Pirolisi Lenta Umida e Catalizzata di Pollina

Pirolisi Lenta, Umida e Catalitica della Pollina
R. Carta*, M.Cruccu**, F. Desogus*, L. Sanna**
*Dipartimento di Ingegneria Chimica e Materiali Piazza d’Armi Cagliari T. 0706755068 e-mail [email protected]
** Maim Engineering srl, Cagliari,Piazza Giovanni XXIII N° 27 T. 070403552 e-mail [email protected]
ABSTRACT
Nel presente lavoro si vogliono presentare i risultati sperimentali ottenuti con un impianto pilota in cui opera un processo di pirolisi
lenta umida e catalitica della pollina secca. Il processo prevede il cracking della matrice organica e la reazione successiva del
carbonio formatosi con l’acqua, contenuta o aggiunta alla matrice organica alimentata, in ossido di carbonio ed idrogeno secondo lo
schema chimico C+H2OCO+H2. La reazione viene fatta evolvere in un reattore rotante alla temperatura di 500 °C; al reattore viene
alimentata una quantità di acqua tale da avere nella fase iniziale e nell’ambiente di reazione 300 g di vapore per 1.000 g di solido
secco alimentato. Dal processo si ottiene un gas contenente circa il 70% (in volume) di idrogeno, 10% di ossido di carbonio ed altri
prodotti quali idrocarburi leggeri (CH4, C2H6, C3H8) ed anidride carbonica in quantità minori. Il gas in uscita dal reattore può
facilmente essere utilizzato sia per la produzione di energia elettrica, in motori endotermici, che di calore in comuni caldaie. Inoltre,
essendo il gas prodotto esente sia da particelle solide che da prodotti inquinanti (quali diossine e furani), il processo utilizzato per la
pollina può considerarsi un sistema ottimale per la valorizzazione “soft” di qualsiasi sostanza a matrice organica.
Introduzione
Lo smaltimento di grandi masse di componenti soprattutto
a base organica (ad esempio rifiuti di provenienza sia civile
che industriale), come anche la valorizzazione dei terreni
marginali dal punto di vista agricolo, sono due elementi
notevolmente importanti nelle società tecnologicamente
sviluppate.
Se a questi due elementi aggiungiamo la necessità di
incrementare la disponibilità di energia ottenuta a costi
ragionevoli e di ridurre le contaminazioni ambientali e la
produzione di anidride carbonica, abbiamo un altro elemento
che costituisce “condicio sine qua non” per l’ulteriore
avanzamento tecnologico delle società già sviluppate.
Con questo lavoro si vogliono presentare i risultati
ottenuti con un apparato sperimentale-dimostrativo per il
trattamento di materiali di scarto a matrice organica di
qualsivoglia provenienza e, contemporaneamente, produrre
energia elettrica e termica con emissioni inquinanti molto
contenute; il processo proposto è la pirolisi lenta, umida e
catalitica. Per quanto si tratti, nello specifico, di un processo
caratterizzato
da
elementi
fortemente
innovativi,
riconducibili ai tre aggettivi “lenta”, “umida” e “catalitica”,
la pirolisi è da tempo oggetto di diversi studi e applicazioni,
anche recenti [1-4], considerato il gran numero di materiali
utilizzabili e la grande varietà di combinazioni possibili dei
parametri che governano il processo [5].
L’impianto dimostrativo, progettato dalla Maim
Engineering srl e realizzato dalla AIT srl, è funzionante nella
zona industriale del Comune di Donori (Ca) presso lo
stabilimento AIT srl (Lavorazioni e Costruzioni Industriali).
Esso è in grado di trattare fino a 20 kg/h di materiale a
matrice organica con la produzione di un gas combustibile
composto essenzialmente da idrogeno, ossido di carbonio ed
idrocarburi leggeri. Il tipo di gas che si produce può essere
facilmente bruciato senza danni per l’ambiente contribuendo
anche alla valorizzazione energetica di qualsiasi rifiuto a
matrice organica, come è il caso della pollina qui trattata.
