Construction d'un gazogène simplifié pour alimenter un moteur à combustion interne en cas de crise pétrolière

Traduit de l'anglais de manière amateure par Baptiste LARVOL-SIMON, 09/2020

Titre original: Construction of a Simplified Wood Gas Generator for Fueling Internal Combustion Engines in a Petroleum Emergency

Par:

H. LaFontaine, Biomass Energy Foundation, lnc. Miami, Florida

Et:

F. P. Zimmerman, Oak Ridge National Laboratory, Energy Division

Numéro d'agrément interagences FEMA: EMW-84-E-1737 Unité de travail: 3521 D

Pour:

L'Agence Fédérale de Gestion de Crise, Washington, D.C. 20472

"Ce rapport a été revu et corrigé par l'Agence Fédérale de Gestion de Crise et approuvé pour la publication. Cette approbation ne signifie pas que le contenu de cet ouvrage représente nécessairement le point de vue et les politiques de l'Agence Fédérale de Gestion de Crise."

Date de publication : Mars 1989

Approuvé pour une diffusion publique : distribution illimitée.

Notes concernant la traduction

Le traducteur a pris la liberté de traduire "Wood Gas Generator" en "Gasogène". Une traduction alternative, plus littérale, aurait pu être "Gazéficateur de bois" ou "Générateur de gaz de bois".

Résumé condensé

H. LaFontaine, G. P. Zimmerman

Ce rapport fait partie d'une série d'appréciations de technologies de crise, financée par l'Agence Fédérale de Gestion de Crise (FEMA). L'objet de ce rapport est de développer des instructions précises et illustrées de la fabrication, l'installation et le fonctionnement d'une unité de production de gaz à partir de biomasse (appelée aussi "gazogène" ou "générateur de gaz de bois") capable de fournir du carburant de substitution en cas de crise pour les véhicules tels que les tracteurs et les fourgons, dans les cas où les sources normales de pétrole seraient défaillantes sur une longue période de temps. Ces instructions ont été préparées comme un manuel pour n'importe quel mécanicien capable de travailler le métal ou de réparer un moteur.

Ce rapport cherche à préserver les connaissances en matière de gazéification du bois, tel qu'il a été pratiqué durant la Seconde Guerre Mondiale. Des procédures de fabrication, étape-par-étape, sont présentées pour une version simplifiée du gazogène de la Seconde Guerre Mondiale. Ce gazogène simple, stratifié et à tirage descendant peut être construit à partir de matériaux qui seraient largement disponibles aux États-Unis en cas de crise pétrolière prolongée. Par exemple, le corps du gazogène est une poubelle galvanisée posée sur un petit tambour en métal ; des raccords de plomberie les plus classiques ; et un grand bol en acier inoxydable pour la grille. Ce gazogène compact, dans son ensemble, a été monté à l'avant d'un tracteur agricole et testé avec succès sur le terrain, en utilisant des copeaux de bois comme seul carburant. La documentation photo de l'assemblage actuel du gazogène ainsi que son fonctionnement sont inclus.

Résumé complet

Ce rapport fait partie d'une série d'appréciations de technologies de crise, financée par l'Agence Fédérale de Gestion de Crise (FEMA). L'objet de ce rapport est de développer des instructions précises et illustrées de la fabrication, l'installation et le fonctionnement d'une unité de production de gaz à partir de biomasse (appelée aussi "gazogène" ou "générateur de gaz de bois") capable de fournir du carburant de substitution en cas de crise pour les véhicules tels que les tracteurs et les fourgons, dans les cas où les sources normales de pétrole seraient défaillantes sur une longue période de temps. Ces instructions ont été préparées comme un manuel pour n'importe quel mécanicien capable de travailler le métal ou de réparer un moteur.

Le carburant gazeux, produit à partir de la réduction de charbon et de tourbe, a été utilisé pour le chauffage dès les années 1840 en Europe et a été adapté pour les moteurs à explosion en Angleterre autour de 1884. Avant 1940, les gazogènes étaient communs quoique utilisés à petite échelle. Cependant, les pénuries de pétrole durant la Seconde Guerre Mondiale ont amené à généraliser les applications des gazogènes dans les industries du transport en Europe. (Des taxis roulant au charbon de bois étaient encore courant dans les années 70 en Corée.) Les États-Unis, qui n'ont jamais connu de pénurie de pétrole prolongée ou sévère, sont restés très en retard sur l'Europe et l'Orient dans sa familiarisation avec cette technologie.

Cependant, une castrophe pourrait interrompre l'approvisionnement de Pétrole dans le pays si sévèrement que cette technologie pourrait devenir critique pour l'énergie de certaines industries essentielles, comme la production et la distribution d'alimentation. Dans le Danemark occupé durant la Seconde Guerre Mondiale, 95% des engins agricoles du pays, des tracteurs, des moteurs fixes, et des bateaux de pêche et de transport étaient propulsés par des gazogènes. Même dans une Suède neutre, tout le trafic motorisé fonctionnait au gaz dérivé du charbon de bois ou du bois. Partout en Europe, en Asie et en Australie, des millions de gazogènes furent opérationnels entre 1940 et 1946.

