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Titolo: Relazione tra combustibile prodotto e biomassa

Volevo sapere se esiste una relazione matematica che lega la quantità di 
combustibile o gas o altro, ottenuti per esempio tramite processi come 
la pirolisi, gassificazione ecc..., con la biomassa bruciata. Del tipo, 
per ogni kg di X si ottiene tot di Y ?

 ottiene tot di Y ?
 
ci sono relazioni, ovviamente empiriche, tipiche di ogni 
impianto e non soltanto del tipo medio di biomassa.
 
In primis considera che la biomassa non è una sostanza pura, 
ma ha composizione relativamente incostante. Ai nostri fini 
ad es. è rilevante ad es. il contenuto di umidità e ceneri 
(l'umidità fa massa iniziale, ma non contribuisce al potere 
calorifico).
 
Inoltre un impianto poco efficiente (o di piccola taglia) 
necessita di bruciare (per ossidazione parziale con aria) 
una frazione superiore di biomassa che non uno molto 
efficiente (o di grande taglia).
 
Anche la presenza di eventuali recuperatori di calore 
migliora le cose (riduce la quota aria minima per mantenere 
costante la temperatura).
 
Anche se non vengono ancora molto usate per difetto di 
offerta di idrogeno tecnico in esubero, l'aggiunta di 
idrogeno alla miscela in pirolisi incrementa largamente il 
recupero del carbonio in frazioni liquide utili (al contempo 
riducendo il CO e specialmente la frazione CO2 inerte).
 
Noto il tenore analitico medio, si può invece facilmente 
stimare la massima resa possibile nella frazione gassosa più 
energy-dense (su base massa), ossia in metano.
 
Possiamo ad es. immaginare una biomassa "generica" SECCA 
molto semplice (assumo che non contenga zolfo, azoto o 
ceneri :)). Per secca intendo disidratata in modo completo. 
L'acqua cmq non influisce né in negativo né in positivo sul 
potere energetico, eventualmente influisce sulla tendenza 
della biomassa di produrre carbone (effetto che l'eccesso di 
vapore riduce)
 
CxHyOz
 
con y > x > z  (ossia in numero di atomi abbia più idrogeno, 
poi carbonio e infine ossigeno. Per la cellulosa pura x è 
circa uguale a z, e y = z+x. La lignina invece ha parecchio 
meno ossigeno, ma non tantissimo idrogeno).
 
 
CxHyOz  =>  a CO2  +  b CH4  +  c H2O
 
 
il sistema (semplificato, trascura il CO, cosa che di norma 
non è) rispetta queste relazioni :
 
 
  a + b = x
  4 b + 2 c = y
  2 a + c = z
 
c diventa 0 se x >= z
 
(come nella cellulosa)
 
(CH2O)n  =>  n/2 CH4 + n/2 CO2
 
In questo caso limite (è una biomassa scadente cmq, erbacea 
e non legnosa) la resa percentuale limite in peso è del
8 / 30 = 26,6666667 %
Il 73,3333333 % della massa finisce in CO2 inutile.
Nota però che il potere calorifico è praticamente tutto 
preservato. Questa reazione non è auto-sostentante cmq, 
richiede una combustione parziale.
 
Poco cambia considerando un altro estremo semplificato in 
cui si formi solo carbone
 
(CH2O)n  =>  n C + n H2O
Qui la frazione combustibile è il carbonio. Che in peso 
costituisce il 40 % (mentre il vapore è il 60 %).
Energeticamente la situazione è sovrapponibile a prima. 
Otteniamo più massa, si, ma di un combustibile meno 
energy-dense del metano (il carbone).
 
Nella realtà avremo della lignina, che ha poco ossigeno, 
tanto carbonio.
 
Inoltre oltre ad avvenire insieme, i due processi di cui 
sopra, produrranno anche una certa frazione di CO (che è 
ancora un combustibile, ma non molto energy-dense, né 
rispetto al carbone né tantomeno rispetto al metano).
 
 
Quel che dipende dall'impianto, oltre alla tecnologia (letto 
fluido, catalisi particolari) è la sua dispersività, che 
incrementa la spesa energetica.
 
