Analisi degli effetti del calore di reazione nella pirolisi del legno

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I. Introduzione 
I.1   Generalità sulle biomasse 
 
Con il termine biomassa si indicano sostanze di origine biologica quali materiali e residui di origine 
agricola e forestale, prodotti secondari e scarti dell’ industria agroalimentare, reflui di origine 
zootecnica, rifiuti solidi urbani MSW la cui frazione organica è mediamente intorno al 40%, alghe e 
diverse specie vegetali utilizzate per la depurazione di liquami organici. 
In base alla propria origine, la biomassa può essere suddivisa in BIOMASSA NATURALE, 
BIOMASSA RESIDUALE O DEDICATA. 
La materia organica può avere molteplici impieghi se opportunamente trasformata e si possono 
distinguere tre principali campi di applicazione delle biomasse: 
 BIOPOWER, consistente nella produzione di energia elettrica o termica da biomassa; 
 BIOFUELS, riguardante la produzione di combustibili da biomassa; 
 BIOPRODUCTS, produzione di composti chimici da biomassa. 
Con biomassa si intendono perciò una gran varietà di materiali tra i quali si possono annoverare 
anche il carbon fossile ed il petrolio, definiti più precisamente come “biomasse antiche”,questo 
perché le biomasse sono citate tra le fonti energetiche rinnovabili non comportando alcun accumulo 
di anidride carbonica in atmosfera. Infatti tali sostanze rientrano nel ciclo naturale del carbonio 
atmosferico: esso, sotto forma di CO
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si converte in materia organica attraverso un processo 
naturale noto come FOTOSINTESI CLOROFILLIANA e successivamente, attraverso 
decomposizione o combustione, il carbonio organico ritorna in atmosfera. 
Questo ciclo si ripete su una scala temporale relativamente breve ed il materiale vegetale utilizzato 
come combustibile può essere facilmente e rapidamente rigenerato attraverso nuove coltivazioni. 
Ricorrendo alle biomasse come combustibili si riuscirebbe a stabilizzare il livello di carbonio 
atmosferico su livelli accettabili limitando fortemente l’impatto ambientale rispetto all’utilizzo dei
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classici combustibili fossili i quali, pur essendo assimilabili a biomasse, sarebbero ricostruibili su 
scale temporali decisamente più grandi e tali da poter considerare il fenomeno irreversibile. 
Per questa specifica caratteristica, quindi, le biomasse contribuiscono in maniera significativa al 
contenimento del GLOBAL WARMING. In aggiunta a ciò grazie al modesto contenuto di zolfo 
presente nelle biomasse, si possono ritenere nulle le emissioni di SO
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 non contribuendo al 
fenomeno delle piogge acide. 
Dal punto di vista chimico, le biomasse sono costituire da un complesso di materiali polimerici a 
base di polisaccaridi quali cellulosa ed emicellulosa, che rappresentano i principali costituenti 
organici, lignina, proteine e lipidi. 
Una definizione di biomassa è quella enunciata nella Direttiva Europea 2009/28/CE secondo la 
quale per biomassa si intende la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine 
biologica provenienti dall’ agricoltura, dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, ivi comprese la 
pesca e l’ acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali urbani. 
Una ulteriore definizione è quella fornita dal decreto 401/99 riguardante norme per la concessione 
di aiuti in favore della produzione ed utilizzazione di fonti energetiche rinnovabili nel settore 
agricolo. In questo decreto viene definita come biomassa : 
 materiale organico vegetale prodotto da coltivazioni dedicate; 
 materiale vegetale prodotto tramite trattamento esclusivamente meccanico di coltivazioni 
agricole non dedicate; 
 materiale vegetale prodotto da interventi selvicolturali, manutenzioni forestali e da potature, 
 materiale vegetale prodotto dalla lavorazione esclusivamente meccanica di legno vergine; 
 materiale vegetale prodotto dalla lavorazione esclusivamente meccanica di prodotti agricoli 
aventi le caratteristiche previste per la commercializzazione e l’impiego; 
Tra i principali tipi di biomasse sono da ricordare le “energy crops”, piante coltivate a scopi 
energetici con cicli di crescita veloce come eucalypto, pioppo. 
Attraverso l’utilizzo di biomassa si soddisfa circa il 5% del fabbisogno energetico primario nel 
mondo corrispondente a 55 milioni di TJ/anno. 
La percentuale di utilizzo di questi materiali non è uniforme sulla superficie terrestre e vi sono 
grosse differenze tra i paesi, specialmente tra i paesi industrializzati e quelli in via di sviluppo.
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Infatti nei paesi in via di sviluppo si ricorre all’ utilizzo di biomasse per soddisfare circa il 38% del 
proprio fabbisogno energetico pari a circa 48 milioni di TJ/anno ma in molti di essi si arriva a 
soddisfare circa il 90% del fabbisogno energetico totale attraverso la combustione di legno, paglia 
e rifiuti animali. 
Per quanto riguarda i paesi industrializzati, attraverso biomasse si soddisfa soltanto il 3% del 
fabbisogno energetico totale a cui corrispondono circa 7 milioni di TJ/anno. In particola gli Usa 
ricavano il 3.2% della propria energia da biomasse pari a 3.2 milioni di TJ/anno, l’Europa 
complessivamente il 3.5% pari a 40Mtep/anno per cui soltanto una piccola aliquota dei consumi 
energetici viene soddisfatta tramite biomasse. 
 
