Menu

Piroliza biomasy

    Definicja pirolizy

Termin piroliza (połączenie greckich słów πῦρ - ogieo i λύσις – rozkład) oznacza rozkład cząsteczek związku chemicznego pod wpływem podwyższonej temperatury bez obecności tlenu lub innego czynnika utleniającego. Zazwyczaj w czasie procesu pirolizy następuje rozkład złożonych związków chemicznych do związków o mniejszej masie cząsteczkowej. Procesowi pirolizy mogą być poddawane zarówno materiały organiczne (np. węgiel, biomasa, odpady), jak i nieorganiczne (surowce ceramiczne). Piroliza substancji organicznych prowadzi do otrzymania stałej pozostałości, tzw. karbonizatu i wydzielenia części lotnych w postaci smoły pirolitycznej i gazu pirolitycznego. W skali przemysłowej celem procesu pirolizy materiałów organicznych jest przetwarzanie surowców (węgiel, biomasa) do użytecznych form energii, recykling surowcowy (polimery odpadowe) oraz wytwarzanie półproduktów będących surowcami do dalszego ich wykorzystania. Piroliza surowców ceramicznych w wysokich temperaturach, powoduje ich spiekanie przy jednoczesnym usunięciu wody. Otrzymuje się w ten sposób materiały ceramiczne o dużo niższej gęstości od gęstości surowca.
Termochemiczne przetwarzanie surowców pochodzenia organicznego na drodze pirolizy zalicza się do najstarszych przemysłowych procesów termicznych znanych człowiekowi. Sucha destylacja drewna znana jest od ok. 8000 lat. W jej wyniku otrzymywany jest węgiel drzewny, który stanowił podstawowy materiał w procesach metalurgicznych. Smoła dostarczała substancji do impregnacji, izolacji itp. Woda wytlewna znajdowała zastosowanie w balsamowaniu.

 

6.2.2 Podział procesów pirolizy

Rozróżniamy kilka rodzajów pirolizy ze względu na stosowane warunki procesu takie jak temperatura, szybkość nagrzewania, stopień rozdrobnienia, czas wygrzewania w temperaturze końcowej, Tabela 1. Może to być piroliza konwencjonalna, szybka lub błyskawiczna, przy czym ta ostatnia nie ma zastosowania w większej skali.

 

Tabela 1. Parametry różnych rodzajów pirolizy

ozebio32.jpg

 

W zależności od szybkości pirolizy produktem końcowym może być paliwo stałe, ciekłe lub gazowe.

Piroliza wolna - używana jest powszechnie do produkcji węgla drzewnego. W wolnej pirolizie substancja organiczna ogrzewana jest do temperatury ok. 500°C z szybkością od kilku do kilkudziesięciu stopni na minutę. Lotne produkty procesu wydzielają się stopniowo co powoduje, że składniki gazów reagują z innymi składnikami stałej pozostałości, czy oleju pirolitycznego. Powstałe pary są w sposób ciągły odprowadzane i formowane do oleju. Proces pirolizy może trwać kilka minut lub nawet kilkanaście godzin. (zob. też toryfikacja biomasy)

Fot. Retorty do wypalania węgla drzewnego - Bieszczady.

 

Piroliza szybka

 
Ostatnio bardzo popularna z uwagi na możliwość otrzymywania bio-oleju lub inaczej oleju pirolitycznego.
  Najważniejszymi cechami szybkiej pirolizy z biomasy są :
- krótki czas reakcji,
- możliwość szybkiego chłodzenia par dające duże wydajności produktów płynnych,
- możliwość starannego i precyzyjnego doboru warunków temperaturowych reakcji.
Podstawowe właściwości szybkiej pirolizy to:
- bardzo szybkie ogrzewanie (ok. 100
°/s);
- temperatura reakcji 425-500
°C;
- krótki czas procesu;
- szybkie schładzanie lotnych produktów do bio-oleju.
W wyniku szybkiej pirolizy substancja organiczna rozkłada się do par, aerozoli i stałej pozostałości. Pary i aerozole po ochłodzeniu i kondensacji tworzą ciemno-brązową ciecz. W zależności od rodzaju użytego wsadu, powstaje 60-70% ciekłego bio-oleju, 15-25% mas. stałej pozostałości i 10-20% nie skroplonych gazów. Szybkie ogrzewanie i szybkie chłodzenie powoduje powstawanie z wysokocząsteczkowych gazów podstawowego produktu: bio-oleju. W wyższej temperaturze głównym produktem jest gaz. Krótki czas reakcji minimalizuje tworzenie stałej pozostałości. Wytwarzany w szybkiej pirolizie olej stanowi produkt przeznaczony do dalszej przeróbki, a stała pozostałość i gazy są zawracane do procesu i wykorzystywane jako paliwo, co przedstawiono na poniższym rysunku.

Rys. Proces pirolizy szybkiej biomasy.

 

Ciekły produkt z procesu pirolizy biomasy (bio-olej) składa się z dwóch faz: olejowej oraz wodnej,
zawierającej znaczne ilości związków tlenowych o małej masie cząsteczkowej. Bio-olej jest
wieloskładnikową mieszaniną składającą się z cząsteczek o różnej wielkości, pochodzących z
depolimeryzacji i fragmentacji trzech kluczowych składników biomasy: celulozy, hemicelulozy oraz
ligniny. Skład chemiczny bio-oleju jest bardziej podobny do biomasy niż do olejów ropopochodnych.
Właściwości fizyczne oraz skład elementarny zestawione został w poniższej tabeli.

Rys. Właściwości bio-oleju.

 

Dużą grupą związków zidentyfikowanych w olejach pirolitycznych są: kwasy karboksylowe, alkohole, fenole, estry, aldehydy, ketony oraz heterocykliczne połączenia tlenowe. Woda w bio-oleju pochodzi głównie z wilgoci materiału, ale także jest produktem reakcji dehydratacji zachodzącej podczas pirolizy. Dlatego jej zawartośd zmienia się w szerokim zakresie (15-30%), w zależności od materiału i warunków procesu. Faza wodna zawiera niektóre związki takie jak kwas octowy, fenole, czy hydroksyaceton, z których mogą byd pozyskiwane użyteczne chemikalia.
Gaz pirolityczny
Głównymi składnikami gazu otrzymanego na drodze pirolizy biomasy są CO2, CO i węglowodory
np. metan, etan. Jest to produkt o niskiej kaloryczności, rzędu 6-8 MJ/m3.

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});