Biomasa, a w szczególności drewno, jest pierwszym materiałem, które ludzkość wykorzystała jako paliwo.

Wszystko zaczęło się, gdy człowiek ujarzmił energię w postaci ognia. Od tamtej pory drewno i jego pochodne przez wieki stanowiły niezwykle cenny surowiec zapewniający ogrzewanie, światło oraz ciepły posiłek. Jednak rozwój cywilizacyjny i coraz większe globalne zużycie energii sprawiły, że wraz z upływem czasu drewno zaczęło tracić swą popularność na rzecz bardziej kalorycznych paliw, czyli węgla, a potem ropy naftowej i gazu ziemnego. Degradacja środowiska, jaką przyniosło ze sobą wykorzystanie paliw kopalnych oraz widmo ich wyczerpania spowodowały ponowne zainteresowanie biomasą. Chęć efektywniejszego wykorzystania drewna jako paliwa doprowadziły do odkrycia procesu zwanego zgazowaniem drewna. W dużej mierze przyczynił się do tego rozwój motoryzacji i powstanie generatorów zgazowujących wytwarzających holzgas (gaz drzewny). Największy rozwój tych generatorów nastąpił w okresie drugiej wojny światowej, kiedy to świat poważnie odczuwał deficyt ropy naftowej. Niemcy poszukując łatwo dostępnego źródła napędu, które mogłoby zastąpić benzynę, udoskonalili konstrukcje generatorów i zaczęli montować je na swoich pojazdach. W ten sposób do transportu zamiast pełnego baku wystarczał odpowiedni zapas drewna lub jego pochodnych. Jednemu litrowi benzyny odpowiadało około 2,6– 3,0 kg drewna lub torfu.

Kotły zgazowujące drewno działają na tej samej zasadzie co generatory współprądowe (przepływ gazu drzewnego zgodny z przepływem powietrza) z tym, że ich konstrukcja jest bardziej odporna na wysokie temperatury. Również parametry samego gazu są nieco inne. Generatory samochodowe wytwarzały gaz drzewny, który następnie transportowany był do silnika, gdzie w wyniku spalania mieszanki wybuchowej z tlenem powstawała energia mechaniczna. W przypadku kotłów mamy do czynienia z pirolizą, czyli spalaniem gazu drzewnego powstałego podczas termicznego rozkładu drewna przy ograniczonym dostępie tlenu (zgazowanie). Cały proces zachodzi w jednej przestrzeni podzielonej na pięć stref, a końcowym efektem jest wytworzenie energii termicznej. Orientacyjny skład chemiczny drewna wygląda następująco:
węgiel C – 44–52%, 
wodór H2 – 5–6,5%,
tlen O2 – 35–44%,
para wodna H2O – 15–60%,
azot N2 – 0,2–0,5%,
siarka S – ok. 0,1%,
popiół (wapń Ca, potas K, magnez Mg) – ok. 0,5%.

W tym przypadku z energetycznego punktu widzenia najbardziej interesujące są trzy pierwiastki: węgiel, wodór i tlen, które w trakcie całego procesu zmieniają wiązania pomiędzy sobą. W zależności od temperatury i zaawansowania procesu możemy wyróżnić następujące strefy (Rys.1):

 

Schemat zgazowania w kotłach na drewno

 

I – strefa suszenia. W górnej części komory załadowczej (inaczej: komora zgazowania) dostarczone paliwo zostaje rozpalone jak w zwykłym kotle przy normalnym dostępie tlenu. Następnie zamykane są drzwiczki górnej komory, a otwarta zostaje klapa dolnej komory. Dym powstały w wyniku wstępnego spalania suszonego drewna poprzez klapę kominową odprowadzony zostaje do komina.

II – strefa karbonizacji (zgazowania). Po rozpaleniu w kotle i powstaniu warstwy żaru zamknięte zostają komory dolna i górna oraz klapa komina, przez co następuje zmiana kierunku przepływu dymu (w dół). Cały czas wzrasta temperatura wysuszonego drewna, w związku z czym wytwarza się gaz oraz soki drzewne. Mieszanina ta ulega kondensacji do postaci smolistego octu drzewnego.

