Pretreatment of wheat straw for fast pyrolysis by recirculation of by-products
Mayoral Chavando, Jose Antonio (2017)
Diplomityö
Mayoral Chavando, Jose Antonio
2017
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https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201709048466
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201709048466
Tiivistelmä
The bioliq® concept developed at KIT is a three-step conversion process for the production of 2nd
generation drop-in biofuels from biomass waste such as e.g. wheat straw. First, biomass is converted by decentralized fast pyrolysis units to yield energy dense biosyncrude, a mixture of bio-oil and char. This slurry is the feed for large-scale pressurized entrained flow gasification at 8 MPa to yield producer gas free of tars. The gas is finally converted by DME (Dimethyl ether) synthesis to yield designer fuels.
The given task is set in the first step, fast pyrolysis. This initial conversion is performed in a twin-screw mixing reactor at 500 °C. The comminuted biomass feed is thermochemically converted to hot pyrolysis vapors, gas, and char fines within seconds. Solid particles are separated by cyclones prior to a two-step condensation of the vapors to yield an organic and an aqueous condensate. The organic condensate represents the main product whereas the aqueous condensate has less favorable characteristics for subsequent gasification (high water content, low heating value, and low carbon content). However, the aqueous condensate contains significant amounts of organic acids which open up the potential for other uses. One possible use could be the demineralization of wheat straw with high ash content.
The aim of this work is to test the effect of wheat straw pretreatment with aqueous condensate obtained from fast pyrolysis and its effect on the overall process efficiency.
• Development and characterization of pretreatment method
• Characterization of pretreatment products (liquid, solid)
• Pyrolysis experiments with pretreated wheat straw
• Simulation to investigate effects on overall process efficiency
In order to know if the pretreatment process is feasible, it was estimated the energy consumption of the pretreatment process and compared it with the energy content in the extra organic condensate.
Unfortunately, the pretreatment is not feasible because the estimated energy of the pretreatment is
414kW while the energy content in the extra organic condensate can produce 291kW. However, it was proposed to replace the evaporation of the pretreatment process by a sun drying which turns the situation around dramatically because the energy consumed by the pretreatment would be 57kW. In other words, this is an increase of 19.25% of the total energy produced by wheat straw. This may justify the pretreatment process. Nevertheless, the implementation of sun-drying should be evaluated since weather conditions could be not favorable the whole year in all countries or regions. In addition, the pretreatment process produces waste water which could be used for irrigation or they must be treated, this point should be evaluated in detail. KIT:ssä (Karisruhe Institute of Technology, Saksa) kehitetty bioliq® konsepti on kolmivaiheinen
konversioprosessi toisen sukupolven drop-in biopolttoaineille, jotka tuotetaan biojätteestä kuten vehnän
oljista. Ensin biomassa konvertoidaan liikuteltavilla nopeilla pyrolyysiyksiköillä energiatiheäksi
synteettiseksi bioraakaöljyksi (engl. biosyncrude), bioöljyn ja hiiltyneen oljen seokseksi. Tämä liete
syötetään isoon 8 MPa:iin paineistettuun kaasuvirtaussekoittimeen, jolla tuotetaan tervavapaata kaasua.
Lopuksi kaasu konvertoidaan DME (Dimethylether) synteesillä halutuksi polttoaineeksi.
Tämä työ käsittelee ensimmäistä vaihetta, nopeaa pyrolyysiä. Tämä ensimmäinen muunnos suoritetaan
500 °C kaksoisruuvisekoitusreaktorissa. Hienonnettu biomassa konvertoidaan termokemiallisesti
kuumaksi pyrolyysihöyryksi, kaasuksi ja hienoksi hiileksi sekunneissa. Kiinteät partikkelit erotetaan
toisistaan sykloneilla ennen kaksivaiheista höyryn kondensointia, jolla tuotetaan orgaanista sekä
vesipitoista kondensaattia. Orgaaninen kondensaatti on päätuote, kun taas vesipitoisella kondensaatilla
on heikommat ominaisuudet kaasutukseen (suuri vesipitoisuus, matala lämmitysarvo ja matala
hiilipitoisuus). Vesipitoinen kondensaatti kuitenkin sisältää merkittäviä määriä orgaanisia happoja, joita
voidaan hyödyntää muissa käyttökohteissa. Yksi mahdollinen käyttökohde voisi olla korkean
tuhkapitoisuuden omaavien olkien demineralisaatio.