 
 
 
Fig 1.1 – Energie rinnovabili in Europa (Aldo Abenavoli ITABIA)
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In Italia solo il 2.5% del fabbisogno energetico nazionale viene soddisfatto ricorrendo a biomasse 
pari a circa 5 Mtep a fronte delle teoriche 24-30 Mtep disponibili. 
 
 
Fig 1.2 – Energie rinnovabili in Italia (RENAEL)
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Fig 1.3 – Disponibilità teorica di biomasse in Italia (Aldo Abenavoli ITABIA) 
 
 I.2   PRO E CONTRO NELL’ UTILIZZO DI BIOMASSE 
 
Le fonti di energia rinnovabile presentano molti vantaggi tra i quali, come detto in precedenza, un 
importante contributo nella riduzione dell’ inquinamento atmosferico. 
L’ utilizzo di fonti rinnovabili presenta alcune problematiche. In primo luogo, ipotizzando che la 
principale risorsa energetica in una data zona sia rappresentata da biomasse, non è semplice 
assicurare sufficienti quantità di materie prime sia per quanto riguarda centrali elettriche di notevoli 
dimensioni, sia per quanto riguarda un numero elevato di cucine a legna. 
Per questo motivo il primo problema da analizzare è quello relativo alla gestione e all’ utilizzo delle 
risorse in modo efficiente. Gestire efficientemente biomasse significa anche verificare che esse non 
vengano utilizzate ad un ritmo maggiore rispetto a quello della crescita.
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Altro aspetto fondamentale riguarda la massimizzazione della produzione di biomasse poiché le 
foreste utilizzate per la produzione energetica devono essere rimpiazzate in modo tale da non 
incorrere in problemi di deforestazione. Tutto ciò fa intuire che vi sono diversi aspetti da 
considerare quando si pensa alle energie rinnovabili. 
Tra gli aspetti positivi dell’ utilizzo di biomasse vi è sicuramente l’ abbondanza di risorse poiché 
esse sono presenti in grandi quantità, sono facilmente reperibili in diverse forme ed in molti casi 
sono molto economiche. 
La produzione di determinate biomasse comporta la rigenerazione di aree disboscate, in più si 
creerebbero posti di lavoro, un aspetto sicuramente da non trascurare nell’attuale scenario socio-
economico. 
Infine vi sono vantaggi relativi all’ inquinamento: oltre al già citato rientro delle biomasse nel ciclo 
naturale del carbonio, è da tenere presente anche la ridotta produzione di zolfo con relativa 
riduzione del fenomeno delle piogge acide. 
Per quanto riguarda i contro è da segnalare il ridotto sviluppo delle tecnologie che consentirebbero 
di sfruttare al massimo il potenziale energetico delle biomasse. 
Infine vi è una mancanza di un piano organico per lo sfruttamento di tali risorse a livello nazionale e 
le procedure di autorizzazione per gli impianti di produzione sono molto complesse e affette da un 
eccesso di burocrazia. 
 
