Pirólise

A pirólise ou decomposição pirolítica (do grego antigo πῦρ pyr 'fogo' e λύσις lýsis '(dissolução)') descreve vários processos de conversão termoquímica nos quais os compostos orgânicos são divididos em altas temperaturas e na ausência de oxigênio (λ = 0). As altas temperaturas dividem as ligações dentro das moléculas e a exclusão do oxigênio impede a combustão. Os produtos resultantes são diversos.

A pirólise é usada em muitos processos técnicos. Desta forma, a biomassa pode ser convertida em produtos de alta qualidade, como combustíveis ou produtos químicos, mas os processos de pirólise também ocorrem na coqueificação clássica do carvão e na produção de carvão vegetal . Do ponto de vista químico, o craqueamento do petróleo também é um processo de pirólise, mas não tem esse nome.

Os termos desatualizados para pirólise técnica são pirólise , destilação a seco , destilação em decomposição , desgaseificação ou carbonização . A raiz da palavra “pirânico” nos nomes de compostos químicos como catecol , ácido pirúcico e ácido pirúvico remonta a isso.

Precisão conceitual

O termo pirólise geralmente não é usado de maneira completamente uniforme.

Por um lado, refere-se a processos técnicos que visam uma conversão termoquímica incompleta que não ultrapasse esta fase de decomposição pirolítica. Por outro lado, a fase de decomposição pirolítica na conversão termoquímica é frequentemente referida como pirólise. Nesse sentido, pode ser indesejável e pode ocorrer, por exemplo, quando há superaquecimento ou má transferência de calor.

Em termos de comportamento ao fogo da madeira, o termo pirólise também é usado para o ponto no tempo em que uma camada isolante e protetora de madeira carbonizada é criada sobre a madeira residual.

Diferenciação de gaseificação

A gaseificação deve ser diferenciada da pirólise . Esta também é uma conversão termoquímica, mas vai além da pirólise. Em comparação com a pirólise, a gaseificação usa um agente de gaseificação com átomos de oxigênio ou oxigênio, pelo qual a substância bruta é posteriormente oxidada e principalmente produtos gasosos são formados. Os gases também são produzidos durante a pirólise, mas o alvo são produtos líquidos ou sólidos.

história

O alcatrão e o piche obtidos por pirólise são os plásticos mais antigos conhecidos pelo homem. A extração de alcatrão e piche ( bétula ) por pirólise era conhecida já no Mesolítico europeu (8300-4000 aC ). Isso era especialmente usado como adesivo e para vedação. O piche de bétula também foi usado para colar as flechas do chamado Ötzi . A partir do século XVIII, os alcatrões também eram feitos de várias outras matérias- primas, por ex. B. de carvão .

A produção de carvão vegetal por pirólise também é conhecida há vários séculos.

Atualmente, a pirólise está sendo mais pesquisada, principalmente como forma de aproveitamento energético e material de matérias-primas renováveis.

Química da pirólise

A decomposição pirolítica é uma fase no curso de uma conversão termoquímica de uma substância ou mistura de substâncias, que, dependendo da substância, é alcançada em torno de 150-700 ° C. O calor rompe as ligações nas grandes moléculas químico-orgânicas e cria novas moléculas menores. A decomposição da substância pode ser vista visualmente. Como não há oxigênio externo presente, não há combustão nem oxidação. No entanto, reações envolvendo átomos de oxigênio podem ocorrer se estes já estiverem presentes no material de partida. A decomposição pirolítica é um processo endotérmico.

Produtos

Durante a pirólise, misturas de produtos complexos são criadas a partir de produtos sólidos (por exemplo, carvão ), líquidos ( óleo de pirólise ) e gasosos (gás de pirólise ), as proporções exatas dependendo das condições específicas e do material de partida. Basicamente, pode-se dizer que quanto maior a temperatura e maior o tempo de pirólise, mais produtos gasosos são obtidos, e quanto menor a temperatura e menor o tempo, mais produtos líquidos. Quando os polímeros são pirolisados, os monômeros correspondentes são freqüentemente produzidos como um produto.

Os produtos podem ser usados ​​energeticamente como um transportador de energia secundária, pois têm um alto conteúdo de energia, e também podem ser usados ​​posteriormente como um material pela extração de substâncias químicas individuais deles. A pirólise da biomassa é a possibilidade de produzir produtos químicos orgânicos básicos como o benzeno ou o fenol de base biológica, que atualmente só são produzidos a partir de fontes fósseis.

Variantes técnicas de pirólise

Os sistemas de pirólise são diferenciados de acordo com o tipo de aquecimento. Com a pirólise direta, os gases quentes são passados ​​sobre o substrato, enquanto com a pirólise indireta o espaço de reação é aquecido de fora.

Existem também inúmeras outras opções de diferenciação e classificação, por exemplo, de acordo com o substrato, tempo de permanência ou temperatura.

Uma classificação frequentemente escolhida, especialmente na pirólise de biomassa, é a classificação de acordo com a duração da reação. Freqüentemente na pirólise lenta (Inglês é pirólise lenta ), velocidade média (Inglês. Pirólise intermediária e pirólise rápida) (Inglês. Quase pirólise ou pirólise instantânea ) dividida, mas também há subdivisões mais grosseiras ou mais finas.

