Pyrolysis of Biodegradable Waste for Negative Carbon Emissions
Tid: Fr 2021-12-17 kl 10.00
Plats: Sefström, Brinellvägen 23, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/65800329663
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap Kemiteknik Energiteknik
Respondent: Shule Wang , Materialvetenskap
Opponent: Dr Chunfei Wu, Queen's University Belfast
Handledare: Docent Weihong Yang, Processer; Professor Pär Jönsson, Processer
Abstract
Användandet av bioenergi i kombination med avskiljning och lagring av kol representerar en kritisk teknologi som möjliggör en energiproduktion som resulterar i negativa kolutsläpp, vilka är nödvändiga för att uppnå de globala klimatmålen. En lämplig hantering av biologiskt nedbrytbart avfall inkluderande lignocellulosahaltigt avfall, avfallsslam, organiska fraktioner av kommunalt fast avfall, kan bidra till denna utveckling. Genom en process kallad pyrolys kan biokol, flytande och gasprodukter produceras från biologiskt nedbrytbart avfall. Genom pyrolysteknik föreslås i detta arbete en hållbar hantering av biologiskt nedbrytbart avfall för negativa koldioxidutsläpp. Denna avhandling föreslår en unik process som kombinerar anaerob nedbrytning, pyrolys av rötrester (från den anaeroba nedbrytningen) följt av en katalytisk reformering av pyrolysgasen, en metanjäsning av reformeringsgasen och en separering av CH4 och CO2 gaserna. Därefter så kan den separerade CO2 gasen och biokolet räknas som en negative emission. Avhandlingen behandlar också pyrolys av de fasta restprodukterna som är producerade från en hydrotermisk karbonisering av biologiskt nedbrytbart avfall. Den pyrolytiska flytande produkten är förädlad till en högre kvalitet med ett lägre syreinnehåll och ett högre värmevärde, genom användande av ex-situ och in-situ vätegivare. Kolstabiliteten hos biokolet, som är en nyckelparameter för utnyttjandet av biokol som en kolsänka, har utvärderats genom användande av en accelererad oxidationsmetod. Slutligen så har en energi- och massbalans för den föreslagna processen utvecklats.
Pyrolysprocessen av hydrotermisk karboniserade rötrester från avfallslam och pappersslam studerades baserat på undersökningar med användande av termogravimetri, Py-GC/MS och experiment i laboratorieskala. Detta inkluderade studier av den termiska nedbrytningen av dessa två råmaterial. Inledningsvis så identifierades föreningarna som ingår i den pyrolytiska gasen. Därefter så karakteriserades pyrolysprodukterna från laboratorieskaleexperimenten. Resultaten visade att pyrolysprocesserna för båda råmaterialen kan beskrivas med en tvåstegsreaktion. Organiska fraktioner med värmevärden inom intervallet 28.47 till 38.46 MJ/kg producerades vid pyrolys av biologiskt nedbrytbart avfall med användande av hydrotermiskt karbonisering. Resultaten visade också att en större andel organisk fraktion produceras med användande av rötslam från papperslam än med användande av rötslam från avfallsslam. Dessutom visade det sig att det är svårt att mäta en bestämd kolhalt i råmaterialen genom att använda standardmetoder, på grund av oxidering av askan som förekommer i råmaterialen. Därför så utvecklades en ny metod för att bestämma ett provs bestämda kolhalt, som inte är beroende av en oxidering av askan.
I avhandlingen studeras också möjligheten att använda vätegivare för att förädla den flytande produkten för att erhålla ett lägre syreinnehåll och ett högre värmevärde. En vätgasatmosfär användes för att skapa en ex-situ vätegivning vid pyrolys av lignocellulosahaltigt avfall både med och utan användandet av en katalysator. Den specifika katalysatorn som användes var den kommersiella produkten HZSM-5, som är en katalysator som möjliggör en separation av aromatiska föreningar. Resultaten visar att det är möjligt att bestämma mängden vätgas som förbrukas vid experiment både med och utan användandet av katalysatorn HZSM-5. Användandet av en vätgasatmosfär ledde till en ökad produktion av både gas och vätska, men ett minskat utbyte av biokol. Däremot så ledde detta till en ökad surhet hos HZMS-5 katalysatorn och en ökad andel av polyaromatiska föreningar under pyrolysprocessen. Användandet av rötrester från avfallsslam som in-situ vätegivare vid pyrolys av ligocellulosahaltigt biomassa från salixsläktet undersöktes också. Rötrester från avfallsslam blandades med biomassa från salixsläktet i fem olika proportioner och pyrolysförsök utfördes i laboratorieskala. Försöken visade att en blandning av 75% rötslam från avfallsslam och 25% biomassa från salixsläktet resulterade i de högsta mass- och energiutbytena med avseende på den organiska fraktionen av den flytande produkten, men ett minskat utbyte av biokol. Dessutom så studerades den synergetiska effekten vid användandet av en kombination at rötrester från avfallsslam och biomassa från salixsläktet med avseende på reaktionsmekanismer, kolnummerfördelningen i den organiska fraktionen och stabilitet hos biokol. Resultaten visade att konkurrerande reaktionerna mellan karboxylsyra som har korta kedjor från pyrolys av biomassa från salixsläktet och karboxylsyra med långa kedjor från pyrolys av rötrester var en orsak till uppkomsten av synergetiska reaktioner kopplade till sammansättningen hos den organiska fraktionen. Denna konkurrerande reaktion ger upphov till karboxylsyraestrar och heterocykliska kväveföreningar och en lägre andel nitriler med långa kedjor i den organiska fraktionen som produceras med en kombinerad pyrolysprocessen, i jämförelse med en traditionell enkel pyrolysprocess.
En matematisk modell av den föreslagna unika processen har utvecklats med användandet av en kommersiell mjukvara och simuleringsresultaten har verifierats med experimentella data. Fokus var att studera inverkan av pyrolystemperatur och avvattningsteknik på simuleringsresultaten, när metan valdes som den slutligt önskade produkten. Andelen pyrolytiskt biokol och komprimerad CO2 bestämdes och användes sedan för att representera de lagrade negativa koldioxidemissionerna. Simuleringsresultaten visade att 151.4 kg CH4 med en renhet av 96 vol%, 304.5kg komprimerad CO2 och 80.8 kg kol producerades vid pyrolys av 1000 kg torra rötrester. De två senare representerar en 355.64 kg negativ CO2 emission.