غاز الخشب

غاز الخشب هو غاز وقود يُستخدم في الأفران والمواقد والمركبات. خلال عملية الإنتاج، تُحوّل الكتلة الحيوية أو المواد الكربونية المشابهة إلى غاز داخل بيئة محدودة الأكسجين في مولد غاز الخشب لإنتاج خليط قابل للاحتراق. في بعض أجهزة التغويز، تسبق هذه العملية عملية التحلل الحراري ، حيث تُحوّل الكتلة الحيوية أو الفحم أولاً إلى فحم نباتي ، مُطلقةً غاز الميثان والقطران الغني بالهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات .

على عكس غاز التخليق ، الذي يُعدّ خليطًا نقيًا تقريبًا من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون ، يحتوي غاز الخشب أيضًا على مجموعة متنوعة من المركبات العضوية ("المقطرات") التي تتطلب تنقيةً لاستخدامها في تطبيقات أخرى. وبحسب نوع الكتلة الحيوية، تُنتَج مجموعة متنوعة من الملوثات التي تتكثف مع تبريد الغاز. وعند استخدام غاز المُنتِج لتشغيل السيارات والقوارب ^{[ 1 ]} أو توزيعه إلى مواقع نائية، يصبح من الضروري تنقية الغاز لإزالة المواد التي قد تتكثف وتسد المكربن ​​وخطوط الغاز.

يبدو أن غوستاف بيشوف قد بنى أول مُحَوِّل للغاز الخشبي عام ١٨٣٩. وفي عام ١٨٧٣، طوّر ثاديوس إس سي لوي عملية تحويل الماء إلى غاز وحصل على براءة اختراعها، والتي تُتيح توليد كميات كبيرة من غاز الهيدروجين للاستخدام السكني والتجاري في التدفئة والإضاءة. وعلى عكس غاز الفحم الشائع، أو غاز الكوك الذي كان يُستخدم في الخدمات البلدية، فقد وفّر هذا الغاز وقودًا أكثر كفاءة للتدفئة.

كانت عملية التغويز تقنيةً مهمةً وشائعةً خلال القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. وكان غاز المدن المُنتَج من الفحم يُستخدم على نطاق واسع، لا سيما لأغراض الإضاءة. وعندما أصبحت محركات الاحتراق الداخلي الثابتة القائمة على دورة أوتو متاحةً في سبعينيات القرن التاسع عشر، بدأت تحل محل محركات البخار كمحركات رئيسية في العديد من الأعمال التي تتطلب قوة دافعة ثابتة. وتسارع اعتماد هذه التقنية بعد انتهاء صلاحية براءة اختراع محرك أوتو عام ١٨٨٦. وقد كان مفهومًا جيدًا منذ الأيام الأولى لتطويرها إمكانات التغويز وجدواها العملية في محركات الاحتراق الداخلي .

التغويز لتشغيل محرك الاحتراق الداخلي للسيارة

صُنعت أول مركبة تعمل بغاز الخشب على يد تي إتش باركر عام 1901. ^{[ 2 ]} وحوالي عام 1900، بدأت العديد من المدن بتزويد المنازل بغازات الوقود (المنتجة مركزياً، وعادةً من الفحم ). ولم يُستخدم الغاز الطبيعي إلا في ثلاثينيات القرن العشرين.

استُخدمت مركبات غاز الخشب خلال الحرب العالمية الثانية نتيجةً لتقنين الوقود الأحفوري. في ألمانيا وحدها، كان هناك حوالي 500,000 مركبة تعمل بغاز الخشب  قيد الاستخدام في نهاية الحرب. وقد زُوّدت الشاحنات والحافلات والجرارات والدراجات النارية والسفن والقطارات بوحدات تحويل غاز الخشب إلى غاز. في عام 1942، قبل أن يبلغ غاز الخشب ذروة انتشاره، كان هناك حوالي 73,000 مركبة تعمل بغاز الخشب في السويد، ^{[ 3 ]} و65,000 في فرنسا، و10,000 في الدنمارك، ونحو 8,000 في سويسرا. في عام 1944، كان لدى فنلندا 43,000 مركبة تعمل بغاز الخشب، منها 30,000 حافلة وشاحنة، و7,000 مركبة خاصة، و4,000 جرار، و600 قارب. ^{[ 4 ]}     

لا تزال تُصنّع مُحَوِّلات غاز الخشب في الصين وروسيا لاستخدامها في السيارات ومولدات الطاقة للتطبيقات الصناعية. وتُستخدم الشاحنات المُعدّلة بمُحَوِّلات غاز الخشب في كوريا الشمالية ^{[ 5 ]} في المناطق الريفية، وخاصة على طرق الساحل الشرقي.