Visão geral dos diferentes tipos de pirólise de biomassa com valores típicos

Tipo de pirólise	Temperatura [° C]	Tempo de permanência	Taxa de aquecimento	Participação de produtos sólidos [%]	Participação de produtos líquidos [%]	Parcela de produtos gasosos [%]
Pirólise rápida	≈ 500	<2-3 s	Alto	≈ 12	≈ 70	≈ 13
Pirólise de média velocidade	≈ 500	10-30 s	médio a alto	≈ 25	≈ 50	≈ 25
Pirólise lenta
carbonização	≈ 400	h - d	baixo	≈ 35	≈ 30	≈ 35
Torrefação	≈ 250	10-60 min	baixo	≈ 80	≈ 5	≈ 20

Pirólise rápida

Esse processo tem sido intensamente pesquisado desde a década de 1990 e tem como objetivo a produção de óleo de pirólise líquido . Existem diferentes tipos de sistemas, mas o que todos eles têm em comum é que o processo é dividido em três partes. Primeiro, a biomassa deve ser preparada, e. B. por secagem e trituração mecânica. Isso é seguido por uma breve decomposição pirolítica em torno de 500 ° C. O produto é então condensado e purificado e, se necessário, posteriormente refinado. A energia do processo pode ser parcialmente coberta pela combustão dos indesejáveis ​​produtos de reação sólidos e gasosos.

Para obter o máximo possível de óleo de pirólise, é importante que as partículas de biomassa sejam aquecidas muito rapidamente e, em seguida, esfriem novamente muito rapidamente. Isso está relacionado com sistemas técnicos muito especiais. Além disso, as partículas de biomassa devem ser suficientemente pequenas para isso.

Pirólise de média velocidade

A pirólise médio-rápida ocorre a aproximadamente 500 ° C. A massa de pirólise é aquecida rapidamente e por cerca de 10 a 30 segundos. Esta forma de pirólise ainda está em fase piloto.

Pirólise lenta

O objetivo da pirólise lenta é a produção de fontes sólidas de energia secundária. Pode ser subdividido em carbonização e torrefação.

carbonização

A carbonização ou carbonização (pirólise lenta completa) é conhecida como um método de produção de carvão vegetal há milênios e ainda é realizada comercialmente até hoje.

Torrefação

Aplicações de pirólise técnica

Pirólise de matérias-primas renováveis

Os processos de pirólise são classificados como tecnologias promissoras para o aproveitamento de matérias-primas renováveis - principalmente as baseadas na lignocelulose - e para o deslocamento de combustíveis fósseis, motivo pelo qual há muito se faz pesquisas massivas sobre eles. No entanto, os processos ainda não são economicamente e economicamente sem grande importância. A pirólise da biomassa é uma etapa na produção de uma ampla variedade de biocombustíveis e produtos químicos de plataforma .

A fabricação pirolítica de produtos oferece grande potencial para redução de gases de efeito estufa em comparação à fabricação convencional baseada em fósseis. O equilíbrio exato depende principalmente do uso dos produtos da pirólise e do tipo de biomassa.

A pirólise da biomassa na forma de separação e armazenamento pirogênico de CO ₂ (PyCCS) também é vista como um meio de fixação de CO ₂ .

Pirólise de resíduos

A pirólise é uma alternativa importante à incineração para a reciclagem de resíduos como pneus velhos, resíduos de madeira ou plástico. Muitos desses sistemas são operados na Ásia, especialmente no Japão, e também foram testados na Alemanha. Para a Alemanha, a Agência Ambiental Federal avalia a pirólise de resíduos de forma bastante crítica e, no máximo, considera o pré-tratamento pirolítico de resíduos sensato em certas circunstâncias.

Além disso, a pirólise também pode ser usada como método térmico para a remediação de solos com poluição por óleo, mercúrio e dioxina.

Produção e regeneração de carbono ativado

Após o carvão e o aglutinante serem misturados a uma massa definida, os pellets são prensados ​​e aquecidos em uma atmosfera livre de oxigênio.

Consumido, d. H. O carvão ativado contaminado com o poluente é aquecido em atmosfera livre de oxigênio e os poluentes são expelidos em temperaturas em torno de 800 ° C e também parcialmente rachados.

Reciclagem de plástico

Para a reciclagem de plástico, uma pirólise em leito fluidizado é usada pelo chamado método do hambúrguer .

Outros processos de pirólise e campos de aplicação

• Produção de acetileno pelo processo HTP
• o craqueamento como processo da indústria petroquímica para a produção de gasolina aromatenreichem que se caracteriza pela diferenciada resistência à detonação (gasolina de pirólise)
• Pirólise instantânea a vácuo para a síntese de estruturas complexas como os fulerenos
• Produção de negro de fumo
• Carbono reforçado com fibra de carbono : Na produção de tais materiais, a pirólise é uma etapa essencial do processo.
• Coqueria ( produção de coque de carvão marrom ou carvão )
• Pirólise em combinação com métodos de cromatografia gasosa (por exemplo, GC / MS ) para a investigação e determinação de materiais poliméricos
• Produção de hidrogênio a partir da água usando tochas de plasma
• Os fornos autolimpantes também funcionam com uma tecnologia baseada na pirólise

Problemas técnicos

Se, por exemplo, o oxigênio é sugado por selos defeituosos, uma mistura explosiva pode se formar se a temperatura estiver muito baixa. A partir de aproximadamente 450 ° C, isso não é mais possível porque o oxigênio reage imediatamente com o conteúdo do reator combustível (gás, carbono) no sentido de combustão parcial.