À cause des risques pour la santé liés aux fumées toxiques, la plupart des gazogènes furent abandonnés quand le pétrole devint à nouveau disponible en 1945. Hormis en tant que technologie permettant la production de carburants alternatifs, comme le méthane ou l'alcool, quand le gasoil et l'essence ne sont plus disponible, la seule solution permettant de faire tourner des moteurs à combustion interne reste ce gazogène simple et bon marché.

Ce rapport cherche à préserver les connaissances en matière de gazéification du bois, tel qu'il a été pratiqué durant la Seconde Guerre Mondiale. Des procédures de fabrication, étape-par-étape, sont présentées pour une version simplifiée du gazogène de la Seconde Guerre Mondiale. Ce gazogène simple, stratifié et à tirage descendant peut être construit à partir de matériaux qui seraient largement disponibles aux États-Unis en cas de crise pétrolière prolongée. Par exemple, le corps du gazogène est une poubelle galvanisée posée sur un petit tambour en métal ; des raccords de plomberie les plus classiques ; et un grand bol en acier inoxydable pour la grille. Ce gazogène compact, dans son ensemble, a été monté à l'avant d'un tracteur agricole et testé avec succès sur le terrain, en utilisant des copeaux de bois comme seul carburant. La documentation photo de l'assemblage actuel du gazogène ainsi que son fonctionnement sont inclus.

Ces gazogènes peuvent ne pas être limités aux secteurs du transport. Des moteurs fixes peuvent également carburer au gaz de bois, pour faire fonctionner des générateurs d'électricité, des pompes, et tout équipement industriel. En fait, l'usage du gaz de bois comme carburant n'est pas seulement limité au moteurs essence ; si une petite portion de gasoil est utilisée pour l'allumage, un moteur diesel correctement ajusté pourra tout à fait fonctionner en majeure partie sur le gaz de bois introduit par le collecteur d'admission.

S.1 Principes d'une gazéification de carburant solide

Tout moteur à combustion interne fonctionne en fait avec du gaz, pas du liquide. Les caburants liquides utilisé par les moteurs essence sont vaporisés avant d'entrer dans la chambre de combustion sous les pistons. Dans les moteurs diesel, le carburant est envoyé dans la chambre de combustion sous forme de spray de fines gouttelettes qui brûle dès qu'elles se vaporisent.

La raison d'être d'un gazéifcateur, alors, est de transformer des carburants solides en carburants gazeux, et de conserver le gaz sans impureté pouvant être source de dégâts. Un gazogène est à la fois un convertisseur d'énergie et un filtre. C'est dans ces fonctions jumelles que repose ses avantages et ses difficultés. D'une certaine manière, la gazéification est une forme de montée en température-combustion partielle de carburants solides qui créé du gaz incapable de brûler complètement à cause du taux trop faible d'oxygène en entrée du système. La gazéification répond aux mêmes lois que celles gouvernant la combustion. À ce titre, de nombreux carburants issus de la biomasse solide peuvent être utilisés dans un gazogène -du papier et du bois à la tourbe, la lignite, le charbon, ce qui inclut le coke, dérivé du charbon. Tous ces carburants solides sont composés en premier lieu de carbone, avec des taux d'hydrogène, d'oxygène et d'impuretés (dont le sulfure, la cendre et l'humidité). Ainsi, le but de la gazéification est la transformation la plus complète possible de ces constituants en formes gazeuses faisant que seules les cendres et les matériaux inertes subsistent. La création du gaz de bois pour alimenter des moteurs à combustion interne demande à ce que le gaz non seulement soit produit convenablement, mais également conservé jusqu'à son introduction dans le moteur (et non consommé en chemin) où il sera à ce moment brûlé pour générer une énergie mécanique.

La gazéification est un processus physico-chimique dans lequel des transformations chimiques se produisent en même temps que la conversion de l'énergie. Les réactions chimiques et thermochimiques qui ont lieu dans le gazogène son trop longues et trop compliquées pour que nous les traitions ici ; heureusement, un telle connaissance n'est pas nécessaire pour construire et faire fonctionner un gazogène. Le gaz (de bois) produit dans un gazogène contient, en pourcentage de sa masse globale, environ 20% de di-hydrogène (H2), 20% de monoxyde de carbone (CO), et des petites quantités de méthane (CH4). Tous sont des combustibles. En plus de ceci, on trouve entre 50 à 60% de "nitrogène", de di-azote (N2) qui, s'il n'est pas combustible, occupe du volume de gaz et dilue le gaz entrant et brûlant dans le moteur. À mesure que le gaz de bois brûle, les produits de la combustion sont du dioxyde de carbone (CO2) et de la vapeur d'eau (H20).

L'un des sous-produits de la gazéification du bois est le monoxyde de carbone. Les risques toxiques associés à l'inhalation de ce gaz devraient être évités par les opérations de recarburation ou une mise au repos prolongée du système, en particulier dans les espaces trop peu ventilés. À l'exception du risque d'incendie issu de la combustion au sein du gazogène, le pruncipal risque du fonctionnement normal du gazogène simplifié est l'intoxication au monoxyde de carbone.