Le dimensioni della struttura realizzata non consentono un
suo uso industriale, a causa della ridotta quantità di materiale
trattato, ma assolve efficacemente ai compiti per cui è stata
predisposta, e cioè quella di fornire una prova tangibile delle
potenzialità del processo proposto. Può essere inoltre
impiegata per la sperimentazione volta a definire tutti i
parametri di processo (soprattutto fluidodinamici e cinetici)
necessari per il dimensionamento di impianti su scala più
ampia.
Descrizione del processo
Il processo di pirolisi lenta, umida e catalitica prevede
che, dopo le reazioni di cracking della matrice organica,
evolva principalmente la reazione C+H2OCO+H2.
Avvengono naturalmente altre reazioni secondarie che
portano alla produzione di CO2, idrocarburi leggeri ed altri
componenti, in dipendenza della composizione della matrice
organica utilizzata e dei parametri di processo.
Poiché le reazioni che avvengono durante la fase iniziale
del processo pirolitico sono essenzialmente reazioni di
cracking della biomassa, si è pensato di aggiungere alcuni
componenti che catalizzassero tali reazioni. Quelli
individuati hanno consentito di elevare la quantità di gas di
pirolisi ottenuti a scapito dei prodotti liquidi e solidi e di
aumentarne il contenuto di idrogeno ed ossido di carbonio.
Come matrice organica per l’alimentazione dell’impianto
è stata usata la pollina. La scelta è stata determinata dal fatto
che questo materiale è ampiamente disponibile nella zona ed
il suo smaltimento è costoso e problematico. Il materiale
secco è stato alimentato al reattore (3 in fig. 1 e 2) attraverso
la tramoggia (1 in fig.1 e 2) e la coclea (2 in fig. 1 e 2)
rastremata nella parte finale in modo da ridurre al massimo il
trascinamento di aria all’interno del reattore. Oltre alla
pollina secca, veniva alimentata anche H2O fino al 30% in
peso della pollina secca alimentata. E’ stata installata una
camicia scaldante (4 in fig. 1 e 2) coassiale al reattore e
nell’interspazio fra reattore e camicia circolava un gas
combusto a circa 700 °C, prodotto, nella fase iniziale, con
dei bruciatori a GPL. L’interno del reattore è stato tenuto
costantemente alla temperatura di 500 °C mediante un
sistema di controllo che agisce sulla portata di GPL. Il gas
uscente dal reattore alla temperatura di 500 °C passa in una
zona di calma, dove gli inerti ed il bio-char vengono scaricati
attraverso una valvola a doppio clapet (sistema 5 in fig. 1 e
2). Il gas viene quindi avviato ad un ciclone separatore (6 in
fig. 1 e 2) dove vengono separati i solidi residui; il gas dopo
essere stato raffreddato con H2O (quench 7 nella fig. 1) viene
lavato (torre di lavaggio 8 in fig. 1 e 2) e dopo essere passato
per la guardia idraulica (9 in fig. 1 e 2) viene scaricato
all’esterno per essere bruciato.
fiamma
1
ulteriormente raffreddato per “quench” adiabatico con H 2O
nell’apparato 7. Un aspiratore a canali laterali (10),
posizionato nella linea di processo fra la torre di lavaggio (8)
e la guardia idraulica (9), consente di convogliare i gas
prodotti e di tenere il reattore in leggera depressione (3-5
mm di H2O).
Le acque di lavaggio calde (circa 40 °C) uscenti dalla torre
di lavaggio, contengono i solidi residui che vengono inviati
al decantatore, dove avviene la separazione dall’acqua calda
chiarificata.
Fig. 2 vista fotografica dell’impianto pilota.
