Här är första delen av texten i första dokumentet. Jag var tvungen att dela för det var över 40000 tecken.
Gengas
- ett alternativ för småskalig elproduktion?
Kandidatarbete inom sjöingenjörsprogrammet
Fredrik Carlsson
Victor Jansson
Carl Wiland
Institutionen för Sjöfart och Marin teknik
Sjöingenjörsprogrammet
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
Göteborg, Sverige 2008
Kandidatarbete Si-05/xx
Förord
Vi vill tacka vår tekniska handledare Dan Zackariasson och vår språkliga handledare Fia Christina Börjeson för ett givande samarbete.
Sammandrag
Det har nog inte undgått någon att utsläpp av koldioxid i atmosfären, tros ha en stark påverkan på klimatet. En stor del av koldioxidutsläppen kommer från förbränning av fossila bränslen. För att kunna gå från fossila bränslen till förnyelsebara energikällor måste en förändring till. Syftet med det här arbetet är att utreda möjligheterna och problemen med ett gammalt biobränslealternativ, gengas. Genomförandet av detta arbete har krävt gedigna litteraturstudier samt konstruktion och byggnation av en pilotanläggning. Avgränsningarna för arbetet är att gengasen ska användas till ett portabelt elkraftverk med uteffekt 2 kW. Endast ved och träbaserad pellets används som bränsle.
Man kan konstatera att det är relativt enkelt att konvertera en fyrtakts bensinmotor till gengasdrift. En fyrtakts bensinmotor är den i särklass vanligaste motorn på elkraftverk i denna storleksklass. Problemet är att konstruera ett gengasaggregat som kan leverera gengas med ett jämnt flöde och av en tillräckligt hög kvalité.
Abstract
That global warming effects are related to carbon dioxide emissions to the atmosphere is no longer a controversial opinion. A huge part of carbon dioxide emissions derives from the use of fossil fuels for energy production and transportation. This study strives to enlighten an old alternative for biomass based energy production, wood gas. The report is based on literature studies and practical experiences achieved from the manufacturing and test run’s of the pilot rig. This study will focus on gas production for a 2 kW generator set with wood and wood based pellets as only fuel.
The four-stroke gasoline engine is the most common in this segment of electric generators. It is also one of the easiest engines to convert to run on wood gas. A problem is to build a wood gas production unit that delivers a constant flow of gas of sufficient quality.
1 INLEDNING 2
1.1 DEFINITION AV GENGAS 2
1.2 VAD ÄR GENGAS? 2
1.3 GENGASENS HISTORIA 2
1.4 SYFTE 2
1.5 AVGRÄNSNINGAR 2
1.6 METOD OCH KÄLLKRITIK 2
2 TILLVERKNING AV GENGAS 2
2.1 HUR FRAMSTÄLLS GENGAS? 2
2.1.1 Oxidationen 2
2.1.2 Reduktionen 2
2.2 FÖRGASNING AV BRÄNSLET 2
2.2.1 Förvärmaren i en nedåtriktad förgasare 2
2.2.2 Härd i en nedåtriktad förgasare 2
2.3 RENING AV GASEN 2
2.3.1 Cyklonfilter 2
2.3.2 Elektrofilter 2
2.3.3 Spärrfilter 2
2.3.4 Bränslets fukthalt 2
2.3.5 Gaskylare 2
2.3.6 Skrubber 2
3 KONVERTERING AV FÖRBRÄNNINGSMOTOR TILL GENGAS 2
3.1 TÄNDFÖRSTÄLLNING 2
3.2 ÖKAT SLITAGE 2
4 PROVANLÄGGNING 2
4.1 DIMENSIONERINGEN 2
4.1.1 Förgasaren 2
4.1.2 Dimensionering av reningsanläggningen 2
4.1.3 Dimensionering av prototypanläggningen 2
4.1.4 Uträkningar för prototypanläggningen 2
4.2 KONSTRUKTION 2
4.2.1 Gengasaggregatet 2
4.2.2 Reningsanläggningen 2
4.2.3 Cyklon 2
4.2.4 Skrubber 2
4.2.5 Montering av delarna 2
5 PROBLEMDISKUSSION 2
5.1 PROBLEMANALYS PROVKÖRNING 2
5.1.1 Valvbildning ovanför förbränningszon 2
5.1.2 Ojämn gastillverkning 2
5.1.3 Hög temperatur i reduktionszonen 2
5.1.4 Låg temperatur i reduktionszonen 2
5.1.5 Tjära och beläggningar i cylinder och insug 2
5.1.6 Tändningen 2
5.2 PROBLEMDISKUSSION 2
5.3 SLUTSATSER 2
1 Inledning
Under början av 2000-talet har det uppstått en växande koncensus bland världens forskare och politiker att våra utsläpp av koldioxid är av avgörande betydelse för den globala uppvärmning som vi upplever . Det bör dock nämnas att det även finns många skeptiker som pekar på att dessa samband tvärtom inte alls är vetenskapligt bevisade. Många av dessa tvivlare är även de framstående forskare inom sina områden. Vad den globala uppvärmningen beror på ska vi inte fördjupa oss i mer i detta arbete.
