany jest węgiel, który zamienia wodę w parę. Poniższe równanie pokazuje, jak chemicznie wygląda spalanie węgla: C + O ₂ --> CO ₂ . Węgiel nie składa się z czystego węgla, ale z węgla związanego z wieloma innymi pierwiastkami. Mimo to zawartość węgla w węglu jest wysoka i jest to węgiel, który podczas spalania łączy się z tlenem, aby wytworzyć dwutlenek węgla, główny winowajca globalnego ocieplenia. Inne produkty uboczne spalania węgla to tlenki siarki, tlenki azotu, rtęć i naturalnie występujące materiały radioaktywne.

Sercem elektrowni, która zawiera gazyfikację, nie jest kocioł, ale generator gazu , cylindryczny zbiornik ciśnieniowy o wysokości około 12 metrów i średnicy 4 metrów. Surowce wchodzą do gazyfikatora od góry, a para i tlen od dołu. Wsadem może być dowolny rodzaj materiału zawierającego węgiel, ale zgazowanie węgla wymaga oczywiście węgla. Typowy zakład zgazowania może zużywać dziennie 16 000 ton (14 515 ton metrycznych) brunatnego węgla brunatnego.

Gazyfikator działa w wyższych temperaturach i ciśnieniu niż kocioł węglowy – odpowiednio około 2600 stopni Fahrenheita (1427 stopni Celsjusza) i 1000 funtów na cal kwadratowy (6895 kilopaskali). Powoduje to, że węgiel przechodzi różne reakcje chemiczne. Po pierwsze, częściowe utlenianie węgla w węglu uwalnia ciepło, które wspomaga reakcje zgazowania. Pierwszym z nich jest piroliza , która zachodzi, gdy lotna materia węgla rozkłada się na kilka gazów, pozostawiając zwęglenie , substancję podobną do węgla drzewnego. Następnie reakcje redukcji przekształcają pozostały węgiel w zwęgleniu w gazową mieszaninę znaną jako gaz syntezowy .

Tlenek węgla i wodór to dwa podstawowe składniki gazu syntezowego. Podczas procesu znanego jako oczyszczanie gazu , surowy gaz syntezowy przepływa przez komorę chłodzącą, która może być wykorzystana do oddzielenia różnych składników. Czyszczenie może usunąć szkodliwe zanieczyszczenia, w tym siarkę, rtęć i nieprzetworzony węgiel. Nawet dwutlenek węgla można wyciągnąć z gazu i przechowywać pod ziemią lub wykorzystać do produkcji amoniaku lub metanolu.

Pozostaje czysty wodór i tlenek węgla, które mogą być spalane czysto w turbinach gazowych do produkcji energii elektrycznej. Lub niektóre elektrownie przekształcają gaz syntezowy w gaz ziemny, przepuszczając oczyszczony gaz przez katalizator niklowy, powodując reakcję tlenku węgla i dwutlenku węgla z wolnym wodorem z wytworzeniem metanu. Ten „zastępczy gaz ziemny” zachowuje się jak zwykły gaz ziemny i może być wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej lub ogrzewania domów i firm.

Ale jeśli węgiel jest niedostępny, zgazowanie jest nadal możliwe. Wszystko czego potrzebujesz to trochę drewna.

Sekundy gazu syntezowego

Choć ostatnio elektroenergetyka zainteresowała się gazyfikacją, przemysł chemiczny, rafineryjny i nawozowy stosują ten proces od dziesięcioleci. To dlatego, że główne składniki gazu syntezowego – wodór i tlenek węgla – są podstawowymi elementami budulcowymi kilku innych produktów. Niektóre z najważniejszych produktów uzyskiwanych z gazu syntezowego to metanol, nawozy azotowe i wodór do rafinacji ropy naftowej i paliw transportowych. Nawet żużel , podobny do szkła produkt uboczny procesu zgazowania, może być stosowany w materiałach dachowych lub jako materiał na podłoże drogowe.

Zgazowanie węgla jest czasami nazywane „czystym węglem”, ponieważ może być wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej bez uwalniania toksyn i dwutlenku węgla do atmosfery. Ale nadal opiera się na nieodnawialnym paliwie kopalnym. I nadal wymaga operacji wydobywczych, które niszczą Ziemię i pozostawiają po sobie toksyczne odpady. Zgazowanie drewna – lub zgazowanie biomasy , by być bardziej technicznie poprawnym – może stanowić realną alternatywę. Biomasa jest uważana za odnawialne źródło energii, ponieważ jest wytwarzana z materiałów organicznych, takich jak drzewa, uprawy, a nawet śmieci.

Zgazowanie biomasy działa tak samo, jak zgazowanie węgla: surowiec trafia do generatora gazu, który gotuje materiał zawierający węgiel w środowisku o niskiej zawartości tlenu w celu wytworzenia gazu syntezowego. Surowce generalnie dzielą się na jedną z czterech kategorii:

Wybór surowca determinuje konstrukcję gazogeneratora. W procesie zgazowania biomasy powszechne są trzy konstrukcje: updraft, downdraft i crossdraft. W zgazowywaczu nadmuchowym drewno wchodzi do komory zgazowania od góry, spada na ruszt i tworzy stos paliwa. Powietrze wchodzi spod rusztu i przepływa przez pryzmę paliwa. Gaz syntezowy, znany również jako gaz generatorowy w kręgach biomasy, opuszcza górną część komory. W generatorach z prądem zstępującym lub krosowym powietrze i gaz syntezowy mogą wchodzić i wychodzić w różnych miejscach.

