La gassificazione della biomassa deve essere vista come un processo di raffinazione che prende una materia prima grezza (nel nostro caso, biomassa legnosa come trucioli e gusci di noce) e la trasforma in un gas pulito e compatibile con i motori a combustione interna. Questo processo consuma una parte del contenuto energetico della materia prima per ottenere questa trasformazione.
La gassificazione della biomassa prevede che la materia prima legnosa venga sottoposta ai seguenti cinque processi:
Il gas risultante, noto come syngas o gas di produzioneIl carbone di legna è una miscela di monossido di carbonio e idrogeno, insieme all’azoto proveniente dall’aria atmosferica utilizzata nella reazione. L’altro prodotto di questo processo è il carbone di legna, che contiene anche la cenere della biomassa. Questo sottoprodotto del carbone di legna è noto anche come char-ash. This char-ash is referred to as biochar quando viene utilizzato come ammendante del terreno, e noto come biocarbonio quando viene utilizzato per scopi industriali.
Il diagramma seguente mostra il flusso di materiali, a partire dalla biomassa fino al gas e al carbone, disposti lungo la colonna centrale del diagramma, mentre le barre orizzontali indicano il processo che trasforma i materiali in ogni fase del percorso. Tutte le descrizioni che seguono fanno riferimento a questo diagramma.
Il processo di essiccazione prevede l’applicazione di una quantità di calore sufficiente alla biomassa per eliminare tutta l’acqua. Si tratta di un processo endotermico che avviene a una temperatura compresa tra i 100 e i 150˚C. I materiali risultanti da questo processo sono vapore acqueo e biomassa secca.
La pirolisi prevede l’applicazione di calore alla biomassa secca per farla fumare e trasformarla in carbone. Anche questo è un processo endotermico. Il processo di carbonizzazione è semplicemente la separazione dei composti volatili (il fumo) dal carbonio fisso (carbone) contenuto nella biomassa attraverso l’applicazione di calore.
Dato che l’essiccazione e la pirolisi sono entrambi processi endotermici, è necessaria una fonte di calore per attivare entrambi i processi. La combustione del fumo rilasciato durante la pirolisi fornisce il calore necessario. Durante la fase di combustione, l’aria viene introdotta nel gassificatore e mescolata con il fumo in modo che bruci estremamente caldo, producendo temperature superiori a 800˚C. Durante la combustione vengono prodotti vapore acqueo e anidride carbonica. Le alte temperature provocano anche il cracking del catrame.
La biomassa legnosa è composta per circa l’80% da composti volatili (in massa) che si sprigionano dalla biomassa sotto forma di fumo, e per il 20% da carbonio fisso che rimane sotto forma di carbone, con circa l’1% di cenere a metà tra i due. Questi gas volatili di pirolisi sono noti come gas di catrame perché si condensano in catrame. Questi gas sono indesiderati perché sono acidi e i loro condensati sono dannosi per le parti in movimento dei motori a combustione interna. Il processo di cracking del catrame, che avviene in concomitanza con la combustione, si verifica quando le pesanti molecole organiche di questi gas di catrame si rompono in gas combustibili più leggeri e non condensabili a causa dell’esposizione a temperature estremamente elevate. Circa la metà delle molecole combustibili del syngas proviene dal cracking del catrame.
Il vapore acqueo e l’anidride carbonica derivanti dalla combustione dei gas volatili di pirolisi sono prodotti di scarto della combustione, ma possono essere convertiti in gas combustibili esponendoli a reazioni di riduzione. Le reazioni di riduzione sono illustrate nel grafico seguente:
Quando il carbone di legna viene riscaldato a temperature molto elevate, il carbonio contenuto nel carbone di legna diventa molto reattivo e mostra una forte affinità con l’ossigeno, consentendogli di ridurre (il contrario di ossidare; in questo contesto, “ridurre” significa invertire l’ossidazione) le sostanze ossidate come l’anidride carbonica e il vapore acqueo. Quando i prodotti della combustione passano attraverso il carbone caldo, queste reazioni di riduzione convertono l’anidride carbonica e il vapore acqueo in monossido di carbonio e idrogeno, consumando il carbonio del carbone. Questo processo produce circa la metà delle molecole combustibili del syngas.
Nel processo di riduzione, i frammenti di carbone vengono perforati su scala molecolare e gli atomi di carbonio vengono rimossi singolarmente dalla superficie del carbone. Ciò rende il carbone risultante quasi attivo, una qualità auspicabile per la filtrazione, e può potenzialmente avere dei vantaggi per il carbone quando viene utilizzato come biochar, grazie all’apparente influenza benefica dell’aumento della porosità su ammoniaca, metano e N 2O.
Nel corso della gassificazione, i trucioli di legno si trasformano in trucioli di carbone e, durante il processo di riduzione, cedono il loro contenuto di carbonio per produrre monossido di carbonio. Questa perdita di carbonio provoca un restringimento dei trucioli di carbone. Alla fine, i trucioli di carbone rimpiccioliti si impacchettano troppo densamente per consentire la velocità di percolazione del gas necessaria ad alimentare il motore che preleva il gas dal gassificatore. Per ripristinare il tasso di produzione di gas, il reattore spurga i trucioli di carbone rimpiccioliti, che vengono spinti fuori dal reattore sotto forma di cenere di carbone. Questo sottoprodotto della gassificazione è uno dei due materiali in uscita dalla gassificazione; l’altro è il syngas.
Nel processo di riduzione, i frammenti di carbone vengono perforati su scala molecolare e gli atomi di carbonio vengono rimossi singolarmente dalla superficie del carbone. Questo rende il carbone risultante quasi attivo, una qualità desiderabile per la filtrazione e che potrebbe avere dei benefici per il carbone quando viene utilizzato come biochar.
A seconda del prodotto desiderato (gas o carbone), il gassificatore può essere azionato per produrre una quantità maggiore del prodotto desiderato, regolando il tempo in cui il carbone è esposto alle reazioni di riduzione prima di essere spurgato.
