Как сделать древесный газогенератор своими руками. Древесная газификация Литература по газификации древесины и биомассы

Доброго дня, мозгоизобретатели ! Как оказывается древесный уголь — очень полезная вещь с широким спектром применения, с его помощью можно запустить даже двигатель внутреннего сгорания без особых модификаций последнего.

Исследуя тему альтернативных источников энергии я нашел много теоретических расчетов, но мало практически выполненных и функционирующих самоделок . Сам же я хотел сделать простую в исполнении и действенную поделку, поэтому остановился на старом добром газогенераторе использующим древесный уголь как топливо.

Ознакомившись с теорией и несколькими уже воплощенными концепциями, я сделал собственный газогенератор и успешно подключил его к генератору электроэнергии. Моя мозгоподелка собрана можно сказать из мусора: металлического ведра с крышкой, старых клапанов, фитингов, и полимерных шлангов. И хотя мой прототип требует доработки и последующей модификации, но он действительно работает, дешев и прост в изготовлении.

Данная газогенераторная поделка вырабатывает из угля горючий газ, на котором с успехом работают инструменты с двигателем внутреннего сгорания. Вследствие этого она имеет широкий потенциал применения на садовом участке, дачном домике, в лесу и т.д. без нужды в бензине, линиях электропередач или промышленном газе. Еще больший потенциал применения она может найти в странах третьего мира, в местах пострадавших от катаклизмов, в удаленных уголках мира и т.д.

Шаг 1: Немного теории

Древесный газ, синтез-газ, газификация, генераторный газ – все это разные названия идеи о преобразовании некоторых видов органики в легко применимое топливо. Суть в том, что при сгорании органики в условиях с низким содержанием кислорода выделяются водород (в основном), окись углерода, двуокись углерода, смолы и биотопливо. Проще говоря, если правильно сжечь полено, то получится горючий дым!

Газогенераторные разработки применялись еще в далеком прошлом. Так горючий дым подавался в дома и уличные фонари в конце 1800-х годов, и лишь потом его заменили природным мозгогазом . Газогенераторы на древесном топливе «запитывали» тысячи автомобилей по всей Европе во время Второй мировой войны, когда топливо из нефти было труднодоступным.

Описывая процессы во время газогенерации можно написать целую докторскую диссертацию, поэтому предоставлю это дело экспертам и упомяну лишь несколько ссылок:

Шаг 2: Дерево или уголь?

Существуют много конструкций газогенераторов использующих дерево или органику как топливо. От простеньких для частных работ до больших блестящих промышленных газогенераторов. Все их можно разделить на:

• самодельные средней сложности с большим количеством сварочных работ при изготовлении
• дорогие промышленные газогенераторы, зачастую малодоступные
• газогенераторы вырабатывающие биотопливо, которое после фильтрации и разделении можно заливать в двигатель

Биотопливо, или тяжелые масла и смолы, получаются в процессе термической деполимеризации. «При высокой температуре и под давлением длинноцепочечные полимеры водорода, кислорода и углерода распадаются до короткоцепочечных углеводородов». Сгорает биотопливо отлично, а при разделении на фракции из него можно получить бензин, аналогичный тому, что получается из нефти. Существуют даже статьи о выделении биотоплива из водорослей, так что следите за этими разработками!

Следует упомянуть, что использование биотоплива конечно круто, но это снижает срок службы вашего двигателя.

Специфика газогенерации на древесном угле в том, что длинные полимерные цепи уже удалены в процессе создания этого угля, то есть при дальнейшей газогенерации будут выделяться пары без смол. Сам уголь можно сделать самостоятельно в 160 литровой или 250 литровой бочке, но я использовал в своей поделке-прототипе уголь, купленный в магазине.

Шаг 3: Доказательство концепции

Для создания своего мозгопрототипа газогенератора я использовал большое ведро, ведерко от краски, небольшие пластины металла, фитинги и краны.

Более полный список необходимых материалов и инструментов выглядит так:

• металлическое ведро с плотно закрывающейся крышкой
• ёмкость для фильтрации и фильтрующий материал — я с успехом использовал баночку от краски и поролон
• листовой металл — мои толщиной 1.2мм
• стальные трубы и фитинги к ним – мои были 2см в диаметре, только не используйте оцинкованные
• труба для входящих газов – я сначала использовал РЕХ шланги (полиэтиленовые армированные), но это плохой выбор
• труба для отработанных газов – вполне применим гибкий металлический шланг совместимый с трубой ∅ 2см
• шаровые краны – как минимум один, два – при рециркуляции выхлопных газов, три – для стравливания и четыре — если планируете использовать нагнетатель для разжигания углей
• термостойкий силиконовый герметик
• зажимы
• гайки и болты
• сварочный аппарат или холодная сварка
• ключи для труб
• дрель
• большое сверло
• детектор оксида углерода

Шаг 4: Генератор электроэнергии

В качестве «потребителя» в моем газогенераторном мозгоэксперименте я решил использовать генератор моего отца, в котором поломалась топливная система. Я устранил течь топливного насоса и немного доработал под последующее функционирование на газе. А именно установил пластину кронштейна для моего адаптера, состоящего из тройника и шарового крана. Тройник подключается к карбюратору, через второе его отверстие поступают горючие газы от газогенератора, а на третье отверстие монтируется кран, через которое подается свежий воздух.

Выхлопная система также оснащена тройником и шаровым клапаном, через которые одна часть отработанных газов выбрасывается в атмосферу, а другая подается на вход газогенератора, где смешивается с чистым воздухом. Это позволяет направлять не полностью сгоревшие окиси углерода снова в топку, а также использовать поток в качестве раздува пламени. Данную опцию мне посоветовали умные люди, изначально моя возвратная линия была недоработана.

Шаг 5: Газогенераторный реактор

Реактор собирается очень просто, замечу лишь, что впускное отверстие моей самоделки расположено слишком низко, его следует сделать на расстоянии не менее 5см от низа ведра.

