L. Conti - La pirolisi: il processo, i punti di forza

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Università degli Studi di Sassari
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La pirolisi: il processo, i
punti di forza, le opportunità
Leonetto Conti
Energia da biomasse e rifiuti: quale ruolo per la pirolisi?
Cagliari 22 Aprile 2009
Le biomasse
Short Rotation Forestry
(Robinia, eucalipto, salice, ecc.)
Colture a scopo energetico
(Piante oleaginose, sorgo, miscantus, cardo,
euforbia, ecc.)
Residui agroindustriali e forestali
(Paglia, potature, residui della lavorazione del legno
e delle cartiere, manutenzioni forestali, ecc.
Rifiuti organici fermentescibili
Caratteristiche delle biomasse
Trucioli di pino
Sorgo
Paglia
Lolla di riso
Umidità
11,1
8,9
7,8
9,9
Ceneri
2,1
3,5
14.1
20,6
Volatili
74,4
68,1
61,6
54,5
Carbonio fisso
12,4
19,5
16,5
15,0
Carbonio
41,8
49,2
43,7
34,9
Idrogeno
5,3
5,8
6,1
5,5
Azoto
0,2
1,2
0,4
0,1
Ossigeno
52,7
43,8
49,8
59,5
P.C.S. MJ/kg
18,6
18,9
15,8
13,5
Analisi immediata %p
Analisi elementare %p (db)
Componenti strutturali delle
biomasse
Cellulosa
3%
20%
Emicellulosa
1%
Lignina
26%
50%
Estrattivi organici
Estrattivi
Inorganici
Barriere tecnologiche
all’uso delle biomasse
Bassa densità energetica
Umidità elevata
Difficoltà ed elevato costo del trasporto
Difficoltà di alimentazione negli impianti di
conversione
Problemi nello stoccaggio
Densità energetica di alcuni
materiali
Densità
( kg/m3)
Potere
calorifico
(GJ/t m.f.)
Densità
energetica
(GJ/m3)
Paglia
100
20
2
Trucioli di legno
400
20
8
Liquidi da
pirolisi
1200
23
27
Carbone di legna
300
30
9
Petrolio
900
45
40
La pirolisi
E’ un processo di degradazione termica in
assenza di ossigeno della materia organica con
produzione di gas, liquidi ed un residuo solido.
L’energia necessaria al processo viene fornita
bruciando parzialmente i prodotti stessi della
pirolisi.
Le
temperature
di
esercizio
generalmente dai 400 fino a 900 °C
variano
La pirolisi delle biomasse
Liquidi
Char
Gas
30%
35%
35%
75%
12%
13%
5%
10%
85%
PIROLISI LENTA
basse temperature
lunghi tempi di residenza
FAST PIROLISI
temperature moderate
corti tempi di residenza
FLASH PIROLISI
alte temperature
corti tempi di residenza
La carbonizzazione
La carbonizzazione è un
processo di tipo termochimico
che consente la trasformazione
delle molecole strutturate dei
prodotti legnosi e cellulosici in
carbone (carbone di legna o
carbone vegetale), ottenuta
mediante
l’eliminazione
dell’acqua e delle sostanze
volatili dalla materia vegetale,
per azione del calore
Tecniche di carbonizzazzione
Carbonizzazione per combustione parziale
• L’energia è fornita dalla combustione di una parte della biomassa
• Rese modeste in carbone
• I gas non vengono recuperati
Carbonizzazione per contatto con gas caldi
• L’energia è fornita da gas riscaldati dall’esterno che vengono in contatto
diretto con la biomassa
• Buone rese in carbone (30 – 35%)
• Difficoltà nel controllo del processo
Carbonizzazione in reattore
• L’energia è fornita da una fonte esterna e trasmessa attraverso le pareti del
reattore
• Gas e condensabili vengono recuperati e utilizzati per il riscaldamento
• Possibilità di utilizzare biomasse di piccole dimensioni
• Rese in carbone dell’ordine del 35%
Schema di un impianto di pirolisi
Utilizzi del carbone vegetale
Uso domestico (Barbecue)
Produzione di energia
Produzione di carbone attivo
Riducente nei processi metallurgici
Uso diretto in motori diesel
Fuel cell
Idrogeno
Fast pirolisi
La fast pirolisi è un processo termico in cui la biomassa viene
rapidamente riscaldata ad una temperatura accuratamente
