PLTRnW piroliza - ćwiczenie 4, Technologia chemiczna, semestr VI, labolatorium, ropa i węgiel
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
PIROLIZWGLIBIOMSY
PremyłowelaboratoriumtechnologiichemicnejIB
PIROLIZWĘGLIBIOMASY
Termin
piroliza
(połąceniegreckichłów
πῦρ
- ogieoi λύι– rokład)onacarokład
wiąkuchemicnegopodwpływempodwyżonejtemperatury beobecnocitlenulub
innegocynnikautleniającegoZawycajwcaieproceupiroliynatpujerokładłożonych
wiąkówchemicnychdowiąkówomniejejmaiecąteckowej
Procesowi piroliymogąbydpoddawanearównomateriałyorganicne(npwgielbiomaa
odpady), jak i nieorganiczne (surowce ceramiczne). Piroliza substancji organicznych prowadzi do
otrymania tałej pootałoci tw karboniatu i wydielenia cci lotnych w potaci moły
pirolitycnej i gau pirolitycnego W kali premyłowej celem proceu piroliy materiałów
organicnychjetpretwaranieurowców(wgielbiomaa)doużytecnychormenergiirecykling
urowcowy(polimeryodpadowe)orawytwaraniepółproduktówbdącychurowcamidodalego
ich wykorytania Pirolia urowców ceramicnych w wyokich temperaturach powoduje ich
piekaniepryjednocenymuuniciuwodyOtrymujeiwtenpoóbmateriałyceramicneo
dużoniżejgtociodgtociurowca.
Termochemicnepretwaranieurowcówpochodeniaorganicnegonadrodepiroliyalica
idonajtarychpremyłowychproceówtermicnychnanychcłowiekowiSuchadetylacja
drewnananajetodok8000latWjejwynikuotrymywanyjetwgieldrewnyktórytanowił
podtawowymateriałwproceachmetalurgicnychSmoładotarcałaubtancjidoimpregnacji
iolacjiitpWodawytlewnanajdowałaatoowaniew balsamowaniu.
Obecnienajwikenaceniepremyłowegoatoowaniaproceówpiroliywglaibiomay
mają kokowanie (
!prozę przypomnied obie tred intrukcji:
KOKSOWNIE WĘGL
!
–
i wytlewanie (półkokowanie). Sątoodpowiednio
procesy wysokotemperaturowego i niskotemperaturowego odgazowania paliwa. Należy też
pamitadżepiroliajetnietylkoważnympremyłowymproceempretwaraniawglaibiomay
aletakżejetitotnymetapeminnychproceówtermochemicznego, spalania i zgazowania.
W dalzej częci intrukcji uwagę kupiono na procesie niskotemperaturowej pirolizy.
1.
Surowce do procesu pirolizy: węgiel i biomasa
Naturalnepaliwatałeąważnymiurowcamidlawpółcenegopremyłuchemicnegoa
produkty ichprerobuwykorytujeimindoprodukcjiarblakierówżywicarmaceutyków
paliwciekłychitałychwgliaktywnychchemikaliówWależnociodawartocipierwiatkaC
wyróżniaipidpodtawowychgruppaliwtałych
Drewno
Torf
Wgielbrunatny
Wgielkamienny
Antracyt.
Podtawowymiurowcamiwykorytywanymiwproceachpiroliyąwgiel (koksowanie) i
biomasa (sucha destylacja, szybka piroliza)Znajomodtrukturychemicnejtychurowcówjakiich
zachowania w trakcie pirolizy jest niezwykle istotna z punktu widzenia zastosowania optymalnych
rowiąaotechnologicnych(nprodajreaktora/pieca)doboruwarunkówprowadeniaproceu
(temperaturaybkodogrzewania, czas trwania procesu), eektywnociproceuatakże jego
uciążliwocidlarodowika
Strukturachemicnabiomayjetwyranieróżnaodtrukturychemicnejwglacomożna
apiadwpotaciurednionegowzoru sumarycznego dla biomasy jako - C
1
H
1,45
O
0,7
adlawgla
PIROLIZWGLIBIOMSY
kamiennego jako C
1
H
0,8
O
0,08
[1]. Tak znaczna różnicawkładiechemicnympomidyobydwoma
paliwami skutkuje różnicamiwich właciwociach (Tabela 1).