Итак, из листового металла я вырезал три одинаковых пластины – одну для выпуска, две для впуска. Две пластины для системы впуска согнул по радиусу ведра, чтобы добиться плотного прилегания, одна из них будет установлена снаружи, другая, для поддержки, внутри. В углах пластин просверлил отверстия под болты крепления, скрепил их вместе и приступил к высверливанию впускного отверстия. После этого одну из пластин приложил к ведру в установленном месте и в самом ведре высверлил аналогичные отверстия.

Далее в отверстие вставил стальную трубку, так что бы она входила внутрь ведра более чем на треть и менее чем наполовину. Внутреннюю часть трубки позже удлинил отрезком из нержавеющей стали – это было ошибкой последствия которой показаны в конце мозгоруководства . Затем сварил трубку и наружную пластину, обе пластины щедро намазал термостойким силиконом и установил на ведро, скрепив болтами.

По центру третьей пластины приварил фитинг, сквозь фитинг и пластину просверлил выходное отверстие, а по углам 4 отверстия для крепежа. После приложил эту пластину к крышке и продублировал на ней отверстия пластины — одно выходное и 4 крепежных. Затем смазал пластину термостойким герметиком и установил на положенное ей место на крышке, скрепив болтами.

И крышку, и само ведро оставил на сутки для высыхания герметика.

Шаг 6: Фильтр

Газогенератор на древесном угле считается газогенератором восходящего потока, то есть поступающий снизу воздух сгорает в топке, а образовавшиеся во время этого газы поднимаются вверх и отводятся через отверстие в крышке. При этом само топливо, а именно древесный уголь, является достаточно пыльным материалом, и его пылинки вместе с потоком газов могут попасть в двигатель. Для того чтобы этого избежать необходим пылеулавливающий фильтр.

Простой фильтр я собрал из баночки для краски, пластиковых фитингов и поролоновой мозгогубки . В дне баночки и крышке высверлил отверстие под фитинг, установил и закрепил сами фитинги, а баночку набил губкой. Для герметичности при установке промазал фитинги все тем же герметиком.

Шаг 7: Выбор угля

Уголь в данной самоделке нужно использовать только натуральный, лучше из твердых пород дерева, но и из хвойных сгодится, лишь сгорать будет быстрее. Нельзя использовать прессованный или химически обработанный уголь! Подходящий уголь можно покупать, но если вы планируете использовать свой мозгогазогенератор часто, то лучше научится делать его самостоятельно.

Размером угли должны быть более 3мм, но не больше 2мм, это нужно для лучшей циркуляции потока воздуха и двуокиси углерода.

Шаг 8: Первый пуск

Погода во время первого пуска моей самоделки была дождливой, я не знал, как поведет себя старенький генератор электроэнергии, который запускался последний раз 15 лет назад. Но я все же был уверен в своем успехе.

Зажженную пропановую горелку я вставил в воздухозаборное отверстие реактора и оставил ее разжигать уголь. На генераторе электроэнергии перекрыл поступление свежего воздуха и запустил стартер.

Во время старта двигатель генератора начал самостоятельно забирать поток, и я убрал горелку. Немного времени спустя начало вырабатываться достаточное количество горючего газа. Подачей воздуха и жидкости для запуска в стартер я помогал процессу стабильной работы двигателя. Я продолжал запускать двигатель и настраивать подачу воздуха в карбюратор. Когда нужный состав смеси был найден, двигатель заработал, и я успешно «запитал» от него свою сабельную пилу. Через 15 минут после начала работы пришлось выключить генератор из-за утечек газа.

Автор газогенератора на основе которого я сделал свой прототип говорит, что от сжигания угля объемом 0.0045 куб.м. за 30 минут он получает 5 л.с. Не знаю какова мощность его генератора электроэнергии, но я за 15 минут сжег намного меньше.

ВАЖНО!!! Будьте осторожны в случае работы с угарным газом (СО), при неправильном использовании он смертельно опасен! При вдыхании молекула СО присоединяется к молекуле кислорода в крови, что приводит к плохой абсорбции и в результате, полиорганной недостаточности. Соблюдайте правила работы с газами и работайте на воздухе или хорошо проветриваемом помещении!

Шаг 9: Версия 2.0

Прототип сделан и он функционален, из минусов только утечка газа. Поэтому я сделал газогенератор версии 2.0 со следующими доработками:

На вход карбюратора я установил 5мм-ю металлическию пластину с резьбой для трубы ∅ 2см, пластина крепится двумя болтами и дополнительной полосой металла для жесткости. При установке пластины использовал прокладочную бумагу, что позволило избежать утечек.

РЕХ шланг заменил, потому что он плавился на крышке газогенератора, да и у меня не было хороших зажимов для него. Вместо него я установил гибкий металлический шланг, который снял с возвратной системы. Он идеально подходит к трубе и фитингам, в которых плотно фиксируется при проворачивании, но на выходе газогенератора его лучше закрепить U-образным болтом.

Утечки устранены!

Шаг 10: Заглушка

Для горения необходимы три вещи: воздуха, топливо, запал. Данная самоделка имеет в реакторе много тепла (запала) и угля (топлива), поэтому единственный способ остановить его работу это перекрыть подачу воздуха. Для этого нужна всего лишь одна заглушка с резьбой или клапан, которыми при необходимости и перекрывается входное отверстие.

Чтобы остановить мозгореактор я закрыл входное отверстие заглушкой и оставил на ночь, с утра он был прохладным и не вырабатывал газ.

Шаг 11: Планы на доработку

Сжатие и хранение газа

Все результаты это знания, и не все предположения верны. Я, к примеру, подумал, что могу сжать выработанный газ и поместить его в баллон, а потом использовать как и обычный пропан. Но столкнулся с проблемой, что этот сжатый газ не разжигается. Я подумал раз в двигателе генератора зажигается, то и я его зажгу, но на деле это не так. Может причина в том, что 12 вольтовый компрессор не создал необходимую концентрацию и следует попробовать с более мощным компрессором.