Tämän työn tavoite on testata nopeasta pyrolyysistä saadun vesipitoisen kondensaatin vaikutusta oljen
esikäsittelynä ja sen vaikutusta koko prosessiin.
• Esikäsittelyn kehittäminen ja karakterisointi
• Esikäsiteltyjen tuotteiden (nesteet, kiintoaineet) karakterisointi
• Esikäsitellyn vehnäoljen pyrolyysikokeet
• Prosessitehokkuuden kokonaisvaltainen tutkiminen simuloimalla
Voidaksemme päätellä, onko alkukäsittelyprosessi toteuttamiskelpoinen, arvioimme sen
energiankulutuksen ja vertasimme sitä ylimääräisen orgaanisen kondensaatin energiamäärään.
Valitettavasti alkukäsittely ei ole toteuttamiskelpoinen, koska alkukäsittelyn arvioitu energiankulutus
on 414kW, kun taas ylimääräisen orgaanisesn kondensaatin enegiamäärä on 291 kW. Toisena
mahdollisuutena oli alkukäsittelyn haihduttamisen korvaaminen aurinkokuivauksella, mikä muuttaa
tilannetta dramaatisesti, koska alkukäsittelyyn tarvittava energia tippuisi 57 kW:iin. Toisinsanoen, tämä
olisi 19,25%:in lisäys vehnäolkien tuottamaan energiaan. Tämä saattaisi oikeuttaa
alkukäsittelyprosessin. Kuitenkin, aurinkokuivauksen käyttöä pitää vielä arvioida, koska sääolot eri
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maissa ja alueilla eivät välttämättä ole sopivia menetelmälle. Lisäksi alkukäsittely tuottaa jätevettä, jota
voitaisin käyttää kastelussa, muuten se täytyy käsitellä. Tämä seikka vaatii lisäarviointia. Das am KIT entwickelte bioliq®-Konzept ist ein dreistufiges Umwandlungsverfahren zur Herstellung
von Biokraftstoffen der zweiten Generation aus Biomasseabfällen, wie z.B. Weizenstroh. Zuerst wird
Biomasse durch dezentrale Schnellpyrolyse-Anlagen in bioSynCrude®, eine Mischung aus Bioöl und
Kohle, umgewandelt. Diese zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig hoher
erreichbarer Energieausbeute aus. Die Schlämme dient als Einspeisung einer großvolumigen, unter
Druck stehende Flugstromvergasung bei der bei einem Druck von 8 MPa ein Erzeugergas frei von
Teeren produziert wird. Das Gas wird schließlich durch DME-Synthese(Dimethylether) umgewandel,
wodurch die Designer-Kraftstoffe erzeugt werden.
Der erste Teil der Aufgabe befasst sich mit der Schnellpyrolyse. Dabei erfolgt die anfängliche
Umwandlung in einem Doppelschnecken-Mischreaktor bei 500 ° C. Die zerkleinerte Biomasse wird
innerhalb von Sekunden thermochemisch in heiße Pyrolyse-Dämpfe, Gas- und Blei-Feinstoffe
umgewandelt. Feste Partikel werden durch Zyklone vor einer zweistufigen Kondensation der Dämpfe
getrennt, um ein organisches und ein wässriges Kondensat zu ergeben. Das organische Kondensat stellt
das Hauptprodukt dar, während das wässrige Kondensat für die anschließende Vergasung (hoher
Wassergehalt, geringer Heizwert und niedrigem Kohlenstoffgehalt) weniger günstige Eigenschaften
aufweist. Das wässrige Kondensat enthält jedoch erhebliche Mengen an organischen Säuren, die das
Potenzial für andere Verwendungen erschließen. Eine mögliche Verwendung könnte die
Demineralisierung von Weizenstroh mit hohem Aschegehalt sein.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Wirkung der Weizenstrohvorbehandlung mit wässrigem Kondensat aus der
schnellen Pyrolyse und deren Auswirkung auf die gesamte Prozesseffizienz zu testen.