1
3
2
4
5
8
5
5
3
2
8
6
9
9
7
4
10
Figura 1 rappresentazione schematica del processo
(__ linee di processo; … linee acqua)
Il reattore è costituito da un tubo in acciaio inox (AISI 316L)
resistente ad alte temperature, il suo diametro è di 0,40 m ed
è lungo 1,0 m; viene fatto ruotare intorno al suo asse alla
velocità di 1 rotazione/min, mentre il suo asse principale è
inclinato di 2° rispetto all’orizzontale. La struttura adottata
consente un tempo di permanenza del materiale da
pirolizzare di circa 1,5 h. Il tubo di reazione è coassiale ad un
secondo tubo del diametro di 1,0 m, nella cui parte interna è
posto uno strato isolante di mattoni refrattari ed uno strato di
lana di roccia, per uno spessore complessivo di 20 cm; nella
parte inferiore di tale tubo sono alloggiati gli ugelli
combustori (alimentati a GPL nella fase di start-up e quindi
con parte del gas prodotto) per fornire il calore necessario
alle reazioni di pirolisi.
In pratica, dopo la depolverazione primaria (in 5) e
secondaria (in 6) il gas, ormai a circa 300 °C viene
1
10
2
3
4
9
I fanghi vengono rimossi dal fondo mediante pompa ed
inviati direttamente alla tramoggia di carico del reattore
pirolitico. Il gas uscente dalla sezione di lavaggio viene
ulteriormente privato di particelle liquide e solide facendolo
passare attraverso un filtro a ghiaia prima di essere
convogliato, tramite l’aspiratore, alla guardia idraulica. Una
parte del gas estratto viene utilizzata, con il processo a
regime, per sopperire ai consumi energetici interni.
Sperimentazione
Il cuore del processo è rappresentato dal reattore in cui il
materiale organico, essenzialmente composto da idrogeno
combinato e carbonio, con altri componenti in quantità
modeste (N2, O2, Cl2, S), viene trasformato nei componenti
gassosi quali idrogeno libero ed ossido di carbonio. Si ha
anche la produzione di quantità modeste di anidride
carbonica ed idrocarburi leggeri (CH4, C2H6, C3H8).
La sperimentazione condotta è stata indirizzata allo studio
della composizione e della quantità di gas prodotto in
funzione di alcune variabili del processo; in particolare in
questa fase si è scelto di indagare l’influenza della quantità e
qualità del materiale organico alimentato e il rendimento
complessivo del processo (quantità e composizione del gas
prodotto). In tabella 1 sono riportate le caratteristiche medie
del materiale utilizzato; le analisi sono la media delle
misurazioni effettuate su cinque campioni raccolti in
condizioni differenti ed in località differenti (seppure nella
stessa area geografica).
Caratteristica
Valore numerico
PCI
2.604
Carbonio
39,41
Idrogeno
5,25
Azoto
5,89
Zolfo
0,2
Ossigeno
32,63
Cloro
0
Inorganici
16,62
Tabella 1- Analisi della Pollina secca
medi su cinque campioni)
Unità
Kcal/kg
(% peso)
(% peso)
(% peso)
(% peso)
(% peso)
(% peso)
(% peso)
utilizzata (valori
La pollina, la cui analisi media è riportata in tabella 1
(analisi effettuate presso il Laboratorio Merceologico della
Sardegna – Camera di Commercio di Cagliari), è stata
sottoposta a pirolisi lenta, umida e catalitica ,addizionando al
materiale secco acqua in quantità pari a 200 g per kg di
Componente
Un. di misura
Note
Idrogeno
Ossido di Carbonio
Anidride Carbonica
Metano
Etano
Propano
Azoto e gas minori
PCI gas
70,00% (in volume)
10,00% (in volume)
9,00% (in volume)
4,00% (in volume)
1,00% (in volume)
3,00% (in volume)
3,00% (in volume)
6.500 Kcal/Kg
Gascromatografia
Gascromatografia
Gascromatografia
Gascromatografia
Gascromatografia
Gascromatografia
Gascromatografia
Bomba
calorimetrica
Quantità gas prodotto
Quantita Char prodotta
1,00 Kg/Kg di pollina
0,26 Kg/Kg di pollina
Tabella 2 – Composizione del gas di pirolisi prodotto e dati
significativi di produzione
materiale secco alimentato unitamente al catalizzatore. La
composizione del gas ottenuto ed il suo potere calorifico
inferiore sono riportati in tabella 2.