Материалы реактора

Температура в топке было очень высокой и мой отрезок из нержавеющей стали, которым я удлинил входную трубку, расплавился. Он оказался хромированной блестящей безделушкой и просто растаял в топке. И еще, как я упоминал, входное отверстие изначально расположено слишком низко и не обеспечивает нужную реакционную зону и зольное пространство.

Генератор электроэнергии

Так как генератор не мой, а моего отца, то придется его вернуть, а себе приобрести что-то подходящее и установить все на мобильную платформу, чтобы расширить спектр подключаемых устройств: водный насос, вентилятор, гидравлический насос и т.д.
Самостоятельное производство угля

Топливо моего газогенератора это уголь, поэтому для полной автономности и экономии следует приобрести пару железных бочек и сделать установку для производства древесного угля.

Вот так я сделал газогенератор и «запитал» им генератор электроэнергии, надеюсь, было интересно и полезно!

Удачи в ваших самоделках !

При газификации органическая часть древесины превращает­ся в горючий газ и жидкие продукты. Газификацию осуществ­ляют в вертикальных шахтах аппаратов, называемых газогене­раторами. В шахте газогенератора протекают три основных про­цесса, которые условно можно распределить по зонам, указан­ным на схеме (рис. 23).

В верхней части газогенератора происходит сушка древесины (зона I), затем сухое топливо подвергается швелеванию- тер­мическому разложению в токе нагретого газа, двигающегося от колосниковой решетки и дутьевых фурм вверх к горловине газо­генератора (зона II).

В третьей, последней зоне осуществляется процесс собственно газификации, которой подвергается уже не древесина, а уголь - продукт швелевания древесины. Здесь окисляется углерод кокса (древесный уголь) в атмосфере кислорода воздуха, подаваемого в шахту через колосниковую решетку и через дутьевые фурмы. При газификации других видов твердого топлива (ископаемый уголь, сланцы, кокс и торф) иногда используется вместо воздуш­ного дутья - парокислородное.

При взаимодействии кислорода воздуха и кокса может про­исходить окисление углерода по следующим реакциям:

А) С + 03 СОа + 97 650 ккал/кг - мол;

Б) С + 4- О.. ->- СО + 29 450 ккал/кг - мол.

Часть двуокиси углерода СО2, взаимодействуя с нагретым до высокой температуры углеродом кокса, превращается в окись углерода СО по реакции

С + СО 2 ^ 2 СО + 38 790 ккал/кг - мол.

Наблюдения показали, что при газификации древесного топ­лива в толстом слое в итоге упомянутых реакций образуется главным образом окись углерода.

Куски угля покрыты газовой пленкой, через которую газовые молекулы диффундируют к поверхности угля, а продукты реак-‘ ции удаляются с поверхности, поступая в газовое пространство между отдельными кусками твердого тела. Интенсивность диф­фузионного потока зависит от ряда факторов.

Когда скорость химического взаимодействия между твердым телом и газовыми молекулами очень высока, общий результат

Взаимодействия между реагирующими веществами в гетероген­ных реакциях будет зависеть от интенсивности диффузионных процессов. В этом случае процесс газификации угля протекает в так называемой диффузионной области.

Когда скорость химической реакции между твердым телом и газовыми молекулами является решающим фактором, взаимо­действие между реагирующими веществами переходит в кине­тическую область процесса.

С увеличением скорости газа и уменьшением размера кусков угля толщина газовой пленки уменьшается.

Скорость процесса газификации в диффузионной его области будет увеличиваться с повышением температуры и скорости га­зовых потоков. Скорость химического взаимодействия между углеродом кокса и газовыми молекулами, т. е. процесса собст­венно газификации, в кинетической его области будет всегда увеличиваться с повышением температуры.

Реакционная способность кокса из различных углей неодина­кова, и она характеризуется скоростью химического взаимодей­ствия углерода с СОг и водяным паром.

Древесный уголь обладает более высокой реакционной спо­собностью по сравнению, например, с ископаемыми углями.

Поэтому для случая газификации древесины окисление угле­рода древесного кокса будет протекать в диффузионной области процесса.

В зоне III (собственно газификации) развивается высокая температура. Теоретически она может быть около 1600°. В ре­зультате сплавляется зола топлива, зашлаковываются и часто разрушаются дутьевые устройства. Эти явления приводят к преждевременной остановке газогенератора из-за расстройства воздухоподачи. Для борьбы с ними к воздуху, подаваемому в газогенератор, достаточно добавить 90-120 г/н. ж3 водяного насыщенного пара.

Подача пара в дутье обеспечивает некоторое повышение ка­лорийности газа.

В отличие от воздушного дутье, искусственно увлажненное паром, называется паровоздушным. Степень увлажнения дутья регулируется по его температуре, поддерживаемой обычно в пре­делах 45-55°, а иногда и выше. Прибавкой пара к дутью сни­жают температуру зоны собственно газификации до 1100- 1200°, что уже безопасно для дутьевых устройств.

При паровоздушном дутье протекают следующие реакции:

А) С + Н20 -> СО + На - 28 300 ккал/кг - мол

Б) С + 2 Н20 СОа + 2 Н2 - 17 970 ккалкг — мол,

В) СО + Н20 СО2 На ± 10 410 ккал/кг - мол.

Водяной пар дутья обычно расходуется по этим реакциям не полностью, а на 70-75%- При значительном увлажнении дутья паром и понижении температуры реакции «а» и «б» мо­гут перейти в кинетическую область процесса.

