Il fenomeno della pirolisi accompagna sempre la combustione di combustibile solido in forni di riscaldamento e caldaie. La scala del processo dipende da due fattori: la modalità di combustione e la progettazione della centrale elettrica domestica. Offriamo uno sguardo dettagliato alla pirolisi del legno o del carbone, opzioni per il suo utilizzo in condizioni industriali e domestiche. L'obiettivo è sfatare i miti inventati dai venditori e dai produttori artigianali di costose apparecchiature di "pirolisi" progettate per riscaldare le case private.
Cos'è la pirolisi - descrizione del processo
Teoricamente, qualsiasi sostanza, compresi i composti del carbonio con idrogeno, può essere bruciata, ad esempio:
- carbone;
- gas naturale (metano, propano e così via);
- biomassa: fresca, secca;
- prodotti in legno, cellulosa, legno ordinario;
- vari tipi di materie plastiche;
- gomma di gomma naturale o artificiale;
- petrolio, suoi derivati;
- altri rifiuti contenenti carbonio.
All'uscita, ottenere una certa quantità di energia termica, a seconda del contenuto iniziale di umidità della massa bruciata. Per descrivere i processi, utilizziamo la formula chimica:
La combustione è una rapida reazione di ossidazione. In condizioni ideali, ogni atomo di carbonio si combina con due particelle di ossigeno e 2 atomi di idrogeno interagiscono con 1 particella di ossigeno. Di conseguenza, si formano composti innocui: anidride carbonica CO2 e acqua. Quest'ultimo evapora quando riscaldato, portando via parte del calore rilasciato.
Un punto importante In condizioni reali, non tutti gli atomi di idrogeno e carbonio trovano un compagno a causa della mancanza di molecole di ossigeno. Pertanto, la composizione dei prodotti della combustione comprende una piccola frazione di composti combustibili nocivi - monossido di carbonio (CO), idrogeno libero (N2) e carbonio sotto forma di fuliggine.
La pirolisi è una reazione di decomposizione di una sostanza che si verifica quando riscaldata e mancanza di ossigeno libero. Il principio indicato viene utilizzato nelle unità generatrici di gas:
- Il combustibile (in particolare il legno) è posto all'interno di un recipiente metallico chiuso - reattore.
- La capacità viene riscaldata esternamente a 500 ... 900 gradi, attraverso aperture speciali: viene fornita una quantità misurata di aria.
- Sotto l'influenza dell'alta temperatura, la sostanza si decompone in 3 componenti principali: monossido di carbonio (CO), idrogeno (N2) e residui di carbonio solido o liquido. Una piccola quantità di anidride carbonica e vapore acqueo si formano in parallelo.
- I prodotti volatili formano il gas di pirolisi - una miscela combustibile di idrogeno e monossido di carbonio, che lascia il serbatoio attraverso una tubazione separata. Il carburante gassoso rilasciato viene pulito, raffreddato e quindi pompato nel serbatoio.
Riferimento. In condizioni di produzione, il gas di sintesi risultante viene inviato per riscaldare la stessa capacità del generatore di gas.
La combustione e la pirolisi sono 2 processi diversi che possono verificarsi contemporaneamente. Esempio: durante un'intensa combustione di legna da ardere, una piccola quantità di monossido di carbonio, una CO innocua, si forma nella fornace della caldaia2 molto più grande. E viceversa, nel regime fumante della legna da ardere vengono rilasciati molti idrogeno e fumi, parte dei quali riesce a trasformarsi in CO2 - ossidare. Cioè, tutto dipende dalla quantità di ossigeno coinvolta nella reazione.
L'effetto di alta umidità
L'alto contenuto di umidità nel materiale di partenza influenza ugualmente le reazioni di combustione e pirolisi. Considera i processi di combustione del legno come esempio:
- Quando brucia, l'energia rilasciata viene spesa per evaporare l'acqua contenuta nel legno. La quantità di calore all'uscita è notevolmente ridotta, il carburante viene sprecato.
- L'umidità rallenta notevolmente la decomposizione termica di una sostanza.L'acqua evaporata prende parte del calore speso per il riscaldamento; la temperatura richiesta (minimo 500 ° C) non viene raggiunta. La pirolisi del legno contenente più del 50% di umidità è quasi impossibile.
