Universitatea ,,Constantin Brancusi,,Tg-Jiu

Facultatea de Inginerie

Programul de studii: „Ingineria si Protectia Mediului In Industrie„

Piroliza

-Proiect de semestru-

Coordonator

Sl. dr.ing. Popa Roxana

Studenti:

Giogia Gabriel Razvan

Manolache Radu Daniel

3

Cuprins

1.PIROLIZA REZIDURILOR MENAJERE…………………………………………………....5

1.1 Piroliza deşeului……………………………………………………………………...6

1.2 Procese de gazeificare a substanţelor solide cu conţinut de carbon………………….6

1.3 Piroliza în valorificarea deşeurilor…………………………………………………...7

2.PROCESAREA BIOMASEI PRIN PIROLIZA RAPIDA SI LENTA………………………..7

2.1 Conversia biomasei……………………………………………………………….…. 8

Bibiografie…………………………………………………………………………………14

4

1.PIROLIZA REZIDURILOR MENAJERE

Piroliza, ca şi incinerarea, reprezintă un proces termic de tratare a reziduurilor menajere,

prin care se obţine o descompunere termică a produşilor chimici şi în special a produşilor

organici la o temperatură

ridicată şi în absenţa oxigenului. În practică acest procedeu este denumit şi degazare. Sub efectul

temperaturii ridicate se produce o sciziune şi o structură diferită a moleculelor organice, ceea ce

face ca, după piroliza reziduurilor, acestea să se transforme în substanţe combustibile gazoase,

lichide şi

solide. Ca metodă de tratare şi valorificare a reziduurilor menajere, piroliza este încă în faza

iniţială de aplicare. În S.U.A. şi în Japonia s-au construit instalaţii de piroliză (fig.12) în care se

încălzesc reziduurile menajere la cca. 700 °C într-un recipient ermetic spre a se obţine următorii

patru compuşi:

- gaz comparabil cu gazul de iluminat;

- o parte condensabilă de hidrocarburi;

- cărbune solid din care se pot extrage uleiuri;

- metale şi sticlă, care pot fi recuperate fără alterări însemnate.

Componentele gazoase de piroliză sunt formate în principal din: H2 , CO, CO2 , CH4 , NH3 şi

au o putere calorică mai mică de 3000 kcal/m3 N.

Figura 1.Schema unei instalaţii de piroliză a deşeurilor solide.

5

Gazele care se formează în timpul pirolizei sunt supuse unei spălări în atmosfera umedă,

în scopul eliberării parţiale a componentelor gazelor toxice.

Caracteristicile procedeului de piroliză sunt următoarele:

- se reduce volumul reziduurilor la 40%, faţă de 10-20% în cazul incinerării;

- proporţia gazelor de piroliză ajunge până la 20% din cantitatea gazelor care rezultă la

incinerarea reziduurilor, ceea ce este foarte important pentru epurarea gazelor;

- 1/3 din energia conţinută în reziduurile netratate este disponibilă sub formă de gaz pentru

utilizări ulterioare;

- piroliza are avantajul că produsele obţinute pot fi stocate, deşi combustibilii găzoşi au anumite

limite de înmagazinare.

1.1Piroliza deşeului

In natură, procesul prin care s-au format petrolul şi cărbunii constituie un proces de

piroliza. La transformarea termica a lemnului în cărbuni, în cuptoare cu cărbune, are loc de

asemenea, un proces pirolitic. Prin aplicarea acestui proces natural in instalaţii tehnologice si cu

ajutorul tehnicilor moderne, ia naştere un procedeu utilizabil şi la tratarea deşeurilor. In acest

caz, sunt separate materialele organice, ca hârtia, lemnul şi materialele plastice, care la

temperatură mare şi aport limitat de oxigen, se transforma în produse solide şi gazoase.

Gazul reultat poate fi valorificat energetic, iar rămăşiţele solide (cocs de piroliză) pot fi

valorificate material.

1.2 Procese de gazeificare a substanţelor solide cu conţinut de carbon

Oxidarea completă a compusilor carbonului în dioxid de carbon (CO2) este un proces

derulat în mai multe etape. Mai întâi se formează monoxidul de carbon (CO), iar apoi, în a doua

etapă de oxidare, dioxidul de carbon (CO2). La formarea monoxidului de carbon se eliberează

relativ puţină căldură, deoarece în CO încă mai este disponibilă o mare parte din energia

chimică. De-abia în a doua etapă (la formarea CO2), această energie este consumată.