Вследствие неизбежного присутствия азота в воздухе теоре­тически можно представить образование СО в газе, получаемом в зоне собственно газификации, при воздушном дутье по следую­щему уравнению:

2 С + 02 + 3,76 N2 — 2 СО + 3,76 N3,

Что соответствует составу газа в объемных долях: СО -34,7%-. N2 - 65,3%.

Опытным путем установлено, что состав газа в зоне собст­венно газификации древесного кокса при воздушном дутье мало отличается от теоретического. Из 1 кг углерода выход газа

Равен 5,37 н. м3 с теплотворной способностью 1060 . Из

Приведенных данных видно, что при идеальном воздушном про­цессе термический к. п. д. газификации, считая по холодному

5.37 1060 _ _ газу, равен g^ = 0,7.

Газификация – это процесс превращения органических или ископаемых углеродистых материалов в монооксид углерода, водород и диоксид углерода. Это достигается за счет реакции материала при высокой температуре (>700 °C) без воспламенения с регулируемым количеством кислорода и/или пара. Полученная газовая смесь называется синтез-газ (сокращение от синтетический газ ) или древесный газ, и сама является топливом. Энергия, полученная в результате сжигания такого газа, считается одним из видов возобновляемой энергии, если газифицированная смесь была получена из биомассы.

Одной из самых типичных областей применения этой энергии является теплоэнергетическая выработка энергии. Древесный газ содержит большое количество водорода и монооксида углерода, и не выделяет при горении веществ, загрязняющих окружающую среду. Древесный газ — источник экологически безопасной возобновляемой безэмиссионной энергии.

Трудности

Технологии по газификации древесины исследовались и развивались на протяжении более 100 лет. Однако, трудности в управлении контролируемым и в достаточной мере чистым процессом газификации усложняют внедрение его для коммерческого использования, например, на электростанциях. Самым большим препятствием была смола, выделяемая в процессе пиролиза, и со временем разрушавшая двигатели. Кроме того, качество древесной щепы, а в частности процент содержания в них влаги, устанавливало жесткие ограничения в выборе и обработке крошеной биомассы. to ней

Решение – инновационный метод пиролиза.

Газификатор древесины GASEK является так называемым прямоточным газификатором. Он основывается на технике пиролиза, разрабатывавшейся и улучшавшейся на протяжении последних 30 лет. Обработанная биомасса двигается в реакторе в том же направлении, что и газифицирующий воздух, поставляемый в количествах существенно меньших, чем требуется для горения.

Самое большое отличие от старой, проблематичной, технологии заключается в температуре и методе очистки получаемого газа. Ключевой фактор процесса газификации — достижение высоких температур (800-1200°C), что предотвращает формирование разрушительных смол. В результате, композиции смол расщепляются на более легкие частицы, не создающие проблем для двигателей. Древесный газ, проходящий через очистительную линию GASEK, не имеет цвета и запаха и при сгорании не выделяет вредных веществ.

Очищенный древесный газ дает возможность для производства эффективного, неприхотливого в обслуживании и долгоживущего оборудования для электростанций. Ряд международных патентов был получен на технологию газификации GASEK.

Вопросами лесохимии занимались известные отечественные химики Д.И. Менделеев, В.Е.Тищенко, Е.И.Орлов и др.

В советский период многочисленные лесохимические (биохимические) фабрики имелись едва ли не в каждой области и республике СССР. С развитием нефтехимии лесохимические предприятия несколько утратили свое значение и некоторые из них были перепрофилированы на выпуск другой продукции. Например, известная московская фабрика мягкой мебели "Кузьминки" в 50-е годы прошлого века была лесохимическим заводом. В период "перестройки" многие отечественные лесобиохимические заводы по ряду объективных и субъективных причин обанкротились, как впрочем, и многие другие высоко технологические предприятия. Поэтому уксусную кислоту и др. продукты лесохимии наша страна сейчас импортирует.

За рубежом дело обстоит иначе. Интерес к использованию биологических возобновляемых ресурсов (биомассе) постоянно возрастает. Биома́сса (биоматерия, биота)- совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе планеты составляет примерно 2,4 ∙ 10 12 т, 97 % из этого количества занимают растения и 3 % – животные организмы. Техническая переработка биоресурсов (biorafinery) является одной из наиболее быстрорастущих отраслей науки, техники и бизнеса.

Ресурсы биомассы для газификации

Некоторые свойства различных лигносодержащих отходов в сравнении с каменным углем:

Что такое пиролиз?

Пиролиз является одним из важнейших химических процессов, используемых в энергетике и различных промышленных производствах - металлургии, нефтехимии и пр. Например, методом пиролиза получают такие экономически и технически важные вещества как древесный уголь, кокс, дивинил, этилен, пропилен, бензол и др. В промышленности пиролизу подвергают нефть, уголь, торф, древесину, сельскохозяйственные отходы, промышленные отходы, бытовой мусор и пр.

Пиролиз является одним из важных направлений в лесохимии и используется для выработки древесного угля, скипидара, дегтя, уксусной кислоты, метилового спирта, ацетона и др. веществ.

Промышленный пиролиз древесины и др. видов биомассы - это сложный химический процесс, происходящий в виде разнообразных реакций и превращений и осуществляется в ограниченном (регулируемом) присутствии кислорода воздуха. Универсального описания процессов, происходящих при пиролизе биомассы не существует, т.к. эти процессы многокомпонентные и многофакторные.

В зависимости от условий процесса (вида сырья, степени его измельчения, температуры, давления, концентрации кислорода, воды, присутствия катализаторов) и конструкции реактора (печи, колонны, реторты и т.п.) пиролиз происходит по разному с выходом различных твердых, жидких и газообразных веществ. Типов пиролитических реакторов (печей, реторт, колонн и пр.) существует несколько десятков. Следует иметь ввиду, что разные виды целлюлозосодержащего сырья имеют различающийся химический состав, что в определенной степени влияет на выход получаемых продуктов пиролиза.

