El fenómeno de la pirólisis siempre acompaña a la quema de combustible sólido en hornos de calefacción y calderas. La escala del proceso depende de dos factores: el modo de combustión y el diseño de la planta de energía térmica doméstica. Ofrecemos una visión detallada de la pirólisis de madera o carbón, opciones para su uso en condiciones industriales y domésticas. El objetivo es disipar los mitos inventados por vendedores y fabricantes artesanales de costosos equipos de "pirólisis" diseñados para calentar hogares privados.
¿Qué es la pirólisis? Descripción del proceso
Teóricamente, cualquier sustancia que incluya compuestos de carbono con hidrógeno puede quemarse, por ejemplo:
- carbón;
- gas natural (metano, propano, etc.);
- biomasa: fresca, seca;
- productos de madera, celulosa, madera ordinaria;
- diversos tipos de plásticos;
- caucho de caucho natural o artificial;
- petróleo, sus derivados;
- otros residuos que contienen carbono
A la salida, obtenga una cierta cantidad de energía térmica, dependiendo del contenido de humedad inicial de la masa quemada. Para describir los procesos, utilizamos la fórmula química:
La combustión es una reacción de oxidación rápida. En condiciones ideales, cada átomo de carbono se combina con dos partículas de oxígeno, y 2 átomos de hidrógeno interactúan con 1 partícula de oxígeno. Como resultado, se forman compuestos inofensivos: dióxido de carbono CO2 y agua. Este último se evapora cuando se calienta, eliminando parte del calor liberado.
Un punto importante En condiciones reales, no todos los átomos de hidrógeno y carbono encuentran una pareja debido a la falta de moléculas de oxígeno. Por lo tanto, la composición de los productos de combustión incluye una pequeña fracción de compuestos combustibles nocivos: monóxido de carbono (CO), hidrógeno libre (N2) y carbono en forma de hollín.
La pirólisis es una reacción de descomposición de una sustancia que ocurre cuando se calienta y la falta de oxígeno libre. El principio indicado se utiliza en unidades generadoras de gas:
- El combustible (en particular, la madera) se coloca dentro de un recipiente metálico cerrado - reactor.
- La capacidad se calienta externamente a 500 ... 900 grados, a través de aberturas especiales: toberas se suministra una cantidad medida de aire.
- Bajo la influencia de altas temperaturas, la sustancia se descompone en 3 componentes principales: monóxido de carbono (CO), hidrógeno (N2) y residuos de carbono sólidos o líquidos. Se forma una pequeña cantidad de dióxido de carbono y vapor de agua en paralelo.
- Los productos volátiles forman gas de pirólisis, una mezcla combustible de hidrógeno y monóxido de carbono, que deja el tanque a través de una tubería separada. El combustible gaseoso liberado se limpia, enfría y luego se bombea al tanque.
Referencia. En condiciones de producción, el gas de síntesis resultante se envía a calentar la misma capacidad del generador de gas.
La combustión y la pirólisis son 2 procesos diferentes que pueden ocurrir simultáneamente. Ejemplo: durante la quema intensa de leña, se forma una pequeña cantidad de monóxido de carbono, un CO inofensivo, en el horno de la caldera2 mucho más grande. Y viceversa, en el régimen latente de leña se libera una gran cantidad de hidrógeno y humos, parte de los cuales logra convertirse en CO2 - oxidarse Es decir, todo depende de la cantidad de oxígeno involucrado en la reacción.
El efecto de la alta humedad.
El alto contenido de humedad en el material de partida afecta igualmente las reacciones de combustión y pirólisis. Considere los procesos de quema de madera como un ejemplo:
- Cuando se quema, la energía liberada se gasta en evaporar el agua contenida en la madera. La cantidad de calor en la salida se reduce significativamente, se desperdicia combustible.
- La humedad ralentiza enormemente la descomposición térmica de una sustancia.El agua evaporada forma parte del calor gastado en el calentamiento; no se alcanza la temperatura requerida (mínimo 500 ° C). La pirólisis de madera que contiene más del 50% de humedad es casi imposible.
