Drewno zamiast benzyny

1.2. Zasady zgazowywania paliw stałych
Wszystkie silniki spalinowe zasilane są oparami, nie płynem. Paliwo płynne jest zgazowywane (odparowywane i mieszane z powietrzem) zanim trafi do komory spalania silnika. W silnikach dieslowskich, paliwo jest wtryskiwane do komory spalania pod postacią drobnych kropelek, które zapalają się po odparowaniu. Celem zgazowywania paliw stałych jest przekształcenie ich na formę gazową i pozbawienie gazu ewentualnych szkodliwych składników, w tym zanieczyszczeń. Gazogenerator jest jednocześnie konwerterem energii i filtrem. Realizacja tych dwóch zadań łączy się z pewnymi utrudnieniami, ale jest również zaletą tego urządzenia.

Pierwsze pytanie, zadawane przez wielu ludzi to: „skąd bierze się ten palny gaz?”. Zapal zapałkę, trzymaj ją poziomo. Zwróć uwagę na to, jak zwęgla się drewno. W zasadzie drewno się nie pali, lecz wydziela z siebie gaz, który zapala się jasnym płomieniem w niewielkiej odległości od zapałki. Zauważ przerwę między płomieniem a zapałką. W tej przerwie znajduje się gaz drzewny, który zapala się dopiero, gdy zostanie odpowiednio wymieszany z powietrzem (zawierającym tlen). Objętościowo ten gaz (gaz drzewny) pochodzący od zwęglającego się drewna składa się w około 20% z wodoru (H2), w 20% z tlenku węgla (CO) i niewielkich ilości metanu. Wszystkie te składniki są palne. Oprócz tego zawiera on 50 – 60% azotu. Azot jest niepalny, ale zajmuje on pewną objętość i rozcieńcza gaz drzewny zasilający silnik. Produktami spalenia gazu są dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O).
Te same zasady chemii i fizyki, które rządzą procesami spalania ‘obsługują’ proces gazyfikacji. Wiele stałych paliw jest odpowiednich do zgazowania – począwszy od drewna i papieru, przez torf, węgiel brunatny i kamienny po koks. Podstawowym składnikiem wszystkich tych paliw jest węgiel, a na resztę składają się wodór, tlen i zanieczyszczenia – siarka, popiół i wilgoć w różnych proporcjach. Stąd wynika cel zgazowywania – prawie zupełne przekształcenie paliwa na formę gazową tak, by pozostał tylko popiół – składniki niepalne (obojętne). (...)

1.3. Historia technologii
Drewno jest wykorzystywane do wytworzenia ciepła niemalże od początków ludzkości, podczas gdy spalając drewno wykorzystujemy tylko 1/3 zgromadzonej w nim energii. Dwie trzecie tracone są razem z dymem, podgrzewając atmosferę. Zgazowywanie to metoda wykorzystywania dymu i jego palnych składników. Palny gaz z węgla i drewna produkowano w Europie mniej więcej od roku 1790. Gaz powstały w ten sposób zwany m.in. gazem miejskim – przyp. tłum. był używany do oświetlania ulic, dostarczany rurociągami do domów, gdzie wykorzystywano go do celów grzewczych i oświetleniowych, a także do gotowania. W przemyśle używano tego gazu do opalania kotłów parowych, rolnicy zasilali swoje maszyny rolnicze gazem drzewnym i węglowym. Po odkryciu dużych złóż ropy naftowej w Pensylwanii w doku 1859 cały świat przestawił się na jej pochodne – tańsze i wygodniejsze paliwo. Tysiące gazowni na całym świecie zaprzestały swojej pracy.

