I. WSTĘP TEORETYCZNY

Piroliza  to rozkład termiczny substancji prowadzony poprzez pod wpływem wysokiej temperatury, bez kontaktu z tlenem lub innymi czynnikami utleniającymi. Piroliza należy do procesów bezkatalitycznych. Temu procesowi poddaje się zarówno organiczne i nieorganiczne związki. Produktami pirolizy są produkty gazowe czyli tzw. części lotne (gazy palne np. CO, H₂, węglowodory oraz inne np. H₂O, CO₂) oraz produkty ciekłe (smoła) . Pozostałość koksowa obecna po zakończeniu pirolizy to tzw. karbonizat.

Proporcje uzyskiwania produktów są uzależnione m.in od rodzaju węgla (stopień uwęglenia) oraz warunków pirolizy (np. temperatury).

Zgazowanie polega na działaniu w podwyższonej temperaturze czynnikiem zgazowującym (najczęściej są to :powietrze, para wodna, O₂, H_2, CO₂ ) w warunkach niedoboru tlenu na paliwo stałe.

Odgazowanie jest procesem, który polega na usunięciu gazów i par cieczy zaabsorbowanych na powierzchni i we wnętrzu materiału.

Spalanie przebiega lepiej, jeżeli zawartość części lotnych w paliwie jest większa, a ich wydzielanie szybsze. Spalanie pojedynczej cząstki węgla można podzielić na etapy:

• nagrzewanie - od gorących spalin i przez promieniowanie płomienia. Szybkość zależy m.in. od rozmiaru cząstki, temperatury nagrzewania itd. Po utracie wody, temperatura cząstki wzrasta aż do początku pirolizy (czas indukcji zapłonu zależy m.in. od temperatury zapłonu, szybkości nagrzewania)

• spalanie - na początku następuje wydzielenie części lotnych, które ulegają zapłonowi i spalają się w płomieniu gazowym (czas spalania zależy np. od udziału części lotnych). Następnie spala się pozostałość koksowa - bardzo powoli
  i bezpłomieniowo (szybkość spalania zależy np. od stężenia tlenu, porowatości cząstki, reaktywności węgla, natomiast czas przede wszystkim od wielkości cząstki). W płomieniu czas spalania cząstek karbonizatu sięga 1s.

Obecnie wzrasta znaczenie biomasy, która niegdyś była podstawowym nośnikiem energii. Piroliza biomasy to niekompletny rozkład termiczny, którego produktami są koks, smoła, gaz, składniki ciekłe (np. woda, kwas mrówkowy itd.), gazy pirolityczne (np. H₂O, CO₂, H₂, CO itd.), smoła (mieszanina związków aromatycznych) . Ilość tych produktów zależy m.in. od czasu trwania pirolizy, szybkości nagrzewania, czy temperatury końcowej.

Biomasa typu drewno, słoma zawiera dużo części lotnych, dzięki czemu spalanie jest bardziej efektywne. Zanieczyszczenia powstałe po zgazowaniu drewna dzielą się na stałe (popiół lotny, koks, sadza, żużel) i gazowe (NO_{x ,} CO, węglowodory). Mimo że skład drewna jest podobny do składu słomy, spala się ona wolniej od niego, a po jej spaleniu pozostaje 10 razy więcej popiołu.

Pirolizie poddaje się również odpady komunalne, najczęściej w temperaturze 600^oC. W wyniku pirolizy odpadów otrzymuje się stałą pozostałość (karbonizat), produkty ciekłe oraz gazowe. Im wyższa jest temperatura pirolizy tym większy jest udział lotnej frakcji produktów, a mniejsza ilość karbonizatu. Do zalet pirolizy odpadów należą m.in. lepsza możliwość kontroli i optymalizacji procesu, mniejsza niż podczas spalania emisja zanieczyszczeń gazowych i pyłowych. Niestety piroliza odpadów jest mniej sprawna energetycznie, mniej wydajna i bardziej kosztowna niż spalanie.

Przykładowe zastosowanie pirolizy w przemyśle :

• do produkcji materiałów szczególnie odpornych termicznie.

• jako jeden z etapów procesu otrzymywania węgla drzewnego

• jako pierwszy proces podczas utylizacji odpadów przemysłowych lub komunalnych

• do produkcji koksu z węgla kamiennego w procesie koksowania w piecach koksowniczych

II. SCHEMAT STANOWISKA POMIAROWEGO

Rys. . Schemat stanowiska pomiarowego

1. Zasilacz pieca z regulatorem temperatury

2. Piec do wygrzewania próbki

3. Koszyczek z badaną próbką

4. Wlot gazu tworzącego atmosferę w piecu

Wykaz przyrządów pomiarowych:

A - Komputer z kartą pomiarową i oprogramowaniem analizującym
B - Czujnik temperatury

