Energy and material recovery from high-ash waste through pyrolysis
Tid: To 2021-09-16 kl 10.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/j/63038927956, Stockholm (English)
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap
Respondent: Katarzyna Jagodzińska , Materialvetenskap
Opponent: Prof. Tobias Richards, University of Borås
Handledare: Docent Weihong Yang, Materialvetenskap, Tillämpad termodynamik och kylteknik, Processer; Professor Pär Jönsson, Processer
Abstract
Utan tvekan så har den tidigare praxisen att uppnå en maximering av vinst, som kraftigt bidrog till en snabb industrialisering och en urbanisering, efterlämnat ett arv av osanitära deponier som förorenar miljön. Dessa tillsammans med aktiva deponier som varje år förses med enorma mängder avfall utgör tickande bomber som kräver åtgärder. Specifikt, så är dessa åtgärder kopplade till en övergång till en resurs- och energieffektiv ekonomimodell, den så kallade cirkulära ekonomin.
Det cirkulära ekonomikonceptet innefattar ett återvinningskretslopp för material genom både i) återvinning av rester som uppstår både före och efter konsumtion och ii) utvinning av existerande deponier som värdefulla materialtillgångar. Denna avhandling är utformad baserat på detta tänkande genom att fokusera på att undersöka möjligheterna att återvinna energi och material från två typer av avfall som innehåller höga askhalter. Den första typen av avfall utgör en finfraktion från fragmentering av en blandning av industriellt och kommunalt avfall bestående av uttjänta fordon, som representerar de ovan nämnda resterna som uppstår både före och efter konsumtion. Den andra typen av avfall utgör utvunnet avfall från en gammal deponi, vilkens återvinning bidrar till den andra ovan nämnda möjligheten att sluta materialkretsloppet.
Med syftet att återvinna energi och material så behandlades de ovannämnda avfallet med de termomekaniska processerna pyrolys och pyrolys inkluderande en katalytisk sönderdelning av de producerade förbränningsgaserna. Denna avhandling innefattar fyra studier som fokuserar på dessa frågor.
Forskningen beskriven i avhandlingen startades med en karakterisering av utvunna avfallsfraktioner för att preliminärt bedöma deras framtida användningspotential. Överlag så innehåller de studerade fraktionerna stora mängder av tungmetaller (i huvudsak Hg och Pb) och klor. Dessutom så kan de karakteriseras av att ha heterogena sammansättningar, vilket återspeglas i den höga komplexiteten hos de bildade förbränningsgaserna. Dock så föreslås framtida studier av pyrolys av dessa fraktioner som avfallsbaserade bränslen (RDF) i syfte att maximera utnyttjandegraden av dessa fraktioner.
Som en naturlig fortsättning till det första arbetet, så syftade den andra studien i avhandlingen till att karakterisera produkterna från pyrolys av avfallsbaserade bränslen. De förbränningsgaser som bildades vid temperaturerna 500°C och 600°C visade sig ha en potential för att kunna användas för vidare katalytiska uppgraderingar till mer högkvalitativa produkter.
Baserat på det ovan nämnda, så utfördes en studie av en dynamisk katalytisk sönderdelning av förbränningsgaserna från utvunna avfallsbaserade bränslen. Processen syftade till att producera en gas med ett högt väteinnehåll samt kolbaserade nanorör (CNTs). Studien undersökte påverkan av sammansättningen av katalysatorn, dess syntesmetod och katalytisk bäddtemperatur på utbytena av vätgas och kolbaserade nanorör. Så småningom visade resultaten att en bimetallisk Fe-Ni/Al2O3 katalysator framställd med användning av sol-gelmetoden hade den bästa prestandan, eftersom den tredubblade konverteringshastigheten av vätgas (i jämförelse med försök där en katalysator inte användes) och resulterade i bildandet av 76 mg/gsample_daf avfallsbaserade bränslen som hade lovande egenskaper. Trots dessa positiva resultat så krävs ytterligare studier av denna process för att optimera den samt för att undersöka dess användbarhet mer i detalj.
Den sista studien i avhandlingen fokuserade på att förbättra metallutbytet från en fragmenterad finfraktion genom att behandla den genom torrefiering (en pyrolys som utförs vid låg temperatur). Denna process resulterar i en partiell sönderdelning av det så kallade ”fluffet” (fibrer från textilier innehållande plast, trä och gummipartiklar innehållande intrasslade metallpartiklar), vilka negativt påverkar sorteringsmetoder. Därför så verkar en torrefieringsprocess vara en bra möjlighet att separera metallpartiklar från fragmenterade finfraktioner så att metallen kan återvinnas.