Sustainable valorization of Biomass into Syngas/H2 via Biocarbon catalyst

Abstract

Miljöproblem som uppkommer från den snabba tillväxten av den global energiefterfrågan och koldioxidutsläpp kräver brådskande lösningar. Biomassa representerar ett hållbart alternativ för att ersätta fossila bränslen, eftersom dess energi kan omvandlas till elektricitet, värme, bränslen och kemiska prekursorer och därigenom ersätta petrokemikalier. Det är också den enda existernade kolbaserade förnybara resursen och som har en betydande potential att mildra miljöförstöring, uppnå koldioxidnegativa utsläpp och driva hållbar utveckling. En syngasproduktion från en kombinerad pyrolys av biomassa och en katalytisk uppgradering har attraherat ökad uppmärksamhet, eftersom det är ett övertygande tillvägagångssätt för att generera förnybara biodrivmedel, biokemikalier och biomaterial. Vätgas som isolerats från bio-syngas utgör en ren och lovande sekundär energikälla och bärare som kan främja ett kolfritt energisystem med avseende på teknologiska, ekonomiska och samhälleliga dimensioner.

Denna avhandling syftar till att förverkliga en fullständig värdering av biomassa till förnybart och prisvärt väte-rik syngas och kolbaserade batterianoder (hårdkol) genom att använda pyrolys i kombnination med en katalytisk uppgradering  där biokol används som kärnan i katalysstrategin. Biokol, som är ett kolberikat fast material med en koldioxidneutral natur, framstår som en lovande katalysator för att främja en uppgradering av flyktiga komponenter på grund av dess omfattande funktionaliserade yta, porösa struktur och motståndskraft mot kokning.

En optimering av katalysatorstrategin med biokolbaserade katalysatorer i den katalytiska uppgraderingsprocessen för att förbättra syngaskvaliteten är avgörande och grundläggande för att skala upp den föreslagna processen. Denna avhandling undersökte först effekten av användandet av Ni-baserade, biokol, kaskad biokol+Ni-baserad och ingenjörskonstruerade biokolkatalysatorer på den katalytiska prestandan med avseende på syngasutbyte, väteutbyte och effektivitet för gasenergikonvertering (GECE). Bland dessa så var prestandan med användande av kaskad biokol+Ni-baserad och Ni-tillsatt biokolkatalysatorer de bästa. Användning av NiBC som en reformeringskatalysator introducerade 78,2 viktprocent av syngas bestående av en H₂+CO-andel på 94,6 volymprocent, medan tillämpning av kaskadbiokol + NiAlO katalysatorstrategi resulterade i 71 viktprocent av syngas med en total H₂+CO-andel på 89,5 volymprocent. Dock visade försöken med en Ni-tillsatt biokolkatalysator en något minskad katalytisk prestanda efter tre upprepningar, medan försöken med en kaskad biokol+NiAlO-katalysatorn visade en stabil prestanda med avseende på syngas- och H₂-utbyten efter använding under 15 cykler. Försök med plastavfall, som är en kolbaserad resurs, gjordes också med den kombinerade pyrolysen följt av en katalytisk uppgraderingsprocess för produktion av väte och värdefulla kolprodukter med hjälp av biokol som kracknings katalysator.

Dessutom så utvärderades genomförbarheten av den föreslagna processen genom framtagande och simuleringar av ett ny bioraffinaderikoncept baserad på ovanstående resultat, med målet att producera väte och högkvalitativa hårda kol till på ett ekonomiskt gångbart sätt från biomassaavfall under en samtida generering av negativa koldioxidutsläpp. Den föreslagna bioraffinaderikonceptet beräknades producera 75 kg H₂, 169 kg HCs och 891 kg CO₂ (95% renhet) per metrisk ton biomassaavfall. Dessutom så beräknades återbetalningstiden (PBP) till upp till två år vid referenspriser på 13,7 €/kg och 5 €/kg för HCs och H₂. Samtidigt uppnåddes en negativ emission för den föreslagna bioraffinaderikonceptet motsvarande -0,89 CO₂-ekv/kg biomassa baserat på svensk vindkraftsel, med hänsyn till koldioxidinfångning.

Slutligen implementerades ett pilotskaligt system med en kontinuerlig pyrolys reaktor för att skala upp kapaciteten hos den föreslagna processen. Den katalytiska prestandan undersöktes i termer av produktfördelning, gassammansättning och gasegenskaper. Följande kritiska parametrar utvärderades: viktig per timme rymdhastighet (WHSV), partikelstorlek och katalysatorernas morfologi, tryckfall i katalysatorbädden. Resultaten visade att ett lägre WHSV värde gynnar ett högre syngasutbyte, en högre H₂+CO-andel och ett högre vätgasutbyte på grund av en längre uppehållstid för kontakter mellan flyktiga ämnen och kol. Mindre katalysatorpartikelstorlekar innebär högre tryckfall i bädden, vilket resulterade i högre syngas- och väteutbyten. Dessutom introducerade biokolpartiklar med högre bulkdensitet och mer sfärisk och rundad form ett högre syngasutbyte, H₂+CO-andel och vätgasutbyte, jämfört med partiklar med en osfärsik formjämfört med partiklarna med långsträckt och kantig form. Stabiliteten vid användning av biokol som katalysator i ett kontinuerligt matningssystem undersöktes också och verifierades i denna avhandling, dess utmärkta anti-koksningsprestanda.

Nyckelord:  Pyrolys, Katalytisk uppgradering, Biomassa, Biokol, Syngas, Vätgas

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-339174