FN slår fast i sin utvecklingsrapport för 2007/2008 att den globala uppvärmningen är 2000-talets viktigaste fråga. De slår även fast i rapporten att för att kunna kontrollera den globala uppvärmningen och hålla den under en 2-gradig ökning av jordens medeltemperatur måste världens länder tillsammans reducera sina gemensamma växthusgasutsläpp med ca 50 procent fram till år 2050. För i-världen blir motsvarande siffra ca 80 procent. Ungefär hälften av de växthusgaserna består av koldioxid . En stor del av vårt nettoutsläpp av koldioxid kommer från förbränningen av fossila bränslen . Det står därför klart att vi antingen måste reducera koldioxidutsläppen vid förbränningen av dessa, alternativt växla om till förnyelsebara energikällor så som sol, vind, biobränslen m.m.
För att klara en sådan radikal omställning till förnyelsebar energi måste denna omställning ske på alla plan i samhället. I det här arbetet kommer ett gammalt alternativ till bensin och diesel som motorbränsle att belysas, nämligen gengas. Det är en spekulation att ett gengasdrivet elverk skulle kunna vara ett lämpligt miljöanpassat komplement till en elektriskt autonom villa/fastighet med solceller och vindkraft som främsta källor till elektrisk energi.
1.1 Definition av gengas
Gengas, generatorgas, syntetgas och kolgas är benämningen på i princip samma gas, möjligen med viss åsyftning på vilket bränsle gasen härstammar ifrån. Gasens sammansättning varierar med val av bränsle. I princip kan vilket fast kolbaserat bränsle som helst för framställning av gasen användas. Vanliga bränslen är kol, ved, och andra biobränslen som t.ex. restprodukter från spannmålsproduktion. Gasens aktiva energibärande komponenter är kolmonoxid, metan och vätgas. Gengas blev efter förslag av kommersrådet Axel F. Enström benämningen för gas producerad för användning i förbränningsmotorer . Generatorgas blev den fortsatta termen för den gas som användes bl.a. i industrins smältugnar. I detta arbete kommer dock termen gengas användas för såväl gengas som generatorgas.
1.2 Vad är gengas?
Alla grundämnen förekommer i tre olika former, fast, flytande eller gas. Gengasen är en sammansättning av olika grundämnen. Grundämnena i gengas har antingen gått samman och bildat molekyler eller så förekommer de som fria atomer, alla dessa ämnen vill man få till gasform.
Ved och kolbriketter är en sammansättning av grundämnen i fast eller flytande form. För att framställa gengas krävs därför en förgasning av det kolhaltiga bränslet. De två ämnena som är mest intressanta för gengasframställning är vatten och kol.
Gengasen består av brännbara och icke brännbara ämnen.
De brännbara ämnena är kolmonoxid, vätgas och metan. Vattnet som finns i veden oxiderar när temperaturen blir tillräckligt hög och bryts då ner till vätgas och syrgas. Vätgasen är brännbar och hjälper till att höja gengasens värmevärde. Även metan är brännbart och hjälper till att höja värmevärdet.
De icke brännbara ämnena är koldioxid och kväve. Koldioxiden kommer från förbränningen av kolet. Kvävet kommer från tillförseln av luft då kväve är en naturlig del av luften. Kvävet är inte brännbart och passerar genom systemet utan någon påverkan.
1.3 Gengasens historia
Redan i mitten på 1800-talet började man att använda gengas. Gengasens första nyttoområden var i industrins smältugnar och som bränsle till gatubelysningar i en del större städer. Från Jernkontorets annaler år 1843, finns beskrivningar av brukspatron Gustaf Ekmans så kallade koltorn . Detta koltorn äger stor snarlikhet med många av senare konstruktioner av fordonsaggregat med nedåtriktad förbränning och även vårt eget provaggregat.
Gengasen som bränsle för fordon introducerades efter första världskriget i Europa. Länder som var tidigt ute på området var Österrike, Frankrike och Tyskland . Även i Sverige vaknade under denna tid ett visst intresse för gengastekniken inom detta användningsområde. Trots att Europas länder under första världskriget hade upptäckt vikten av att vara självförsörjande på energiområdet så var det främst civila ekonomiska krafter som drev på utvecklingen under 20-talet, man ville åka billigare. En ingenjör vid namn Axel Svedlund blev en drivande kraft bakom utvecklandet av svenska gengasaggregat under denna tid.