Le frazioni a alta energia possono incrementarsi aggiungendo :
1) calore esogeno (non derivante dalla biomassa), che 
surroga la necessità dell'ossidazione parziale con aria. La 
quale, tra l'altro, apportando anche AZOTO, passivo, 
diluisce il potere calorifico delle frazioni gassose (non di 
quelle liquide o solide)
2) idrogeno aggiuntivo per minimizzare o annullare la 
produzione di CO e CO2.
 
NElla miscela ideale di cui sopra, basta aggiungere w H2 
tale che w =
 
CxHyOz  + w H2  =>  x CH4  +  z H2O
 
 
  y + 2 w = 4 x + 2 z
 
  w = (4 x + 2 z - y) / 2
 
In questo caso la resa % ponderale massima è funzione della 
composizione iniziale (e tende al 133,3333333 % col tendere 
di z a zero. E' un estremante limite : non esiste biomassa 
priva di ossigeno, neppure il petrolio stesso, invero manco 
il gas naturale, contiene un po' di CO2).
 
Nel caso della solita cellulosa anidra ideale, lo scenario 
sarebbe
 
 
(CH2O)n  +  2n H2 =>  n CH4 + n H2O
 
in questo caso il recupero percentuale massico (rispetto 
ALLA SOLA BIOMASSA, e omettendo l'idrogeno assunto in 
esubero), è : 53,3333333 %
 
 
insomma, il discorso è alquanto complicato, e non so bene 
cos'avessi in mente con "relazione matematica" : ci sono 
miriadi di relazioni e parametri variabili da contestualizzare.
 
E nota che non abbiamo manco sfiorato di menzionare 
l'eventuale CALORE DI PROCESSO, ossia quanta energia serva 
per pirolizzare, che da qualche parte deve arrivara, e 
normalmente si genera bruciando un po' della medesima biomassa.
 
Ci sono combustori a comparti separati (dove la parte di 
biomassa che bruci, in modo COMPLETO, è distinta da quella 
che pirolizzi). Questo produce un effluente di ottima 
qualità, ma le dispersioni sono più alte e la produttività 
oraria inferiore.
Poi ci sono pirolizzatori dove il comparto è unico, e anche 
se la CO2 (e l'azoto) finiscono mescolati all'effluente, 
l'efficienza dello scambio termico è molto più elevata, sia 
in percentuale sia proprio come flusso di potenza, 
specialmente nei reattori fluidized-bed, perché c'è 
mescolamento diretto tra particelle cippate e effluente di 
combustione.
A volte è meglio l'una a volte l'altra, è difficile dire.
 
Avendo un bel surplus di idrogeno elettrolitico 
(fotovoltaico, eolico, cicli termochimici vari), chiaramente 
si possono prendere due piccioni con una fava, insufflando 
sia ossigeno sia idrogeno nel pirolizzatore, con funzione di 
preservare tutto il carbonio presente)
 
NOTA (in generale).
La produzione diffusa di surplus di idrogeno elettrolitico, 
consentirebbe anche la liquefazione e/o gassificazione di 
una miriade di RIFIUTI anche non differenziati (è efficace 
tanto sulle plastiche, quanto sul legno che sull'organico 
che sulla carta e cartone).
LA presenza di vapore e di vetro o metalli, e di edili 
(cemento, malta, sabbia, laterizi, calce) è sostanzialmente 
irrilevante : sono solo degli inerti che non vengono 
alterati dall'idrogeno (i metalli vengono disossidati, 
almeno quelli ferrosi, ma non comportano grosso consumo di 
idrogeno, al parte della frazione minerale). Il vapore passa 
nella frazione gassosa.
 
In particolare le plastiche alogenate (come il PVC) vengono 
dealogenate (producono HCl, che è facilissimo rimuovere 
dagli effluenti con trappole a calce o calcare).
 
L'abbondante scarto è fatto per lo più di inerti metallici, 
vetro, inorganici (e se ce n'erano, residui edili poco o 
nulla modificati).
 
Con l'idrogeno si può fare un bel po' di roba utile in effetti
 
 
-- 
1) Resistere, resistere, resistere.
2) Se tutti pagano le tasse, le tasse le pagano tutti
Soviet_Mario - (aka Gatto_Vizzato)
 

 definire tipo preciso di combustibile (gas o altro) :)
 
 
metano per esempio
 


ok, è quello che ho considerato di default :)


 ok, è quello che ho considerato di default :)
 
 
Ma i gasogeni producono CO e H2, poco metano.
 