• Entwicklung und Charakterisierung der Vorbehandlungsmethode
• Charakterisierung von Vorbehandlungsprodukten (flüssig, fest)
• Pyrolyseexperimente mit vorbehandeltem Weizenstroh
• Simulation zur Untersuchung von Auswirkungen auf die gesamte Prozesseffizienz
Um herauszufinden, ob der Vorbehandlungsprozess durchführbar ist, wurde der Verbrauch der
benötigten elektrischen Leistung des Vorbehandlungsprozesses abgeschätzt und mit dem in elektrische
Leistung umwandelbaren Energiegehalt im extra organischen Kondensat verglichen. Die
Vorbehandlung auf diese Weise ist nicht möglich, da die geschätzte benötigte elektrische Leistung der
Vorbehandlung 414 kW beträgt, während der Energiegehalt im extra organischen Kondensat nur zu
einer elektrischen Leistung von 291 kW ausreicht. Es wurde jedoch vorgeschlagen, die Verdampfung
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des Vorbehandlungsprozesses durch eine Sonnentrocknung zu ersetzen, die die Situation drastisch
verändern würde. Für die Vorbehandlung würde auf diese Weise nur noch eine elektrische Leistung
von 57 kW benötigt werden. Der Anstieg beträgt somit 19,25% der Gesamtenergie, die durch
Weizenstroh erzeugt wird. Dadurch könnte der Vorbehandlungsprozess gerechtfertigt werden.
Trotzdem sollte die Umsetzung der Sonnentrocknung ausgewertet werden, da die Wetterbedingungen
das ganze Jahr in allen Ländern oder Regionen nicht günstig sein könnten. Darüber hinaus produziert
das Vorbehandlungsverfahren Abwässer, die für die Bewässerung verwendet werden können oder die
Abwässer müssten weiter behandelt werden. Dieser Punkt sollte im Detail ausgewertet werden.
generation drop-in biofuels from biomass waste such as e.g. wheat straw. First, biomass is converted by decentralized fast pyrolysis units to yield energy dense biosyncrude, a mixture of bio-oil and char. This slurry is the feed for large-scale pressurized entrained flow gasification at 8 MPa to yield producer gas free of tars. The gas is finally converted by DME (Dimethyl ether) synthesis to yield designer fuels.
The given task is set in the first step, fast pyrolysis. This initial conversion is performed in a twin-screw mixing reactor at 500 °C. The comminuted biomass feed is thermochemically converted to hot pyrolysis vapors, gas, and char fines within seconds. Solid particles are separated by cyclones prior to a two-step condensation of the vapors to yield an organic and an aqueous condensate. The organic condensate represents the main product whereas the aqueous condensate has less favorable characteristics for subsequent gasification (high water content, low heating value, and low carbon content). However, the aqueous condensate contains significant amounts of organic acids which open up the potential for other uses. One possible use could be the demineralization of wheat straw with high ash content.
The aim of this work is to test the effect of wheat straw pretreatment with aqueous condensate obtained from fast pyrolysis and its effect on the overall process efficiency.
• Development and characterization of pretreatment method
• Characterization of pretreatment products (liquid, solid)
• Pyrolysis experiments with pretreated wheat straw
• Simulation to investigate effects on overall process efficiency
In order to know if the pretreatment process is feasible, it was estimated the energy consumption of the pretreatment process and compared it with the energy content in the extra organic condensate.