År 1933 påbörjade försvarsmakten en serie prov av flertalet fordon av skiftande fabrikat, utrustade med olika typer av aggregat. Resultaten var enligt rapporterna positiva. I februari 1937 påbörjade försvarsdepartementet en utredning som kom att kallas ”1937 års gasgeneratorkomitté”. Utredarna utförde ett antal praktiska prov och lämnade sitt slutbetänkande den 8 juli 1939, sju veckor innan kriget bröt ut i Europa. Försvarets utredningar tillsammans med bl.a. Axel Svedlunds envisa arbete gjorde att Sverige under andra världskriget förvånansvärt snabbt kunde ställa om en stor del av fordonsparken till gengasdrift på endast några års tid. Under andra världskriget konverterades ca 100 000 fordon till gengasdrift. Denna siffra ska bedömas mot att den svenska fordonsparken år 1939 bestod av ca 248 000 fordon.
Efter andra världskriget skrotades snabbt alla gengasaggregat och man gick tillbaka till den mer lättanvända bensinen. Gengastekniken och dess utvecklande har sedan dess och fram till 1990-talet mer eller mindre stått still. Under denna period har endast viss forskning i beredskapssyfte, företagits av försvarsmakten och berörda myndigheter. Tack vare det ökade intresset för biobränslen och förnyelsebar energi har gengastekniken åter hamnat i fokus.
1.4 Syfte
Syftet med detta kandidatarbete är att utreda möjligheterna och svårigheterna med att konvertera ett befintligt bensindrivet elverk till gengasdrift. Eftersom lämpligt gengasaggregat ej finns tillgängligt på marknaden, kommer en stor del av arbetet bestå av att dimensionera, konstruera och tillverka ett enkelt och driftsäkert gengasaggregat. För att kunna göra detta krävs en gedigen studie av tidigare erfarenheter i ämnet.
1.5 Avgränsningar
• Arbetet fokuserar på elverk i storleken två kW
• Vi inriktar oss endast mot ved och träbaserad pellets som bränsle
1.6 Metod och källkritik
Arbetet med informationsinsamlingen till detta arbete har till en början haft en starkt kvantitativ karaktär. Som källor för information till konstruktion av gengasaggregatet har dels seriös facklitteratur använts. Denna facklitteratur får anses ha stor trovärdighet men är dock i många fall en aning föråldrad. Facklitteraturen härstammar i många fall från tiden runt andra världskriget. Mycket information inför byggnation av aggregatet härstammar från olika hemsidor på Internet. Detta är en källa med varierande grad av trovärdighet. Dock en oumbärlig källa inför den praktiska konstruktionen.
FN: s utvecklingsrapport 2007/2008 måste anses som mycket trovärdig. Viktigt att ha i minne är dock att rapportens slutsatser delas av en majoritet av världens insatta forskare men ändock långt ifrån alla. Klimatforskning är oerhört komplext och det finns flera punkter och slutsatser i rapporten som får anses som troliga men som dock inte är vetenskapligt bevisade.
2 Tillverkning av gengas
Gengasen framställs i en förgasare och renas därefter i en reningsanläggning för att kunna matas in i en förbränningsmotor.
2.1 Hur framställs gengas?
Bildandet av gengas sker i två steg, oxidation och reduktion.
2.1.1 Oxidationen
Steg 1. Här förbränns kol till koldioxid och vätgas till vatten. Detta medför att energi frigörs, denna energi visar sig till största del som värme. (Se kemisk formel nedan)
Kemisk formel
2.1.2 Reduktionen
Steg 2. Här omvandlas koldioxid till kolmonoxid, och vattenånga till vätgas. Den stora skillnaden i reduktion och oxidation är att för att reduktionen ska ske krävs ett tillskott av energi i motsatts till oxidation där energi frigörs.
Reduktionen kräver att värme tillförs, värmeenergin kommer från gasen och omgivande material vilket kommer att sänka temperaturen på gasen. En del av vätgasen kommer dock att tillsammans med kolmonoxiden bilda metangas och vatten igen vilket kommer att frigöra en del energi. (Se kemisk formel nedan)
Kemisk formel
Färdig gengas har en sammansättning av följande ämnen (se Tabell 1).
Tabell 1 Gengasens innehåll
Innehåll (Kemiskbeteckning) Vedgas Vol% Kolgas Vol%
Kväve (N) 50-54 55-65
Kolmonoxid (CO) 17-22 28-32
Koldioxid (CO2) 9-15 1-3
Väte (H) 12-20 4-10
Metan (CH4) 2-3 0-2
Värmevärde kj/m3 5000-5900 4500-5600
2.2 Förgasning av bränslet
Det finns fyra stycken huvudgrupper av förgasare, uppåtriktad, nedåtriktad, horisontell och fluidiserande förbränning. De fyra olika förgasarna har fått sina namn efter hur gasflödet passerar genom förgasaren.
Figur 1 Uppåtriktad förgasare Figur 2 Fluidiserande förgasare
I en förgasare med uppåtriktad förbränning kommer primärluften in längst ner i förgasaren mellan askgaller och förbränningszon. Den varma gasen från förbränningen stiger genom reduktionszonen och torkzonen innan den till sist tas ut i toppen på förgasaren (se Figur 1).