Термическое разложение сложных органических соединений биологического происхождения начинается при температурах близких к 100 ° С. Разложение основных веществ древесины в ходе пиролиза начинается при температуре около 200 ° С, однако главные процессы происходят при температурах 400-800 ° С. В некоторых случаях пиролиз органики проводят при еще более высоких температурах 1300-1800 ° С, в т.ч. с использованием электрических плазмогенераторов.

В состав древесины входит 45–60% целлюлозы, 15–35% лигнина и 15–25% гемицеллюлоз, а также пектаты кальция и магния, смолы, камеди, жиры, танины, пигменты и минеральные вещества. Сухое вещество древесины содержит около 50% углерода, 6% водорода, 44% кислорода, около 0,2 % азота и не более 1 % серы. Содержание минеральных веществ (зольность) древесины 0,2 - 1%. В древесных сучьях золы может быть до 2%, в корнях до 5%. От 10 до 25% процентов древесной золы (Na2CO3 и K2CO3) растворимы в воде, из нерастворимых веществ золы важнейшими являются известь, углекислые, кремнекислые и фосфорнокислые соли магния, железа и марганца. Температура плавления древесной золы 1400 ° С.

Существуют различные виды пиролизных систем, ориентированные на получение различных твердых, жидких и газообразных продуктов - древесного угля, спирта, кислоты, жидкого синтетического топлива и генераторного газа и др.

При пиролизе на древесный уголь полезный выход составляет примерно до 1 т угля из 8 - 12 плотных кубометров дров. Энергия, выделяющаяся в этом процессе, используется в главным образом на его обеспечение. При газификации биомассы, напротив, подавляющая часть сырья превращается в горючий высококалорийный газ, обеспечивающий выработку электроэнергии (примерно 1000 кВт/ч из 1,4 - 1,8 тонны сырья).

В последнее время связи с необходимостью экономии углеводородных топлив интерес к газификации твердых топлив возрос. К достоинствам газификации древесины и др. видов биомассы, в отличие от обычного сжигания в топках, следует отнести незначительное количество веществ, загрязняющих окружающую среду т.е. благоприятные экологические показатели по сравнению с другими энергетическими технологиями.

Получение генераторного газа и выработка электроэнергии

Генераторный газ, как топливо, имеет несомненные преимущества перед прямым сжиганием древесины и др. видов биомассы. Генераторный газ, подобно природному газу, может быть передан на большое расстояние по трубопроводам и в баллонах; его удобно использовать в быту для приготовлении пищи, для отопления и нагревания воды, а также в технологических и силовых установках. Сжигание газа легко автоматизировать; продукты сгорания менее токсичны, чем продукты прямого сжигания древесины и др. видов биомассы.

Генераторный газ используется как сырье для дальнейшей химической переработки и в качестве удобного и эффективного топлива для горелок сушилок, печей, котлоагрегатов, газовых турбин, но чаще, - газопоршневых установок. Таким образом по свойствам он похож на природный газ и может использоваться взамен последнего.

Технология газификации твердых топлив для получения горючего газа не является новой. Пионерами газификации были британцы, немцы и французы (прибл. 1805 - 1815 г.г .). Сначала газ использовался для только для освещения улиц и жилищ при помощи фонарей и ламп, а затем и как топливо. В Москве оборудование для получения искусственного газа появилось на полвека позднее (1865 г.). Тогда английские подрядчики получили монопольное право на освещение города, а также на беспошлинный ввоз оборудования для строительства завода по производству искусственного газа, газопроводов, фонарей, горелок, счетчиков и пр. Уголь для газификации также ввозился из Англии. К 1905 г. Москва располагала 215 верстами газовых сетей, 8735 газовыми фонарями и 3720 частными потребителями газа (историческая справка Мосгаза). Природный газ в Москве появился только в 1946 г. (магистральный газопровод Саратов-Москва) . До нач. 60-х годов в СССР газификация твердых топлив была распространена достаточно широко: более 350 газогенераторных установок вырабатывали из разл. типов твердых топлив около 35 млрд. м3/год генераторных газов разного назначения.

То есть первоначально газовая промышленность занималась изготовлением и распределением генераторного газа и только в середине 20 века стала переходить к газу натуральному.

В 20-50 г.г. прошлого века дровяные газогенераторы устанавливались на автомобили, автобусы, трактора и другую технику, которая изготавливалась серийно (напр. отечественные автомобили ГАЗ-42, ЗИС-21). В лесной промышленности газогенераторными установками оборудовались лесовозные машины и трелёвочные тракторы. На фото показан немецкий мотоцикл, оборудованный весьма компактным газогенератором. После войны транспортные газогенераторы еще долго хранились в мобилизационном резерве.

Связанная с развитием нефтехимии дешевизна электроэнергии и моторных топлив не стимулировала развития малой и альтернативной электроэнергетики. Сейчас ситуация в нашей стране быстро меняется в пользу применения альтернативных источников энергии т.к. даже простое подключение предприятия или хозяйства к электрической или газовой сети часто становится серьезной проблемой.

Разработкой газификационных установок для древесины и др. твердых топлив сейчас занимаются многие зарубежные и отечественные институты и компании. На отечественном рынке уже есть предложения малогабаритных газификационных установок для фермеров и т.п., но промышленным предприятиям и лесным поселкам нужны более мощные энергетические установки. Газогенераторные установки различаются по мощности: малой – до 100 кВт; средней – от 100 до 1000 кВт; большой мощности – свыше 1000 кВт. Существуют много типов и десятки конструкций газогенераторов, используемых для газификации отходов древесины и др. видов биомассы. Наиболее популярные из них генераторы прямого и обратного горения, а также генераторы с кипящим слоем.