Acest mecanism si succesiune de reacţii pot fi utilizate la tratarea materialelor reziduale

cu conţinut în carbon, deci la anumite deşeuri.

6

1.3 Piroliza în valorificarea deşeurilor

La utilizarea pirolizei in procesul de valorificare a deşeurilor, o parte a materialului solid

cu continut de carbon este transformat în gaz util. Aici se ia în considerare mecanismul dat mai

sus şi, în procesul de gazeificare, se introduce exact atâta oxigen cât este necesar pentru formarea

CO.

Pentru alegerea agentului şi temperaturii de gazeificare, compoziţia şi deci şi conţinutul

de energie al gazului sunt importante. Ca agenţi de gazeificare se pot utiliza printre altele,

oxigenul, aburul, aerul sau hidrogenul. Gazul format poate fi utilizat energetic. O tehnologie

eficientă o reprezintă producerea curentului electric utilizand un motor pe gaz şi un generator,

căldura rezultată putand fi de asemenea folosită.

Cocsul de piroliză poate fi valorificat pe diferite căi, fie în formă mărunţită, ca adaos la

materialele de construcţii (de ex. la fabricarea ţiglei), fie ca părţi metalice ce pot fi cernute din

cocsul de piroliză.

Continuarea tratării cocsului de piroliză fără partea de metal este posibilă, caz in care se

produce o separare a cocsulul în gaz de sinteză cu un conţinut mare de CO şi zgură vitroasă sau

cristalină. Aceste componente se pot utiliza la fel ca şi produsele din piroliză, adica sub forma de

adaos inert la materialele de construcţii.

Cu ajutorul pirolizei se poate descompune deşeul din materiale plastice (care nu este

separat pe sortimente pure), prin procedee chimice, în substanţele de bază, uleiuri şi gaze.

Aplicarea pirolizei la deşeul mixt, cu un conţinut mare de material plastic şi alte materiale

organice este exemplificata la procesul de conversie Noell (vezi Capitolul 25),

Material solid cu conţinut în carbon material inert (cocs de piroliză) unde, pe lângă

valorificarea termică, se realizează şi o valorificare materială a gazului de sinteză.

De asemenea, trebuie amintit si procedeul PKA, la care cocsul de piroliză se introduce într-un

reactor de topire obţinandu-se gaz de sinteză şi material solid granulat vitros. În Aalen/Germania

funcţionează din 1998 o astfel de instalaţie de piroliză pentru prelucrarea a 24.000 t de gunoi

menajer.

2.PROCESAREA BIOMASEI PRIN PIROLIZA RAPIDA SI LENTA

7

Biomasa include o gama larga de materiale cum ar fi : lemnul, plante agricole si tehnice

cultivate special pentru a fi utilizate ca sursa de energie, reziduuri agricole si forestiere precum si

deseurile din industria forestiera si agricola, dar si cele din gospodarii si ferme. Biomasa contine

energie chimica stocata, care deriva din energia solara. Majoritatea biomasei consta in plante vii

si moarte, care au folosit procesul de fotosinteza pentru a stoca energie solara sub forma unor

compusi chimici care constituie insasi planta, sau rezerva inmagazinata in seminte necesara

germinarii.

Lemnul uscat are o compozitie elementara formata din aproximativ 50% carbon, 6%

hidrogen, 44% oxigen. Compusii chimici care sunt alcatuiti cu aceste elemente sunt : celuloza,

hemiceluloza, care sunt niste polizaharide si lignina care este un polimer format din unitati de

fenilpropan, continand grupari metoxil, fenolice, hidroxilice, aldehidice.

In comparatie cu combustibilii fosili conventionali, biomasa are urmatoarele caracteristici

inferioare :

- o putere calorica scazuta in raport cu combustibilii fosili ;

- continut ridicat de umezeala care cauzeaza pierderi de energie la combustie ;

- biomasa are o densitate in vrac scazuta, care necesita folosirea de utilaje mari pentru

manipulare, stocare si ardere ;

- forma fizica nu este omogena, ceea ce creaza dificultati la transport, stocare, alimentare.