I.3   Caratteristiche chimico-fische delle biomasse 
 
Le biomasse hanno proprietà diverse rispetto a quelle dei combustibili fossili. 
Sono costituite per più del 90% da carbonio, ossigeno e idrogeno e a causa della loro complessità 
sono difficili da classificare secondo gli standard. Per effettuare una classificazione delle biomasse 
sono necessari: 
 
 Bulk density, definita come il rapporto tra il peso del letto di particelle ed il volume da esso 
occupato. E’ una proprietà importante perché le biomasse devono essere alimentate a retattori 
che nella maggior parte dei casi sono impaccati. Per materiali ligneocellulosici assume valori 
pari a 150-200 kg/m
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, bassi al punto da complicare la fase di trasporto. Vi è una porosità pari 
a circa 0.5-0.7;
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Fig 1.4 Bulk Density (Di Blasi, dispense corso PTCERB 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Moisture content, definita come chilogrammi di acqua su chilogrammi di biomassa umida 
Kg
H2O
/Kg
biomass 
oppure come chilogrammi di acqua su chilogrammi di biomassa secca 
Kg
H2O
/Kg
dry biomass
. E’ possibile distinguere tra un contenuto di umidità tipico del materiale ed 
uno acquisito ed è una proprietà importante poiché, per poter effettuare una conversione 
termochimica, è necessario disporre di biomasse poco umide. Essendo il processo di 
evaporazione dell’ acqua endotermico, che comporta quindi un dispendio energetico, questo 
- Bulk density of biomass fuels - 
FUEL 
Bulk Density 
kg/m
3
 dry matter 
Sawdust 100 – 150 
Charcoal  (hardwood) 220 
Charcoal  (softwood) 150 
Straw  (loose) 80 
Rice husks 100 
Rice husks  (cubed) 680 
Coconut shells  (chopped) 330 
Coconut coir 45 
Palm oil shells 442 
Rubber wood  (chopped) 140 
Meranti wood  (chopped) (15x20x2mm) 160 
Jeunging wood  (chopped) (15x20x2mm) 102 
Pine wood  (chopped) (15x20x2mm) 152 
Acacia wood  (chopped) (15x20x2mm) 170 
Peat  (Borneo) 346
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potrebbe essere tale non poter essere recuperato completamente tramite la trasformazione 
termochimica. Inoltre immagazzinare biomasse umide può favorire la formazione di muffe 
che compromettono le proprietà del materiale. Per il legno un valore tipico è del 50% wet 
basis. 
 
- Moisture content of freshly harvested biomass - 
Fuel 
wt% wet basis 
 
Wood 45-65 
Banana stalks 85-90 
Water lilies 90-95 
Water hyacinth 87-93 
Cotton stalks 35-45 
Coffe hulls 65-75 
Straw 30-40 
Peat 40-70 
Municipal solid waste  
a) Mediterrean and developing countries 70-85 
b) Western Europe, USA 
25-50 
 
 
 
  
  
Fig 1.5 Moisture content (Di Blasi, dispense corso PTCERB) 
 
 
 
 
 
 Analisi approssimata utile per stabilire il contenuto in ceneri e dividere la parte combustibile 
in solido e specie volatili. Il rapporto tra la fase solida e volatile dovuto ad un processo di 
pirolisi non è un dato assoluto ma è funzione delle condizioni standard di temperatura e 
pressione e di massa di materiale da analizzare. Biomasse dotate di grosse quantità di 
composti volatili sono soggette facilmente ad un processo di ignizione che può portare a 
rapidi processi di combustione, difficili da controllare e che richiedono adeguati 
dimensionamenti dei reattori da utilizzare. Aspetto importante è che le biomasse hanno un
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contenuto in ceneri inferiore a quello del carbon fossile per cui sono richiesti sistemi di 
rimozione di esse meno efficienti.     
 
