La pirolisi: il processo, i punti di forza, le opportunità

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Cosimo Zani
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1 Università degli Studi di Sassari 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

com La pirolisi: il processo, i punti di forza, le

2 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

3 Caratteristiche delle biomasse Trucioli di pino Sorgo Paglia Lolla di riso Analisi immediata %p Umidità 11,1 8,9 7,8 9,9 Ceneri 2,1 3, ,6 Volatili 74,4 68,1 61,6 54,5 Carbonio fisso 12,4 19,5 16,5 15,0 Analisi elementare %p (db) 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

1 20,6 Volatili 74,4 68,1 61,6 54,5 Carbonio fisso 12,4 19,5 16,5 15,0 Analisi elementare %p

4 Componenti strutturali delle biomasse Cellulosa 26% 20% 3% 1% 50% Emicellulosa Lignina Estrattivi organici Estrattivi Inorganici

5 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

elevato costo del trasporto Difficoltà di

6 Densità energetica di alcuni materiali Densità ( kg/m 3 ) Potere calorifico (GJ/t m.f.).) Densità energetica (GJ/m 3 ) Paglia Trucioli di legno Liquidi da pirolisi Carbone di legna Petrolio

) Densità energetica (GJ/m 3 ) Paglia 100 20 2 Trucioli di

7 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 variano generalmente dai 400 fino a 900 C

L energia necessaria al processo viene fornita bruciando parzialmente i prodotti

8 La pirolisi delle biomasse PIROLISI LENTA basse temperature lunghi tempi di residenza FAST PIROLISI temperature moderate corti tempi di residenza Liquidi Char Gas 30% 35% 35% 75% 12% 13% FLASH PIROLISI alte temperature corti tempi di residenza 5% 10% 85%

corti tempi di residenza Liquidi Char Gas 30% 35% 35% 75% 12%

9 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

cellulosici in carbone (carbone( di legna o carbone vegetale), ottenuta mediante l

10 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%

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

11 Schema di un impianto di pirolisi

12 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

13 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

vengono rapidamente (t < 2 sec) Offre il vantaggio unico di dare un liquido che può essere stoccato e

14 Impianti distribuiti

15 Schema semplificato della fast pirolisi

16 Fasi del processo H 2 O < 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

17 Bilancio di massa tipico della fast pirolisi delle biomasse

18 Temperatura: Fattori che influenzano il Max produzione di bio-olio intorno a 500 C, oltre i vapori sono trasformati in gas (Vapour cracking) processo/prodotto 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

residenza: Fast pirolisi del Sorgo Zuccherino Fonte L.

19 Schema concettuale della fast pirolisi

20 Fonte: D. Meyer Configurazione di reattori di pirolisi rapida

21 Fonte: D. Meyer, L. Conti Principali realizzazioni in opera (tra parentesi la capacità in kg/h di biomassa trattata)

22 Fonte: L. Conti Schema impianto CFB ENEL Livorno (200 kg/h)

23 Foto impianto CFB ENEL Livorno Fonte: L. Conti

24 Fonte: Dynamotive Rese del processo Dynamotive 100 t/d West Lorne, Ontario, Ca

25 Il Bio-olio olio Liquido di colore marrone scuro Elevata acidità ( ph ca. 2,5 ) Elevata Viscosità Basso potere calorifico (ca. 17 MJ/kG kg) Elevato contenuto di acqua

26 Caratteristiche tipiche di un bio-olio olio di pirolisi Proprietà Fast pirolisi Slow pirolisi ph Densità ( 15 C) Viscosità (a 25 C) Ceneri Umidità P.C.S. Insolubili in acetone g/cm mpa s %p %p MJ/kg %p ,7 1, ,2 14,2 23,7 n.a. Analisi Elemetare (db) C H N O %p %pt %p %p ,7 7,6 1,3 27,4

27 Proprietà del bio-olio 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

28 Andamento della viscosità di un bio-olio olio a 20 C sottoposto a riscaldamento a 100 C

29 Sommario degli utilizzi del bio-olio olio Fonte A.V. Bridgwater

) Levoglucosano Idrossi acetaldeide Sali di calcio

30 Utilizzo del bio-olio olio come fonte di chemicals Aromatizzanti e conservanti della carne (SmokEz TM ) Levoglucosano Idrossi acetaldeide Sali di calcio di acidi organici (Soda Lime TM ) Fenoli Fonte: Ensyn

31 Caratteristiche di un biocarburante da pirolisi di biomasse u.d.m. Biocarburante Gasolio Densità gr/cm 3 0,90 0,84 P.eb. iniziale P.eb. finale P. infiammabilità Potere Calorifico Zolfo C C C MJ/kg %p ,13 0,02 > 170 < 500 > 55 42,63 < 0,03 Fonte: L. Conti, G.Scano, S.Mascia. Dip. Chimica Univ. Sassari

32 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

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