Enhancing the circular economy: Resource recovery through thermochemical conversion processes of landfill waste and biomass
Tid: Fr 2021-06-11 kl 14.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_B8jeKWjjRVKQ49SMr5jsxQ, Stockholm (English)
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap
Respondent: Ilman Nuran Zaini , Processer, Energy and Furnace Technology
Opponent: Professor Ashwani K. Gupta, University of Maryland
Handledare: Docent Weihong Yang, Materialvetenskap, Tillämpad termodynamik och kylteknik, Processer; Professor Pär Jönsson, Processer
Abstract
Förnärvarande så försvinner en stor mängd sekundära råmaterial som avfall istället för att bidra till en global ekonomi. Dessutom så är de existerande avfallsdeponierna inte utrustade med teknologier för att förhindra långsiktiga risker för miljöförstöringar, vilket gör att det är av yttersta vikt att vidta åtgärder för att hantera dessa avfallsdeponier. Samtidigt så har energiåtervinning baserat på förbränning av avfall kritiserats för den leder till ökade CO2 utsläpp. Här utgör pyrolys och förgasningsprocesser bra alternativ för att möjliggöra en återvinning av sekundära råmaterial från avfall och biomassa, vilket kan leda till en ökad cirkularitet av materialresurser och minskade CO2 emissioner.
I denna avhandling diskuteras möjligheten att använda termokemiska processer för att öka cirkulationen av material baserat på utnyttjande av avfallsdeponier och biomassa. Fundamentala studier inriktade på utveckling av experimentella tekniker och processer har utförts baserat på försök I laboratorieskala och simuleringar. Avhandlingen innefattar resultat från fem olika undersökningar som behandlar studier av påverkan av bränsleegenskaperna hos avfall/biomassa på effektiviteten av pyrolys- och förgasningsprocesser samt på processutvecklingar och förbättringar av termokemiska konverteringsprocesser för avfall och biomassa.
Den första undersökningen fokuserar på den primära sönderdelningen av pellets tillverkade av avfall vid pyrolyssteget av den termokemiska konverteringsprocesen. Resultaten visar att graden av sönderdelning av pellets från avfall är starkt kopplad till innehållet av lättflyktiga ämnen. Däremot så finns ingen klar koppling mellan graden av sönderdelning och den mekaniska styrkan hos pellets. Generellt så innebär den höga andelen av lättflyktiga ämnen i plaster att bränsle pellets tillverkade av avfall tenderar i att sönderdelas i ett stort antal små partiklar jämfört med typiska pellets tillverkade av biomassa eller kol under den termokemiska konverteringsprocessen. Därför så är det mer relevant att förbättra den termiska stabiliteten av pellets tillverkade av avfall i jämförelse med den mekaniska stabiliteten för några processer.
Den andra undersökningen fokuserar på att studera reaktiviteten och kinetiken av kol tillverkat av avfall vid förgasning. Resultaten visar att reaktiviteten hos kol är beroende av askinnehållet och kvoten mellan oorganiska katalytiska ämnen (K, Ca, Na, Mg, och Fe) och hämmande ämnen (Si, Al, och Cl). Fast av större betydelse, att förgasningen av kol visar på betydelsen av sorteringsmetodernas effektivitet på den termiska egenskapen hos bränsle tillverkat av avfall, speciellt under förgasningsprocessen.
Den tredje undersökningen fokuserar på att studera bildningen av tjära och syngas som ett resultat av interaktioner mellan plast- och pappersfraktioner som finns i det fasta avfallet. Resultaten visar att interaktionen mellan plast och papper i hög grad beror av kedjestrukturen hos kolväten i polymerer. Specifikt, så orsakar interaktionen mellan alifatiskt strukturerade polymerer (representerade av PE) och papper synergiska effekter som leder till minskade tjär- och syngasutbyten. Samtidigt så är den synergiska effekten mindre uppenbar när papper och aromatiska kolvätespolymerer, representerade av PS, förgasas tillsammans.
Den fjärde undersökningen presenterar resultat från en kombinerad förgasningsprocess som använder avfall I combination med biomassa eller biotjära, baserat på resultaten i de tidigare tre studierna. Resultaten visar att om biotjära tillsätts vid förgasning av avfall så kan utbytet av syngas och H2 ökas mer än om biomassa tillsätts vid förgasning av avfall. Dessutom framkom synergiska bidrag i form av väsentlig ökning av syngasutbytet och en minskning av tjärutbytet, orsakat av tjärreaktioner som sker i biotjärpartiklarna. Generellt så visar resultaten att både tillsatser av biotjära och biomassa leder till ett högre energiutbyte, vilket indikerar att dessa tillsatser kan öka effektiviteten vid förgasning av avfall.
I den femte undersökningen användes processsimuleringar och kostnadsberäkningar för bedöma processen innefattande att samproducera H2, biokol, och bio-olja från biomassa. Simuleringarna av processen utfördes för att bestämma olika scenarios vid tillverkning av biokol, bioolja och H2 vid pyrolys av biomassa kopplat med en ångreformering och en WSG process. Baserat på beräkningar av den totala driftskostnaden och den potentiella förtjänsten så framkom att produktion av bioolja är mer fördelaktig i jämförelse med produktion av H2. Den uppskattade lägsta försäljningspriset för biokol och bioolja baserat på enbart driftskostnaden ligger inom prisintervallet för relaterade existerande produkter ( t ex träkol, kol, koks och råolja). Icke desto mindre så måste kostnader för kapital och driftskostnader relaterade till förbehandling av bioolja tas i beaktande i framtida utvärderingar för att erhålla en mer realistisk ekonomisk bedömning.