Il miglior indicatore di umidità per la fruttuosa combustione o decomposizione del legno in un generatore di gas è dell'8 ... 15%. A casa, non è realistico raggiungere tali indicatori, l'essiccazione prolungata della legna da ardere sotto un baldacchino consente di ottenere un contenuto di umidità del 20-25%.
Riferimento. Nella produzione di pellet di combustibile e bricchette nell'impianto, la segatura viene essiccata ad un indicatore dell'8-10%. L'umidità massima dei granuli finiti è del 15%.
Perché usare la decomposizione termica
L'ambito dei processi pirolitici è piuttosto ampio:
- Produzione di propilene ed etilene per l'industria chimica mediante lavorazione di materie prime idrocarburiche liquide (olio).
- Ottenere carbone con il metodo di decomposizione senza ossigeno dei rifiuti della lavorazione del legno.
- Lo stesso processo tecnologico, ma con una fornitura d'aria limitata, consente la generazione di gas di sintesi combustibile da un albero: una miscela di metano, idrogeno, monossido di carbonio e azoto neutro.
- Pirolisi del carbone - marrone e pietra - un'intera area di lavorazione. I composti risultanti sono benzina sintetica, coke, ammoniaca, catrame di carbone. Toluene, benzene, naftalene e vari fenoli utilizzati nell'industria chimica sono estratti da quest'ultimo.
- Nuovi sviluppi: utilizzo commerciale di rifiuti solidi urbani, pneumatici per auto, plastica, prodotti organici.
Nota. I metodi più famosi per l'utilizzo delle reazioni pirolitiche sono elencati qui. In realtà, ci sono molti altri casi d'uso. Wikipedia afferma che i processi di pirolisi non sono completamente compresi, molti progetti sono in fase di sviluppo.
Per la decomposizione termica, nell'industria vengono utilizzati forni a pirolisi e vari reattori. Il diagramma sopra mostra un generatore di gas che trasforma i rifiuti di legno e la segatura in combustibile gassoso. Qui il ruolo principale è svolto dal reattore a distillazione diretta a secco, dove le materie prime preparate vengono trasformate in gas di sintesi mediante combustione lenta.
Una sfumatura importante. Prima di caricare in un forno a pirolisi o un generatore di gas, il legno viene sempre frantumato ed essiccato con un contenuto di umidità del 10% o inferiore.
Nella chimica industriale, viene utilizzata anche la tecnologia di pirolisi rapida, quando il reattore viene riscaldato a una temperatura di 700 ... 900 ° C per un breve periodo di tempo. L'obiettivo è aumentare la produttività delle apparecchiature e accelerare l'elaborazione.
Uso domestico
A livello familiare, la pirolisi aiuta a risolvere i seguenti problemi:
- pulizia del forno o della friggitrice da depositi di grasso appiccicoso che non possono essere rimossi meccanicamente;
- produzione di carbone;
- riscaldamento di una casa privata con una caldaia a combustibile solido a pirolisi.
Il metodo migliore per pulire la padella è metterlo nel forno, impostare la temperatura a 200 ... 250 ° C e lasciar riposare per mezz'ora. Senza ossigeno, si verificherà la distruzione dei sedimenti, rimarrà solo la cenere e la cappa aspirante eliminerà i gas di pirolisi.
Riferimento. Esistono modelli di forni con funzione di pulizia pirolitica integrata. Alla fine della "tostatura", resta solo da pulire le superfici interne e scartare la cenere risultante.
I carboni vengono utilizzati per friggere barbecue, fabbro e scopi più esotici: rifornire di carburante un generatore di gas per automobili (come funziona, leggiamo in un materiale separato). Il metodo per ottenere - bruciare i rifiuti di legno all'interno di un contenitore chiuso, cioè la pirolisi lenta.
Proponiamo di analizzare in dettaglio i problemi associati ai generatori di calore a legna per pirolisi.
Miti sulle caldaie a pirolisi TT
La principale differenza strutturale tra un generatore di gas e una tradizionale caldaia a combustione diretta è di 2 camere invece di una.Un ugello in ceramica è disposto tra entrambe le camere di combustione; l'aria è forzata da un ventilatore. Le pareti metalliche dell'unità di pirolisi sono protette da un rivestimento in mattoni refrattari. Come lavora:
- Legna da ardere o carbone viene posato nella camera superiore (primaria) e dato alle fiamme.