Valutazioni tecnico economiche
A titolo di esempio si riporta l’analisi economica
sviluppata per la costruzione di un impianto di trattamento di
due differenti materiali di origine vegetale, progettato per un
comune di circa 25.000 abitanti. Uno dei materiali (kenaf –
Hibiscus Cannabinus L., pianta annuale) sarà ottenuto da
coltivazione di terreni marginali, l’altro da operazioni di
pulizia del sottobosco (ramaglie). Il kenaf è stato
abbondantemente sperimentato in molte parti della Sardegna
con risultati estremamente positivi che ne incentivano la
coltivazione. La raccolta delle ramaglie interesserà un’area
di 5.000 ettari; la coltivazione del kenaf un’area di 4.000
ettari, Nell’analisi, oltre che della realizzazione e della
gestione dell’impianto di pirolisi e di cogenerazione, si è
tenuto conto delle operazioni di cippatura e trasporto
all’impianto pirolitico, di miscelazione delle biomasse e di
addizione dell’acqua necessaria per il processo.
I dati base assunti per la determinazione della redditività
sono riportati in tabella 3, mentre in tabella 4 sono riportati
gli elementi assunti a base della determinazione dei costi e
dei ricavi per l’impianto pirolitico.
Produzione unitaria media di cippato e
ramaglie boschive
Resa media di cippato di kenaf
Prezzo di acquisto del cippato e ramaglie
boschive
Prezzo di acquisto del cippato di kenaf
Giorni di funzionamento dell’impianto
Valore dei certificati verdi (finanziaria
2008)
Valore dell’energia elettrica (finanziaria
2008)
Fattore moltiplicativo
(finanziaria 2008)
per
filiera
3
t/ha*anno
25
80,00
t/ha
euro/t
110,00
330
0,1128
euro/t
giorni
euro/kWh
0,09163
euro/kWh
corta
1,8
Durata dei certificati verdi (finanziaria
2008)
Costo dell’irrigazione (n°2 soccorsi
annui/ha)
Valore dell’energia termica
15
anni
360,00
euro/ha
0,06
euro/megacaloria
Tabella 3 – Dati utilizzati per l’analisi economica.
Le ipotesi progettuali e i dati base assunti permettono di
ricavare l’analisi economica delle attività di valorizzazione
energetica delle biomasse agricole e forestali.
L’impianto, della potenza di poco più di 20 MW, potrà
contare su una alimentazione costante di biomasse ai reattori
pirolitici pari a circa 13,1 t/h, un funzionamento per 24 ore
giornaliere e per 330 giorni annui, considerando una fermata
di 30 giorni/anno per manutenzione. Le biomasse “secche”
sia agricole che boschive alimentate ai reattori pirolitici
saranno caratterizzate da una umidità media del 20%, ad esse
andrà aggiunta una quota d’acqua per completare le reazioni
di conversione del carbone formatosi, in ulteriore idrogeno
ed ossido di carbonio. Con una marcia tecnica dell’impianto
come quella proposta di 330 giorni si otterrà una produzione
di energia elettrica di circa 161.665.000 kWh/anno.
Il margine operativo lordo, con esclusione degli oneri
finanziari e della quota annua di ammortamento è di circa
24.219.700,00 euro/anno, considerato che l’investimento
ammonterà a circa 70.000.000,00 di euro, consentirà il
recupero di quest’ultimo in poco meno di 3 anni, mentre la
durata delle agevolazioni relative ai certificati verdi ed alla
vendita dell’energia elettrica sul mercato dedicato, è di 15
anni.
RICAVI
Vendita certificati verdi
euro
32.824.400,00
Vendita energia elettrica
13.332.000,00
totale ricavi
COSTI
Personale
Acquisto cippato e ramaglie
Acquisto cippato kenaf
Manutenzione
Costi vari
Combustibili/Chemicals
Ammortamenti
Oneri finanziari
totale costi
Margine Operativo Lordo
46.156.400,00
1.615.000,00
1.350.000,00
11.000.000,00
3.200.000,00
1.066.700,00
3.705.000,00
7.000.000,00
2.903.700,00
31.840.400,00
14.316.000,00
Tabella 4 – Analisi economica (dati annui, in Euro).