Wybór konstrukcji paliwa i generatora gazu wpływa na względne proporcje związków w gazie syntezowym. Na przykład ze słomy pszennej umieszczonej w generatorze zgazowania z prądem zstępującym powstaje:

Ale węgiel drzewny umieszczony w generatorze z prądem opadowym daje następujące efekty:

[źródło: Rajvanshi ].

Teraz jesteś gotowy do stworzenia własnego gazyfikatora drewna. Klikaj, aby zobaczyć, jak.

Lepszy przebieg gazu (ifikacji)

Wierzcie lub nie, ale jednym z głównych zastosowań zgazowania drewna jest zasilanie silników spalinowych. Przed 1940 rokiem sporadycznie widywano samochody napędzane gazyfikacją, zwłaszcza w Europie. Potem, w czasie II wojny światowej, braki ropy zmusiły ludzi do myślenia o alternatywach. Przemysł transportowy Europy Zachodniej polegał na gazyfikacji drewna w celu zasilania pojazdów i zapewnienia konsumentom żywności i innych ważnych materiałów. Po wojnie, gdy gaz i ropa stały się powszechnie dostępne, zgazowanie zostało w dużej mierze zapomniane. Jednak przyszłe niedobory ropy mogą ożywić nasze zainteresowanie tą starą technologią. Kierowca przyszłości może poprosić o „zatankowanie” kilku patyków zamiast kilku galonów benzyny.

Jedną z atrakcyjnych cech zgazowania jest jego skalowalność. Elektrownia Polk na południowy wschód od Tampy to zakład zgazowania obejmujący 4300 akrów (1740 hektarów). Przetwarza 100 ton (90,7 ton metrycznych) węgla na godzinę w 250 milionów watów mocy dla około 60 000 domów i firm [źródło: Folger ].

Ale nie musisz być gigantyczną firmą użyteczności publicznej, aby eksperymentować z gazyfikacją. Możesz zbudować prosty, mały gazyfikator z materiałów, które znajdziesz w domu. YouTube zawiera kilka filmów z tymi domowymi jednostkami. Na przykład jeden film pokazuje, jak puszka po farbie pełni rolę naczynia ciśnieniowego, w którym zachodzą reakcje zgazowania. Ponieważ gaz syntezowy jest wytwarzany wewnątrz zamkniętej puszki, przechodzi przez kilka prostych łączników hydraulicznych do puszki palnika, gdzie można zapalić gaz.

Kolejny ciekawy filmpokazuje mały zespół montujący i obsługujący gazogenerator drewna na podstawie planów przygotowanych przez amerykańską Federalną Agencję Zarządzania Kryzysowego (FEMA) i Krajowe Laboratorium Oak Ridge. FEMA opracowała te plany w 1989 roku specjalnie dla zgazowania na małą skalę w przypadku awarii ropy naftowej. Raport agencji zawiera szczegółowe, ilustrowane instrukcje dotyczące produkcji, instalacji i obsługi gazogeneratora biomasy z prądem zstępującym. (Link do raportu znajduje się na liście źródeł pod „Lafontaine” na następnej stronie.) Urządzenie wymaga ocynkowanego metalowego kosza na śmieci, małego metalowego bębna, wspólnych złączy hydraulicznych i miski do mieszania ze stali nierdzewnej i można je zamontować na pojazd dostarczający gaz syntezowy do spalania wewnętrznego. Po zamontowaniu gazogeneratora pojazd może działać niezawodnie, wykorzystując jako paliwo zrębki drzewne lub inną biomasę.

Jeśli interesuje Cię zgazowanie, ale nie robisz tego sam, możesz rozważyć zakup jednostki zgazowania od producenta. Na przykład firma New Horizon Corporation zajmuje się dystrybucją systemów zgazowania, które można zainstalować w środowisku domowym. Te kotły zgazowujące biomasę mogą ogrzewać domy, garaże i inne budynki oraz mogą wykorzystywać różne paliwa, w tym sezonowane drewno, kolby kukurydzy, trociny, zrębki i dowolny rodzaj peletu.

Tak czy inaczej, zgazowanie prawdopodobnie stanie się jedną z najważniejszych alternatyw energetycznych w nadchodzących dziesięcioleciach. To najczystszy sposób na wykorzystanie węgla, ale również efektywnie współpracuje z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak biomasa. A ponieważ jednym z podstawowych produktów zgazowania jest wodór, proces ten stanowi odskocznię do produkcji dużych ilości wodoru do ogniw paliwowych i czystszych paliw.

Czytaj dalej, aby uzyskać więcej linków do przyszłości energii i zielonych technologii.

Powiązane artykuły