Generatory gazu drzewnego nie są cudem techniki, który jest w stanie całkowicie wyeliminować zapotrzebowanie na ropę naftową czy pozwolić na uniezależnienie się gospodarki od wysokich cen paliw kopalnych. Są one jednak sprawdzonym rozwiązaniem pozwalającym rozwiązać sytuacje, w których zabraknie paliwa, takie jak wojny, rozruchy, czy naturalne katastrofy. Zapewne wielu ludzi może przypomnieć sobie szerokie zastosowanie tej technologii w czasie II w.ś. gdy benzyna była niedostępna cywilom. Oczywiście największy pożytek z technologii zgazowywania drewna mieli ludzie, dla których paliwa naftowe były najmniej dostępne.
W czasie II wojny światowej na terenie okupowanej Danii 95% zmechanizowanego sprzętu rolniczego, ciągników, ciężarówek, silników stacjonarnych oraz łodzi rybackich i promów była zasilana gazem drzewnym z generatorów. Nawet w neutralnej Szwecji, 40% całego ruchu silnikowego polegało na gazie otrzymywanym z drewna lub węgla drzewnego (16). W całej Europie, Azji, Australii, w latach 1940-46 w użyciu były miliony generatorów gazu. Z powodu dość niskiej wydajności, niewygodnej obsługi i potencjalnego zagrożenia dla zdrowia ze strony toksycznych gazów i oparów, większość z tych jednostek nie kontynuowała pracy po przywróceniu zaopatrzenia w ropę naftową w roku 1945. Jedynym sposobem zasilania silników spalinowych w razie braku odpowiednich paliw, poza wykorzystaniem metanu czy alkoholu, jest użycie tych prostych, niedrogich jednostek zgazowujących.

1.3.2. Współprądowy gazogenerator warstwowy (WGW)
Aż do wczesnych lat osiemdziesiątych generatory gazu na całym świecie (włączając te zaprojektowane podczas II w.ś.) działały z założeniem, że zarówno lej załadowczy, w którym mieści się paliwo, jak i komora spalania muszą być bezwzględnie szczelne. Lej – ‘zbiornik paliwa’ dla zgazowywacza musiał być zamknięty pokrywą, którą trzeba było otworzyć za każdym razem, gdy była potrzeba uzupełnienia zapasu drewna. Gdy ładowano drewno, gazy i spaliny ulatniały się do atmosfery a osoba wykonująca tę czynność musiała uważać, by nie wdychać nieprzyjemnego dymu i toksycznych gazów.
Na przestrzeni ostatnich kilku lat, wspólny wysiłek naukowców Solar Energy Research Institute (Instytutu Badań nad Energią Słoneczną) w Colorado, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, Open University w Londynie, Buck Rogers Company i Biomass Energy Foundation na Florydzie pozwolił na opracowanie nowego projektu zgazowywacza. Jego uproszczona konstrukcja sprawia, że działa on przy ciśnieniu mniejszym od atmosferycznego, co eliminuje konieczność stosowania szczelnego zbiornika paliwa. Jest on zamykany tylko w czasie, gdy silnik nie pracuje. Ta nowa technologia ma kilka popularnych nazw, m.in. „współprądowy gazogenerator warstwowy” czy „gazogenerator z otwartą pokrywą”. Trwające kilka lat próby, prowadzone zarówno w laboratoriach i w terenie dowiodły, że takie proste, niedrogie zgazowywacze mogą zostać wykonane z istniejących elementów i będą się doskonale sprawować w sytuacjach nadzwyczajnych.

Budowa WGW przedstawiona jest schematycznie na Rys. S-1. Podczas pracy tej jednostki, powietrze porusza się jednostajnie w dół, w tym samym kierunku co paliwo stąd nazwa – współprądowy – przyp. tłum., poprzez cztery strefy, z czego wynika nazwa: „strefowy”.
1.Warstwa położona najwyżej zawiera surowe paliwo, pomiędzy kawałkami drewna przepływa powietrze. Ta strefa pełni tę samą funkcję, co lej paliwowy w konstrukcjach z czasów II wojny światowej.
2.W drugiej strefie paliwo reaguje z tlenem w procesie pirolizy. Większość lotnych frakcji paliwa jest w tej strefie spalana dostarczając w ten sposób ciepła do trwającej ciągle pirolizy. Na dnie tej strefy nie powinno być już tlenu – cały powinien już do tego miejsca zostać wykorzystany. Projekt z otwartą pokrywą umożliwia ciągły, jednakowy dostęp powietrza do całej strefy pirolizy.
3.Na trzecią strefę składa się węgiel drzewny powstały wyżej. Gorące gazy spalinowe z wyższej strefy reagują z rozżarzonym węglem drzewnym, co powoduje przekształcenie dwutlenku węgla i pary wodnej na tlenek węgla i wodór.
4.W czwartej strefie znajduje się popiół. W normalnych warunkach jest on zbyt zimny, by spowodować dalsze reakcje. Strefa ta jest w stanie absorbować ciepło lub tlen w przypadku zmiany warunków pracy, pełni funkcję zarówno bufora jak i magazynu węgla drzewnego. Poniżej tej strefy znajduje się ruszt. Popiół chroni ruszt przed działaniem wysokiej temperatury.