controllata (c.a. 500°C); i prodotti volatili che si formano nel
reattore vengono rapidamente (t < 2 sec)
Offre il vantaggio unico di dare un liquido che può essere
stoccato e trasportato economicamente
E’ stata sviluppata in molte configurazioni
Attualmente è ancora in via di sviluppo
Impianti distribuiti
Fonte: A.V. Bridgwater
Schema semplificato della fast pirolisi
Fasi del processo
H2O < 10%. L’acqua alimentata e di
reazione finisce nel bio-olio
< 2 mm (letto fluido bollente), < 6 mm
(CFB)
Alte velocità di riscaldamento, T
controllata, bassi tempi di permanenza
Efficiente separazione dei char
Per condensazione e coalescenza
Bilancio di massa tipico della fast
pirolisi delle biomasse
Fattori che influenzano il
processo/prodotto
Temperatura:
Max produzione di bio-olio
intorno a 500°C, oltre i
vapori sono trasformati in
gas (Vapour cracking)
Tempo di residenza:
Fast pirolisi del Sorgo Zuccherino
Fonte L. Conti
Varia da qualche centinaio di
ms (chemicals) fino a 2 s
(biocombustibili)
Tempo di quencing
Fonte: Ensyn
Schema concettuale della fast pirolisi
Configurazione di reattori di
pirolisi rapida
Fonte: D. Meyer
Principali realizzazioni in opera
(tra parentesi la capacità in kg/h di biomassa trattata)
Fonte: D. Meyer, L. Conti
Schema impianto CFB
ENEL Livorno (200 kg/h)
Fonte: L. Conti
Foto impianto CFB
ENEL Livorno
Fonte: L. Conti
Rese del processo Dynamotive
100 t/d West Lorne, Ontario, Ca
Fonte: Dynamotive
Il Bio-olio
Liquido di colore marrone
scuro
Elevata acidità ( pH ca.
2,5 )
Elevata Viscosità
Basso potere calorifico (ca.
17 MJ/kG)
Elevato contenuto di
acqua
Caratteristiche tipiche di un
bio-olio di pirolisi
Proprietà
pH
Fast pirolisi
Slow pirolisi
2-3
2,7
Densità ( 15°C)
g/cm-3
1-2
1,13
Viscosità (a 25°C)
mPa·s
65 - 70
270
Ceneri
%p
0.15 – 0.20
0,2
Umidità
%p
20 - 30
14,2
P.C.S.
MJ/kg
15 - 19
23,7
Insolubili in acetone
%p
0.5 – 3.8
n.a.
C
%p
56 - 60
63,7
H
%pt
5.4 – 5.7
7,6
N
%p
0.15 – 0.20
1,3
O
%p
35 - 50
27,4
Analisi Elemetare (db)
Proprietà del bio-olio
La complessità e la natura del liquido impartiscono
alcune particolari proprietà dovute all’insorgere di
processi chimico-fisici come:
Agglomerazione di molecole
Processi di polimerizzazione e condensazione
Eterificazioni ed esterificazioni
Pertanto Le proprietà del bio-olio variano nel tempo:
La viscosità aumenta
La volatilità diminuisce
Si ha separazione di fase, formazione di
depositi e gomme
Andamento della viscosità di un bio-olio a
20°C sottoposto a riscaldamento a 100°C
Fonte: L.Conti
Sommario degli utilizzi del bio-olio
Fonte A.V. Bridgwater
Utilizzo del bio-olio come fonte di
chemicals
Aromatizzanti e conservanti della
carne (SmokEzTM)
Levoglucosano
Idrossi acetaldeide
Sali di calcio di acidi organici
(Soda LimeTM)
Fenoli
Fonte: Ensyn
Caratteristiche di un biocarburante da
pirolisi di biomasse
u.d.m.
Biocarburante
Gasolio
gr/cm3
0,90
0,84
P.eb. iniziale
°C
224
> 170
P.eb. finale
°C
396
< 500
P. infiammabilità
°C
102
> 55
MJ/kg
42,13
42,63
%p
0,02
< 0,03
Densità
Potere Calorifico
Zolfo
Fonte: L. Conti , G.Scano , S.Mascia. Dip. Chimica Univ. Sassari
Conclusioni
La pirolisi è una nuova tecnologia
20 anni contro i 200 della gassificazione e i 2000 della combustione
Dà alte rese di liquidi che possono essere
immagazzinati e/o trasportati
Le caratteristiche del liquido possono essere paragonate al petrolio
greggio nei primi anni della sua scoperta
Le applicazioni comprendono combustibili per la
produzione di calore o elettricità, carburanti per
autotrasporto, chemicals, vettori energetici quali
l’Idrogeno
L’efficienza energetica è circa il 70% contro il
75% della gassificazione della quale è
complementare