Production and Characterisation of Bio-oil from Eucalyptus Wood by Bubbling Fluidised-Bed Fast Pyrolysis Reactor Incorporated with a ZSM-5 Fixed-Bed Reactor

Abstract

With a goal to replace or supplement the diminishing and environmentally-threatening fossil fuels, comprehensive studies on catalytic fast pyrolysis (CFP) of biomass for hydrocarbon-rich bio-oil have been investigated for more than two decades. Nevertheless, low liquid yield and/or high oxygen content in bio-oil as well as process complexity have hindered successful commercialisation. Thus far, according to the literature applying any continuous pyrolysis systems by which tangible liquid could be produced, hydrocarbon-rich bio-oil with less than 5wt% oxygen content came with very low yield of below 5wt%. Therefore, it was analysed and envisioned in this research that, by varying process parameters, using an indigenously-designed CFP reactor system and applying a traditional unmodified ZSM-5 catalyst, the yield of bio-oil with less than 5wt% oxygen content would be enhanced. The bio-oil would be technically-appropriate for co-processing in a refinery. Experimental results showed that, with the ex-catalytic-bed configuration, 11wt% yield of bio-oil with 2.2wt% oxygen content could be achieved by using pyrolysis and catalyst temperatures of 500°C, WHSV of 0.3 h-1, catalyst-to-biomass ratio of 2.5 and catalytic reactor aspect ratio of 11.5. The bio-oil was separately collected into two distinct fractions, namely clear or yellowish light oil and dark-brown heavy oil. At the optimised conditions, the light oil yield was 3.5wt% with 1.4wt% oxygen and the heavy oil yield was 7.5wt% with 2.5wt% oxygen. GC/MS analysis of light and heavy bio-oils demonstrated that the former contained mainly monocyclic aromatic hydrocarbons (MAHs) such as benzene, toluene and xylenes, whereas the latter contained mostly polyaromatic hydrocarbons (PAHs) such as naphthalenes, phenanthrenes and fluorenes. Although significant improvement in the bio-oil quantity and quality could be achieved in this study, catalyst deactivation is still a key barrier for long operational run. Therefore, future research on this area should be directed towards expanding catalyst life. In conclusion, the findings and suggestions reported in this thesis would pave a new and clean route to further research and development towards commercial-scale production of environmentally-benign-and-sustainable hydrocarbon liquid fuels or chemicals.

ด้วยเป้าประสงค์ที่จะทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลซี่งเป็นภัยต่อสิ่งแวดล้อมและกำลังจะหมดไป งานวิจัยด้านการไพโรไลซีสชีวมวลแบบเร็วชนิดใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อผลิตน้ำมันไฮโดรคาร์บอนชีวภาพหรือไบโอออยล์มีการศึกษามาแล้วไม่ต่ำกว่าสองทศวรรษ ถึงกระนั้นก็ตาม การที่ไบโอออยล์ที่ผลิตได้มีปริมาณผลได้ต่ำและมีสัดส่วนของออกซิเจนที่สูง อีกทั้งกระบวนการผลิตก็ยังซับซ้อน ทำให้เป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาต่อยอดในเชิงพาณิชย์ จนถึงขณะนี้ งานวิจัยที่ผ่านมาที่ใช้ระบบไพโรไลซีสแบบต่อเนื่องที่สามารถผลิตน้ำมันชีวภาพที่จับต้องได้หรือมีปริมาณมากพอต่อการวิเคราะห์สมบัติ แสดงให้เห็นว่าไบโอออยล์ที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำกว่า 5wt% มีข้อจำกัดคือมีปริมาณผลได้ต่ำกว่า 5wt% ดังนั้นงานวิจัยนี้ได้เกิดขึ้นจากการวิเคราะห์และการมองภาพว่าการปรับตัวแปรของกระบวนการที่เหมาะสมโดยใช้ระบบไพโรไลซีสที่ออกแบบขึ้นมาเอง และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ZSM-5 ที่ไม่มีการปรับสภาพใด ๆ อาจสามารถผลิตน้ำมันชีวภาพที่มีออกซิเจนต่ำกว่า 5wt% ในปริมาณที่สูงขึ้นได้ และน้ำมันชีวภาพที่ผลิตได้นี้อาจสามารถนำไปใช้ร่วมกับโรงกลั่นน้ำมันปิโตรเลียมได้ ผลการทดลองพบว่า เมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาภายนอกเตาปฏิกรณ์ไพโรไลซีส ไบโอออยล์มีปริมาณผลได้สูงถึง 11wt% โดยมีปริมาณออกซิเจนเพียง 2.2wt% เมื่อใช้อุณหภูมิไพโรไลซีสและอุณหภูมิเร่งปฏิกิริยาเป็น 500°C ความเร็วปริภูมิ 0.3 h-1 อัตราส่วนตัวเร่งปฏิกิริยาต่อชีวมวล 2.5 และอัตราส่วนลักษณะเครื่องปฏิกรณ์เร่งปฏิกิริยา 11.5 ไบโอออยล์ที่ได้แบ่งได้เป็น 2 เฟส ได้แก่ เฟสเบาที่มีลักษณะใสไม่มีสีหรือสีเหลืองใส และเฟสหนักที่มีสีน้ำตาลเข้ม ที่สภาวะที่เหมาะสมพบว่า ไบโอออยล์เฟสเบามีปริมาณผลได้ 3.5wt% และมีปริมาณออกซิเจน 1.4wt% ขณะที่ไบโอออยล์เฟสหนักมีปริมาณผลได้ 7.5wt% และมีปริมาณออกซิเจน 2.5wt% ผลการวิเคราะห์ด้วย GC/MS พบว่า ไบโอออยล์เฟสเบาประกอบด้วยสารแอโรแมติกไฮโดรคาร์บอนที่มีวงเบนซีนเดี่ยว (MAHs) เป็นหลัก เช่น เบนซีน โทลูอีน และไซลีน ขณะที่บโอออยล์เฟสหนักประกอบด้วยสารแอโรแมติกไฮโดรคาร์บอนที่มีวงเบนซีนหลายวง (PAHs) เช่น แนฟทาลีน ฟีแนนทรีน และ ฟลูออรีน แม้ว่างานวิจัยนี้ได้แสดงให้เห็นการพัฒนาปริมาณผลได้และสมบัติของไบโอออยล์อย่างชัดเจน แต่ปัญหาการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการทดลองในระยะยาวยังคงมีอยู่ ดังนั้นงานวิจัยถัดไปควรมีการมุ่งไปทางทางการเพิ่มอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยา โดยสรุปแล้วผลการศึกษาและข้อเสนอแนะที่ให้ไว้ในงานวิจัยนี้จะเป็นการปูทางให้กับการวิจัยและพัฒนาเพื่อมุ่งสู่การผลิตเชื้อเพลิงหรือสารเคมีเหลวประเภทไฮโดรคาร์บอนในเชิงพาณิชย์ที่ยั่งยืนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม