Towards a Sustainable Biomass and Waste Refinery Based on Pyrolysis Combined with a Pretreatment Process

Abstract

En del av den naturligt ackumulerade biomassan samt den stora avfallsproduktionen som orsakats av mänskliga aktiviteter har orsakat allvarliga miljöproblem. Nedbrytningen av biomassa och avfall utgör några av de största källorna till utsläpp av växthusgaser. Pyrolys är en teknik som kan omvandla organiska råmaterial till biokol, bioolja och gas vid 350 till 800 °C i en syrefri atmosfär. Mångfalden av produkter från pyrolys gör att tekniken är en av de mest lovande för raffinering av biomassa och avfall. En av de största utmaningarna med tekniken är att ofördelaktiga fysikaliska och kemiska egenskaper hos råmaterial kan leda till ökad kostnad och energiåtgång för hela raffineringsprocessen. Det finns dock en potential att göra hela processen mer hållbar genom att kombinera förbehandling av råvaran med ett pyrolysbaserat raffinaderi.

I avhandlingen så behandlas inledningsvis pyrolys av torv. Resultaten visar att det finns en potential att kunna omvandla torv till bränslen genom att använda pyrolysprocessen. Därefter behandlar avhandlingen tång, vilken är en biomassa med ett högt askinnehåll. Tre raffineringsprocesser designades och simulerades baserat på pyrolysprocessen. Resultaten visar att det är nödvändigt att använda tvättning av tången som en förbehandling innan pyrolyssteget. Införandet av denna förbehandling kan minska den direkta energiförbrukningen för hela processen från 1485.8 till 1121.0 MJ vid behandling av ett ton torr tång från stränder. Dessutom visar resultaten från en efterföljande livscykelanalys (LCA) att denna kombination av en tvättning som förbehandling följt av pyrolys av ett ton torr tång från stränder med en efterföljande elproduktion leder till den minsta ackumulerade energiåtgången (CED) med ett värde av -2.98 GJ. Dessutom så är värdet på den globala uppvärmningspotentialen inom en hundraårsperiod (GWP100) -790.89 kg CO2eq, vilket är lägre i jämförelse med de andra scenarierna fokuserade på en produktion av flytande biobränslen och syntetiska gaser.

Produkten från en anaerobisk nedbrytning (AD) kräver en lämplig behandling. Den tredje delen av avhandlingen är fokuserad på att jämföra resultat från pyrolys av den organiska andelen kommunalt fast avfall (OFMSW) och den resulterade nedbrutna produkten. Resultaten visar att

en anaerobisk nedbrytning kan minska den aktiveringsenergin för pyrolys hos OFMSW. På grund av det högre askinnehållet hos den nedbrutna produkten så blev även utbytet av biokol högre i jämförelse med OFMSW. Däremot blev utbytet av bioolja och gas högre för OFMSW än för den nedbrutna produkten vid en pyrolytisk behandling.

Det är svårt att minska fuktinnehållet i den nedbrutna produkten genom användning av traditionella mekaniska avvattningstekniker, på grund av materialets hydrofila egenskaper. Resultaten visar att användandet av en förbehandling kombinerat med en hydrotermisk förkolning (HTC) och en mekanisk avvattning har en potential att kunna förbättra den pyrolytiska raffineringen av den nedbrutna produkten. I avhandlings sista del studerades påverkan av HTC på kinetiken och termodynamiken vid pyrolys av nedbrutet avfall från jordbruk (AWD). Resultaten visar att förbehandling genom HTC kan minska den pyrolytiska aktiveringsenergin hos AWD från 182.91 - 274.43 kJ/mol till 144.59 - 205.20 kJ/mol. Utöver detta arbete så utfördes laboratorieförsök, processimuleringar och livscykelanalyser fokuserat på kinetiska beräkningar. Vid processimuleringarna och livscykelanalys designades fyra olika scenarion fokuserade på raffinering av AWD, genom användande av olika kombinationer av HTC och avvattningstekniker. Resultaten visar att de olika valen av förbehandlingsprocesser kan ha olika positiva påverkningar vid raffinering av AWD beroende på vad den önskade produkten är. En användning av både HTC och en mekanisk avvattning som förbehandling baserat på en pyrolys vid 650℃ resulterade i det lägsta CED värdet, vilket motsvarade 10.26 GJ vid en behandling av ett ton av AWD. Den lägsta emissionen av koldioxidekvivalenter motsvarande ett värde på -843.28 kg erhölls vid användande av en 650℃ pyrolystemperatur och endast en avvattningsprocess som förbehandling vid pyrolys av 1 ton torrt AWD material.

Nyckelord: pyrolys, anaerobisk nedbrytning, hydrotermisk förkolning, raffinering, biomassa, avfall, kinetik, LCA

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-319156