Fluidiserande bädd är en typ av förgasare där bränslet är pulveriserat och blåses, med ånga eller tryckluft, runt i förbränningsrummet (se Figur 2). Oxidation och reduktion sker samtidigt och den färdiga gengasen tas ut genom en cyklonrenare som ser till att oförbränt kol faller tillbaka ner i förbränningen.
Horisontell förbränning sker på så vis att primärluften och den färdiga gengasen tas ut på samma horisontella nivå. Primärluften kommer in och bildar ett förbränningsrum som är direkt anslutet till reduktionszonen. Efter reduktionszonen tas gengasen ut. Påfyllningen av bränsle kommer uppifrån och faller ner allt eftersom bränslet brinner upp.
Figur 3 Nedåtriktad förgasare
Vid nedåtriktad förbränning kommer primärluften in mellan torkzonen och förbränningszonen, därefter stiger värmen lite uppåt för att torka nästkommande bränsle (se Figur 3). Största delen av värmen följer dock med gasen ner i reduktionszonen. Den färdiga gengasen tas ut längst ner i förgasaren. Detta kandidatarbete är inriktat på nedåtriktad förbränning då den lämnar minst mängd tjära kvar i gasen vilket är att föredra vid förbränningsmotordrift.
2.2.1 Förvärmaren i en nedåtriktad förgasare
Vedens torkning sker med hjälp av värmen som bildas då veden förbränns. Värmen stiger uppåt och kommer att passera den nya veden som väntar på förkolning. Den nya veden kommer nu att värmas upp och fukthalten i veden kommer att sjunka då vattnet avdunstar.
Vattnet som har avdunstat kommer att stiga vidare och träffa taket av förvärmaren och sedan vandra mot väggarna. Väggar och tak är kallare än gaserna och kommer således att kondensera ut vattnet som i sin tur kommer att rinna ner längs med väggarna. För att vattnet inte ska rinna ner på veden igen kan en perforerad vägg monteras parareellt med ytterhöljet av förvärmare. Vattnet kommer att samlas i botten av förvärmaren och sedan kan det tappas av (se Figur 5).
Veden närmast väggarna kommer att få en lägre temperatur samtidigt som veden i förvärmarens mitt kommer att få en högre temperatur och förkolnas snabbare. Den förkolade veden i mitten av förvärmaren kommer att falla ner i härden först. Eftersom mittveden faller först skapar detta en sorts V-form i förvärmaren. Denna naturliga V form gör att man inte behöver bygga in en kona i förvärmaren. Denna konstruktion bidrar även med att yttertemperaturen av förvärmaren minskar och man får en lägre värmeförlust .
2.2.2 Härd i en nedåtriktad förgasare
Härden består av en reduktionszon och en oxidationszon. Ovanför oxidationszonen tillsätts syre(primärluft) för att oxidera veden till kol, detta syre kommer från atmosfärens luft. Kolet faller ner till oxidationszonen där det förbränns vid hög temperatur (se Figur 4).
Den höga temperaturen uppstår då syre från primärluften reagerar med det varma kolet. För att få en jämn oxidation i hela härden tillsätts luften ur flera munstycken. På så vis undviks kalla punkter där temperaturen skulle kunna vara för låg för fullständig oxidation.
Figur 4 Nedåtriktad härd
I mitten av härden finns en strypning för att höja temperaturen ytterligare. Det är just denna strypning som bestämmer hur mycket tjära och destillationsgaser som kommer att förbrännas. En strypning med mindre hål ger högre temperatur men även ett högre sugmotstånd för motorn. Vid konstruktion av denna strypning gäller det att hitta det bästa förhållandet för just sin motor. Temperaturerna genom strypningen ska ligga på över 1300°C för att fullständig förbränning ska äga rum, men kan stiga över 1500°C. Detta ställer stora krav vid val av material.
Figur 5 Nedåtriktad förgasare i genomskärning
Under strypningen ökar diametern på härden igen, detta för att skapa en virvelliknande rörelse på gasen och sänka hastigheten (se Figur 6). I den undre delen, som även kallas reduktionszon, finns en glödande kolbädd som omvandlar den bildade koldioxiden tillbaka till kolmonoxid. Detta kommer att medföra att temperaturen på gasen kommer att sjunka då det krävs en viss energi för att reducera gasen.
Figur 6 Neråtriktad härd med kondenseringstank
Under härden finns ett galler, även kallat roster, där kolet som tagit sig förbi förbränningshärden hamnar. På rostern kommer kolet att ligga och glöda. Man kan se rostern som golvet på reduktionszonen.
2.3 Rening av gasen
Filter är en samlad benämning på processteg som ändrar en signals eller ett materials egenskaper och innehåll genom att skilja dess komponenter åt.