 
 
- Proximate Analysis of coals and biomass – 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Volatile Matter 
(VM) 
Fixed Carbon 
(FC) 
Ash 
Oven dry wood    
Western hemlock 84.8 15.0 0.2 
Douglas fir 86.2 13.7 0.1 
White fir 84.4 13.1 0.5 
Ponderosa pine 87.0 12.8 0.2 
Redwood 83.5 16.1 0.4 
Oven dry Barks    
Western hemlock 74.3 24.0 1.7 
Douglas fir 70.6 27.2 2.2 
White fir 73.4 24.0 2.6 
Ponderosa pine 73.4 25.9 0.7 
Redwood 71.3 27.9 0.8 
Cedar 86.7 13.1 0.2 
Mill Woodwaste Samples    
- 4 mesh redwood shavings 76.2 23.5 0.3 
- 4 mesh Alabama oak chips 74.7 21.9 3.3 
MUNICIPAL REFUSE AND MAJOR COMPONENTS 
National average waste 65.9 9.1 25.5 
Newspaper (9.4% of average waste) 86.3 12.2 1.5 
Paper boxes (23.4%) 81.7 12.9 5.4 
Magazine paper (6.8%) 69.2 7.3 23.4 
Brown paper (5.6%) 89.1 9.8 1.1 
Pyrolysis Chars    
Redwood (421 to 549 °C) 30.0 67.7 2.3 
Redwood (427 to 941 °C) 23.9 72.0 4.1 
Oak (438 to 613 °C) 25.8 59.3 14.9 
Oak (571 °C) 27.1 55.6 17.3 
Coals    
Pittsburgh seam coal 33.9 55.8 10.3 
Wyoming Elkol coal 44.4 51.4 4.2 
Lignite 43.0 46.6 10.4 
Fig 1.6 Proximate Analysis (Di Blasi, dispense corso PTCERB)
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 Analisi finale C-H-N, il cui scopo è determinare la composizione degli elementi del 
campione un modo tale da poter ricavare una formula minima. 
 
- Ultimate Analysis Data for Selected Solid Fuels and Biomass Materials - 
(wt%, dry basis) 
 HHV 
Material C H N S O Ash (MJ/kg) (Btu/lb) 
Wood         
Douglas fir 53.2 6.3 0.1 0.0 40.5 0.8 21.0 9,050 
Douglas fir bark 56.2 5.9 0.0 0.0 36.7 1.2 22.0 9,500 
Pine bark 52.3 5.8 0.2 0.0 38.8 2.9 20.4 8,780 
Western hemlock 50.4 5.8 0.1 0.1 41.4 2.2 20.0 8,620 
Redwood 53.5 5.9 0.1 0.0 40.3 0.2 21.0 9,040 
Beach 51.6 6.3 0.0 0.0 41.5 0.6 20.3 8,760 
Hickory 49.7 6.5 0.0 0.0 43.1 0.7 20.1 8,670 
Maple 50.6 6.0 0.3 0.0 41.7 1.4 19.9 8,580 
Poplar 51.6 6.3 0.0 0.0 41.5 0.6 20.7 8,920 
Wastes         
Rice hulls 38.5 5.7 0.5 0.0 39.8 15.5 15.3 6,610 
Rice straw 39.2 5.1 0.6 0.1 35.8 19.2 15.8 6,540 
Sawdust pellets 47.2 6.5 0.0 0.0 45.4 1.0 20.5 8,814 
Paper 43.4 5.8 0.3 0.2 44.3 6.0 17.6 7,572 
Redwood woodwaste 53.4 6.0 0.1 0.1 39.9 0.6 21.3 9,163 
Alabama oak 
woodwaste 
49.5 5.7 0.2 0.0 41.3 3.3 19.2 8,266 
Animal waste 42.7 5.5 2.4 0.3 31.3 17.8 17.1 7,380 
Municipal solid waste 47.6 6.0 1.2 0.3 32.9 12.0 19.8 8,546 
Char         
Charcoal 80.3 3.1 0.2 0.0 11.3 3.4 31.0 13,370 
Coals         
Pittsburgh seam coal 75.5 5.0 1.2 3.1 4.9 10.3 31.7 13,650 
West Kentucky No.11 
coal 
74.4 5.1 1.5 3.8 7.9 7.3 31.2 13,460 
Utah coal 77.9 6.0 1.5 0.6 9.9 4.1 32.9 14,170 
Wyoming Elkol coal 71.5 5.3 1.2 0.9 16.9 4.2 39.5 12,710 
Lignite 64.0 4.2 0.9 1.3 19.2 10.4 24.9 10,712 
Fig 1.7 Ultimate analysys (Di Blasi, dispense corso PTCERB)