- L'automazione avvia la ventola boost.
- Quando la temperatura nel focolare sale a 500 gradi, inizia il rilascio di gas di pirolisi.
- Trasportati dal flusso generale di prodotti della combustione, questi composti volatili entrano nella camera secondaria inferiore, dove vengono bruciati in presenza di ossigeno (presumibilmente).
In effetti, il gas di sintesi risultante inizia a bruciare anche nel forno primario, poiché il ventilatore fornisce aria in eccesso. Solo una torcia di fiamma viene diretta nella seconda camera ... e basta. Inoltre, i prodotti della combustione si muovono attraverso i tubi di calore dello scambiatore di calore, riscaldano il liquido di raffreddamento e volano nel camino.
Addizione. C'è un altro design di riscaldatori: senza un ventilatore, la camera secondaria si trova nella parte superiore. Dal punto di vista della pirolisi, il concetto non è operativo, l'unità funziona come una normale caldaia ad acqua calda a legna, anche se costa il doppio rispetto alle controparti classiche.
I sostenitori dei generatori di calore a pirolisi (come i produttori di questa apparecchiatura, i venditori e gli artigiani domestici) attribuiscono i seguenti vantaggi alle loro caldaie TT:
- il combustibile viene completamente bruciato, il resto nel portacenere è praticamente zero;
- tempo di combustione - 10 ore o più;
- bassa quantità di emissioni nocive nell'atmosfera;
- alta efficienza grazie all'efficienza dell'86 ... 90% (indicatori dei produttori) rispetto alle caldaie tradizionali con un'efficienza del 75%.
Proviamo a capire la veridicità di queste affermazioni. Il primo momento: se il focolare viene caricato con legna asciutta (ciò è necessario secondo le istruzioni per l'uso del riscaldatore), dopo la combustione rimarrà della cenere fine. Il flusso d'aria creato dalla ventola e che accelera nell'ugello soffia semplicemente un leggero residuo nel camino.
Il risultato è una bacinella quasi vuota, un'illusione di una combustione completa. Se metti la legna asciutta in una classica caldaia turbo TT, otterrai un residuo simile - un po 'di cenere sul fondo. Cioè, la completezza della combustione dipende dalla qualità del combustibile e non dalla progettazione del generatore di calore.
Commento. La posa di legna grezza con un'umidità superiore al 50% darà un risultato negativo a qualsiasi caldaia. Considerare tali opzioni è inutile.
Rispondi brevemente alle restanti dichiarazioni:
- Il tempo di combustione di 10-12 ore corrisponde alla realtà. Un'altra cosa è che l'indicatore viene raggiunto a causa delle dimensioni della camera del carburante (100 litri o più), dove viene posizionata molta legna da ardere. La pirolisi non ha assolutamente nulla a che fare con esso.
- La garanzia ambientale della caldaia è vera. Il ventilatore pompa l'aria in eccesso; si formano pochissimi gas tossici. In modalità standby, l'ossigeno non penetra nella fornace, la legna da ardere brucia lentamente e aumenta la quantità di emissioni nocive.
- L'efficienza della caldaia del 90% è una favola. Nella modalità di combustione attiva, il principio di funzionamento della caldaia è simile alle versioni turbo delle unità tradizionali, la cui efficienza non supera il 75%. Quando la ventola viene spenta, la fiamma si spegne, le braci emettono poco calore.
Conclusione. L'acquisizione di un modello generatore di gas di una caldaia a combustibile solido è un'impresa molto dubbia. L'unità è tre volte più costosa rispetto alle versioni normali e due volte più pesante a causa del rivestimento. Generatori di calore fatti in casa, di norma, sono più affidabili e più economici di quelli di fabbrica, ma troppo ingombranti. In termini di efficienza e altre caratteristiche, non superano le classiche caldaie TT con controllo di trazione a turbina o catena.
Un noto professionista esperto confermerà la nostra opinione nel suo video:
Conclusione
In generale, la pirolisi è un fenomeno piuttosto utile ampiamente utilizzato nella chimica industriale.A livello domestico, i processi pirolitici vengono utilizzati raramente, sebbene la generazione di gas combustibili avvenga in qualsiasi stufa o caldaia a legna. Quindi è inutile acquistare costosi modelli di pirolisi.