Det kan vara ett ljudfilter som filtrerar bort vissa toner eller brus, vattenfilter som tar bort partiklar ur vattnet, gasfilter som renar gas o.s.v. Filtret sorterar bort något och låter en del gå förbi obehindrat.
I gengasens fall handlar det om att rena gasen från saker som dels kan minska effektiviteten i anläggningen men framför allt handlar det om att skydda motorn från att skadliga ämnen kommer in i cylindern. Vad som framför allt skall bort från gasen är sot, aska samt vatten.
Problemet är att rena gasen med ett så lågt tryckfall som möjligt. Detta för att det är motorn som suger gasen igenom systemet. Större tryckfall ger mindre mängd gengas till motorn vilket i sin tur ger lägre effekt ut på axeln.
2.3.1 Cyklonfilter
Cyklonfiltret är ett rent mekaniskt filter helt utan rörliga delar, som använder sig utav centrifugalkraften för reningen precis som en separator. Cyklonen används för att skilja ut fasta partiklar ur en gas. Fördelen med ett cyklonfilter är dess enkla konstruktion samt relativt låga tryckfall. Den enkla konstruktionen möjliggör användning även vid höga temperaturer. Nackdelen med en cyklon är att den är ganska känslig för varierande flöden. Helst skall flödet vara konstant för att få bästa effekt utan allt för stora tryckförluster.
2.3.2 Elektrofilter
Enkelt uttryckt fungerar ett elektrofilter genom att alla partiklar som följer med i gasflödet ges en positiv elektrisk laddning. De laddade partiklarna fastnar sedan mot jordade plattor tack vare deras olika laddning som attraherar varandra. Detta gör att ett sådant filter kan installeras med mycket låga tryckförluster. Även detta filter kan användas vid höga temperaturer. För att ett elektrofilter skall fungera krävs det en spänning mellan elektroderna. Nackdelen gentemot andra filtertyper är att det kräver en viss effekt som sänker den totala verkningsgraden. Elektrofilter är bara måttligt effektiva, och släpper igenom en hel del partiklar.
2.3.3 Spärrfilter
Spärrfilter, även kallat textilfilter, är ett ”vanligt” filter. D.v.s. ett filter som spärrar vägen och endast låter mindre partiklar gå igenom. Detta är ett filter som finns överallt runt om oss i vardagen, t.ex. i ventilation i hus, luftfilter på bilar m.m. Gasen passerar genom en väv av t.ex. textil eller papper och det oönskade innehållet fastnar på filtret. Efterhand som allt mer partiklar och smuts fastnar, hämmas flödet genom filtret för att till slut sätta igen det helt. Fördelarna med denna typ av filter är att de är mycket effektiva samt att de är billiga. Nackdelarna är att de kan sätta igen vilket innebär att de då måste bytas, samt att de inte är värmetåliga
.
2.3.4 Bränslets fukthalt
Som ett resultat av att veden innehåller vatten och att det är varmt kommer vatten att avdunsta från veden i form av vattenånga. Delar av denna vattenånga kommer att kondenseras på ytterväggen av gengasaggregatet, för att sedan rinna ner i uppsamlingstanken. All vattenånga kommer dock inte att hamna där utan en del kommer att följa med gasflödet ner genom härden och komma ut i reningsanläggningen. Vattnet är dock inte önskvärt att ha med in i motorn, dels för att det sänker effekten samtidigt som det kan skada motorn. Vattnet måste alltså tas bort från gengasen.
En av de enklare metoderna att få bort vattnet ur gengasen är att sänka dess temperatur så att luften blir mättad på vatten och vattnet kondenseras ut. Att kyla gengasen har en till fördel, gasen tar mindre plats då den blir kallare. Detta resulterar i ett större massflöde in i motorn eftersom densiteten ökar, vilket i sin tur medger ett större effektuttag.
2.3.5 Gaskylare
För att kyla gasen leds den igenom en värmeväxlare. Värmeväxlaren kyls med t.ex. vatten eller luft. När temperaturen på gasen sjunker under dess kondensationspunkt kondenserar vattnet ut. Det kondenserade vattnet rinner sedan ner till ett uppsamlingskärl i botten, som senare töms (se Figur 7).
Figur 7 Gaskylare
2.3.6 Skrubber
En skrubber kan också benämnas som rökgastvätt. I en skrubber tvättas rökgaserna antingen med vatten alternativt med någon annan form av vätska, eventuellt innehållande kemikalier.
Vatten fungerar bra om man bara är ute efter att kyla och bli av med sot, stoft och andra partiklar medan en kemisk substans kan påverka själva gasen i sig. Dock krävs det en kylare för att kyla vätskan. I och med kylningen kommer en del vatten att kondenseras ut, vilket är önskvärt.