Outro problema é que os produtos gasosos (por exemplo, óleo de alcatrão ) se condensam nas pontes frias e podem pingar dos vazamentos.

Links da web

• Dietrich Meier: Liquefação de madeira por pirólise flash ( Memento de 20 de novembro de 2012 no Arquivo da Internet )
• Homepage do projeto "Pyrum Innovations"
• Possíveis aplicações de forno rotativo
• Forst- und Köhlerhof Wiethagen: madeira em chamas
• Análise de material flexível usando pirólise e GC / MS padrão
• O fornecedor de energia IWB, com sede em Basel, está construindo uma planta de pirólise que transformará resíduos verdes em biochar.

Evidência individual

1. ^ Wilhelm Gemoll : escola grego-alemão e dicionário manual. Munique / Viena 1965.
2. ↑ ^{a b c d e f g h i j} Holger Watter: Sistemas de energia sustentável - Noções básicas, tecnologia de sistema e exemplos de aplicação . 1ª edição. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0742-7 , 7th Biomass, p. 136-186 ( google.de ). 
3. ^ ^{A b c} Veronika Wilk, Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt: Processos de conversão termoquímica . In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (eds.): Energia da biomassa - fundamentos, técnicas e processos . 3ª edição atualizada e ampliada. Springer Vieweg, Berlin 2016, ISBN 978-3-662-47437-2 , 11.2, pp. 646-683 . 
4. ↑ Entrada na pirólise. In: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, acessado em 5 de novembro de 2019.
5. ↑ ^{a b c d e f g h i} Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt, Frerich Keil, Dietrich Meier, Johannes Welling: Pyrolyse . In: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (eds.): Energia da biomassa - fundamentos, técnicas e processos . 3ª edição atualizada e ampliada. Springer Vieweg, Berlin 2016, ISBN 978-3-662-47437-2 , cap. 14 , pág. 1183-1266 . 
6. ^ ^{A b c d} Tony Bridgwater: Revise a biomassa para a energia . In: Journal of the Science of Food and Agriculture . fita 86 , 2006, pp. 1755-1768 , doi : 10.1002 / jsfa.2605 . 
7. ↑ Chunbao Xu, Fatemeh Ferdosian: Conversion of Lignin in Bio-Based Chemicals and Materials . Springer, Berlin 2017, ISBN 978-3-662-54957-5 , pp. 13-33 . 
8. ↑ Patente US9453166B2 : Sistemas e processos para pirólise catalítica de biomassa e materiais hidrocarbonáceos para produção de aromáticos com reciclagem opcional de olefinas e catalisadores com tamanho de partícula selecionado para pirólise catalítica. Arquivado em 29 de setembro de 2015 , publicado em 27 de setembro de 2016 , Requerente: Universidade de Massachusetts, Inventor: George H. Huber, Anne Mae Gaffney, Jungho Jae, Yu-Ting Cheng. ‌
9. ↑ ^{a b c} Poritosh Roy, Goretty Diaz: Perspectivas para tecnologias de pirólise no setor de bioenergia: Uma revisão . In: Revisões de energias renováveis ​​e sustentáveis . fita 77 , 2017, p. 59-69 , doi : 10.1016 / j.rser.2017.03.136 . 
10. ↑ Constanze Werner, Hans-Peter Schmidt, Dieter Gerten, Wolfgang Lucht , Claudia Kammann : Potencial biogeoquímico de sistemas de pirólise de biomassa para limitar o aquecimento global a 1,5 ° C. Cartas de Pesquisa Ambiental , 13 (4), 2018, 044036. doi: 10.1088 / 1748-9326 / aabb0e
11. ↑ Karl J. Thomé-Kozmiensky, Norbert Amsoneit, Manfred Baerns, Frank Majunke: Waste, 6. Tratamento . In: Enciclopédia de química industrial de Ullmann . Wiley-VCH, Weinheim 2012, p. 481-540 , doi : 10.1002 / 14356007.o28_o06 . 
12. ↑ plantas de pirólise. No-Waste-Technology GmbH, acessado em 7 de novembro de 2019 . 
13. ↑ Peter Quicker, Yves Noël: Estado da arte em métodos alternativos de disposição térmica de resíduos . In: Umweltbundesamt (Ed.): Textos . fita 17 , 2017, p. 1–201 . 
14. ↑ Markus Gleis: Pirólise e gaseificação . Ed.: Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann (=  energia dos resíduos . Volume 8 ). TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, Neuruppin 2011, ISBN 978-3-935317-60-3 , p. 437-465 ( vivis.de ).