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

Leonetto ContiLeonetto Conti

Energia da biomasse e rifiuti: quale ruolo per la pirolisi?Cagliari 22 Aprile 2009

www.consorziosies.it www.sardegnambiente.comUniversità degli Studi di Sassari

Le biomasse Le biomasse

Short Rotation Short Rotation ForestryForestry(Robinia, eucalipto, salice, ecc.) (Robinia, eucalipto, salice, ecc.)

Colture a scopo energeticoColture a scopo energetico(Piante oleaginose, sorgo, (Piante oleaginose, sorgo, miscantusmiscantus, cardo, , cardo, euforbia, ecc.) euforbia, ecc.)

Residui agroindustriali e forestaliResidui agroindustriali e forestali(Paglia, potature, residui della lavorazione del legno (Paglia, potature, residui della lavorazione del legno e delle cartiere, manutenzioni forestali, ecc.e delle cartiere, manutenzioni forestali, ecc.

Rifiuti organici Rifiuti organici fermentescibilifermentescibili

Caratteristiche delle biomasseCaratteristiche delle biomasseTrucioli di pinoTrucioli di pino SorgoSorgo Paglia Paglia Lolla di risoLolla di riso

Analisi immediata Analisi immediata %p%p

UmiditàUmidità 11,111,1 8,98,9 7,87,8 9,99,9

AzotoAzoto 0,20,2 1,21,2 0,40,4 0,10,1

OssigenoOssigeno 52,752,7 43,843,8 49,849,8 59,559,5

CeneriCeneri 2,12,1 3,53,5 14.114.1 20,620,6

VolatiliVolatili 74,474,4 68,168,1 61,661,6 54,554,5

Carbonio fissoCarbonio fisso 12,412,4 19,519,5 16,516,5 15,015,0

Analisi elementare Analisi elementare %p%p (db)(db)

CarbonioCarbonio 41,841,8 49,249,2 43,743,7 34,934,9

IdrogenoIdrogeno 5,35,3 5,85,8 6,16,1 5,55,5

P.C.S.P.C.S. MJ/kgMJ/kg 18,618,6 18,918,9 15,815,8 13,513,5

Componenti strutturali delle Componenti strutturali delle biomassebiomasse

50%26%

20%3%

1%

Cellulosa

Emicellulosa

Lignina

Estrattivi organici

EstrattiviInorganici

Barriere tecnologiche Barriere tecnologiche all’uso delle biomasseall’uso delle biomasse

Bassa densità energeticaBassa densità energetica

Umidità elevataUmidità elevata

Difficoltà ed elevato costo del trasportoDifficoltà ed elevato costo del trasporto

Difficoltà di alimentazione negli impianti di Difficoltà di alimentazione negli impianti di conversioneconversione

Problemi nello stoccaggioProblemi nello stoccaggio

Densità energetica di alcuni Densità energetica di alcuni materialimateriali

Densità Densità ( kg/m( kg/m33))

Potere Potere calorificocalorifico(GJ/t (GJ/t m.fm.f.).)

Densità Densità energetica energetica (GJ/m(GJ/m33) )

PagliaPaglia 100100 2020 22

Trucioli di legnoTrucioli di legno 400400 2020 88

Liquidi da Liquidi da pirolisipirolisi

12001200 2323 2727

Carbone di legnaCarbone di legna 300300 3030 99

PetrolioPetrolio 900900 4545 4040

La pirolisiLa pirolisi

E’ un processo di degradazione termica in E’ un processo di degradazione termica in assenza di ossigeno della materia organica con assenza di ossigeno della materia organica con produzione di gas, liquidi ed un residuo solido.produzione di gas, liquidi ed un residuo solido.L’energia necessaria al processo viene fornita L’energia necessaria al processo viene fornita bruciando parzialmente i prodotti stessi della bruciando parzialmente i prodotti stessi della pirolisi.pirolisi.Le temperature di esercizio variano Le temperature di esercizio variano generalmente dai 400 fino a 900 °Cgeneralmente dai 400 fino a 900 °C

La pirolisi delle biomasseLa pirolisi delle biomasseLiquidiLiquidi CharChar GasGas

PIROLISI LENTAPIROLISI LENTAbasse temperaturebasse temperaturelunghi tempi di residenzalunghi tempi di residenza

30%30% 35%35% 35%35%

FAST PIROLISIFAST PIROLISItemperature moderatetemperature moderatecorti tempi di residenzacorti tempi di residenza