В газогенераторных установках происходит не только пиролиз; правильнее это процесс называют частичным
(т.е. неполным) окислением углерода (partial oxidation) . В газогенераторе сырье проходит четыре этапа преобразования в газ:

Большая часть реакций происходящих в газогенераторах является экзотермическими, т.е. происходят с выделением энергии. Основными химическими элементами, участвующими в процессе превращения биомассы в газ являются углерод, кислород воздуха и вода. Окислителями являются кислород, двуокись углерода и водяной пар (реакции 1-3). Основными химическими реакциями происходящими при газификации древесины считают:

С + 0,5 О 2 → СО 2 - 109,4 кДж/моль (1)
С + СО 2 → 2СО + 172,5 кДж/моль (2)
С + Н 2 O → СО + Н 2 + 131,2 кДж/моль (3)

С + О 2 →2СО 2 - 284,3 кДж/моль (4)

СО + H 2 О ↔СО 2 +Н 2 ± 131,4 кДж/моль (5)

С + 2Н 2 → СН 4 + 74,8 кДж/моль (6)
СО+ 3Н 2 → СН 4 + H 2 О - 206,2 кДж/моль (7)
СО+ Н 2 → 0,5СН 4 + 0,5 СО 2 - 123,8 кДж/моль (8)

Прямой продукт газификации твердых топлив (т. н. сырой газ) всегда содержит некоторые количества углекислого газа СО2, воды H2О, метана СН4 и, кроме того, иногда и высших углеводородов, а при использовании воздуха - еще и NО2. Вследствие наличия в биомассе небольшого количества серы образуется H2S. Скорость газификации твердых топлив существенно зависит от температуры. С повышением давления увеличивается концентрация СН4. Состав получаемого газа зависит от схемы газогенератора и режима процесса.

Выходящий из газогенератора газ имеет высокую температуру и содержит большое количество примесей (золу и смолы), поэтому газогенераторные установки комплектуются специальными системами охлаждения и очистки газа.

Для решения задачи обеспечения автономного энергоснабжения удаленных потребителей с тепловой нагрузкой до нескольких мегаватт и утилизации отходов растительной биомассы наиболее эффективно использование технологии термохимической газификации в аппаратах слоевого типа с воздушным дутьем. Данные установки наиболее просты в конструктивном оформлении и при эксплуатации. Получаемый газ имеет теплоту сгорания 3,5–5,0 мДж/м3 и пригоден для использования в ДВС и топочных устройствах.

В США и странах Евросоюза большое внимание уделяется вопросам утилизации и газификации биомассы, но лидерами в этом направлении становятся Китай и Индия.

В России многие районы недоступны для обеспечения их природным газом, а завоз туда жидкого топлива или угля связан с большими затратами. Оптимальный выход - использование установок по генерированию электроэнергии из биотоплива.

Серийные промышленные электроэнергетические газификационные системы "под ключ" на основе газогенераторов с кипящим слоем для сельскохозяйственных, зерноперерабатывающих, лесных и деревообрабатывающих предприятий производит, например, китайская компания Chongqing Fengyu Electric Equipment.

По предлагаемой компанией технологии измельченные и подсушенные отходы древесины, гидролизный лигнин, солома, рисовая и подсолнечная шелуха, стебли хлопчатника и т.п. из бункера подаются в газификационную колонну. Полученный синтетический газ охлаждается и очищается от пыли и дегтя и поступает в накопитель. Очистка и охлаждение газа осуществляется при помощи циркулирующей в системе оборотной воды. Газификационная установка принципиально проста по конструкции и относительно компактна. Охлаждение воды осуществляется в пруду или бассейне - охладителе. Полученный горючий синтетический газ направляется в газопоршневую установку (газогенератор) или используется на другие цели.

Г азификационные установки имеют высокую энергоэффективность. Так на выработку 1 кВт электроэнергии требуется примерно 1,3-1,8 кг рисовой шелухи (соломы) или 1,1 - 1,6 опилок или лигнина. Затраты на комплектное оборудование составляют менее 1000 долларов США на 1 кВт получаемой электрической мощности.

Состав генераторного газа

Горючими компонентами генераторного газа являются окись углерода (СО), водород (H2), метан (CH4) и другие углеводороды (CmHn) . Калорийность получаемого синтетического газа зависит от вида используемого сырья и составляет 1100-1500 ккал/ м 3 (4.6~6.3 мДж). Например калорийность газа получаемого при переработке рисовой шелухи 1 393 ккал/м 3 (5.83 мДж/м 3);

Газогенерационные установки имеют различную единичную мощность в пределах от 200 до 1200 кВт и проверены во многих странах. В условиях КНР срок окупаемости этих энергоблоков составляет менее 2 лет.

Газификационные установки могут успешно применяться как при организации новых лесных и деревообрабатывающих предприятий, так и для модернизации действующих, в том числе в районах, удаленных от электрических и газовых сетей. Они могут быть интересны также для муниципалитетов, зерноочистительных и сельскохозяйственных предприятий.

Литература по газификации древесины и биомассы

За тысячи лет истории человечество научилось добывать нефть и газ, изобрело электричество, использует энергию ветра и солнца, но по прежнему сжигает в топках древесину. Дрова, опилки, старое дерево, отходы деятельности древообрабатывающих предприятий – все это можно использовать, если сделать дровяной газогенератор своими руками.

Немало мастеров успешно используют это устройство для дома и даже для автомобиля. Если вы заинтересовались этой темой, или появилась идея самостоятельно сделать генератор, мы расскажем как это реализовать на практике.

В нашем материале речь пойдет о принципе действия дровяного газогенератора, достоинствах и недостатках такой системы, а также о том, как самостоятельно собрать такое устройство.

Быстрое сжигание дров на открытом воздухе дает, главным образом, некоторое количество полезного тепла. Но совсем иначе древесина ведет себя при так называемом , т.е. при горении в присутствии очень малого количества кислорода.

В такой ситуации наблюдается не столько горение, сколько тление древесины. А полезным продуктом этого процесса является не тепло, а горючий газ.

