Catalytic Pyrolysis of Biomass in a Vibrating Reactor

Abstract

Fast pyrolysis reactor design is crucial for efficient production of high-yield and high-quality bio-oil with char and gases as by-products. Fluidised-bed reactors are well known to be most widely used for this purpose. Nevertheless, the use heat transfer medium such as sand and the need for high carrier gas flow to fluidise the medium are their main drawbacks. Fine sand particles can be carried over from reactor bed to char storage, thus preventing the production of clean char, which could be further upgraded to value-added activated carbon. High carrier gas flow causes the reduction of thermal and cooling efficiency. These shortcomings were previously circumvented by applying simpler free-fall or drop-tube pyrolysers where biomass particles are allowed to drop vertically from top of bottom part while being pyrolysed. However, their heat transfer relies mainly on convection and partly on conduction heat from reactor wall. Therefore, this research aims to solve all of the aforementioned problems by using a novel vibrating reactor to allow biomass particles to be horizontally pyrolyzed by mainly conduction heat while moving by vibration along the reactor. Since this reactor was adopted in biomass fast pyrolysis for the first time, process parameters including reactor shape (cylinder or cuboid), pyrolysis temperature (450-525), biomass particles (0.2-2.0 mm), biomass feed rate (0.5-5.0 kg/h), nitrogen flow rate (0-10 l/min), reactor heated length (50-150 cm), solid residence time (1-3 min) and vacuum pressure (0-10 cmH­­2O) need to be elucidated and optimized. Also covered in this work is the application of catalysts including ZSM-5, dolomite and vermiculite, in ex-situ fixed-bed reactor. The results showed that, for thermal pyrolysis, the maximum total bio-oil yield when pyrolyzing Leaucaena leaucocephala woody biomass was 67.4 wt%. All catalyst led to the reduction of total bio-oil yields, but increased the oily liquid yield from <0.5wt% without catalyst to approximately 2wt% on dry biomass basis. The oily liquid contained very low oxygen content of 3.7wt% when applying ZSM-5, leading to a HHV of 41.3 MJ/kg. GC/MS analysis of the non-catalytic bio-oil found that it mainly contained oxygenated compounds. However, when including catalysts in the process, significant proportion of aromatic hydrocarbons were found in the bio-oil. Therefore, it is recommended that the novel vibrating reactor tested in this work has a high potential not only for production of typical bio-oil, but also for catalytic bio-oil.

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ไพโรไลซิสแบบเร็วเป็นสิ่งสําคัญสําหรับผลิตไบโอออยล์ที่มีปริมาณผลได้สูงและคุณภาพสูง โดยมีถ่านชาร์และแก๊สเป็นผลพลอยได้ เครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดเบดแบบฟองเป็นที่รู้จักกันดีว่ามีการใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อวัตถุประสงค์นี้ อย่างไรก็ตามการใช้ตัวกลางถ่ายโอนความร้อน เช่น ทราย และความจำเป็นที่ต้องใช้การไหลของแก๊สพาที่สูงเป็นข้อด้อยหลักของระบบนี้ อนุภาคทรายละเอียดสามารถเคลื่อนที่จากเครื่องปฏิกรณ์ไปยังถังเก็บถ่านชาร์ ทำให้ไม่สามารถผลิตถ่านชาร์ที่ปราศจาคการปนเปื้อนได้ ซึ่งถ่านชาร์นี้สามารถอัพเกรดเป็นถ่านกัมมันต์ที่มีมูลค่าสูงได้ การไหลของแก๊สพาทําให้ประสิทธิภาพทางความร้อนและการควบแน่นลดลง ข้อบกพร่องถูกแก้ไขในงานวิจัยทีผ่านมาโดยการใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบตกอิสระที่อนุภาคชีวมวลตกลงมาในแนวตั้งจากด้านบนลงด้านล่างในขณะที่ถูกไพโรไลซีสไปพร้อม ๆ กัน อย่างไรก็ตามการถ่ายเทความร้อนส่วนใหญ่อาศัยการพาความร้อนและบางส่วนอาศัยการนำความร้อนจากผนังเครื่องปฏิกรณ์ ดังนั้นการวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าวโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบสั่น ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบใหม่ เพื่อควบคุมให้อนุภาคชีวมวลมีการไพโรไลซีสในแนวนอนโดยรับความร้อนด้วยการนําความร้อนเป็นส่วนใหญ่ไปพร้อม ๆ กับมีการเคลื่อนที่ด้วยการสั่นสะเทือนไปตามเครื่องปฏิกรณ์ เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์นี้ถูกนำมาใช้ในการไพโรไลซีสชีวมวลแบบรวดเร็วเป็นครั้งแรก จำเป็นต้องมีการศึกษาตัวแปรของกระบวนการต่าง ๆ ได้แก่ ลักษณะเครื่องปฏิกรณ์( ทรงกระบอกหรือทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า) อุณหภูมิไพโรไลซีส (450-525 องศาเซลเซียส) อนุภาคชีวมวล (0.2-2.0 มิลลิเมตร) อัตราการป้อนชีวมวล (0.5-5.0 กิโลกรัม/ชั่วโมง) อัตราการไหลของไนโตรเจน (0-10 ลิตร/นาที) ความยาวของเครื่องปฏิกรณ์ (50-150 เซนติเมตร.) เวลาคงอยู่ของของแข็ง (1-3 นาที) และความดันสุญญากาศ (0-10 เซนติเมตรน้ำ) เพื่อหาสภาวะที่เหมาะสม นอกจากนี้ในงานนี้ยังมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการ ได้แก่ ZSM-5 โดโลไมต์และเวอร์มิคูไลท์ในรูปแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดนิ่ง ผลการวิจัยพบว่าเมื่อไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ปริมาณผลได้ของไบโอออยล์รวมสูงสุดเมื่อใช้ไม้กระถินยักษ์ คือ ร้อยละ 67.4 ตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดทำให้ปริมาณผลได้ของไบโอออยล์รวมลดลง แต่เพิ่มปริมาณผลได้ของไบโอออยล์เฟสเบาหรือเฟสติดไฟจากน้อยกว่าร้อยละ 0.5 เมื่อไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นประมาณร้อยละ 2 ของชีวมวลแห้ง ไบโอออยล์เฟสเบามีปริมาณออกซิเจนต่ำมากที่ร้อยละ 3.7 เมื่อใช้ ZSM-5 ซึ่งทำให้มีค่าความร้อน 41.3 MJ/kg การวิเคราะห์ GC/MS ของไบโอออยล์ที่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยาพบว่าส่วนใหญ่มีสารประกอบออกซิเจน อย่างไรก็ตามเมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการพบว่าไบโอออยล์มีสัดส่วนอะโรแมติกไฮโดรคาร์บอนเพิ่มขึ้น ดังนั้นผลการวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบสั่นที่พัฒนาขึ้นมาใหม่นี้มีศักยภาพสูง ไม่เพียงแต่สำหรับการผลิตไบโอออยล์ทั่วไปเท่านั้นแต่ยังรวมถึงไบโอออยล์เชิงเร่งปฏิกิริยาได้ดีด้วย