Fördelarna med en skrubber är att det är möjligt att bli av med väldigt fina partiklar samt möjligheten till att använda kemikalier. Dessutom tål den i princip oändligt höga temperaturer eftersom den kyler gasen. Nackdelarna är dock att det är en relativt stor anläggning som kräver en del plats, vätskan kan vara en nackdel om man är ute efter en absolut torr gas samtidigt som kylningen inte alltid är önskvärd.
3 Konvertering av förbränningsmotor till gengas
I princip kan alla förbränningsmotorer konverteras för gengasdrift. Skillnaden ligger i hur mycket modifieringar som måste göra på den befintliga motorn. Rent termodynamiskt arbetar gengasdrivna motorer enligt principen förbränning under konstant volym. Detta gör att ottomotorn som jobbar efter samma princip blir enkel att konvertera till gengasdrift.
Enklast tillförs gengasen cylindern genom s.k. kvantitativ reglering. Det vill säga att ett spjäll reglerar flödet av en färdigblandad gengas/luft-blandning. Ett undantag är tvåtaktsmotorn där det ofta är nödvändigt att modifiera till kvalitativ reglering med övertryck på gengasen. Detta eftersom undertrycket från vevhuset ofta inte är tillräckligt, i synnerhet inte under tomgångskörning.
Vill man istället fullt ut konvertera en dieselmotor, som jobbar efter liktrycksprincipen, måste man konvertera den till likvolymsförbränning. Det vill säga installera tändstift. Det finns en genväg dock när det gäller konvertering av dieselmotorer. Man kan konvertera motorn halvvägs till en ”dual fuel” motor. Då ställer man ner bränslepumpen till tomgång och sprutar endast in en liten mängd diesel som antänds först av det höga trycket/temperaturen och som i sin tur sedan antänder gengasen i cylindern.
Enklaste motortypen att konvertera till gengasdrift är alltså en fyrtakts ottomotor. Just den typ av motor som är vanligast på de befintliga elverk som arbetet riktar sig emot.
3.1 Tändförställning
Gengasens viktigaste komponenter är kolmonoxid och vätgas. Fördelningen mellan dessa beror på gasgeneratorns konstruktion och valet av bränsle. Vätgas har ca nio gånger högre tändhastighet än kolmonoxid Detta ger att gengasens tändhastighet beror på blandningsförhållandet mellan dessa två gaser. Vanligtvis krävs vid konvertering till gengas en ytterligare tändförställning på ca 10-15 grader gentemot bensindrift.
3.2 Ökat slitage
Ett ökat slitage på motorn kan förväntas om man inte lyckas rena gengasen tillräckligt innan den skickas in i motorn. Vid korrekt fungerande gasgenerator och reningsanläggning kan slitaget likställas med det normala slitaget vid drift med flytande bränsle .
De ökade riskerna för motorslitage kan delas in i två grupper, direkta och indirekta.
Direkta slitageskador orsakas av partiklar från gengasen som sliter på cylinderns glidytor. Vid användning av ved som bränsle kan gengasen även innehålla en viss mängd ammoniak, som är kemiskt aggressiv mot Aluminium och Koppar. Varav dessa material bör undvikas vid gengasdrift. .
Med indirekta slitageskador menas medföljande aska och sots förmåga att förtjocka motorns smörjolja och därmed störa motorns smörjningssystem .
Vid dåligt fungerande kylanläggning kan gengasens relativa fuktighetsgrad bli oacceptabelt hög. Detta kan medföra att vatten kan kondensera i cylinder och insug. Detta kan på sikt orsaka korrosionsskador. Vattnet kan även förorena motorns smörjolja vilket kraftigt försämrar dess smörjande förmåga.
4 Provanläggning
I detta kapitel behandlas dimensioneringen av provanläggningen samtidigt som en kort beskrivning av byggnationen ges.
4.1 Dimensioneringen
Dimensionering syftar till att få rätt storlek på alla delar i förhållande till det förväntade behovet av gengas.
4.1.1 Förgasaren
Första steget för att dimensionera ett gengasaggregat är att räkna ut hur mycket gengas aggregatet maximalt behöver producera. Detta räknas fram på två vis. Ena är att räkna ut hur mycket motorn teoretiskt kan suga i sig. Det andra är att räkna fram hur mycket energi det krävs för att framställa den effekt man vill hämta ut ur elgeneratorn. Bästa är att räkna ut båda för att se om de är möjligt att plocka ut den effekt man vill ha ur generatorn med den cylindervolym man tänkt använda.