Unfortunately, the pretreatment is not feasible because the estimated energy of the pretreatment is
414kW while the energy content in the extra organic condensate can produce 291kW. However, it was proposed to replace the evaporation of the pretreatment process by a sun drying which turns the situation around dramatically because the energy consumed by the pretreatment would be 57kW. In other words, this is an increase of 19.25% of the total energy produced by wheat straw. This may justify the pretreatment process. Nevertheless, the implementation of sun-drying should be evaluated since weather conditions could be not favorable the whole year in all countries or regions. In addition, the pretreatment process produces waste water which could be used for irrigation or they must be treated, this point should be evaluated in detail.
konversioprosessi toisen sukupolven drop-in biopolttoaineille, jotka tuotetaan biojätteestä kuten vehnän
oljista. Ensin biomassa konvertoidaan liikuteltavilla nopeilla pyrolyysiyksiköillä energiatiheäksi
synteettiseksi bioraakaöljyksi (engl. biosyncrude), bioöljyn ja hiiltyneen oljen seokseksi. Tämä liete
syötetään isoon 8 MPa:iin paineistettuun kaasuvirtaussekoittimeen, jolla tuotetaan tervavapaata kaasua.
Lopuksi kaasu konvertoidaan DME (Dimethylether) synteesillä halutuksi polttoaineeksi.
Tämä työ käsittelee ensimmäistä vaihetta, nopeaa pyrolyysiä. Tämä ensimmäinen muunnos suoritetaan
500 °C kaksoisruuvisekoitusreaktorissa. Hienonnettu biomassa konvertoidaan termokemiallisesti
kuumaksi pyrolyysihöyryksi, kaasuksi ja hienoksi hiileksi sekunneissa. Kiinteät partikkelit erotetaan
toisistaan sykloneilla ennen kaksivaiheista höyryn kondensointia, jolla tuotetaan orgaanista sekä
vesipitoista kondensaattia. Orgaaninen kondensaatti on päätuote, kun taas vesipitoisella kondensaatilla
on heikommat ominaisuudet kaasutukseen (suuri vesipitoisuus, matala lämmitysarvo ja matala
hiilipitoisuus). Vesipitoinen kondensaatti kuitenkin sisältää merkittäviä määriä orgaanisia happoja, joita
voidaan hyödyntää muissa käyttökohteissa. Yksi mahdollinen käyttökohde voisi olla korkean
tuhkapitoisuuden omaavien olkien demineralisaatio.
Tämän työn tavoite on testata nopeasta pyrolyysistä saadun vesipitoisen kondensaatin vaikutusta oljen
esikäsittelynä ja sen vaikutusta koko prosessiin.
• Esikäsittelyn kehittäminen ja karakterisointi
• Esikäsiteltyjen tuotteiden (nesteet, kiintoaineet) karakterisointi
• Esikäsitellyn vehnäoljen pyrolyysikokeet
• Prosessitehokkuuden kokonaisvaltainen tutkiminen simuloimalla
Voidaksemme päätellä, onko alkukäsittelyprosessi toteuttamiskelpoinen, arvioimme sen
energiankulutuksen ja vertasimme sitä ylimääräisen orgaanisen kondensaatin energiamäärään.
Valitettavasti alkukäsittely ei ole toteuttamiskelpoinen, koska alkukäsittelyn arvioitu energiankulutus
on 414kW, kun taas ylimääräisen orgaanisesn kondensaatin enegiamäärä on 291 kW. Toisena
mahdollisuutena oli alkukäsittelyn haihduttamisen korvaaminen aurinkokuivauksella, mikä muuttaa
tilannetta dramaatisesti, koska alkukäsittelyyn tarvittava energia tippuisi 57 kW:iin. Toisinsanoen, tämä
olisi 19,25%:in lisäys vehnäolkien tuottamaan energiaan. Tämä saattaisi oikeuttaa
alkukäsittelyprosessin. Kuitenkin, aurinkokuivauksen käyttöä pitää vielä arvioida, koska sääolot eri
2
maissa ja alueilla eivät välttämättä ole sopivia menetelmälle. Lisäksi alkukäsittely tuottaa jätevettä, jota
voitaisin käyttää kastelussa, muuten se täytyy käsitellä. Tämä seikka vaatii lisäarviointia.
