Das Ziel der Vergasung ist es, durch
thermodynamische Umwandlung, aus Festbrennstoffen zunächst ein Brenngas zu erzeugen, dass dann in einem zweiten Schritt zur direkten Erzeugung mechanischer
Energie, so z. B. im
Verbrennungsmotor,
Stirlingmotor, eingesetzt werden kann.
Bei der thermodynamische Umwandlung laufen verschiedene physikalisch-chemische Prozesse ab. Durch Pyrolyse oder Teilverbrennung unter Luftmangel (unterstöchiometrische Verbrennung) entsteht aus Biomasse ein brennbares Gas. Dieses aus Festbrennstoffen produzierte Gas wird als Produktgas, Schwachgas, Holzgas oder auch Synthesegas bezeichnet. Die Vergasung liefert Wärme und das Produktgas, das als Hauptkomponenten Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasserstoff (H2), Methan (CH4), Wasserdampf (H2O), sowie bei der Vergasung mit Luft als Vergasungsmittel, auch erhebliche Anteile an Stickstoff (N2) enthält.
Als unerwünschte Nebenprodukte entstehen in unterschiedlichen Mengen Teere bzw. Kondensate (langkettige organische Verbindungen), Asche und Staub. Die Zusammensetzung des Produktgases ist abhängig vom eingesetzten Brennstoff, von der Art und Menge des Vergasungsmittels, vom Temperaturniveau, der Reaktionszeit und den Druckverhältnissen im Vergasungsreaktor.
Der Vergasungsprozess im Reaktor lässt sich in folgende Bereiche aufteilen:
- Aufheizung und Trocknung
- Pyrolytische Zersetzung
- Oxidation
- Reduktion
Aufheizung und Trocknung. Die Biomasse wird zunächst aufgeheizt. Dabei verdampft das mit Biomasse in den Reaktor eingebrachte Wasser bis zu einem Temperaturniveau von ca. 200 °C.
Pyrolytische Zersetzung. Nach der Aufheizung und Trocknung der Biomasse erfolgt bei Temperaturen zwischen 150 und 500 °C eine thermisch induzierte pyrolytische Zersetzung der Makromoleküle, aus denen die Biomasse besteht. Hierbei entstehen gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen, Pyrolyse-Öle und Pyrolysekoks.
Oxidation. Bei der Oxidation werden die entstandenen gasförmigen, flüssigen und festen Produkte durch weitere Wärmeeinwirkung zur Reaktion mit Sauerstoff gebracht. Dadurch wird eine Erhöhung der Temperatur auf über 500 °C bewirkt. Dabei werden der Koks und ein Teil der höheren Kohlenwasserstoffverbindungen in kleinere gasförmige Moleküle (CO, H2, H2O, CO2 und CH4) gespalten. Partiell kommt es zur Verbrennung von Kohlenstoff.
Reduktion. Bei der Reduktion wird der Hauptteil der brennbaren Bestandteile des Produktgases gebildet. Die bei der Oxidation entstehenden Verbrennungsprodukte Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) werden dabei mit festem Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) reduziert.
Durch die Zufuhr von Luft wird ein Teil des festen Kohlenstoffs oder des Kohlenstoffmonoxids (CO) verbrannt. Diese Reaktionen sind bis zu einem gewissen Grade erwünscht, da durch die für den gesamten Vergasungsprozess benötigte Wärme bereitgestellt wird. Die stark exotherme Oxidation von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und die Knallgasreaktion, sowie die Oxidation von Methan (CH4) unter Abspaltung von Wasserstoff (H2) sind bei der Vergasung dagegen unerwünscht, da sie zu einer Verminderung des Heizwertes des produzierten Produktgases führen.