Tabela1Porównaniekładuiwłaciwociużytkowychbiomaywglaigauiemnego [2].
Słoma
Drewno Wgielkamienny
Gaz ziemny
WilgodW
a
,
% mas.
15
30
12
0
Popiół
a
, % mas.
3
1
12
0
CcilotneV
a
, % mas.
73
55
25
100
WartodopałowaMJ/kg
15
10,5
25
48
WgielC
a
, % mas.
43
35
59
75
WodórH
a
, % mas.
5,2
4
3,5
24
Chlor Cl
a
, % mas.
0,2
0,1
0,08
0
Azot N
a
, % mas.
0,41
0,1
1
0,9
Siarka S
a
, % mas.
0,13
0,1
0,8
0
Tlen O
a
, % mas.
38
43
7,3
0,9
Węgiel
Wgiel kamienny jet najważniejym tałym paliwem kopalnym arówno pod wgldem
jakociowymjakiilociowym. Spoóbpremyłowego wykorzystania wglakamiennegoależyod
jego parametrówużytkowych
takichjakawartodccilotnychpiekalnodiwartodopałowa
któredecydująoklayikacjiwglaWgielkamienny
tanowi podstawowy surowiec energetyczny
(
spalanie
) i
surowiec do otrzymywania koksu (
koksowanie
).
Wgiel kamienny jet heterogenicną kałą oadową pochodenia organicnego głównie
rolinnego która awiera 75-92 % mas. pierwiatka wgla (w przeliczeniu na stan suchy,
bepopiołowy). Składitrukturachemicnawglamieniaiwmiarpotpującegoproceu
uwglenia Wwgluaadnicącdtanowiubtancjaorganicnaktórejtowaryyubtancja
mineralna i woda.
Podstawowym elementem truktury chemicnej wgla jet kielet wglowy do którego
pryłąconeąpootałepierwiatkipredewytkimwodór atakżeheteroatomy siarka, azot i
tlen. tomywglawytpująwkondenowanychukładachwglowodorowychikondenowanych
układach heterocyklicnych Ważny element truktury chemicnej wgli tanowią układy
aromatycne o nikim topniu kondenacji i układy aliatycne Skielet wglowy dopełniają
połąceniawglaheteroatomamitworącgrupyunkcyjnemotkiirogałieniaTlenwytpujew
potaci eregu grup unkcyjnych arówno reaktywnych (-COOH, -OCH
3
, -C=O, -OH), jak i
niereaktywnych (C-O-Ctlenwbudowanywpiercieo)otkoleipojawiaiwwglugłówniew
układachcyklicnychpiciocłonowych (ugrupowania pirolowe), sceciocłonowych(ugrupowania
pirydynowe)atakżejakoaotbiałkowy(grupyaminowe)Siarkawytpujearównowpołąceniach
nieorganicznych (siarczki, siarczany), jak i organicznych (tiole, siarczki, tiofeny). Obecnod
heteroatomówigrupunkcyjnychdecydujeorodajupremianachodącychwtrakcieogrewania
Biomasa
Biomasa definiowana jest jako ubtancja organicna produkowana energii łonecnej
dwutlenkuwgla(atmoery)iwody w wyniku reakcji fotosyntezy. Biomaamożebydpochodzenia
rolinnegolubwiercegoalemożeteżpowtawadwwynikutwmetabolimupołecnego
W odróżnieniu od innych organicnych paliw tałych biomasa charakteryuje i niką
awartociąpierwiatkaCajednoceniewyokąawartociątlenu. Inne heteroatomy, tj. siarka i
aotwytpująwbiomaiewmałychilociachi w niewielkimtopniuwpływająnaprebiegproceu
pirolizy.
Biomapochodeniarolinnegotanowiątrypodtawowekładniki
celuloza
którajako
włóknitewglowodanytworyrąbcianykomórkowej
hemiceluloza
bdącapoliacharydem
wytpującymwdrewniałychtkankachrolinnychi
lignina
wikającawytrymałodmechanicną
PIROLIZWGLIBIOMSY
ichemicnącianceluloowych. Do pootałych kładnikówbiomayalicaim.in. żywice woski,
białkaiccimineralne
2.