von Biokraftstoffen der zweiten Generation aus Biomasseabfällen, wie z.B. Weizenstroh. Zuerst wird
Biomasse durch dezentrale Schnellpyrolyse-Anlagen in bioSynCrude®, eine Mischung aus Bioöl und
Kohle, umgewandelt. Diese zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig hoher
erreichbarer Energieausbeute aus. Die Schlämme dient als Einspeisung einer großvolumigen, unter
Druck stehende Flugstromvergasung bei der bei einem Druck von 8 MPa ein Erzeugergas frei von
Teeren produziert wird. Das Gas wird schließlich durch DME-Synthese(Dimethylether) umgewandel,
wodurch die Designer-Kraftstoffe erzeugt werden.
Der erste Teil der Aufgabe befasst sich mit der Schnellpyrolyse. Dabei erfolgt die anfängliche
Umwandlung in einem Doppelschnecken-Mischreaktor bei 500 ° C. Die zerkleinerte Biomasse wird
innerhalb von Sekunden thermochemisch in heiße Pyrolyse-Dämpfe, Gas- und Blei-Feinstoffe
umgewandelt. Feste Partikel werden durch Zyklone vor einer zweistufigen Kondensation der Dämpfe
getrennt, um ein organisches und ein wässriges Kondensat zu ergeben. Das organische Kondensat stellt
das Hauptprodukt dar, während das wässrige Kondensat für die anschließende Vergasung (hoher
Wassergehalt, geringer Heizwert und niedrigem Kohlenstoffgehalt) weniger günstige Eigenschaften
aufweist. Das wässrige Kondensat enthält jedoch erhebliche Mengen an organischen Säuren, die das
Potenzial für andere Verwendungen erschließen. Eine mögliche Verwendung könnte die
Demineralisierung von Weizenstroh mit hohem Aschegehalt sein.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Wirkung der Weizenstrohvorbehandlung mit wässrigem Kondensat aus der
schnellen Pyrolyse und deren Auswirkung auf die gesamte Prozesseffizienz zu testen.
• Entwicklung und Charakterisierung der Vorbehandlungsmethode
• Charakterisierung von Vorbehandlungsprodukten (flüssig, fest)
• Pyrolyseexperimente mit vorbehandeltem Weizenstroh
• Simulation zur Untersuchung von Auswirkungen auf die gesamte Prozesseffizienz
Um herauszufinden, ob der Vorbehandlungsprozess durchführbar ist, wurde der Verbrauch der
benötigten elektrischen Leistung des Vorbehandlungsprozesses abgeschätzt und mit dem in elektrische
Leistung umwandelbaren Energiegehalt im extra organischen Kondensat verglichen. Die
Vorbehandlung auf diese Weise ist nicht möglich, da die geschätzte benötigte elektrische Leistung der
Vorbehandlung 414 kW beträgt, während der Energiegehalt im extra organischen Kondensat nur zu
einer elektrischen Leistung von 291 kW ausreicht. Es wurde jedoch vorgeschlagen, die Verdampfung
5
des Vorbehandlungsprozesses durch eine Sonnentrocknung zu ersetzen, die die Situation drastisch
verändern würde. Für die Vorbehandlung würde auf diese Weise nur noch eine elektrische Leistung
von 57 kW benötigt werden. Der Anstieg beträgt somit 19,25% der Gesamtenergie, die durch
Weizenstroh erzeugt wird. Dadurch könnte der Vorbehandlungsprozess gerechtfertigt werden.
Trotzdem sollte die Umsetzung der Sonnentrocknung ausgewertet werden, da die Wetterbedingungen
das ganze Jahr in allen Ländern oder Regionen nicht günstig sein könnten. Darüber hinaus produziert
das Vorbehandlungsverfahren Abwässer, die für die Bewässerung verwendet werden können oder die
Abwässer müssten weiter behandelt werden. Dieser Punkt sollte im Detail ausgewertet werden.