WGW ma kilka zalet w porównaniu do projektu z czasów II w.ś. Otwarta pokrywa umożliwia dostarczanie paliwa i pozwala na swobodny dostęp do zbiornika paliwa. Cylindryczny kształt jest łatwy do otrzymania, a jednocześnie pozwala on na ciągły przepływ paliwa. WGW nie wymaga, by paliwo było w jakiś specjalny sposób przygotowane, nie ma również znaczenia jego kształt – każde paliwo w kawałkach może być użyte.

Pierwsze pytanie odnośnie obsługi WGW dotyczy usuwania popiołu. Gdy węgiel drzewny reaguje z gorącymi gazami spalinowymi, szybko osiąga bardzo niską gęstość i rozpada się w pył. W jego skład wchodzi cały popiół pochodzący z paliw, a także część zawartego w nim węgla. Część tego pyłu może zostać uniesiona przez ruch powietrza (gazu), a nawet może zablokować przepływ gazu przez zgazowywacz. Dlatego musi on być regularnie usuwany z rusztu przez potrząsanie. Gdy zgazowywacz zamontowany jest na pojeździe, popiół samoczynnie spada z rusztu, który jest wstrząsany wskutek ruchu pojazdu.

Istotnym zagadnieniem konstrukcji WGW jest zabezpieczenie przed zablokowaniem grawitacyjnego podawania paliwa. Cięższe paliwa takie jak wióry lub drewniane klocki będą spływać na dół przez lej paliwowy popychane swoim ciężarem i ruchem powietrza. Jednakże paliwa lżejsze (mielone wióry, pył drzewny, kora) mogą stworzyć czop, który zaburzy przepływ paliwa, a nawet doprowadzi do powstania bardzo wysokich temperatur. Można temu zapobiec przez mieszanie, potrząsanie lub poruszanie w inny sposób zawartością zbiornika paliwa, lub po prostu dostarczając drgania wynikające z ruchu pojazdu. Projekt opisany w raporcie wyposażony jest w ręczną wstrząsarkę rusztu, której należy używać podczas pracy w bezruchu.
Prototypowa jednostka WGW (Rys. 1-1) została wykonana zgodnie z instrukcjami zawartymi w tym raporcie, jednakże do momentu stworzenia tego opracowania nie została poddana szeroko zakrojonym testom. Zachęcamy Czytelnika do wykorzystania własnych pomysłów przy budowie własnego generatora. Jeśli warunek szczelności sekcji spalających, połączeń i elementu filtrującego jest spełniony, kształt elementów i metoda ich łączenia nie mają żadnego znaczenia.
Opisany w tym raporcie projekt zgazowywacza drewna wzorowany jest na technologii używanej i sprawdzonej w czasie II wojny światowej, gdy występowały duże trudności w dostępie do benzyny i oleju napędowego. Oczywiście zastosowanie generatora gazu drzewnego (takiego jak ten zaprezentowany w tej publikacji) nie jest jedyną alternatywną metodą zapewnienia pracy silników spalinowych podczas braku naftowych – do innych należy m.in. użycie metanu czy alkoholu.

H.LaFontaine i P.Zimmerman
Artykuł pochodzi z ebooka "Drewno zamiast benzyny"