75%75% 12%12% 13%13%

FLASH PIROLISIFLASH PIROLISIalte temperaturealte temperaturecorti tempi di residenzacorti tempi di residenza

5%5% 10%10% 85%85%

La carbonizzazioneLa carbonizzazione

La carbonizzazione è un La carbonizzazione è un processo di tipo processo di tipo termochimicotermochimicoche consente la trasformazione che consente la trasformazione delle molecole strutturate dei delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici in prodotti legnosi e cellulosici in carbone (carbone (carbonecarbone di legna o di legna o carbone vegetale), ottenuta carbone vegetale), ottenuta mediante l’eliminazione mediante l’eliminazione dell’acqua e delle sostanze dell’acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale, volatili dalla materia vegetale, per azione del calore per azione del calore

Tecniche di Tecniche di carbonizzazzionecarbonizzazzioneCarbonizzazione per combustione parzialeCarbonizzazione per combustione parziale•• L’energia è fornita dalla combustione di una parte della biomassL’energia è fornita dalla combustione di una parte della biomassaa•• Rese modeste in carboneRese modeste in carbone•• I gas non vengono recuperatiI gas non vengono recuperati

Carbonizzazione per contatto con gas caldiCarbonizzazione per contatto con gas caldi•• L’energia è fornita da gas riscaldati dall’esterno che vengono iL’energia è fornita da gas riscaldati dall’esterno che vengono in contatton contatto

diretto con la biomassadiretto con la biomassa•• Buone rese in carbone (30 Buone rese in carbone (30 –– 35%)35%)•• Difficoltà nel controllo del processoDifficoltà nel controllo del processo

Carbonizzazione in reattoreCarbonizzazione in reattore•• L’energia è fornita da una fonte esterna e trasmessa attraverso L’energia è fornita da una fonte esterna e trasmessa attraverso le pareti delle pareti del

reattorereattore•• Gas e condensabili vengono recuperati e utilizzati per il riscaGas e condensabili vengono recuperati e utilizzati per il riscaldamentoldamento•• Possibilità di utilizzare biomasse di piccole dimensioniPossibilità di utilizzare biomasse di piccole dimensioni•• Rese in carbone dell’ordine delRese in carbone dell’ordine del 35%35%

Schema di un impianto di pirolisiSchema di un impianto di pirolisi

Utilizzi del carbone vegetaleUtilizzi 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 pirolisiFast pirolisi

La fast pirolisi è un processo termico in cui la biomassa viene La fast pirolisi è un processo termico in cui la biomassa viene rapidamente riscaldata ad una temperatura accuratamente rapidamente riscaldata ad una temperatura accuratamente controllata (c.a. 500°C); i prodotti volatili che si formano nelcontrollata (c.a. 500°C); i prodotti volatili che si formano nelreattore vengono rapidamente (t < 2 sec)reattore vengono rapidamente (t < 2 sec)

Offre il vantaggio unico di dare un liquido che può essereOffre il vantaggio unico di dare un liquido che può esserestoccato e trasportato economicamentestoccato e trasportato economicamente

E’ stata sviluppata in molte configurazioniE’ stata sviluppata in molte configurazioni

Attualmente è ancora in via di sviluppoAttualmente è ancora in via di sviluppo

Impianti distribuitiImpianti distribuiti

Fonte: A.V. Bridgwater

Schema semplificato della fast pirolisiSchema semplificato della fast pirolisi

Fasi del processoFasi del processoH2O < 10%. L’acqua alimentata e direazione finisce nel bio-olio

< 2 mm (letto fluido bollente), < 6 mm (CFB)

Alte velocità di riscaldamento, Tcontrollata, bassi tempi di permanenza

Efficiente separazione dei char

Per condensazione e coalescenza

Bilancio di massa tipico della fast Bilancio di massa tipico della fast pirolisi delle biomassepirolisi delle biomasse

Fattori che influenzano il Fattori che influenzano il processo/prodottoprocesso/prodotto

Max produzione di bio-oliointorno a 500°C, oltre i vapori sono trasformati ingas (Vapour cracking)

Fast pirolisi del Sorgo Zuccherino Fonte L. Conti

Temperatura:

Tempo di residenza:

Varia da qualche centinaio dims (chemicals) fino a 2 s(biocombustibili)

Fonte: Ensyn

Tempo di quencing

Schema concettuale della fast pirolisiSchema concettuale della fast pirolisi

Configurazione di reattori di Configurazione di reattori di pirolisi rapidapirolisi rapida