Piroliza paliw stałych - przemiany fizykochemiczne substancji
organicznej.
Piroliza paliwtałychtakich jakwgielczy biomasa, jakoprocetermochemicnegorokładu
substancji organicznej, prowadzi do powstawania tałejpootałocimoływodyrokładowej i
gazu.
Skielet materiału organicnego w wyniku podwyżania temperatury ulega termicznej
dekompozycji wydieleniemwiąkówomniejejmaiecąteckowejTermochemicnyrokład
komplikowanychukładów chemicznych jakimiąwgielibiomaa niedaiapiadwpotacijednej
reakcjichemicnejNajbardiejprawdopodobnyjetrównocenyprebiegwielu reakcji pierwotnych
iropadubtancjiorganicnejwróżnychjejmiejcachOpróctego zachodąwtórnereakcjektóre
nacnie mieniają charakter produktów wydielających podca reakcji pierwotnych Schemat
takiegoprebieguproceupiroliypredtawiononaponiżymrysunku:
Reakcjeachodącewtrakcieproceupiroliymateriałuorganicnegoalicaneądoreakcji
rodnikowych. Wzrost temperatury powoduje ropadnajmniejtrwałychwiąaoi wikanieiiloci
wolnychrodnikówktóremogąreagowadnawieleróżnychpoobówPrzebieg tych reakcji ależyod
rodajuiwielkocicątekurowcarelacjitemperaturowo-caowychcyteżrodajuicinienia
atmoerygaowejpanującychwreaktorze [1]. Niewykleważnąrolwprebiegureakcjipiroliy
odgrywajągrupyunkcyjne iobecnodwodoruktórytabiliujewolnerodniki. Uproszczony przebieg
reakcjiktóremogąachodidpodcapiroliyubtancjiorganicnejpredtawionoponiżej [3]:
Rokładtermicnywiąaomatrycyorganicnej
R : R
R
˙ +
R
˙
Pryłąceniewodorupochodącegoewntrnychiwewntrnychródeł
R
˙ +
H
˙
R : H
Rozpad rodnika
R
˙
+
R
’:
H
+
R
’’˙
Dysproporcjonowanie wodoru
2R
˙
R : H
+
R
’
-CH=CH
2
Łącenierodników
R
˙ +
R
˙
R : R
Wtrakciereakcjirokładutermicnegopaliwwydielająiubtancjearównoreaktywnejaki
niereaktywne Subtancje reaktywne mogą ulegad wtórnym reakcjom rokładu a
wyokocąteckowekładnikiwreakcjachpolimeryacji kondensacji i rekombinacjitworątałą
pootałodoróżnychwłaciwociachitrukture.
PIROLIZWGLIBIOMSY
Sybkodogrewaniapróbekmadecydującywpływarównonawydajnodproduktówjakina
przebieg reakcji, a w konsekwencji na rodajproduktówrokładuImwikaybkodogrewania
próbekiybechłodenieproduktówrokładutymmniejreakcjiwtórnychachodiwcaie
rokładupaliwa.
3.