S2. Le gazogène stratifié à flux descendant

Jusqu'aux début des années 1980, les gazogènes (dans le monde entier, y compris ceux issus de la Seconde Guerre Mondiale) fonctionnaient sur le principe d'une séparation étanche entre la trémie du carburant (le réservoir d'alimentation) et l'unité de combustion ; la trémie était fermée par un couvercle qui devait être ouvert à chaque fois que du bois devait être ajouté. De la fumée et du gaz étaient alors relâchés dans l'atmosphère durant le chargement de bois ; l'opérateur devait alors être attentif à ne pas respirer de la fumée désagréable ou toxique.

Durant les dernières années, un gazogène de conception nouvelle a été développé par des efforts de coopération entre des chercheurs à l'Institut de Recherche sur l'Énergie Solaire du Colorado, à l'Université de Californie à Davis, l'Open University de Londres, la société Buck Rogers Company au Kansas, et la société Biomass Energy Foundation Inc. en Floride. Cette conception simplifiée utilise un système de pression négative dans lequel les anciennes trémies fermées ne sont plus nécessaires. La trappe de fermeture n'est plus utile que pour préserver le carburant lorsque le moteur est à l'arrêt. Cette nouvelle technologie revêt différentes appellations populaires, comme "gazogène stratifié, à flux descendant" et "le gazogène à capot ouvert". Plusieurs années de tests en laboratoire et en situations réelles indiquent qu'un gazogène aussi simple et bon marché peut être construit à partir de matériel existant et font tout à fait l'affaire pour des solutions de crise. Un schéma du gazogène stratifié à flux descendant est présenté dans l'illustration S-1. Lors du fonctionnement de ce gazogène, l'air passe uniformément à travers 4 zones, d'où le nom de stratifié :

1. La partie la plus haute contient le carburant encore solide à travers laquelle l'air et l'oxygène entrent. Cette partie est similaire à la trémie à carburant dans les anciennes conceptions de la Seconde Guerre Mondiale.
2.  Dans la seconde partie, le carburant-bois réagit avec l'oxygène durant la pyrolyse. La plupart des composants volatiles du carburant sont brûlés à ce niveau et constituent la source de chaleur pour les réactions de pyrolyse suivantes. En bas de cette zone, tout l'oxygène disponible dans l'air devrait avoir disparu. La conception ouverte par le haut assure la ventilation uniforme de la zone de pyrolyse.
3.  La troisième partie fonctionne sur le charbon de bois produit par la seconde partie. Les gaz chauds issus de la combustion de la zone de pyrolyse réagissent avec le charbon de bois, convertissant le dioxyde de carbone et l'eau en monoxyde de carbone et di-hydrogène.
4. Les matières inertes et la cendre, qui remplissent la quatrième partie, sont normalement trop froids pour provoquer plus de réactions ; cependant, parce que la quatrième zone est capable d'absorber de la chaleur et de l'oxygène quand les conditions changent, elle sert à la fois de zone tampon et de stock de charbon de bois. C'est sous cette partie que se trouve la grille. La présence de matière inerte et de cendre sert à protéger la grille des températures les plus élevées.

The stratified, downdraft design has a number of advantages over the World War II gasifier designs. The open top permits fuel to be fed more easily and allows easy access. The cylindrical shape is easy to fabricate and permits continuous flow of fuel. No special fuel shape or pretreatment is necessary; any blocky fuel can be used.

The foremost question about the operation of the stratified, downdraft gasifier concerns char and ash removal. As the charcoal reacts with the combustion gases, it eventually reaches a very low density and breaks up into a dust containing all of the ash as well as a percentage of the original carbon. This dust may be partially carried away by the gas and might eventually begin to plug the gasifier. Hence, it must be removed by shaking or agitation. When the stratified gasifier unit is used to power vehicles, it is automatically shaken by the vehicle's motion.

An important issue in the design of the stratified, downdraft gasifier is the prevention of fuel bridging and channeling. High-grade biomass fuels, such as wood blocks or chips, will flow down through the gasifier because of gravity and downdraft air flow. However, other fuels (such as shredded chips, sawdust, and bark) can form a bridge, which will obstruct continuous flow and cause very high temperatures. Bridging can be prevented by stirring, shaking, or by agitating the grate or by having it agitated by the vehicle's movement. For prolonged idling, a hand-operated shaker has been included in the design in this report.

A prototype unit of the stratified, downdraft gasifier design (see Figs. S-2 and S-3) has been fabricated according to the instructions in this report; however, it has not been widely tested at this time. The reader is urged to use his ingenuity and initiative in the construction of his own wood gas generator. As long as the principle of air tightness in the combustion regions, in the connecting piping, and in the filter units is followed, the form, shape, and method of assembly is not important.

The wood gasifier design presented in this report has as its origin the proven technology used in World War II during actual shortages of gasoline and diesel fuel. It should be acknowledged that there are alternate technologies (such as methane production or use of alcohol fuels) for keeping internal combustion engines in operation during a prolonged petroleum crisis; the wood gasifier unit described in this report represents only one solution to the problem.