Presentazione della tesi per la laurea di primo livello

1. POLITECNICO DI MILANO
Facoltà di Ingegneria dei Processi Industriali
Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica
“Giulio Natta”
STUDIO SPERIMENTALE DELLA PIROLISI DELLE BIOMASSE LEGNOSE
Elaborato di Laurea in Ingegneria Chimica
Candidato:
Marco Gabba
Matricola n. 701170
Anno Accademico 2008-2009
2008-

2. BIOMASSE
CELLULOSA EMICELLULOSA LIGNINA
ANALISI
IMMEDIATA ELEMENTARE BIOCHIMICA

3. PIROLISI
BIOMASSA TAR CHAR
SCOPO
Individuare una procedura semplice e rapida per studiare
l’evoluzione della biomassa in condizioni di pirolisi ed ottenere
una stima della composizione che possa servire come input per un
modello cinetico di simulazione.

4. L’analisi termogravimetrica
L’analisi viene condotta attraverso l’utilizzo della
bilancia termogravimetrica. In questo tipo di
analisi la variabile indipendente è la temperatura,
mentre come variabili dipendenti le più comuni
sono il peso percentuale del campione (TG) o la
sua derivata rispetto alla temperatura (DTG).
I campioni analizzati sono dell’ordine di peso di
pochi mg per poter minimizzare le limitazioni
diffusive.
Lo strumento può essere impostato per ottenere
diversi percorsi termici; si può inoltre impostare
l’atmosfera gassosa utilizzata: in questo modo si
può operare in condizioni di pirolisi (utilizzando
azoto) o di combustione (utilizzando aria)

5. MATERIALI UTILIZZATI
Costituenti puri Biomasse
Abete
Cellulosa Ciliegio
Emicellulosa (xylano) Mogano
Lignina Noce
Pino di Svezia
Pioppo
Rovere

6. Le due tipologie di prove
Pirolisi Combustione
- Temperatura equilibrata a 50 °C. -Temperatura equilibrta a 50 °C.
- Rampa di riscaldamento - Rampa di riscaldamento
(10°C/min) fino a 110 °C. (10°C/min) fino a 110 °C.
- Isoterma 10 minuti (per rimuovere - Isoterma 10 minuti (per rimuovere
l’umidità). l’umidità).
- Rampa di riscaldamento (20,50,95 - Rampa di riscaldamento
°C/min) fino a 900 °C. (20°C/min) fino a 900 °C.
- Cambiato il gas di spurgo in aria.
- Isoterma 10 minuti (combustione Le prove di combustione sono utili
del char residuo). per ricavare il contenuto in ceneri del
campione analizzato.

7. Lettura delle curve TG e DTG
Analisi termogravimentrica della biomassa ciliegio; prova in azoto a 20 °C/min

8. Lettura delle curve TG e DTG
Sintesi delle prove di pirolisi effettuate con velocità di riscaldamento di 20 °C/min

9. Lettura delle curve TG e DTG
Confronto tra le curve DTG nell’intorno del punto di flesso (prove a 20 °C/min)

10. Lettura delle curve TG e DTG
In tutte le prove si possono riscontrare le seguenti caratteristiche:
Curva TG
- Tratto della perdita d’acqua trascurabile (campioni pre-essiccati)
- Durante il tratto di devolatilizzazione principale (200-400 °C circa) la perdita
in peso si attesta tra il 68% e il 77%.
- La percentuale di char residuo a fine prova si attesta tra il 6.5% ed il 15%.
Curva DTG
- Presenza di un punto di flesso nell’intorno dei 300 °C. Ipotesi: il flesso
corrisponde al massimo della velocità di devolatilizzazione dell’emicellulosa.
- Presenza di un massimo assoluto nell’intorno dei 350 °C. Ipotesi: il massimo
assoluto corrisponde al massimo della velocità di devolatilizzazione
della cellulosa.

11. Metodo empirico per il calcolo della composizione
Ho 3 incognite: % cellulosa, % emicellulosa, % lignina. Come saturo i gradi di
libertà?
1) Osservo la temperatura alla quale si verifica l’incrocio tra le DTG di
emicellulosa e cellulosa. Misuro la perdita in peso tra 156 °C e questa
temperatura ottengo la % emicellulosa.

12. Metodo empirico per il calcolo della composizione
2) Calcolo % lignina = % emicellulosa * costante.
Questa costante è ricavata sperimentalmente come il rapporto tra le % di
char residui durante le prove su emicellulosa e lignina pure.
Curva TG per l’emicellulosa (20 °C/min) Curva TG per la lignina (20 °C/min)
3) Calcolo % cellulosa = 100 - % emicellulosa - % lignina.

13. Metodo empirico per il calcolo della composizione
Nella tabella sottostante sono riportate le composizioni ricavate attraverso le
prove con velocità di riscaldamento di 20 °C/min.
Biomassa Cellulosa (%) Emicellulosa (%) Lignina (%)
Abete 52.94 17.68 29.38
Ciliegio 27.57 27.21 45.22
Mogano 50.65 18.54 30.81
Noce 43.19 21.96 34.85
Pino di Svezia 48.78 19.24 31.98
Pioppo 31.67 25.67 42.66
Rovere 45.14 20.61 34.25

14. Verifica del metodo
Al fine di verificare la validità del lavoro svolto, sono state confrontate le curve
ricavate dai dati sperimentali con quelle ottenute attraverso l’utilizzo di un
modello cinetico1. Le composizioni ricavate alle diverse velocità di riscaldamento
sono state confrontate fra di loro e, quando disponibili, con dati ricavabili dalla
letteratura (database Phyllis).
Cellulosa Emicellulosa Lignina Cellulosa Emicellulosa Lignina
Abete 52.94 17.68 29.38 Ciliegio 27.57 27.21 45.22
Confronto fra dati sperimentali e modello; prove a 20 °C/min
1 Ranzi et al., Chemical Kinetics of Biomass Pyrolysis, Energy & Fuels 2008, 22, 4292–4300

15. Verifica del metodo
Cellulosa Emicellulosa Lignina Cellulosa Emicellulosa Lignina
Abete 54.75 17.00 28.25 Ciliegio 34.97 24.43 40.60
Confronto fra dati sperimentali e modello; prove a 95 °C/min

16. Conclusioni
- Nella maggior parte dei casi le composizioni ricavate alle diverse
velocità di riscaldamento sono risultate simili fra loro e con i dati
presenti in letteratura.
-Le previsioni del modello cinetico sono molto accurate in ampi campi
di temperatura. Anche il residuo finale è predetto con precisione.
- I legni di noce e rovere hanno costituito un’anomalia: le composizioni
ricavate alle diverse velocità di riscaldamento sono risultate molto
diverse tra loro.
- Con l’ausilio del modello cinetico è stato dimostrato che la
composizione correttà è quella ricavata alla più bassa velocità di
riscaldamento .

17. GRAZIE PER L’ATTENZIONE

18. CELLULOSA

19. EMICELLULOSA

20. LIGNINA