Die Vergasung von Biomasse sollte als ein Veredelungsprozess betrachtet werden, bei dem ein rohes Ausgangsmaterial (in unserem Fall holzige Biomasse wie Holzspäne und Nussschalen) in ein sauber brennendes Gas umgewandelt wird, das mit Verbrennungsmotoren kompatibel ist. Bei diesem Prozess wird ein Teil des Energiegehalts des Ausgangsmaterials verbraucht, um diese Umwandlung zu erreichen.
Bei der Biomassevergasung durchläuft der holzige Biomasse-Rohstoff die folgenden fünf Prozesse:
Das entstehende Gas, bekannt als Syngas oder Erzeugergasist ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff sowie Stickstoff aus der bei der Reaktion verwendeten atmosphärischen Luft. Das andere Produkt dieses Prozesses ist Holzkohle, die auch den Aschegehalt der Biomasse enthält. Dieses Nebenprodukt der Holzkohle ist auch bekannt als Asche. This char-ash is referred to as Biokohle wenn sie als Bodenverbesserungsmittel verwendet wird, und bekannt als Biokohle wenn sie für industrielle Zwecke verwendet wird.
Das folgende Diagramm zeigt den Fluss der Materialien, beginnend mit Biomasse und endend mit Gas und Holzkohle, angeordnet entlang der mittleren Säule des Diagramms, während die horizontalen Balken den Prozess anzeigen, der die Materialien bei jedem Schritt des Weges umwandelt. Jede der nachfolgenden Beschreibungen bezieht sich auf dieses Diagramm.
Bei der Trocknung wird der Biomasse so viel Wärme zugeführt, dass das gesamte Wasser entzogen wird. Dies ist ein endothermer Prozess, der in einem Temperaturbereich von 100-150 °C stattfindet. Die bei diesem Prozess entstehenden Materialien sind Wasserdampf und trockene Biomasse.
Bei der Pyrolyse wird der trockenen Biomasse Wärme zugeführt, damit sie raucht und zu Holzkohle wird. Auch dies ist ein endothermischer Prozess. Der Verkohlungsprozess ist einfach die Trennung der flüchtigen Verbindungen (der Rauch) vom festen Kohlenstoffgehalt (Holzkohle) der Biomasse durch die Anwendung von Wärme.
Da sowohl die Trocknung als auch die Pyrolyse endotherme Prozesse sind, wird eine Wärmequelle benötigt, um beide Prozesse anzutreiben. Die Verbrennung des während der Pyrolyse freigesetzten Rauchs liefert die erforderliche Wärme. Während der Verbrennungsphase wird Luft in den Vergaser eingeleitet und mit dem Rauch vermischt, so dass dieser extrem heiß verbrennt und Temperaturen von über 800°C erzeugt. Bei der Verbrennung entstehen Wasserdampf und Kohlendioxid. Die hohen Temperaturen bewirken auch die Rissbildung des Teers.
Holzige Biomasse besteht zu etwa 80 % aus flüchtigen Verbindungen (nach Masse), die als Rauch aus der Biomasse austreten, und zu 20 % aus festem Kohlenstoff, der als Holzkohle zurückbleibt, wobei etwa 1 % Asche irgendwo dazwischen liegt. Diese flüchtigen Pyrolysegase sind als Teergase bekannt, weil sie zu Teer kondensieren. Diese Gase sind unerwünscht, weil sie säurehaltig sind und ihre Kondensate die beweglichen Teile von Verbrennungsmotoren schädigen. Der Prozess des Teercrackens, der gleichzeitig mit der Verbrennung abläuft, findet statt, wenn die schweren organischen Moleküle dieser Teergase durch die Einwirkung extrem hoher Temperaturen in leichtere, nicht kondensierende brennbare Gase zerfallen. Etwa die Hälfte der brennbaren Moleküle im Synthesegas stammt aus der Spaltung von Teer.
Der Wasserdampf und das Kohlendioxid, die bei der Verbrennung der flüchtigen Pyrolysegase entstehen, sind Verbrennungsabfälle, aber sie können in brennbare Gase umgewandelt werden, indem man sie Reduktionsreaktionen aussetzt. Die Reduktionsreaktionen sind in der folgenden Grafik dargestellt:
Wenn Holzkohle auf sehr hohe Temperaturen erhitzt wird, wird der Kohlenstoffgehalt der Holzkohle sehr reaktiv und weist eine sehr starke Affinität zu Sauerstoff auf, so dass er oxidierte Substanzen wie Kohlendioxid und Wasserdampf reduzieren kann (das Gegenteil von oxidieren; in diesem Zusammenhang bedeutet ‚reduzieren‘, die Oxidation umzukehren). Während die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungsphase durch die heiße Holzkohle sickern, wandeln diese Reduktionsreaktionen Kohlendioxid und Wasserdampf in Kohlenmonoxid und Wasserstoff um und verbrauchen dabei Kohlenstoff aus der Holzkohle. Durch diesen Prozess wird etwa die Hälfte der brennbaren Moleküle im Synthesegas erzeugt.
Bei der Reduktion werden die Holzkohlechips auf molekularer Ebene perforiert, da die Kohlenstoffatome einzeln von der Oberfläche der Holzkohle entfernt werden. Dadurch wird die resultierende Holzkohle quasi aktiviert, was eine wünschenswerte Eigenschaft für die Filtration ist und möglicherweise Vorteile für die Holzkohle hat, wenn sie als Biokohle verwendet wird, da die erhöhte Porosität offensichtlich einen positiven Einfluss auf Ammoniak, Methan und N 2O-Emissionen zu reduzieren.
Bei der Vergasung werden aus Holzspänen Holzkohlehackschnitzel. Diese Holzkohlehackschnitzel geben während des Reduktionsprozesses ihren Kohlenstoffgehalt ab und erzeugen Kohlenmonoxid. Dieser Verlust an Kohlenstoff lässt die Holzkohle schrumpfen. Schließlich sind die geschrumpften Holzkohlehackschnitzel zu dicht gepackt, um die für die Versorgung des Motors, der das Gas aus dem Vergaser ansaugt, erforderliche Perkolationsrate zu erreichen. Um die Gasproduktionsrate wiederherzustellen, reinigt der Reaktor die geschrumpften Holzkohleschnitzel, die dann als Holzkohlenasche aus dem Reaktor gedrückt werden. Dieses Nebenprodukt der Vergasung ist einer der beiden materiellen Outputs der Vergasung; der andere Output ist das Synthesegas.
Bei der Reduktion werden die Holzkohlechips auf molekularer Ebene perforiert, da die Kohlenstoffatome einzeln von der Oberfläche der Holzkohle entfernt werden. Dadurch wird die resultierende Holzkohle quasi aktiviert, was eine wünschenswerte Eigenschaft für die Filtration ist und möglicherweise auch Vorteile für die Holzkohle bei der Verwendung als Biokohle hat.
Je nachdem, welches Produkt gewünscht wird (Gas oder Holzkohle), kann der Vergaser so betrieben werden, dass mehr von dem gewünschten Produkt erzeugt wird, indem die Dauer der Reduktionsreaktionen geregelt wird, bevor die Holzkohle entleert wird.