2.1 Conversia biomasei

Procesele de conversie ale biomasei sunt : biologice si termice. Cele biologice sunt

procesele de hidroliza, fermentatie si digestie anaeroba. Cele termice sunt : combustia,

gazifierea, piroliza, lichefierea.

8

Procesele de conversie termica a biomasei incep cu o reducere a continutului de umiditate

a materialului, ceea ce duce la o crestere a capacitatii calorice a acesteia.

Procesul de piroliza rapida formeaza un produs lichid sau semilichid care poate fi procesat mai

departe pentru obtinerea de carburanti sau pentru producerea de gaz de sinteza.

Piroliza lenta este cunoscuta in general pentru producerea de carbune.

Conversia compusilor organici din masa de alimentare in produsi lichizi are loc la temperaturi de

300 – 500 0C, iar in procesul catalitic la presiune ridicata (50 – 350 bar), realizat in atmosfera

reducatoare( H2 sau CO) sau utilizand un sistem donor de hidrogen.

Fig.5 Sistem experimental utilizat pentru procesul

de piroliza la ICSI Rm Valcea

9

Gazefierea biomasei este un proces ce se desfasoara la temperatura ridicata in care un

combustibil solid reactioneaza cu abur, CO2, oxigen sau aer. Cele mai importante reactii sunt :

C + 1/2 O2 = CO

C + O2 = CO2

C + H2O(vap) = CO + H2

C + H2O(vap) = CO2 + 2 H2

C + CO2 = 2 CO

CO + 3 H2 = CH4 + H2O(vap)

C + 2 H2 = CH4

Piroliza biomasei este procesul de rupere a moleculelor acesteia sub influenta caldurii,

intr-o atmosfera inerta, pentru a obtine un produs gazos continand CO2, CO, H2, CH4, C2H6,

C2H4, benzen, etc., un produs lichid alcatuit din gudron, hidrocarburi cu masa moleculara mare,

apa, precum si un produs solid format din carbune.

Piroliza rapida a biomasei consta in incalzirea rapida( la nivel de sute de grade pe

secunda, normal in jur de 500 0C/s) a biomasei solide intr-o atmosfera inerta pentru a produce

combustibili gazosi, lichizi si solizi. Intr-un gazificator in pat fluidizat, piroliza rapida este

reactia initiala a biomasei. Transferul de caldura intre particule are loc cu viteze ridicate

rezultand biocombustibili la temperatura de operare ridicata, de obicei intre 750 – 950 0C.

Experimental s-a realizat piroliza rapida si lenta a biomasei la temperaturi de 800 – 1000

0C si la temperaturi mai joase de 400 – 800 0C, principalul obiectiv fiind productia de gaz si

carbune.

Materiile prime au fost : lemn de mesteacan si plop, srot din seminte de rapita rezultat dupa

stoarcerea uleiului, paie de grau, etc.

10

Sistemul experimental a fost construit dintr-un reactor tubular cu diamentrul interior de 40 mm si

lungimea de 1200 mm, un sistem de alimentare cu dozator, un rezervor la baza reactorului pentru

carbune si un filtru pentru produsul in faza de gaz – vapori.

11

Gazul purtator, azotul(15–30 L/h), a fost si el incalzit inainte de a fi introdus in reactor.

Viteza de incalzire in sistem a fost de 3–5 0C/s. Produsul sub forma de gaz – vapori este racit

pentru a condensa compusii mai grei care se separa ca fractie lichida(gudron).

Pe parcursul experimantarilor s-a observat ca o incalzire rapida a biomasei creste

productia de volatile si descreste productia de carbune( mangal).

Lucrul la temperaturi mai inalte duce la cresterea cantitatii de gudron si la scaderea celei de

carbon. La temperaturi mari creste si viteza de transformare a gudronului in produsi volatili.

Micsorand granulatia materiei prime supusa procesului de piroliza s-a obtinut o scadere a

productiei de carbune si o crestere a celei de gaz. Micsorarea dimensiunilor particulelor

pirolizate duce la un transfer mai bun de caldura.