Il mio vecchio Malavasi dice:
 
gas d'aria (carbone + aria), % in volume, su tre casi:
caso  A    B     C
CO  23,7 29,00 32,6
H2   6,5  5,35  1,0
CH4  1,9  2,05  ---
totale gas combustibili
    32,1 36,40 33,6
CO2  5,3  2     1,4
N2  62,6 61,6  65,0
 
potenza calorifica kcal/m^3 a 15°C e a 1 at
    898  1140   941
 
 
gas d'acqua (carbone + acqua), % in volume, su tre casi:
caso  A    B     C
CO  44,5 44,0  43,0
H2  48,9 48,6  49,0
CH4  0,4  0,4   0,5
totale gas combustibili
    93,8 93,0  92,5
CO2  3,0  3,3   4,0
N2   3,2  3,7   3,5
 
potenza calorifica kcal/m^3 a 15°C e a 1 at
   2649  2618  2631
 
 
Poi c'è anche il gas misto (gas povero) intermedio fra i due.
 
 
-- 
E-S °¿°
Ho plonkato tutti quelli che postano da Google Groups!
Qui è Usenet, non è il Web!

 
 
nella biomassa in proporzione c'è di per sé molto più 
idrogeno "attivo" (ridotto).
Nella miscela più conservativa a carbone (il gas d'acqua 
puro, riscaldato esternamente), non c'è nessun idrogeno 
ridotto in partenza, e si crea solo a scapito del carbonio 
stesso. Tuttavia lo possiamo considerare un processo molto 
conservativo in senso di resa energetica dell'effluente 
rispetto al materiale di partenza. Il gas d'aria al 
contrario ha una bassa resa finale di conservazione (però è 
autonomo come processo).
 
 
Inoltre oggi come oggi si preferirebbe non usare un 
effluente ricco in CO (a parte la velenosità, avvelena anche 
i catalizzatori), ma ridurlo o ossidarlo il più possibile.
 
O anche le due cose insieme, con la WGSR (water gas shift 
reaction), che sarebbe CO + H2O = CO2 + H2
 
Un processo gasogeno moderno verrebbe accoppiato ALMENO a 
uno steam reforming del metano, che produce una barca di 
idrogeno.
 
 
circa la resa in metano e CO2 (sottoprodotto agevole da 
rimuovere dall'effluente con trappola basica), catalisi a 
parte, sicuramente richiede pressioni molto alte, perché 
energeticamente è lievemente positiva, ma ha un D_S molto 
negativo, oltre a cercare di lavorare alla T inferiore 
possibile.
 
Le miscele di gas biatomici sono al contrario le più 
favorite a basse pressioni e temperature molto alte, perché 
redistribuiscono gli atomi in modo da avere il D_S più 
positivo in assoluto.
 
Quindi quanto più cresce T, CH4 è fortemente sfavorito (è 
pentatomico), poi anche CO2 e H2O (triatomiche), mentre CO e 
H2 riescono a formare molecole stabili con soli 2 atomi, e 
quindi a parità di atomi, raggiungono entropie più alte 
possibile.
 
Naturalmente è molto probabile che un gasogeno o 
pirolizzatore reale non lavori per forza in condizioni di 
equilibrio termodinamico, ma sotto controllo almeno in parte 
cinetico per cui le miscele non rispecchiano fedelmente gli 
equilibri previsti.
 
Nei pirolizzatori a biomassa non è raro perdere una parte 
come "chars" (carbone) che deve essere gestito a parte e è 
inerte nelle condizioni operative.


 parametri variabili da contestualizzare.
 
Intendevo poter risolvere approssimativamente problemi specifici del 
tipo: quanto metano si potrebbe ricavare da 1 kg di vinacce, ipotizzando 
il sistema isolato ?
 
E software ? Esiste qualche applicativo che faccia delle previsioni in 
merito ?


free non ne conosco ... e commerciali nemmeno.
Bisognerebbe chiedere a qualche azienda che faccia 
gassificazione. Se non esisteva, se lo saranno scritto 
qualche SW di controllo di processo, immagino. Ed avranno 
anche dati concreti (anche se sicuramente estrapolabili solo 
in parte e con cautela a condizioni differenti)