El mejor indicador de humedad para la quema fructífera o la descomposición de la madera en un generador de gas es 8 ... 15%. En casa, no es realista lograr tales indicadores, el secado prolongado de leña debajo de un dosel le permite alcanzar un contenido de humedad del 20-25%.
Referencia. En la fabricación de pellets y briquetas de combustible en la planta, el aserrín se seca a un indicador del 8-10%. La humedad máxima de los gránulos terminados es del 15%.
¿Por qué usar descomposición térmica?
El alcance de los procesos pirolíticos es bastante amplio:
- Producción de propileno y etileno para la industria química mediante el procesamiento de materias primas de hidrocarburos líquidos (petróleo).
- Obtención de carbón por el método de descomposición libre de oxígeno de los residuos de la carpintería.
- El mismo proceso tecnológico, pero con un suministro de aire limitado, permite la generación de gas de síntesis combustible a partir de un árbol: una mezcla de metano, hidrógeno, monóxido de carbono y nitrógeno neutro.
- Pirólisis de carbón - marrón y piedra - toda un área de procesamiento. Los compuestos resultantes son gasolina sintética, coque, amoníaco, alquitrán de hulla. Tolueno, benceno, naftaleno y varios fenoles utilizados en la industria química se extraen de este último.
- Nuevos desarrollos: utilización comercial de residuos sólidos municipales, neumáticos de automóviles, plásticos, orgánicos.
Nota. A continuación se enumeran los métodos más famosos de uso de reacciones pirolíticas. En realidad, hay muchos más casos de uso. Wikipedia afirma que los procesos de pirólisis no se entienden completamente, muchos proyectos están en desarrollo.
Para la descomposición térmica, se utilizan hornos de pirólisis y varios reactores en la industria. El diagrama de arriba muestra un generador de gas que procesa desechos de madera y aserrín en combustible gaseoso. Aquí el papel principal lo desempeña el reactor de destilación en seco directo, donde las materias primas preparadas se procesan en gas de síntesis por combustión lenta.
Un matiz importante. Antes de cargar en un horno de pirólisis o generador de gas, la madera siempre se tritura y se seca hasta un contenido de humedad del 10% o menos.
En química industrial, también se utiliza la tecnología de pirólisis rápida, cuando el reactor se calienta a una temperatura de 700 ... 900 ° C durante un corto período de tiempo. El objetivo es aumentar la productividad del equipo y acelerar el procesamiento.
Uso doméstico
A nivel doméstico, la pirólisis ayuda a resolver los siguientes problemas:
- limpiar el horno o la freidora de depósitos de grasa pegajosos que no pueden eliminarse mecánicamente;
- producción de carbón vegetal;
- Calefacción de una casa privada con caldera de combustible sólido de pirólisis
El mejor método para limpiar la sartén es colocarla en el horno, ajustar la temperatura a 200 ... 250 ° C y dejar reposar durante media hora. Sin oxígeno, se producirá la destrucción de sedimentos, solo quedarán cenizas y la campana extractora eliminará los gases de pirólisis.
Referencia. Existen modelos de hornos con función de limpieza pirolítica incorporada. Al final del "tostado", solo queda limpiar las superficies internas y descartar la ceniza resultante.
El carbón vegetal se usa para freír barbacoas, herrería y para fines más exóticos: repostar un generador de gas para automóviles (cómo funciona, leer en un material separado). El método de obtención: quema de desechos de madera dentro de un recipiente cerrado, es decir, pirólisis lenta.
Proponemos analizar en detalle los problemas asociados con los generadores de calor de madera para pirólisis.
Mitos sobre las calderas de pirólisis TT
La principal diferencia estructural entre un calentador de generador de gas y una caldera de combustión directa tradicional es de 2 cámaras en lugar de una.Una boquilla de cerámica está dispuesta entre ambas cámaras de fuego; el aire es forzado por un ventilador. Las paredes metálicas de la unidad de pirólisis están protegidas por un revestimiento de ladrillo refractario. ¿Cómo trabaja él?
- Se coloca leña o carbón en la cámara superior (primaria) y se prende fuego.