تستخدم وحدة تحويل الخشب إلى غاز رقائق الخشب، أو نشارة الخشب، أو الفحم النباتي، أو الفحم الحجري، أو المطاط، أو مواد مشابهة كوقود، وتحرقها احتراقًا جزئيًا في غرفة الاحتراق، منتجةً غاز الخشب، والرماد الصلب، والسخام ، الذي يجب إزالته دوريًا من الوحدة. بعد ذلك، يُرشح غاز الخشب لإزالة القطران وجزيئات السخام/الرماد، ثم يُبرد ويُوجه إلى محرك أو خلية وقود . ^{[ 6 ]} تتطلب معظم هذه المحركات نقاءً عاليًا لغاز الخشب، لذا غالبًا ما يخضع الغاز لعملية تنظيف مكثفة لإزالة القطران والجزيئات، أو تحويلها إلى مواد صلبة . تتم إزالة القطران عادةً باستخدام جهاز تنقية بالماء . قد يؤدي تشغيل غاز الخشب في محرك احتراق داخلي يعمل بالبنزين دون تعديل إلى تراكم مركبات غير محترقة، مما يُسبب مشاكل .

تختلف جودة الغاز الناتج من مختلف أنواع "المُغَيِّرات الغازية" اختلافًا كبيرًا. فالمُغَيِّرات الغازية متعددة المراحل، حيث تحدث عمليتا التحلل الحراري والتغويز بشكل منفصل بدلًا من حدوثهما في نفس منطقة التفاعل كما كان الحال في  مُغَيِّرات الحرب العالمية الثانية، يُمكن تصميمها لإنتاج غاز خالٍ تقريبًا من القطران (أقل من 1  ملغم/م³ ⁾ ، بينما قد تتجاوز نسبة القطران في مُغَيِّرات الطبقة المميعة  أحادية المفاعل 50,000 ملغم/م³. وتتميز مفاعلات الطبقة المميعة بصغر حجمها، وسعتها الأكبر لكل وحدة حجم، وسعرها المناسب. وبحسب الاستخدام المقصود للغاز، قد يكون القطران مفيدًا، إذ يُساهم في زيادة القيمة الحرارية للغاز.

تُعدّ حرارة احتراق "غاز المُنتِج" - وهو مصطلح يُستخدم في الولايات المتحدة للإشارة إلى غاز الخشب المُنتَج للاستخدام في محركات الاحتراق الداخلي - منخفضة نسبيًا مقارنةً بأنواع الوقود الأخرى. ويذكر تايلور (1985) ^{[ 7 ]} أن حرارة احتراق غاز المُنتِج أقل، حيث تبلغ 5.7  ميجا جول/كجم، مقابل 55.9  ميجا جول/كجم للغاز الطبيعي و44.1  ميجا جول/كجم للبنزين. وتتراوح حرارة احتراق الخشب عادةً بين 15 و18  ميجا جول/كجم. ومن المُفترض أن هذه القيم قد تختلف قليلًا من عينة إلى أخرى. ويذكر المصدر نفسه التركيب الكيميائي الحجمي التالي، والذي يُرجّح أن يكون متغيرًا أيضًا:

تركيبة "غاز المنتج" ^{[ 7 ]}

الاسم الكيميائي	صيغة	جزء
نتروجين	N 2	50.9%
أول أكسيد الكربون	CO	27.0%
هيدروجين	H 2	14.0%
ثاني أكسيد الكربون	ثاني أكسيد الكربون	4.5%
الميثان	الفصل 4	3.0%
الأكسجين	O 2	0.6%

يعتمد تركيب الغاز بشكل كبير على عملية التغويز، ووسط التغويز (الهواء، أو الأكسجين، أو البخار)، ورطوبة الوقود. عادةً ما تُنتج عمليات التغويز بالبخار محتوىً عالياً من الهيدروجين، بينما تُنتج مُغَوِّزات الطبقة الثابتة ذات التيار الهابط تركيزات عالية من النيتروجين وحمولات منخفضة من القطران، في حين تُنتج مُغَوِّزات الطبقة الثابتة ذات التيار الصاعد حمولات عالية من القطران. ^{[ 6 ] [ 8 ]}

أثناء إنتاج الفحم المستخدم في البارود الأسود ، يتم تهوية غاز الخشب المتطاير. ينتج عن ذلك كربون ذو مساحة سطحية عالية للغاية، مناسب للاستخدام كوقود في البارود الأسود.

• غاز الخشب كوقود للمحركات (تقرير). منظمة الأغذية والزراعة. الأمم المتحدة. 1986.