Газогенераторы некогда активно использовались в качестве поставщика топлива для авто. И сейчас можно изредка встретить машины, работающие на вырабатываемом ими газе:

Галерея изображений

При медленном горении древесины на выходе получается смесь, содержащая следующие продукты:

• метан (СН 4);
• водород (Н 2);
• оксид углерода (он же СО или угарный газ);
• различные предельные углеводы;
• углекислый газ (СО 2);
• кислород (О 2);
• азот (N);
• водяной пар.

Только часть этих ингредиентов является горючими газами, все остальное – это загрязнения или негорючий балласт, от которого лучше избавиться. Поэтому нужно не просто сжечь дерево в специальной установке, но и очистить результат, а также охладить полученную газовую смесь.

В условиях промышленного производства этот процесс включает следующие этапы:

1. Сжигание твердого топлива в присутствии малого (около 35% от нормы) количества кислорода.
2. Первичная грубая очистка , т.е. отделение летучих частиц в циклонном вихревом фильтре.
3. Вторичная грубая очистка , при которой газ очищается с помощью водяного фильтра, используется так называемый скруббер-очиститель.

Самодельные устройства для использования в домашних условиях выглядят проще и места занимают меньше, но принцип их работы, а также конструкция очень похожи. Перед началом изготовления такого устройства необходимо все хорошо продумать, а также составить или найти проект агрегата.

Для поставки в бензиновый двигатель газообразного горючего его следует охладить, очистить и смешать с воздухом в подходящих пропорциях. Для этого агрегат требуется оборудовать вентилятором для розжига, циклоном, фильтром, смесителем и охладителем.

Галерея изображений

Шаг 8: Самодельный газогенератор в "полный рост"

Осталось дополнить самодельный генератор газа устройствами, обеспечивающими нормальную работу, и решить вопросы с установкой его на мотоцикл с коляской.

Галерея изображений

Конечно, чем ближе размеры и конфигурация самодельного газогенератора к промышленной модели, тем более эффективно будет работать устройство. Сделать в домашних условиях точную копию газогенератора, изготовленного на заводе, затруднительно, да и не обязательно.

Проще скопировать готовый самодельный агрегат, попросив его у знакомых, друзей, а то и просто воспользовавшись информацией в интернете.

Сначала изготавливают основные узлы газогенератора, затем их собирают в одно целое устройство. Чтобы сделать такое устройство, необходимо подготовить следующие элементы:

1. Корпус.
2. Бункер для топлива.
3. Камеру сгорания.
4. Горловину камеры сгорания.
5. Воздухораспределительный узел.
6. Фильтровочный узел.
7. Патрубок камеры сгорания.
8. Колосниковую решетку, дверцы и другие подобные элементы.

Корпус, который иногда называют камерой заполнения, может иметь как цилиндрическую, так и кубическую форму. Поэтому у мастера есть два варианта для его изготовления: использовать подходящую металлическую емкость, слегка ее модифицировав, или сделать корпус “с нуля” из уголка и листового металла.

Для изготовления самодельного газогенератора можно использовать подручные материалы, например, металлическую бочку, старые газовые баллоны, корпус огнетушителя и т.п.

Подобным же образом делается бункер для твердого топлива, т.е тоже из металлического листа и уголка. Позднее бункер закрепляют внутри корпуса, поэтому его размеры должны быть соответствующими. Впрочем, иногда проще превратить в бункер часть корпуса газогенератора. Для этого часть пространства отделяют с помощью металлических плит.

Подходящий для внутренностей газогенератора на дровах материал – сталь с низким содержанием углерода. Корпус следует накрыть плотно прилегающей крышкой. Герметизация – важное условие правильной работы генератора, поскольку именно таким путем обеспечивается поступление ограниченного количества кислорода.

Самодельный газогенератор – это достаточно тяжелое устройство, следует позаботиться о его устойчивости. Для этого к нижней части корпуса приваривают прочные ножки. Отдельного внимания заслуживает крышка, через которую осуществляют загрузку топлива.

Порой она бывает тяжелой и поднять ее самостоятельно не просто. Чтобы решить проблему, можно использовать специальную амортизационную рессору.

Для камеры сгорания понадобится особая жаропрочная сталь, поскольку именно здесь происходит горение топлива при очень высоких температурах. Впрочем, для этих целей можно успешно использовать пустой баллон от бытового газа. Подойдет и новая емкость, и бывшая в употреблении.

Если газовый баллон для изготовления бытового газогенератора ранее был в употреблении, перед началом сварочных работ его лучше заполнить водой. Это предотвратит возможное возгорание остатков газа

Металлическую горловину камеры сгорания, в которой осуществляется еще один важный процесс – крекинг смол – следует отделить от остальных элементов специальными жаростойкими прокладками. Вполне подходящим для этого материалом считается асбест, но лучше использовать более современные и безопасные материалы.

Воздухораспределительный узел соединяют с конструкцией с помощью штулцера, рядом с которым устанавливают обратный клапан. Задача этого элемента – регулировать поступление воздуха к топливу и не допускать утечку полученного горючего газа, ради которого и затевалось создание генератора.

Между воздухораспределительной коробкой и средней частью камеры сгорания должны находиться специальные калибровочные отверстия-фурмы. После камеры сгорания ставят систему фильтров, чтобы очистить полученную газовую смесь от загрязнений. Колосниковая решетка предназначена для очистки камеры сгорания.

Ее обычно выполняют из чугуна. Чтобы облегчить процесс очистки, среднюю часть колосника можно сделать подвижной или съемной. Дверцы обеспечивают доступ в различные отделы газогенератора и служат для загрузки дров, очистки камеры сгорания и т.п. Конечно, все такие дверцы должны быть герметичными и уплотненными с помощью термостойких прокладок.