III – strefa utleniania. Węgiel drzewny żarzy się w temperaturze 700–1000 ºC, czyli znacznie przewyższającej temperaturę spalania drewna w normalnych warunkach. W wyniku utleniania węgla drzewnego powstaje bardzo ważny składnik gazu drzewnego, palny tlenek węgla (2C + O2 = 2CO). Wydziela się wodór H2, który również staje się częścią składową gazu drzewnego oraz metan CH4. Ostatnim gazem, który wytrąca się w tej strefie, jest niepalny tlenek węgla CO2 (C + O2 = CO2). Następna strefa służy do tego, by się go pozbyć w możliwie jak największym stopniu.

IV – strefa redukcji. Powstały w strefie III gaz zawierający niepalny CO2 omywa węgiel drzewny żarzący się w temperaturze dochodzącej do 1300 ºC. W wyniku kontaktu CO2 z gorącym węglem dochodzi do redukcji: (niepalny) CO2 + C + wysoka temperatura = 2CO (palny). Im wyższa temperatura, tym więcej CO.  W strefach II, III i IV dostęp powietrza jest minimalny, potrzebny jedynie do utrzymywania żaru nad dyszą.

V – strefa spalania. Wytworzony gaz drzewny opuszcza komorę zgazowania poprzez dyszę. W wyniku dostępu dużej ilości powietrza wtórnego gaz tworzy mieszankę wybuchową z tlenem (od 4,5 do 35% powietrza). Zapłon następuje już w dyszy (temperatura zapłonu 560 ºC), jednak pełne dopalenie przebiega w komorze spalania pod dyszą. Powstaje fioletowo-niebieski płomień, a temperatura dochodzi do 1300 ºC.

Sam proces wytwarzania energii cieplnej w kotłach zgazowujących producenci często opisują w czterech etapach:
Etap I – suszenie i zgazowanie drewna,
Etap II – spalanie gazu drzewnego w palniku,
Etap III – dopalanie gazu drzewnego w komorze spalania i odbiór ciepła ze spalin,
Etap IV – wyrzut schłodzonych spalin przez komin.

Omówiony proces charakteryzuje się bardzo niską emisją szkodliwych związków. Wytworzony w wyniku spalenia gazu drzewnego CO2 ma zerowy bilans w przyrodzie. To znaczy, że rośliny podczas wzrostu, w wyniku fotosyntezy pobierają tyle samo CO2, ile później emitowane jest do atmosfery w wyniku spalania. Znikoma zawartość siarki w drewnie powoduje, że również emisja tlenków siarki jest praktycznie niezauważalna w porównaniu np. ze spalaniem węgla. Zawartość tlenków azotu jest także niższa niż dopuszczalna granica. Pirolityczne spalanie drewna jest więc jednym z najczystszych ekologicznie pozyskiwaniem ciepła.

Nowoczesne kotły zgazowujące wytwarzają energię z trzykrotnie wyższą sprawnością niż tradycyjne spalanie drewna. Czołowi producenci oferują kotły w pełni zautomatyzowane, zapewniające energię dla centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zakres mocy od 15 do 80kW, sprawia że urządzenia te znajdują coraz szersze zastosowanie nie tylko w gospodarstwach domowych. Możliwe jest spalanie w nich drewna o różnym stopniu granulacji od trocin po polana. W przypadku wykorzystania wiór, ścinków, szczap należy spalać je z większymi polanami. Czas pracy pomiędzy załadunkami paliwa wynosi nawet do 12 godzin. Planując zakup takiego kotła, należy przewidzieć odpowiednią powierzchnię magazynową. Dla średnio ocieplonego domu o powierzchni 150m² wymagany zapas paliwa na sezon grzewczy wynosi około 15–20 metrów przestrzennych (1mp = 0,7m³). Ceny drewna opałowego są bardzo zróżnicowane w zależności od gatunku, postaci oraz długości sezonowania. Można jednak przyjąć, że sezonowy koszt ogrzewania oraz przygotowania c.w.u. przy użyciu kotła zgazowującego drewno będzie porównywalny z kosztami eksploatacyjnymi w instalacjach z gruntową pompą ciepła. Stosunkowo niska cena kotłów tego typu jest dodatkowym atutem przemawiającym za wykorzystaniem energii ze zgazowania drewna.

Jakub Kapuśniak, GLOBEnergia

Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2009