Sviluppo di trasportatori di ossigeno a base di ossidi metallici per il looping chimico combustione dei gas di pirolisi

La pirolisi della biomassa rappresenta una potenziale tecnologia carbon-negative, principalmente attraverso la produzione di biochar, un prezioso pozzo di carbonio. Nelle tipiche condizioni di pirolisi, si ottengono sia frazioni solide che liquide in quantità significative. Il bioolio può essere una preziosa fonte di carburanti e prodotti chimici. La terza frazione del prodotto, una miscela combustibile di gas permanenti, viene solitamente trascurata, in genere considerata esclusivamente per fornire energia attraverso la combustione durante la pirolisi. Questo lavoro propone la combustione chimica in loop (CLC) come approccio alternativo e sostenibile per sfruttare il potenziale energetico dei gas permanenti ottenuti dalla pirolisi della biomassa. A differenza dei metodi di combustione convenzionali, il CLC impiega particelle di ossido metallico come trasportatori di ossigeno per la reazione di combustione, consentendo la produzione di calore con separazione intrinseca di CO2. Attraverso una doppia strategia di cattura di produzione di biochar e produzione di CO2 da parte di gas CLC, è possibile realizzare la valorizzazione del 100% del carbonio originale della biomassa, aumentandone il valore come tecnologia carbon-negative, con enfasi non solo sulla produzione di energia o di prodotti, ma anche sul sequestro e sull’utilizzo del carbonio. Inoltre, potrebbero essere prese in considerazione anche strategie flessibili come la combustione della parte o di tutti i vapori di pirolisi (bioolio). Se la CLC viene applicata ai gas e ai vapori di pirolisi, il sistema può funzionare a temperature significativamente inferiori rispetto alle temperature tipiche dei sistemi di alimentazione CLC, che richiedono la produzione di un flusso di gas ad alta temperatura per la propulsione della turbina. I trasportatori di ossigeno (OC) dovrebbero quindi essere attivi a questi intervalli di temperature più bassi e mantenere temperature di riduzione e ossidazione simili. Con queste considerazioni, l'ossido di rame (CuO) appare come un buon candidato per test preliminari condotti in un reattore a letto fisso. Lo studio è stato condotto a temperature comprese tra 600 e 700 oC in un reattore a letto fisso utilizzando vari trasportatori di ossigeno (OC) a base di ossido di rame (CuO) in condizioni di velocità spaziale controllata. Gli OC utilizzati sono CuO puro, setacciato ad una dimensione delle particelle di 500 μm < dp < 1,25 mm, CuO supportato su allumina (preparata mediante impregnazione a umidità incipiente), CuO supportato su SiC e Carulite (un ossido misto di rame-manganese). La variabile principale oggetto di indagine è stata la capacità di questi materiali di ossidarsi completamente in CO2 e H2O, i componenti del gas e dei vapori di pirolisi. Tutti gli altri catalizzatori sono stati fatti per catturare quasi il 99% della CO2, valore che si può ritenere abbia raggiunto la purezza commerciale, ad eccezione del CuO supportato su SiC ad una temperatura di circa 625 oC.

Biomass pyrolysis stands as a potential carbon-negative technology, primarily through the production of biochar—a valuable carbon sink. Under typical pyrolysis conditions, both solid and liquid fractions are obtained in significant amounts. Bio-oil can be a valuable source for fuels and chemicals. The third product fraction -a combustible mixture of permanent gases-, is usually overlooked, typically regarded solely for providing energy through combustion during pyrolysis. This work proposes chemical looping combustion (CLC) as an alternative and sustainable approach for harnessing the energy potential of permanent gases obtained from biomass pyrolysis. Unlike conventional combustion methods, CLC employs metal oxide particles as oxygen carriers for the combustion reaction, enabling heat production with inherent separation of CO2. Through a dual capture strategy of biochar production and CO2 production by CLC of gases, the valorization of 100% of the original biomass carbon can be realized, enhancing its value as a carbon- negative technology, with emphasis not only on energy or products production, but also on carbon sequestration and utilization. Moreover, flexible strategies such as combusting part, or all the pyrolysis vapors (bio-oil), could also be considered. If CLC is applied to pyrolysis gases and vapors, the system can operate at temperatures significantly lower than typical temperatures of CLC power systems, that require the production of a high temperature gas stream for turbine propulsion. Oxygen Carriers (OC) should then be active at these lower temperature range and maintain similar reduction and oxidation temperatures. With these considerations, copper oxide (CuO) appears as a good candidate for preliminary tests carried out in a fixed bed reactor. The study has been conducted at temperatures ranging from 600 to 700 oC in a fixed-bed reactor using various copper oxide (CuO)-based oxygen carriers (OC) under controlled space velocity conditions. The employed OCs are pure CuO, sieved to a particle size of 500 μm < dp < 1.25 mm, CuO supported on alumina (prepared through incipient wetness impregnation), CuO supported on SiC and Carulite (a mixed copper-manganese oxide). The primary variable under investigation has been the ability of these materials to completely oxidize to CO2 and H2O- the components of the pyrolysis gas and vapors. All the other catalysts were made to capture almost 99 % of CO2 which could be thought of as achieving commercial purity except for CuO supported on SiC at a temperature of approximately 625 oC.