Внизу монтируется патрубок, по которому полученная газовая смесь поступает в фильтровочный узел, а затем в охладитель. Для изготовления небольшого циклонного фильтра можно использовать корпус старого огнетушителя или другую металлическую емкость подходящего размера и конфигурации.

На этой схеме наглядно продемонстрировано устройство и принцип работы циклонного очистительного фильтра. С его помощью можно выполнить первичную очистку газа, полученного в результате работы газогенератора

Работает он таким образом: в верхнюю часть циклона нагнетается загрязненный горячий газ. Затем в круглом корпусе он начинает вращаться. Под действием центробежных сил частички загрязнений перемещаются в нижнюю часть устройства и покидают его через отверстие для выгрузки. Очищенный газ выходит через еще одно отверстие в верхней части фильтра.

В домашних условиях в качестве охладителя можно использовать обычный радиатор или изготовить специальный змеевик. Горячий газ движется по такой длинной конструкции и постепенно остывает. При желании можно организовать водяное охлаждение.

Считается, что бытовой газогенератор способен “переварить” древесину любой влажности, даже 50%, что характерно для свежесрубленного дерева. На практике получается, что чем выше влажность топлива, тем ниже эффективность работы газогенератора. Не рекомендуется загружать в устройство топливо, влажность которого превышает 20%.

Исправить ситуацию позволит небольшая модификация устройства. От патрубка камеры сгорания следует провести кольцевой газопровод, поместив его в пространстве между стенками корпуса и наружной стороной камеры загрузки. В результате часть тепловой энергии будет передана топливу, что позволит снизить его влажность. Кроме того, на охлаждение понадобится меньше времени, и КПД генератора возрастет.

Ценная информация по газогенераторам

Иногда ожидания владельцев частных домов, задумавшихся о приобретении или самостоятельном изготовлении газогенератора, оказываются слишком радужными по сравнению с реальной ситуацией.

Бытует мнение, что КПД газогенератора, составляющее около 95%, значительно превышает КПД обычного , который достигает 60-70%. Эти цифры в целом верны, но сравнивать их некорректно.

В изготовлении самодельного газогенератора используются отслужившие газовые баллоны, бидоны, кухонная утварь и т.д. Практически бесплатное устройство экономно расходует не самое дорогое топливо при довольно высокой производительности

Первый показатель отражает эффективность производства горючего газа, а второй – количество тепла, полученного при работе котла. В обоих случаях сгорает древесина, но результат этого процесса качественно различается. Если в дальнейшем полученный путем пиролизного сгорания древесины горючий газ будет использован для обогрева жилища, такое сравнение можно будет провести.

Стоит помнить также, что самодельные газогенераторы, хотя они и могут работать с высокой отдачей, редко бывают столь же эффективными, как и промышленные модели. Этот момент следует учесть еще на этапе проектирования агрегата и расчетов стоимости проекта и его ожидаемой эффективности.

Если необходимость создания газогенератора обусловлена только желанием улучшить систему отопления дома, стоит обратить внимание на похожее устройство – , который работает на очень схожих принципах. Главное его отличие от газогенератора состоит в том, что полученный газ немедленно сжигается, а полученная энергия используется для подогрева теплоносителя в системе отопления дома.

В таком устройстве монтируют дополнительную камеру сгорания, в которую необходимо организовать отдельную подачу воздуха. Если же нужно обогревать дом с помощью газогенератора, понадобится еще для отопления. Это увеличит расходы на модернизацию или обустройство отопления. Необходимо просчитать, стоит ли в таком случае овчинка выделки?

Важный момент – правильное обслуживание газогенератора в процессе его эксплуатации. Реклама утверждает, что это универсальное устройство, в котором сгорает все: от опилок до свежесрубленного дерева. Но реклама умалчивает о том факте, что при загрузке влажного сырья количество полученного горючего газа может сократиться на 25% или больше.

Лучшее топливо для бытового газогенератора – древесный уголь. При его сжигании не тратится слишком много энергии на испарение избыточной влаги, что позволяет получить максимальное количество горючего газа

Оптимальным топливом для газогенератора, по мнению специалистов, является древесный уголь. При его сгорании на испарение влаги уходит минимальное количество энергии, что позволяет ускорить процессы пиролиза.

Владельцы автотранспорта могут рассчитывать на газогенератор не только для обогрева, но и для работы своего транспортного средства. действительно, в Европе немало автомобилистов вполне успешно приспособили свой транспорт для работы на дровах. Но чаще всего это компактные и прочные устройства, изготовленные из тонкой и прочной нержавеющей стали.

Стоимость таких агрегатов, даже изготовленных самостоятельно, совсем не маленькая. В российских реалиях газогенераторы для автомобилей изготавливают из подручных средств и устанавливают на грузовой автотранспорт.

Эффект от их работы невысок, обычно наличию такого агрегата сопутствуют такие явления как длительный розжиг, необходимость постоянной работы двигателя на высоких или средних оборотах, что способствует его скорому износу.

Для автомобиля лучше всего использовать качественный газогенератор, выполненный из прочной нержавеющей стали, имеющий относительно небольшой вес и компактные размеры

Интересный вариант использования газогенератора в частных домовладениях – использование горючего газа для домашней электростанции. Реализуют такой проект с помощью дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Выводы и полезное видео по теме

На этом видео продемонстрирован процесс работы самодельного газогенератора:

Здесь представлен интересный опыт по созданию самодельного газогенератора с учетом сделанных ошибок:

Это вариант компактного газогенератора, предназначенного для установки на транспортное средство:

Изготовить своими руками жизнеспособный газогенератор не так уж и просто. Чаще всего такие агрегаты делают для автомобилей, но и в домах они вполне эффективны. Умелому мастеру, который не боится сложностей и готов к экспериментам, эта задача вполне по силам.

Если в ходе ознакомления с информацией у вас появились вопросы или есть рекомендации по собственноручной сборке дровяного газогенератора, пожалуйста, оставляйте свои комментарии ниже.