För att räkna ut motorns teoretiska sugvolym måste man veta motorns cylindervolym, driftvarvtal, fyllnadsgrad och om det är en 2- eller 4-takts motor. (Se formel under)
För att räkna ut teoretiskt energibehov används generatorns maxeffekt, generatorns verkningsgrad och motorns verkningsgrad. (Se formel under)
När den teoretiska sugvolymen är uträknad kan man dimensionera sin härd. Vid dimensionering av härden används begreppet härdbelastning. Härdbelastningen räknas fram med hjälp av flödet igenom härden delat på härdens minsta area. Vid praktiska försök har man kommigt fram till att högsta belastningen ska uppgå till 0,9 nm³/cm² per timme . (Se formel under)
För att en god oxidation och reduktion ska äga rum måste primärluftens munstycken dimensioneras korrekt. Förhållandet(F%) mellan minsta arean i härden(Ah) och den totala arean för primärluftsmunstyckena(Am) ska ligga me¬llan 3-14 procent. Vid mindre härdiameter är ett högre värde att föredra. Detta ger oss möjligheten att räkna ut den totala arean för munstyckena. (Se formel under)
Med ovanstående formler kan man räkna ut hur härden dimensionerades. Vidare kommer nu formler för hur reningsanläggningen dimensionerades.
4.1.2 Dimensionering av reningsanläggningen
För en korrekt dimensionering av kyl och reningsanläggningen krävs följande data.
• Den framräknade sugvolymen delat på två (ena halvan är sekundärluft) (Vs)/2
• Antagen temperatur ut ur aggregatet(T1)
• Önskad temperatur efter reningsanläggningen(T2)
• Specifik värmekapacitet på vatten(Cpv) och gengas(Cpg)
• Antagen kylpumpskapacitet (Vp)
• Erforderlig kyleffekt (Pk)
Den erforderliga kyleffekten räknas ut på följande vis. (Se formel under)
När man räknat fram den erforderliga kyleffekten(Pk) återstår det att räkna ut vilket vattenflöde (Vv) och vilken temperatur(°C) på kylvattnet som krävs igenom kylaren för att uppnå denna önskade kyleffekt.
4.1.3 Dimensionering av prototypanläggningen
Data som krävs för att kunna dimensionera prototypanläggning återfinns i tabell 2,3,4,och 5.
Tabell 2 Fakta från motortillverkaren
Fakta från motortillverkaren
Effekt ur generatorn vid kontinuerligdrift 2,0 kW
Effekt ur generatorn vi maxlast (endast 5 minuter) 2,2 kW
Motoreffekt 4,7 kW
Cylindervolym 200 cm3
Driftsvarvtal 3000 rpm
Motorprincip 4-takt
Tabell 3 Antagna värden
Antagna
Cylinderns fyllnadsgrad (antagen) 80 %
Generatorns verkningsgrad (antagen) 90 %
Motorns verkningsgrad (antagen) 0,25 %
Temperatur ut ur aggregatet 350°C sid140
Temperatur efter reningsanläggningen 30°C
Minsta härd arean 19,63cm2
Tabell 4 Från formelsamling
Från formelsamling
Energiinnehåll färdigblandad gengas/luft 2,33 MJ/nm3
Specifik värmekapacitet gengas sid 137 1,34kj/nm3°C
Specifik värmekapacitet vatten 4,2kj/kg °C
Table 5 Framräknade
Framräknade
Teoretisksugvolym 14,4 m3/h
Teoertiskt energibehov 8888,9 W
Tabell 2,3,4,och 5 innehåller data samlade från olika källor dels motortillverkarnas fakta, formelsamlingar våra antagna och framräknade värden.
Teckenförklaring
Vs = teoretisk sugvolym
Pb= teoretiska energibehov
Vc = cylindervolym
n = driftvarvtal
Pl= lastens energibehov
PG =gengasens energiinnehåll
?c= cylinderns fyllnadsgrad
?g= generatorns verkningsgrad
?m= motorns verkningsgrad
t1 = Temperatur ut ur aggregatet
t2= Temperatur efter reningsanläggningen
Qg = Energiinnehåll färdigblandad gengas/luft
Cpg = Specifik värmekapacitet gengas
Cpv = Specifik värmekapacitet vatten
Ah = Minsta härd arean
4.1.4 Uträkningar för prototypanläggningen
Teoretisk sugvolym
Teoretiskt energibehov
Energiinnehållet i färdigblandad gengas multiplicerat med sugvolymen.
Uträkningen under visar att det är teoretiskt möjligt att plocka ut 2097W ur generatorn.
Kyleffekt
För dimensioneringen av kyl och reningsanläggningen användes följande data.
• Den framräknade sugvolymen delat på två (ena halvan är sekundärluft). (Vs)/2
• Antagen temperatur ut ur aggregatet (T1) baserat på antagande i gengasboken.
• Önskad temperatur efter reningsanläggningen. (T2)
• Specifik värmekapacitet på vatten (Cpv) och gengas (Cpg)
• Antagen kylpumpskapacitet Vp
Detta ger 10 graders höjning av kylvattnets temperatur vid ett flöde på 1,225 liter/min.
Härdbelastning
Munstyckena för primärluften
2,7 cm² / 5 muntycken = 0,55cm² per munstycke vilket ger en diameter på 0,8 cm
4.2 Konstruktion
I avsnittet angående konstruktion ges en kort förklaring till hur de olika delarna konstruerades rent praktiskt.
