Catalytic Pyrolysis of Torrefied Biomass in a Bubbling Fluidised Bed Reactor

Abstract

Non-catalytic and catalytic pyrolysis of non-torrefied and torrefied Leaucaena leucocephala woody biomass was investigated using a vibrating torrefactor and a bubbling fluidised-bed pyrolyser. The biomass was torrefied at 240-320°C for 3 minutes and the results apparently showed that increasing torrefaction temperature led to decreasing solid yield from 98 wt% to 50 wt% on dry basis. Although the thermal pretreatment of biomass by torrefaction generally led to the decrease of bio-oil yield, it is interesting to discover that the heavy bio-oil yield could be enhanced from 30 wt% to 33 wt% of raw biomass on dry basis when the biomass was torrefied at 280°C before being non-catalytically pyrolysed. This improvement corresponds to the increase of the energy yield from 34% to 38% and the decrease of the heavy bio-oil water content from 23 wt% to 6 wt%. When applying ZSM-5 catalyst in the fast pyrolysis process, the nature of the bio-oil fractions changed in a way that there existed an oily flammable liquid which was not observed in non-catalytic pyrolysis. Maximum yields of the oily liquid of around 3 wt% of raw biomass on dry basis were obtained with the non-torrefied biomass and the biomass torrefied at 280°C. These oily liquids had very low oxygen contents of less than 2% with very high gross calorific value of 42 MJ/kg. According to the GC/MS analysis, the oily liquid contained 99% of hydrocarbons based on the chromatographic peak area.

งานวิจัยนี้ศึกษาการไพโรไลซีสที่ไม่ใช้และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาของไม้กระถินยักษ์และถ่านทอร์รีไฟด์ โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ทอร์รีแฟกชันแบบสั่นและเครื่องปฏิกรณ์ไพโรไลซีสชนิดฟลูอิไดซ์เบดแบบฟอง ขั้นตอนดำเนินงานเริ่มจากนำไม้กระถินยักษ์ไปทอร์รีไฟด์ที่อุณหภูมิ 240 ถึง 320 องศาเซลเซียส เวลาคงอยู่ของของแข็งคงที่ที่ 3 นาที ผลการทดลองพบว่าการเพิ่มอุณหภูมิทอร์รีแฟกชันทำให้ปริมาณผลได้เชิงมวลของถ่านทอร์รีไฟด์ลดลงจากร้อยละ 98 เป็น 50 โดยน้ำหนักฐานแห้ง แม้ว่าการเตรียมไม้กระถินยักษ์ด้วยกระบวนการทอร์รีแฟกชันทำให้ปริมาณผลได้เชิงมวลของไบโอออยล์รวมลดลง แต่มีการค้นพบที่น่าสนใจคือเมื่อนำไม้กระถินยักษ์ไปทอร์รีไฟด์ที่อุณหภูมิ 280 องศาเซลเซียส ก่อนนำไปไพโรไลซีสที่ไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถช่วยเพิ่มปริมาณผลได้เชิงมวลของไบโอออยล์เฟสหนืดจากร้อยละ 30 เป็น 33 โดยน้ำหนักของไม้กระถินยักษ์แห้ง ซึ่งสอดคล้องกับปริมาณผลได้เชิงพลังงานที่เพิ่มขึ้นจากร้อยละ 34 เป็น 38 และปริมาณน้ำที่ลดลงจากร้อยละ 23 เป็น 6 โดยน้ำหนัก การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ZSM-5 ในกระบวนการไพโรไลซีสแบบเร็วทำให้ไบโอออยล์บางส่วนแปรสภาพไปเป็นไบโอออยล์เฟสติดไฟซึ่งไม่พบในการไพโรไลซีสที่ไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา โดยมีปริมาณผลได้เชิงมวลของไบโอออยล์เฟสติดไฟสูงสุดที่ประมาณร้อยละ 3 โดยน้ำหนักของไม้กระถินยักษ์แห้ง เมื่อใช้ไม้กระถินยักษ์และถ่านทอร์รีไฟด์ที่อุณหภูมิ 280 องศาเซลเซียส ไบโอออยล์เฟสติดไฟนี้มีปริมาณออกซิเจนต่ำกว่าร้อยละ 2 โดยน้ำหนัก อีกทั้งยังมีค่าความร้อนที่สูงถึง 42 เมกะจูลต่อกิโลกรัม จากการวิเคราะห์องค์ประกอบสารเคมีโดยใช้เทคนิค GC/MS ไบโอออยล์เฟสติดไฟประกอบไปด้วยสารไฮโดรคาร์บอนสูงถึงร้อยละ 99