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 carta@dicm.unica.it

** Maim Engineering srl, Cagliari,Piazza Giovanni XXIII N° 27 T. 070403552 e-mail mariocruccu@maim.it

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+H2OCO+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+H2OCO+H2.

Avvengono naturalmente altre reazioni secondarie che

portano alla produzione di CO2, idrocarburi leggeri ed altri

1

2 4 3

5

5

8

9

1

2 3 4

9

10

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.

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

ulteriormente raffreddato per “quench” adiabatico con H2O

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.

2

fiamma

1

3

4

5

6

7

8 9

Figura 1 rappresentazione schematica del processo

(__ linee di processo; … linee acqua)

1

10

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).

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

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.

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

Caratteristica Valore numerico Unità

PCI 2.604 Kcal/kg

Carbonio 39,41 (% peso)

(% peso)

(% peso)

(% peso)

(% peso)

(% peso)

Idrogeno 5,25

Azoto 5,89

Zolfo 0,2

Ossigeno 32,63

Cloro 0

Inorganici 16,62 (% peso)

Tabella 1- Analisi della Pollina secca utilizzata (valori

medi su cinque campioni)

Produzione unitaria media di cippato e

ramaglie boschive

3 t/ha*anno

Resa media di cippato di kenaf 25 t/ha

Prezzo di acquisto del cippato e ramaglie

boschive

80,00 euro/t

Prezzo di acquisto del cippato di kenaf 110,00 euro/t

Giorni di funzionamento dell’impianto 330 giorni

Valore dei certificati verdi (finanziaria

2008)

0,1128 euro/kWh

Valore dell’energia elettrica (finanziaria

2008)

0,09163 euro/kWh

Fattore moltiplicativo per filiera corta

(finanziaria 2008) 1,8

Durata dei certificati verdi (finanziaria 2008)

15 anni

Costo dell’irrigazione (n°2 soccorsi

annui/ha)

360,00 euro/ha

Valore dell’energia termica 0,06 euro/megacaloria

Tabella 3 – Dati utilizzati per l’analisi economica.

Componente Un. di misura Note Idrogeno 70,00% (in volume) Gascromatografia

Ossido di Carbonio 10,00% (in volume) Gascromatografia Anidride Carbonica 9,00% (in volume) Gascromatografia Metano 4,00% (in volume) Gascromatografia Etano 1,00% (in volume) Gascromatografia Propano 3,00% (in volume) Gascromatografia Azoto e gas minori 3,00% (in volume) Gascromatografia PCI gas 6.500 Kcal/Kg Bomba

calorimetrica

Quantità gas prodotto 1,00 Kg/Kg di pollina

Quantita Char prodotta 0,26 Kg/Kg di pollina

Tabella 2 – Composizione del gas di pirolisi prodotto e dati

significativi di produzione

durata delle agevolazioni relative ai certificati verdi ed alla

vendita dell’energia elettrica sul mercato dedicato, è di 15

anni.

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, off-

gas 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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ottobre 1997, anno XII, pp 2-11

RICAVI euro

Vendita certificati verdi 32.824.400,00

Vendita energia elettrica 13.332.000,00

totale ricavi 46.156.400,00

COSTI

Personale 1.615.000,00

Acquisto cippato e ramaglie 1.350.000,00

Acquisto cippato kenaf 11.000.000,00

Manutenzione 3.200.000,00

Costi vari 1.066.700,00

Combustibili/Chemicals 3.705.000,00

Ammortamenti 7.000.000,00

Oneri finanziari 2.903.700,00

totale costi 31.840.400,00

Margine Operativo Lordo 14.316.000,00

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