4.2.1 Gengasaggregatet
Grunden blev en trycklufttank från en lastbil (se Figur
. Denna delades och i skarven monterades flänsar för att göra det möjligt att skruva ihop tanken igen. I den övre delen som skulle bli vedbehållaren monterades ett nät för att underlätta kondenseringen. Tre rörpipar till dräneringen av vattnet svetsades dit samt hål med tillhörande lock gjordes i över- och underdelen för påfyllnad av ved samt uraskning. Fem mindre rör för tillförsel av luft till förbränningen samt ett större stängningsbart tändrör sattes dit i den övre delen. Det hålborrade lecablocket monterades också i den övre delen och sattes fast m.h.a. en metallbur som höll stenen. Sist svetsades cyklonen fast. Isoleringen sattes dit först efter ett par proveldninger, samtidigt installerades också omrörningsstaven
Figur 8 Gengasaggregatet med cyklon monterad
4.2.2 Reningsanläggningen
Första steget i reningen är ett cyklonfilter, därefter kommer en skrubber och till sist ett finfilter.
Skrubbern ser till konstruktion ut enligt bifogad ritning. Det är en enkel motströmsvärmeväxlare som dessutom renar gasen. Gengasen leds in i rörets nedre del sedan går den genom ett lager av stenar. Ovanför stenarna sitter ett munstycke som sprutar in vatten. Vattnet rinner sedan ner mellan stenarna, för att kyla och rena den mötande gasen. Ovanför vattenmunstycket finns ytterligare ett lager stenar vars uppgift är att tillse att inga vattendroppar finns kvar i gengasen när den lämnar skrubbern.
Enligt beräkningar i föregående dimensioneringskapitel uppgår den erforderliga kyleffekten i skrubbern till ca 700 W. I prototypen används en del av denna effekt till att förvärma gasen innan filtret. Resterande effekt är att betrakta som en ren förlust eftersom det inte kommer att vara möjligt att ta tillvara på värmen.
Efter skrubbern är det tänkt att placera ett finfilter av normal luftfiltertyp. Före finfiltret är det viktigt att temperaturen återigen höjs ca 10 ºC, detta för att sänka gasens relativa fuktighet och därmed undvika kondensering av vatten i finfiltret.
4.2.3 Cyklon
Tanken från början var att bygga cyklonen helt efter de beräkningar som gjorts. Av en ren tillfällighet hittades dock ett jordankare på Clas Ohlson som hade precis den formen som cyklonen var tänkt att ha. Endast mindre modifieringar behövde göras. Skruven i botten sågades av och ersattes med en liten behållare; som kunde skruvas av, för tömning av sot och aska. Två av de tre hålen svetsades igen och spacklades sedan med kemisk metall, det tredje hålet gjordes större och det inkommande röret svetsades fast där. Utgången på ovansidan blev lite mer komplicerad att göra eftersom det var av intresse att kunna öppna cyklonen för att se om det bildats beläggningar o.s.v. Denna öppning löstes med ett skruvförband med en fläns på slutet för ihopkoppling med skrubbern. Cyklonen var nu färdig för att svetsas fast på gengasaggregatet (se Figur 9).
Figur 9 Cyklonen utan lock monterad på aggregatet
4.2.4 Skrubber
Grunden i skrubbern blev ett rör med 100 mm diameter. Röret kapades till en längd av 900 mm och fick ett avtagbart lock i varje ände. Två galler installerades för stenarna att ligga på. 100 mm från botten ner gjordes två små rör, det ena för uttag av vatten till pumpen och det andra för att dränera ut överflödigt vatten. Startfläkten installerades inne i skrubbern för att få ett mera enhetligt utseende (se Figur 10). Senare blev det dock nödvändigt med en större fläkt.
Enligt beräkningar i föregående dimensioneringskapitel uppgår den erforderliga kyleffekten i skrubbern till 858 W(se 4.1.4). I prototypen används en del av denna effekt till att förvärma gasen innan filtret. Resterande effekt är att betrakta som en ren förlust eftersom det inte kommer att vara möjligt att ta tillvara på värmen.
Gengasen leds in i rörets nedre del sedan går den genom ett lager av stenar. Ovanför stenarna sitter ett munstycke som sprutar in vatten. Vattnet rinner sedan ner mellan stenarna, för att kyla och rena den mötande gasen. Ovanför vattenmunstycket finns ytterligare ett lager stenar vars uppgift är att tillse att inga vattendroppar finns kvar i gengasen när den lämnar skrubbern.
Figur 10 Systemskiss skrubber
4.2.5 Montering av delarna
Skrubbern monterades på gengasaggregatet för att göra hela anläggningen till en enhet. På utgången av skrubbern monterades finfiltret samt ett litet rör med ventil, detta för att kunna testa gengasen innan start av elverket (se Figur 11).