Rezultatele experimentale arata o relatie directa intre concentratia de lignina din materia prima

supusa pirolizei si productia de mangal obtinuta prin piroliza rapida. Astfel o proba continand

numai lignina a dat 22% mangal, in timp ce din una continand numai celuloza a rezultat numai

0,3% mangal. Srotul de rapita continand circa 15% lignina a dat prin piroliza rapida 3,9%

mangal restul fiind produse volatile.

Analiza mangalului obtinut arata ca o data cu cresterea temperaturii de piroliza,

continutul de carbon creste iar cel de hidrogen si oxigen scade.

Reactivitatea mangalului in reactia cu vapori de apa este cu atat mai mare cu cat

temperatura de piroliza a fost mai mare, timpul de reactie mai scurt, iar materia prima a fost

constituita din particule de dimensiuni mai mici.

Mangalul obtinut prin piroliza lenta are o structura fibroasa, pe cand cel obtinut prin

piroliza rapida are o structura poroasa.

12

Compozitia gazelor produse in cursul pirolizei arata cresterea procentului de hidrogen si

scaderea procentului de hidrocarburi cu cresterea temperaturii de piroliza datorita intensificarii

reactiilor de cracare termica. Asemanator, la piroliza rezidurilor agricole se constata o scadere a

continutului de CO2 si o crestere a celui de CO, o data cu cresterea temperaturii. Cresterea

temperaturii de contact dintre faza gazoasa si cea solida favorizeaza cracarea hidrocarburilor

alifatice si formarea de asemenea a hidrogenului si a hidrocarburilor aromatice( benzen, toluen).

Particulele de dimensiuni mici favorizeaza cracarea hidrocarburilor cu o crestere a

productiei de hidrogen.

Daca scopul gazificarii biomasei este producerea gazului de sinteza pentru fabricarea

metanolului sau a carburantilor prin procedeul Fischer – Tropsch, metoda care se pare ca a

inceput sa fie aplicata consta in lichefierea biomasei lignocelulozice prin piroliza rapida. Se

obtine o suspensie densa de aproximativ 1300 Kg/m3 continand mangal in ulei de piroliza

Aceasta suspensie colectata de la mai multe instalatii de piroliza este transportata la o

instalatie centrala mare de gazificare. Aici suspensiile sunt pompate intr-un gazogen si

tranformate in gaz de sinteza la temperatura si presiune mai ridicate.

In cursul unor experimentari de gazificare a srotului de rapita cu aer, s-a obtinut un produs gazos

ce continea 18–24% H2, 18–22% CO, 7–9% CH4, 1–3% hidrocarburi C2+, deci in jur de 33%

gazul este format din compusi cu putere calorica superioara care poate fi valorificata pentru

producerea de energie.

Dupa cum se poate deduce din cele expuse pana aici, cercetarile facute demonstreaza ca

posibilitatea aplicarii in practica a proceselor de recuperare si valorificare a biomasei in cadrul

unor platforme de procesare integrate, este reala putand aduce beneficii privind reducerea

dependentei de combustbilii fosili, micsorarea poluarii, valorificarea integrala a materiilor

agricole, stimularea culturii plantelor tehnice in vederea obtinerii de profituri mai mari pe

suprafata cultivata, cresterea nivelului de trai in localitatile rurale prin productia locala de

combustibili, energie termica si electrica

13

14

BIBLIOGRAFIE

1. Antonescu N. N., ş.a, Gestiunea si tratarea deseurilor urbane. Gestiunea regionala, Ed. MatrixRom, Bucureşti, 2006.

2. Bold O.V., Maracineanu G.A., Managementul deseurilor solide urbane si industriale, Ed. MatrixRom, Bucureşti, 2004.

3. Capatina C., Racoceanu C., Deseuri, MatrixRom, Bucureşti, 2006.4. Ianculescu, O., Solid waste engineering, Ed. MatrixRom, Bucureşti, 2004.5. Paunescu I., Atudorei A., Gestiunea deseurilor urbane, Ed. MatrixRom, Bucureşti, 2004. 6. Voicu Ghe., Paunescu I., Procese si utilaje pentru ecologizarea localitatilor, Ed.

MatrixRom, Bucureşti, 2006.

15