Risultati e Conclusioni
Il processo proposto è in grado di trattare quantità
notevoli di materiale, a matrice organica, con modestissimo
impatto ambientale. Il quadro economico estremamente
positivo (tempi di ritorno inferiori a 3 anni), e la notevole
modularità, consentirà di proporre l’impianto asservito a
piccoli produttori di scarti organici (caseifici ed altre piccole
realtà produttive), che per strutture di notevoli dimensioni
(amministrazioni pubbliche per lo smaltimento di rifiuti
urbani) nonché per la produzione di energia da coltivazioni
dedicate (operate ad esempio su terreni marginali). I costi
dell’energia prodotta, dipendono naturalmente dalla taglia
dell’intervento, ma sono comunque modesti (su scala
industriale sono dell’ordine di 8-12 eurocent/kWh; inoltre
per la parte del processo che tratta materiali di origine
vegetale, esso è eleggibile alle certificazioni ambientali
(certificati verdi) con tutti i ricavi che questo può comportare
sia in termini economici che ambientali.
Le analisi riportate in tabella 2 denunciano due fatti che
vanno sicuramente messi in evidenza, e che dovranno essere
oggetto di investigazione nel successivo sviluppo di un
modello matematico del processo. Ci riferiamo all’elevato
contenuto di CO2 e di C3H8 nel gas prodotto. L’elevata
concentrazione di CO2 riteniamo sia da addebitare all’elevato
contenuto di O2 nella matrice organica, mentre l’elevata
quantità di propano è invece da addebitare ad una
produzione, non già per reazioni solido-gas, ma per razioni
fluido-fluido; infatti mentre le prime hanno una evoluzione
superficiale, e quindi un modesto spazio su cui avvenire
(probabilmente la sola superficie esterna delle particelle), le
seconde hanno a disposizione uno spazio notevolmente
maggiore ed interessano tre specie molecolari due delle quali
(H2 e CO) fortemente presenti nell’ambiente di reazione.
Oltre a questi due aspetti è da mettere in evidenza
l’elevato contenuto di H2 del gas prodotto e la sua completa
combustione in assenza di produzione di nerofumo come
appurato nelle prove effettuate. Il fatto che la combustione
sia possibile in assenza di produzione di incombusti e polveri
sottili, evidenzia la notevole potenzialità del processo
proposto dal punto di vista ambientale.
La tecnologia proposta comporta i seguenti vantaggi:
1. Il processo può essere applicato sia alle biomasse
agricole e/o forestali, che ai rifiuti di qualunque
natura purché contenenti una matrice organica
(plastiche, carta, tessuti, organico putrescibile ecc);
2. la conversione della biomassa in gas è elevata e tale
gas pirolitico prodotto è talmente ricco in idrogeno
che è ipotizzabile un processo di recupero di questo
gas;
3. la produzione di carbonio è minima mentre i
componenti inorganici presenti nel materiale di
partenza (ad esempio i metalli dei materiali
elettronici) si ritrovano tali e quali in uscita in
quanto il processo è fortemente riducente;
4. assenza di produzione di combustibili liquidi;
5. il fabbisogno energetico dell’impianto è assicurato
dal gas pirolitico prodotto (su scala industriale si
prevede un consumo pari al 30% del gas prodotto);
6. le caratteristiche del gas di pirolisi sono una
garanzia per la qualità delle emissioni; infatti, offgas dei cogeneratori utilizzati per la produzione di
energia elettrica e termica, sono estremamente
puliti;
7. l’esercizio dell’impianto, qualora utilizzato per la
valorizzazione dei rifiuti, a parità di portata in
alimentazione, rispetto ad un termodistruttore
tradizionale, produce la quinta parte di emissioni;
inoltre il costo di investimento di un impianto
pirolitico è nettamente inferiore rispetto a quello di
un inceneritore; un altro vantaggio è costituito dal
recupero dei metalli in forma non ossidata che ne
facilita la valorizzazione;
8. il bio-char prodotto dalla pirolisi delle biomasse
come la pollina, risulta un elemento di pregio di tale
processo infatti in esso sono contenuti tutti i sali
minerali utili in agricoltura.
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