Przemysłowe procesy pirolizy
Naturalnepaliwatałe(wgielbrunatnywgielkamiennybiomaa)wnajwikymtopniu
wykorytujeiwproceachtermochemicnegopretwaraniadoktórychnależą
spalanie
– procetermochemicnyprowadonywobecnocitlenupodtawowymiproduktami
proceuąCO
2
i H
2
O;
zgazowanie
– procecałkowitejpremianytermochemicnejpreprowadanywobecnocitlenu
lubpowietradodatkiemparywodnejproduktemjetmieaninagaówpalnychprede
wszystkim CO, H
2
iwglowodorówjakopotencjalnegopaliwa
piroliza
– proces termochemicny prowadony be dotpu powietra w wyniku którego
powtająproduktytałeciekłeigaowe
upłynnianie
– procektóregocelemjetwytwaranieciekłychpaliwnaturalnychpaliwtałych
Roróżniamy kilka rodajów piroliy e wgldu na toowane warunki procesu takie jak
temperatura ybkod nagrewania topieo rodrobnienia, czas wygrzewania w temperaturze
koocowej,
Tabela 2
Możetobydpiroliakonwencjonalnaybkalubbłykawicnaprycymta
otatnianiemaatoowaniawwikejkali
Tabela 2
Główne parametry dla różnych proceów pirolizy
Warunki procesu
Konwencjonalna piroliza Szybka piroliza Błykawicznapiroliza
Temperatura*ºC+
300 – 700
600 – 1000
800 – 1000
Sybkodnagrewania*ºC/+
0,1 – 1
10 – 200 ≥1000
Czas przebywania w temperaturze
koocowej*+
600 - 6000
0,5 – 5
<0,5
Romiarcątek*mm+ 5-50 <1 pył
Warunkami pirolizy np ybkocią ogrewania urowca można terowad tak aby
makymaliowadpowtawaniedowolnegoproduktówproceuolejugaucyproduktutałego
Każdynichmożebydużywany jako potencjalne paliwo, patrz
rysunek
poniżej.
PÓŁKO
KS
Wydajnod do 35%
wolna piroliza
PIROLIZA
BIO-OLEJ
Wydajnod do 80%
szybka piroliza
GAZ
Wydajnod do 80%
błykawicnapirolia
PIROLIZWGLIBIOMSY
WolnapiroliajettradycyjnieużywanadoprodukcjiwgladrewnegoProces szybkiej pirolizy
toujeinaerokąkaldoprodukcjipaliwropucalnikówchemikaliówiinnychproduktów
pozyskiwanych z biomasy. Szybka piroliza przeprowadzana w umiarkowanej temperaturze jest
metodąotrymywaniawyokiejjakociproduktówciekłych
Piroliza wolna
W wolnej pirolizie substancja organiczna ogrzewana jest do temperatury ok. 500
C ybkocią
od kilkudokilkudieiciutopninaminut. Lotne produkty procesu wydielająistopniowo co
powoduje że kładniki gaów reagują innymi kładnikami tałej pootałoci, czy oleju
pirolitycnegoPowtałeparyąwpoóbciągłyodprowadaneiormowanedooleju Proces pirolizy
możetrwadkilkaminutlubnawetkilkanaciegodinPoniżejpredtawionowpółceneretorty do
wypalaniawgladrewnego(LipnaBekidNiki)
Piroliza szybka
W otatnich latach wroło aintereowanie ybką pirolią biomasy ponieważ jet ona
najbardziej optymalnym procesem otrzymywania
bio-oleju
Najważniejymi cechami
premawiającymiawykorytaniemybkiejpiroliydoprodukcji bio-olejubiomayą:
krótkicareakcji
możliwodybkiegochłodeniapardającedużewydajnociproduktówpłynnych
możliwodtarannegoiprecyyjnegodoboruwarunkówtemperaturowychreakcji
Podtawowewłaciwociybkiejpiroliyto:
bardzo szybkie ogrzewanie (ok. 100
/s);
temperatura reakcji 425-500
C;
krótkicaproceu
ybkiechładanielotnychproduktówdobio-oleju.
W wyniku ybkiej piroliy ubtancja organicna rokłada i do par aerooli i tałej
pootałoci Pary i aeroole po ochłodeniu i kondenacji tworą ciemno-brąową ciec W
ależnociodrodzaju użytegowadupowtaje60-70%maciekłegobio-oleju, 15-25%matałej
pootałocii10-20%niekroplonychgaówSybkieogrewanieiybkiechłodeniepowoduje
powtawanie wyokocąteckowych gaów podtawowego produktu bio-oleju W wyżej
temperature głównym produktem jet ga Krótki ca reakcji minimaliuje tworenie tałej
pootałoci Wytwarany w szybkiej pirolizie olej stanowi produkt przeznaczony do dalszej
preróbki a tała pootałod i gayąawracanedoproceu i wykorzystywane jako paliwo,
co
predtawiononaponiżymryunku
[ Pobierz całość w formacie PDF ]