Till innehåll på sidan

Enhanced Catalytic Pyrolysis of Biomass for High-Quality Biofuel Production

Tid: Fr 2021-04-23 kl 10.00

Plats: Stockholm (English)

Respondent: Devy Kartika Ratnasari , Materialvetenskap

Opponent: Professor Tobias Richards, University of Borås

Handledare: Docent Weihong Yang, Materialvetenskap, Tillämpad termodynamik och kylteknik; Professor Pär Jönsson, Processer

Abstract

Den snabba ökningen av energibehovet, den omfattande användningen av fossila bränslen och det brådskande behovet av att minska koldioxidutsläppen har väckt oro inom transportsektorn, eftersom transport främst har varit beroende av fossila bränslen. Biobränsle från biomassa kan ge betydande bidrag för att övervinna den förväntade uttömningen av fossila bränslen och för att minska koldioxidutsläppen. Tillgången och den stora mångfalden av biomassaresurser har gjort dem till attraktiva och lovande källor för bränslen. Biomassa kan omvandlas till biobränsle genom användandet av en termokemisk pyrolysprocess.

Förbättringar av pyrolysprocessen av biomassabränslen behövs för att erhålla en högkvalitativ bioolja. En förbehandling med syralakning före pyrolysprocessen anses kunna avlägsna alkalimetaller och alkaliska jordartsmetaller (AAEM) från biomassan, eftersom AAEM negativt påverkar den katalytiska pyrolysprocessen. Information om kinetik vid pyrolys av biomassa är också viktig information för att utvärdera biomassa som råvara för bränsle- eller kemisk produktion samt för en effektiv design och kontroll av termokemiska processer. Vidare har användningen av H-ZSM-5 och Al-MCM-41 som en mesoporös katalysator respektive en mikroporös katalysator visat sig förbättra kvaliteten på bioolja. Påverkan av en katalysatorregenerering på den kemiska sammansättningen av den uppgraderade oljan är också en av de faktorer som är relaterad till den katalytiska processen.

I denna studie analyseras kinetiken för den katalytiska pyrolysen av en lignocellulosbaserad biomassa genom användande av en katalysatorblandning bestående av H-ZSM-5 och Al-MCM-41 för olika förhållanden och för både olakade och urlakade biomassor. De erhållnaa aktiveringsenergierna bestäms baserat på fastfas reaktionsmekanismen. Experiment i bänkskala har också genomförts för att studera hur det är möjligt att förbättra kvaliteten på bioolja med avseende på organisk fraktion (OF), vatteninnehåll, surhet, gynnsamma fraktioner samt kemikalier som är av vikt i bensinprodukter. Effekten av användningen av blandade katalysatorer och iscenesatta katalysatorer bestående av H-ZSM-5 och Al-MCM-41 för olika förhållanden vid pyrolys av en lignocellulosabaserad biomassa har jämförts. Studier av optimering av förhållandet mellan H-ZSM-5 och Al-MCM-41 i katalysatorblandningarna vid en katalytisk pyrolys av lignocellulosabaserad biomassa har också genomförts. Vidare har effekten av sekventiella katalysatorregenereringar av H-ZSM-5 och Al-MCM-41-katalysatorblandningar på de erhållna katalytiska pyrolysprodukterna studerats.

Bänkskalaexperimenten med en lignocellulosabaserad biomassapyrolys och en katalytisk pyrolys utfördes med användning av en reaktor bestående av en fast bädd utrustad med oljekondensatorer och en provpåse för uppsamling av gas. Kvaliteten på biooljan producerad genom användande av en termisk pyrolys av lignocellulosamassa, en katalytisk pyrolys med enstaka katalysatorer, en katalytisk pyrolys med användande av iscensatt katalysatorsystem samt en katalytisk pyrolys med användande av ett blandat katalysatorsystem studerades. Därefter så regenererades katalysatorn flera gånger och den regenererade katalysatorn laddades om i reaktorn för att utföra nästa försök. Dessutom så bestämdes sammansättningen av de härledda uppgraderade pyrolysoljorna i förhållande till katalysatorregenerationen.

Resultaten från syralakningsbehandlingen visade att den optimala urlakningsprocessen erhälls om följade parametrar användes: 30 minuter, 30°C och 5 vikt-% ättiksyra i lakvätskan. Detta resulterade i 59%, 95%, 99% och 96% reduktionsgrader med avseende på kalcium (Ca), magnesium (Mg), kalium (K) och natrium (Na). Användningen av syralakningsprocessen som en behandling före en katalytisk pyrolys gav positiva resultat, eftersom den resulterade i en hög devolatilisering och en hög reaktionshastighet. För de kinetiska studierna kunde en andra ordningens (F2) mekanism användas för att illustrera den katalytiska pyrolysprocessen. Denna slutsats baserades på resultatet att bestämningskoefficienten (R2) var högre än 0,99, vilket var högt jämfört med de andra undersökta mekanismerna.

Experimenten i bänkskala visar att användandet av en kombination av Al-MCM-41 och H-ZSM-5 i det iscensatta katalysatorsystemet förbättrade produktionen av följande gynnsamma föreningar: kolväten, fenoler, furaner och alkoholer. De gynnsamma föreningarna som gav 5,25-6,43% med användande av en enkel H-ZSM-5-katalysator framställdes med ett H-ZSM-5: Al-MCM-41 massförhållande motsvarande 3:1 respektive 7:1. Användande av pyrolys- och katalystemperaturer som var 500°C och ett H-ZSM-5: Al-MCM-41-förhållande som var 3:1 resulterade i en optimal kvalitet på biooljan som innehöll 11,08 vikt-% av en organisk fraktion (OF), 76,20% av gynnsam fraktioner, 41,97 vikt-% vatten, en låg TAN mängd motsvarande 43,01 mg-KOH/g, en hög deoxygenering och en hög bensinproduktion motsvarande 97,89%.

Katalysatorblandningen bestående av H-ZSM-5 och Al-MCM-41 med ett förhållande av 7:1 resulterade i en 65,75% deoxygeneringsgrad. Dessutom så erhölls en organisk rik bioolja erhölls med ett 74,90 vikt-% kolinnehåll, ett 8 vikt-% väteinnehåll, ett 15 vikt-% syreinnehåll, ett 0,39 vikt-% vatteninnehåll och ett högt värmevärde motsvarande 34,15 MJ/kg. Värdet på den högsta mängden gynnsamma föreningar bland de studerade katalytiska experimenten var 95,89%. Den signifikanta förbättringen av kvaliteten av bioolja genom användning av en H-ZSM-5 och Al-MCM-41-katalysatorblandning förklarades med ökningen av förekomsten av gynnsamma föreningar i biooljan.

Experiment med användande av sekventiella katalysatorregenereringar av katalysatorblandningar innehållande H-ZSM-5 och Al-MCM-41 visar att den katalytiska aktiviteten minskade när antalet reaktionscykler ökade, även om utbytet av organisk fraktion ökar och vattenhalten och koksutbytet minskar. HHV av biooljor minskade. Minimivärdet för HHV (22,42 MJ/kg) efter 6 sekventiella användningar var dock fortfarande högre än värdet för experimentet som utfördes utan att använda katalysatorer (19,55 MJ/kg). Dessutom så visade resultaten att utbytet av de gynnsamma föreningarna kolväten, fenoler, furaner och alkohol, minskade. De dominerande komponenterna bidrog till det ökade utbytet av gynnsamma föreningar var kolvätearomater och fenoler.

Nyckelord: Al-MCM-41, lignocellulosa biomassa, H-ZSM-5, kinetisk studie, katalysatorregenerering

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-291540