Electrically heated thermochemical reactors
Hahto, Vesa (2023)
Diplomityö
Hahto, Vesa
2023
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202301041403
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202301041403
Tiivistelmä
The share of global carbon emissions in the chemical industry is significant. Nowadays, most of the chemical industry processes are heated with combustion because it has been a reliable and cost-efficient method to provide heat. In the future, electrification could be a solution in minimizing fuel consumption and emissions.
In this Master’s thesis, electric heating solutions are compared with combustion in energy intensive reactions. Eicosane pyrolysis is presented with mass and energy balances in a fluidized bed. Heat source is chosen as combustion or electricity. Hydrogen is chosen as a fuel for the combustion reaction. Eicosane is chosen because of its similarity to plastics. Plastics manufacture is one of the most energy and emission intensive chemical industry field, which increases the importance of its decarbonization.
Balance research reveal that combustion with combustion air heat recovery and oxygen combustion increase the energy intensity of the products in the pyrolysis reactor more than electric heating. Combustion increases emissions and the increase of energy content in pyrolysis products also increases the demand for cooling. The main electric heating solutions replacing combustion, resistance heating and induction heating require CFD analysis and process measurements to investigate their benefits. The requirements for power electronics should also be addressed in future studies. The most important aspect is to decrease greenhouse gas emissions and resource consumption in the process. Because of the intermittent renewable electricity production required for electrification, it is crucial to increase sustainable energy storage solutions. Consequently, electric heating would be feasible over combustion in all energy consuming chemical reactions. Maailman hiilipäästöistä merkittävä osa johtuu edelleen kemianteollisuuden päästöistä. Nykyään kemianteollisuuden prosesseissa hyödynnetään eniten polttoreaktioita, sillä ne tarjoavat kustannustehokkaan ja luotettavan ratkaisun. Tulevaisuudessa sähköistyksellä voidaan vähentää polttoaineen kulutusta ja päästöjä.
Tässä diplomityössä sähköisiä lämmitysratkaisuja verrataan polttoon energiaintensiivisissä reaktioissa. Massa- ja energiataseissa on esitetty eikosaanin pyrolyysi leijupedissä. Lämmönlähteeksi pyrolyysille on valittu joko poltto- tai sähkölämmitys. Polttoreaktion polttoaineeksi on valittu vety. Eikosaani on valittu, koska se muistuttaa rakenteeltaan muoveja. Muoviteollisuus on yksi eniten energiaa kuluttavista ja päästöjä tuottavista kemianteollisuuden aloista, joten sen hiilipäästöjen vähentäminen on katsottu tärkeäksi.
Tasetutkimuksista selviää, että poltto palamisilman esilämmityksellä sekä happipoltto kasvattavat pyrolyysituotteiden energiamäärää pyrolyysireaktorissa enemmän kuin pelkkä sähkölämmitys. Poltto kasvattaa kuitenkin päästöjä ja pyrolyysituotteiden energiamäärän kasvu kasvattaa myös jäähdytyksen tarvetta. Polton korvaavat sähköiset ratkaisut kuten vastuslämmitys tai induktiolämmitys vaativat vielä virtaussimulointia ja mittauksia teknologioiden hyötyjen selvittämiseksi. Lisäksi tehoelektroniikan tarvetta tulee tutkia jatkossa tarkemmin. Tärkeintä on vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ja raaka-aineiden kulutusta prosessissa. Koska sähköistykseen vaadittava uusiutuva sähkön tuotanto ei ole tasaista, on keskeistä myös lisätä kestäviä energian varastointiratkaisuja. Näin sähkölämmitys olisi kannattavaa polttoon verrattuna kaikissa energiaa kuluttavissa kemiallisissa reaktioissa.
In this Master’s thesis, electric heating solutions are compared with combustion in energy intensive reactions. Eicosane pyrolysis is presented with mass and energy balances in a fluidized bed. Heat source is chosen as combustion or electricity. Hydrogen is chosen as a fuel for the combustion reaction. Eicosane is chosen because of its similarity to plastics. Plastics manufacture is one of the most energy and emission intensive chemical industry field, which increases the importance of its decarbonization.
Balance research reveal that combustion with combustion air heat recovery and oxygen combustion increase the energy intensity of the products in the pyrolysis reactor more than electric heating. Combustion increases emissions and the increase of energy content in pyrolysis products also increases the demand for cooling. The main electric heating solutions replacing combustion, resistance heating and induction heating require CFD analysis and process measurements to investigate their benefits. The requirements for power electronics should also be addressed in future studies. The most important aspect is to decrease greenhouse gas emissions and resource consumption in the process. Because of the intermittent renewable electricity production required for electrification, it is crucial to increase sustainable energy storage solutions. Consequently, electric heating would be feasible over combustion in all energy consuming chemical reactions.
Tässä diplomityössä sähköisiä lämmitysratkaisuja verrataan polttoon energiaintensiivisissä reaktioissa. Massa- ja energiataseissa on esitetty eikosaanin pyrolyysi leijupedissä. Lämmönlähteeksi pyrolyysille on valittu joko poltto- tai sähkölämmitys. Polttoreaktion polttoaineeksi on valittu vety. Eikosaani on valittu, koska se muistuttaa rakenteeltaan muoveja. Muoviteollisuus on yksi eniten energiaa kuluttavista ja päästöjä tuottavista kemianteollisuuden aloista, joten sen hiilipäästöjen vähentäminen on katsottu tärkeäksi.
Tasetutkimuksista selviää, että poltto palamisilman esilämmityksellä sekä happipoltto kasvattavat pyrolyysituotteiden energiamäärää pyrolyysireaktorissa enemmän kuin pelkkä sähkölämmitys. Poltto kasvattaa kuitenkin päästöjä ja pyrolyysituotteiden energiamäärän kasvu kasvattaa myös jäähdytyksen tarvetta. Polton korvaavat sähköiset ratkaisut kuten vastuslämmitys tai induktiolämmitys vaativat vielä virtaussimulointia ja mittauksia teknologioiden hyötyjen selvittämiseksi. Lisäksi tehoelektroniikan tarvetta tulee tutkia jatkossa tarkemmin. Tärkeintä on vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ja raaka-aineiden kulutusta prosessissa. Koska sähköistykseen vaadittava uusiutuva sähkön tuotanto ei ole tasaista, on keskeistä myös lisätä kestäviä energian varastointiratkaisuja. Näin sähkölämmitys olisi kannattavaa polttoon verrattuna kaikissa energiaa kuluttavissa kemiallisissa reaktioissa.