- La automatización inicia el ventilador de refuerzo.
- Cuando la temperatura en la cámara de combustión aumenta a 500 grados, comienza la liberación de gases de pirólisis.
- Transportados por el flujo general de productos de combustión, estos compuestos volátiles ingresan a la cámara secundaria inferior, donde se queman en presencia de oxígeno (supuestamente).
De hecho, el gas de síntesis resultante comienza a arder incluso en el horno primario, ya que el ventilador suministra el exceso de aire. Solo una antorcha de llamas se dirige a la segunda cámara ... y eso es todo. Además, los productos de combustión se mueven a través de los tubos de calor del intercambiador de calor, calientan el refrigerante y vuelan hacia la chimenea.
Adición. Existe otro diseño de calentadores: sin ventilador, la cámara secundaria se encuentra en la parte superior. Desde el punto de vista de la pirólisis, el concepto no funciona, la unidad funciona como una caldera de agua caliente a leña normal, aunque cuesta el doble que las contrapartes clásicas.
Los partidarios de los generadores de calor de pirólisis (como los fabricantes de este equipo, los vendedores y los artesanos del hogar) atribuyen sus siguientes ventajas a sus calderas TT:
- el combustible se quema por completo, el resto en el cenicero es prácticamente cero;
- tiempo de combustión: 10 horas o más;
- baja cantidad de emisiones nocivas a la atmósfera;
- alta eficiencia debido a la eficiencia del 86 ... 90% (indicadores del fabricante) en comparación con las calderas tradicionales con una eficiencia del 75%.
Tratemos de descubrir la veracidad de estas declaraciones. El primer momento: si la cámara de combustión se carga con madera seca (tal como se requiere de acuerdo con las instrucciones de uso del calentador), quedarán cenizas finas después de la combustión. El flujo de aire creado por el ventilador y acelerando en la boquilla simplemente sopla un residuo ligero en la chimenea.
El resultado es un cenicero casi vacío, una ilusión de combustión completa. Si coloca madera seca en una caldera TT turboalimentada clásica, obtendrá un residuo similar: un poco de ceniza en la parte inferior. Es decir, la integridad de la combustión depende de la calidad del combustible y no del diseño del generador de calor.
Comentario. La colocación de leña cruda con una humedad superior al 50% dará un resultado negativo en cualquier caldera. Considerar tales opciones no tiene sentido.
Brevemente responda a las declaraciones restantes:
- El tiempo de combustión de 10-12 horas corresponde a la realidad. Otra cosa es que el indicador se logra debido al tamaño de la cámara de combustible (100 litros o más), donde se coloca mucha leña. La pirólisis no tiene absolutamente nada que ver con eso.
- La garantía medioambiental de la caldera es cierta. El ventilador bombea el exceso de aire; se forman muy pocos gases tóxicos. En el modo de espera, el oxígeno no ingresa al horno, la leña arde lentamente y aumenta la cantidad de emisiones nocivas.
- La eficiencia de la caldera del 90% es un cuento de hadas. En el modo de combustión activa, el principio de funcionamiento de la caldera es similar a las versiones turboalimentadas de las unidades tradicionales, cuya eficiencia no supera el 75%. Cuando se apaga el ventilador, la llama se apaga, las brasas emiten poco calor.
Conclusión. La adquisición de un modelo generador de gas de una caldera de combustible sólido es una tarea muy dudosa. La unidad es tres veces más cara que las versiones normales y el doble de pesada debido al revestimiento. Los generadores de calor caseros, por regla general, son más confiables y más baratos que los de fábrica, pero son demasiado voluminosos. En términos de eficiencia y otras características, no superan a las calderas TT clásicas con un control de tracción de turbina o cadena.
Un conocido practicante experto confirmará nuestra opinión en su video:
Conclusión
En general, la pirólisis es un fenómeno bastante útil que se usa ampliamente en química industrial.A nivel doméstico, los procesos pirolíticos se usan con poca frecuencia, aunque la generación de gases combustibles se produce en cualquier estufa o caldera de leña. Por lo tanto, no tiene sentido comprar modelos caros de pirólisis.