studio sperimentale della pirolisi di biomasse legnose

POLITECNICO DI MILANOFacoltà di Ingegneria dei Processi Industriali

Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica“Giulio Natta”

STUDIO SPERIMENTALE DELLA PIROLISI DELLE BIOMASSE LEGNOSE

Elaborato di Laurea in Ingegneria ChimicaElaborato di Laurea in Ingegneria Chimica

Candidato: Candidato:

Marco GabbaMarco Gabba

Matricola n. 701170Matricola n. 701170

Anno Accademico 2008Anno Accademico 2008--20092009

BIOMASSE

CELLULOSA EMICELLULOSA LIGNINA

ANALISIANALISI

IMMEDIATA ELEMENTARE BIOCHIMICA

PIROLISI

BIOMASSA TAR CHARBIOMASSA TAR CHAR

SCOPO

Individuare una procedura semplice e rapida per studiareIndividuare una procedura semplice e rapida per studiare

l’evoluzione della biomassa in condizioni di pirolisi ed ottenere

una stima della composizione che possa servire come input per un

modello cinetico di simulazione.

L’analisi termogravimetricaL’analisi viene condotta attraverso l’utilizzo dellabilancia termogravimetrica. In questo tipo dibilancia termogravimetrica. In questo tipo dianalisi la variabile indipendente è la temperatura,mentre come variabili dipendenti le più comunisono il peso percentuale del campione (TG) o lasua derivata rispetto alla temperatura (DTG).

I campioni analizzati sono dell’ordine di peso dipochi mg per poter minimizzare le limitazionidiffusive.diffusive.

Lo strumento può essere impostato per ottenerediversi percorsi termici; si può inoltre impostarel’atmosfera gassosa utilizzata: in questo modo sipuò operare in condizioni di pirolisi (utilizzandoazoto) o di combustione (utilizzando aria)

MATERIALI UTILIZZATI

Costituenti puri Biomasse

Abete

CellulosaEmicellulosa (xylano)

Lignina

AbeteCiliegioMogano

NocePino di Svezia

PioppoRovere

Le due tipologie di provePirolisi CombustionePirolisi

- Temperatura equilibrata a 50 °C.- Rampa di riscaldamento

(10°C/min) fino a 110 °C.- Isoterma 10 minuti (per rimuovere l’umidità).

Combustione

-Temperatura equilibrta a 50 °C.- Rampa di riscaldamento (10°C/min) fino a 110 °C.- Isoterma 10 minuti (per rimuovere l’umidità).l’umidità).

- Rampa di riscaldamento (20,50,95°C/min) fino a 900 °C.

- Cambiato il gas di spurgo in aria.- Isoterma 10 minuti (combustione del char residuo).

l’umidità).- Rampa di riscaldamento (20°C/min) fino a 900 °C.

Le prove di combustione sono utili per ricavare il contenuto in ceneri del campione analizzato.

Lettura delle curve TG e DTG

Analisi termogravimentrica della biomassa ciliegio; prova in azoto a 20 °C/min


Sintesi delle prove di pirolisi effettuate con velocità di riscaldamento di 20 °C/min


Confronto tra le curve DTG nell’intorno del punto di flesso (prove a 20 °C/min)


In tutte le prove si possono riscontrare le seguenti caratteristiche:

Curva TG

- Tratto della perdita d’acqua trascurabile (campioni pre-essiccati)- Durante il tratto di devolatilizzazione principale (200-400 °C circa) la perdita

in peso si attesta tra il 68% e il 77%.- La percentuale di char residuo a fine prova si attesta tra il 6.5% ed il 15%.

Curva DTGCurva DTG

- Presenza di un punto di flesso nell’intorno dei 300 °C. Ipotesi: il flesso corrisponde al massimo della velocità di devolatilizzazione dell’emicellulosa.

- Presenza di un massimo assoluto nell’intorno dei 350 °C. Ipotesi: il massimo assoluto corrisponde al massimo della velocità di devolatilizzazione della cellulosa.

Metodo empirico per il calcolo della composizione

Ho 3 incognite: % cellulosa, % emicellulosa, % lignina. Come saturo i gradi di libertà?

1) Osservo la temperatura alla quale si verifica l’incrocio tra le DTG di emicellulosa e cellulosa. Misuro la perdita in peso tra 156 °C e questa temperatura � ottengo la % emicellulosa.

2) Calcolo % lignina = % emicellulosa * costante. Questa costante è ricavata sperimentalmente come il rapporto tra le % di


Questa costante è ricavata sperimentalmente come il rapporto tra le % di char residui durante le prove su emicellulosa e lignina pure.

3) Calcolo % cellulosa = 100 - % emicellulosa - % lignina.

Curva TG per l’emicellulosa (20 °C/min) Curva TG per la lignina (20 °C/min)


Nella tabella sottostante sono riportate le composizioni ricavate attraverso le prove con velocità di riscaldamento di 20 °C/min.

Biomassa Cellulosa (%) Emicellulosa (%) Lignina (%)

Abete 52.94 17.68 29.38

Ciliegio 27.57 27.21 45.22

Mogano 50.65 18.54 30.81

Noce 43.19 21.96 34.85Noce 43.19 21.96 34.85

Pino di Svezia 48.78 19.24 31.98

Pioppo 31.67 25.67 42.66

Rovere 45.14 20.61 34.25

Verifica del metodoAl fine di verificare la validità del lavoro svolto, sono state confrontate le curve ricavate dai dati sperimentali con quelle ottenute attraverso l’utilizzo di un modello cinetico1. Le composizioni ricavate alle diverse velocità di riscaldamento sono state confrontate fra di loro e, quando disponibili, con dati ricavabili dalla sono state confrontate fra di loro e, quando disponibili, con dati ricavabili dalla letteratura (database Phyllis).

Cellulosa Emicellulosa Lignina

Abete 52.94 17.68 29.38


Ciliegio 27.57 27.21 45.22

1 Ranzi et al., Chemical Kinetics of Biomass Pyrolysis, Energy & Fuels 2008, 22, 4292–4300

Confronto fra dati sperimentali e modello; prove a 20 °C/min

Verifica del metodo


Abete 54.75 17.00 28.25


Ciliegio 34.97 24.43 40.60Abete 54.75 17.00 28.25 Ciliegio 34.97 24.43 40.60

Confronto fra dati sperimentali e modello; prove a 95 °C/min

Conclusioni- Nella maggior parte dei casi le composizioni ricavate alle diverse velocità di riscaldamento sono risultate simili fra loro e con i dati presenti in letteratura.presenti in letteratura.

-Le previsioni del modello cinetico sono molto accurate in ampi campi di temperatura. Anche il residuo finale è predetto con precisione.

- I legni di noce e rovere hanno costituito un’anomalia: le composizioni ricavate alle diverse velocità di riscaldamento sono risultate molto diverse tra loro.diverse tra loro.

- Con l’ausilio del modello cinetico è stato dimostrato che la composizione correttà è quella ricavata alla più bassa velocità di riscaldamento .

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

CELLULOSA

EMICELLULOSA

LIGNINA

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