C - Waga mierząca masę próbki

3. TABELA POMIAROWA

L.p.	Numer pomiaru	τ	T	m	%m	-
		s	⁰C	g	%
1.	1.	5	13,988	13,813	-0,29	Suszenie
2.	11.	65	56,073	13,757	0,118
3.	20.	122	104,486	13,745	0,209
4.	31.	182	117,776	13,632	1,025
5.	42.	243	115,244	13,545	1,659
6.	53.	303	110,181	13,457	2,294
7.	64.	363	105,751	13,389	2,793
8.	74.	424	105,751	13,282	3,564
9.	85.	484	106,068	13,201	4,153
10.	95.	544	105,119	13,151	4,516
11.	105.	599	106,068	13,101	4,879
12.	106.	605	114,611	13,083	5,015	Piroliza
13.	116.	662	177,58	12,976	5,786
14.	126.	722	278,837	12,77	7,282
15.	136.	781	357,943	11,709	14,99
16.	146.	840	424,393	8,73	36,618
17.	156.	901	488,944	5,152	62,598
18.	166.	960	546,85	2,647	80,78
19.	177.	1022	550,014	2,31	83,228
20.	187.	1080	549,697	2,248	83,682
21.	198.	1141	549,697	2,223	83,863
22.	209.	1204	549,697	2,154	84,362
23.	220.	1267	549,697	2,079	84,906
24.	221.	1273	557,292	1,979	85,631	Dopalanie karbonizatu
25.	226.	1300	621,21	1,785	87,037
26.	231.	1328	594,314	1,629	88,17
27.	237.	1361	578,492	1,442	89,531
28.	243.	1394	565,202	1,336	90,302
29.	248.	1421	554,444	1,317	90,438
30.	254.	1455	549,697	1,111	91,934
31.	259.	1484	552,862	0,974	92,931

5. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

m₀ = 13,  813 g  −  masa pierwotna wiorek    ∖ n

m_pp = 2, 079 g − masa po pirolizie

• Zawartość wilgotności w wiórkach

$M^{\alpha} = \frac{m_{0} - m_{s}}{m_{0}}*100\% = \frac{13,813g - 13,101g}{13,813g}*100\% = 5,15\%$

• Zawartość części lotnych w wiórkach

$V^{\alpha} = \ \frac{m_{s} - m_{\text{pp}}}{m_{s}}*100\% = \frac{13,101g - 2,079g}{13,101g}*100\% = 84,13\ \%$

6. UWAGI I WNIOSKI
   

Celem ćwiczenia było przygotowanie analizy termograwimetrycznej (TGA) czyli pomiar zmiany masy badanej próbki w stosunku do zmiany temperatury. Do ćwiczenia wykorzystano opiłki (wiórki) cedrowo - orzechowe (orzech włoski - zawierający duży składnik gazowy).

Pomiary masy wiórek w doświadczeniu nie były dokładne, o czym świadczą początkowe pomiary ubytku masy - pomiary były ujemne, z czego błędnie wynika, że masy początkowo przybywało.

Pierwsze 600 sekund trwania pomiarów polegało na ogrzewaniu wiórek w temperaturze 106^oC
w celu pozbycia się wilgoci. Ubytek masy(wilgoci) rósł powoli i wg przedstawionych obliczeń wyniósł ok. 5,15 % masy początkowej.

Proces pirolizy rozpoczął się po czasie 600s i trwał do 1270 sekundy. Na Rys. 2. możemy zauważyć, że temperatura rosła gwałtownie do ok. 965 sekundy, a następnie utrzymywała się na stałym poziomie. Masa próbki malała bardzo szybko, ponieważ w tym czasie z wiórek wydzielały się części lotne. Zawartość części lotnych wyniosła około 84,13% całej masy suchej.

Po czasie 1270 s do piecyka doprowadzono tlen, w skutek czego temperatura gwałtownie wzrosła - rozpoczęło się bezpłomieniowe dopalanie się pozostałości koksowej (karbonizatu), która powstała
z wiórek. Po tym, jak pozostałe części lotne bardzo szybko się spaliły, temperatura zaczęła spadać. Dopalanie nie zostało doprowadzone do końca, ponieważ próbka po zakończeniu pomiarów nadal zawierała węgiel, dlatego też nie można było określić zawartości popiołu w badanym paliwie.
Naczynie na początku ćwiczenia było wypełnione w 3/4 wysokości, natomiast po zakończeniu pozostało niewiele karbonizatu (o barwie czarnej) wraz z małą ilością popiołu(o barwie białej), widoczne były także smoły osadzone na naczynku.

Do każdej z trzech części tabeli (suszenie, piroliza, dopalanie) wpisano pierwszy i ostatni pomiar dla danego procesu. W części pomiarów dla suszenia, pomiary zamieszczono rosnąco wg czasu (co około 60 sekund), podobnie w części drugiej (piroliza). W trzeciej części tabeli, pomiary zamieszczono podobnie jak poprzednio - rosnąco wg czasu (co około 30 sekund).

Do wyznaczenia wilgotności zawartej w wiórkach przyjęto masę pierwotną - 13,813g, a jako masę po wysuszeniu - 13,101g (ostatni pomiar w procesie suszenia), uznano, że pomiar ten będzie bardziej dokładny niż pierwszy pomiar dla procesu pirolizy, który wyznaczono po czasie 5 sekund od zakończenia suszenia. Do wyznaczenia zawartości części lotnych przyjęto, że masa wiórek po pirolizie wynosi 2,079g (ostatni pomiar dla procesu pirolizy) - uznano, że pomiar ten będzie bardziej dokładny niż pierwszy pomiar w procesie dopalania.