Fonte: D. Meyer

Principali realizzazioni in opera Principali realizzazioni in opera (tra parentesi la capacità in kg/h di biomassa trattata)(tra parentesi la capacità in kg/h di biomassa trattata)

Fonte: D. Meyer, L. Conti

Schema impianto CFB Schema impianto CFB ENEL ENEL LivornoLivorno (200 kg/h)(200 kg/h)

Fonte: L. Conti

Foto impianto CFB Foto impianto CFB ENEL ENEL LivornoLivorno

Fonte: L. Conti

Rese del processo Rese del processo DynamotiveDynamotive

100 t/d West Lorne, Ontario, Ca

Fonte: Dynamotive

Il BioIl Bio--olioolio

LiquidoLiquido didi colorecolore marronemarronescuroscuroElevataElevata aciditàacidità ( pH ( pH ca.ca.2,5 )2,5 )ElevataElevata ViscositàViscositàBasso Basso poterepotere calorificocalorifico (ca. (ca. 17 MJ/17 MJ/kGkG))ElevatoElevato contenutocontenuto didiacquaacqua

CaratteristicheCaratteristiche tipichetipiche didi un un biobio--olio olio didi pirolisipirolisi

ProprietàProprietà Fast Fast pirolisipirolisi Slow Slow pirolisipirolisi

2 2 -- 33

1 1 -- 22

65 65 -- 7070

0.15 0.15 –– 0.200.20

20 20 -- 3030

15 15 -- 1919

0.5 0.5 –– 3.83.8

56 56 -- 6060

5.4 5.4 –– 5.75.7

0.15 0.15 –– 0.200.20

35 35 -- 5050

pHpH 2,72,7

DensitàDensità ( 15°C)( 15°C) gg//cmcm--33 1,131,13

ViscositàViscosità (a 25°C)(a 25°C) mPamPa··ss 270270

CeneriCeneri %p%p 0,20,2

UmiditàUmidità %p%p 14,214,2

P.C.S.P.C.S. MJ/kgMJ/kg 23,723,7

InsolubiliInsolubili in acetonein acetone %p%p n.an.a..

AnalisiAnalisi ElemetareElemetare (db)(db)

CC %p%p 63,763,7

HH %pt%pt 7,67,6

NN %p%p 1,31,3

OO %p%p 27,427,4

Proprietà del Proprietà del biobio--olioolioLa complessità e la natura del liquido impartiscono alcune particolari proprietà dovute all’insorgere di processi chimico-fisici come:

Agglomerazione di molecoleProcessi di polimerizzazione e condensazioneEterificazioni ed esterificazioni

Pertanto Le proprietà del bio-olio variano nel tempo:

La viscosità aumentaLa volatilità diminuisceSi ha separazione di fase, formazione didepositi e gomme

Andamento della viscosità di un Andamento della viscosità di un biobio--olioolio a a 20°C sottoposto a riscaldamento a 100°C20°C sottoposto a riscaldamento a 100°C

Fonte: L.Conti

Sommario degli utilizzi del Sommario degli utilizzi del biobio--olioolio

Fonte A.V. Bridgwater

Utilizzo del Utilizzo del biobio--olioolio come fonte di come fonte di chemicalschemicals

Fonte: Ensyn

Aromatizzanti e conservanti della carne (SmokEzTM)

Levoglucosano

Idrossi acetaldeide

Sali di calcio di acidi organici (Soda LimeTM)

Fenoli

Caratteristiche di un Caratteristiche di un biocarburantebiocarburante da da pirolisi di biomassepirolisi di biomasse

u.d.m. Biocarburante Gasolio

Densità gr/cm3

°C

°C

°C

MJ/kg

%p

0,90 0,84

P.eb. iniziale 224 > 170

P.eb. finale 396 < 500

P. infiammabilità 102 > 55

Potere Calorifico 42,13 42,63

Zolfo 0,02 < 0,03

Fonte: L. Conti , G.Scano , S.Mascia. Dip. Chimica Univ. Sassari

ConclusioniConclusioni

20 anni contro i 200 della gassificazione e i 2000 della combustione

Dà alte rese di liquidi che possono essereimmagazzinati e/o trasportati

La pirolisi è una nuova tecnologia

Le caratteristiche del liquido possono essere paragonate al petroliogreggio nei primi anni della sua scoperta

Le applicazioni comprendono combustibili per laproduzione di calore o elettricità, carburanti perautotrasporto, chemicals, vettori energetici qualil’Idrogeno

L’efficienza energetica è circa il 70% contro il75% della gassificazione della quale ècomplementare