Konwersja biomasy w celu wytworzenia ciekłego paliwa węglowodorowego poprzez szybką pirolizę i katalityczną hydrorafinację filtrowaną gorącą parą

Ogólnym celem tego procesu jest zademonstrowanie produkcji paliw węglowodorowych z biomasy lignocelulozowej w dwuetapowym procesie składającym się z szybkiej pirolizy i hydrorafinacji. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie biopaliw, takie jak wpływ surowca i warunków pracy na jakość i wydajność biooleju pirolitycznego oraz produktu węglowodorowego. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na produkcję ropy naftowej w reaktorach o znaczeniu przemysłowym i w ilościach wystarczających do oceny w pełni zintegrowanego procesu.

Ogólne problemy związane z operacjami pirolizy to: niezawodne podawanie biomasy, zapobieganie zatykaniu się skondensowanych oparów w podgrzewanych przewodach przesyłowych na wlocie skraplacza i osiągnięcie całkowitej kondensacji. Zatykanie katalizatora podczas hydrorafinacji z powodu niestabilności produktów odbywa się przez olej, polega na użyciu dwuetapowego procesu, w tym etapu stabilizacji. Procedurę pirolizy zademonstruje Kellene Orton z National Renewable Energy Laboratory.

Zastosowany reaktor do pirolizy to zbudowany w laboratorium reaktor ze złożem fluidalnym o średnicy wewnętrznej 5,0 centymetra, wyposażony w system kondensacji szkła. Zmontuj reaktor do pirolizy, cyklon z odbiornikiem smoły i gorący filtr zgodnie z opisem w protokole tekstowym. W przypadku pierwszego skraplacza użyj tulejki grafitowej w złączu zaciskowym, aby połączyć rurkę ze stali nierdzewnej z kawałkiem rurki ze szkła borokrzemianowego połączonej ze standardowym złączem stożkowym.

Unikaj nadmiernego dokręcania. Nałóż smar silikonowy lub tuleję teflonową na standardowe złącze stożkowe. Podłącz pierwszy skraplacz do kolby z dwiema szyjkami umieszczonej w pojemniku, który będzie służył jako łaźnia lodowa.

Wykonaj połączenia między statkami poniżej tego punktu za pomocą przezroczystych rurek winylowych o grubości 9-12 milimetrów. Zabezpiecz rurkę za pomocą węża clamps na szlifowanych złączach szklanych, złączach kulistych i króćcach węża na naczyniach szklanych. Podłączyć wylot pierwszej kolby skraplacza do wlotu elektrofiltra lub elektrofiltra.

Podłącz wylot ESP do górnego przyłącza skraplacza z zimnymi palcami. Następnie podłącz upust ciśnienia w kształcie litery U do przewodu między ESP a skraplaczem zimnego palca. Napełnij U-rurkę do połowy wodą.

Następnie podłącz odbiornik do 500-mililitrowej kolby dwuszyjkowej umieszczonej w pojemniku, który posłuży jako kąpiel w suchym lodzie. Przymocuj wybicie do kolby. Podłącz wylot wybicia do wlotu obudowy filtra koalescencyjnego.

Umieść pojemnik do przechowywania suchego lodu wokół dolnej części obudowy filtra. Wlej 200 mililitrów piasku do reaktora. Następnie wsyp dwa kilogramy zmielonej biomasy do leja zasypowego.

Przeprowadzić kontrolę szczelności, podgrzać reaktor i przygotować go do pracy zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Na koniec dodaj lód i suchy lód do ciągu skraplacza. Aby rozpocząć eksperyment z pirolizą, włącz długie miedziane zawory i ślimak.

Włącz wibratory systemu karmienia. Włącz ESP. Ustaw napięcie na 5-10 kilowoltów, w razie potrzeby, aby obserwować łuk co najmniej raz na dwie sekundy.

Włącz podajnik z niską szybkością. I upewnij się, że biomasa się odżywia. Obserwuj temperaturę stołu i w razie potrzeby zwiększaj wartość zadaną, aby skompensować zwiększone obciążenie cieplne.

Gdy temperatura powróci do dwóch stopni Celsjusza od wartości zadanej, zwiększ prędkość posuwu o 100 gramów na godzinę. Powtarzaj proces, aż do osiągnięcia żądanej prędkości posuwu. Co 15 minut rejestruj temperaturę złoża, szybkość posuwu, szybkość testu na sucho i ciśnienie w układzie.

Sprawdź, czy ESP nadal działa prawidłowo w łuku. W razie potrzeby reaguj na zmiany, uzupełnij lód i suchy lód, w razie potrzeby opróżnij ESP do słoika do zbierania produktów. Przerwij karmienie po podaniu wystarczającej ilości biomasy, aby uzyskać dobre zamknięcie bilansu masy.

Unikaj przepełniania odbiornika smoły lub odbiorników skraplacza. Zważ wszystkie części układu skraplacza, aby uzyskać całkowity uzysk cieczy. Wlej płyny z odbiorników skraplacza do zwykłego słoika lub butelki.

Po schłodzeniu układu do temperatury poniżej 50 stopni Celsjusza należy zebrać smołę z odbiornika i gorącego filtra. Usuń i zważ materiał łoża za pomocą odkurzacza HEPA z naczyniem do wybijania. Utlenić system i obliczyć wydajność zgodnie z opisem w protokole tekstowym.

Przeanalizować olej pirolityczny zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Zastosowany system hydrorafinacji to zbudowany w laboratorium reaktor o stałym przepływie o średnicy wewnętrznej 1,3 centymetra, z komponentem doprowadzającym gaz i ciecz oraz elementem separacji produktów gaz-ciecz. Zmiażdż oba katalizatory, użyj rutenu na węglu jako katalizatora pierwszego stopnia do stabilizacji oleju pirolitycznego i użyj molibdenu kobaltowego na podparciu tlenku glinu jako katalizatora drugiego stopnia do hydroodtleniania oleju pirolitycznego.

Przesiewać do zatrzymywania ziaren o grubości od 0,25 do 0,60 milimetra. Użyj rur i sitek ze stali nierdzewnej jako mediów nośnych dla złoża katalizatora. Powoli i sekwencyjnie wlewaj dwa ziarna katalizatora stopnia, ziarna katalizatora pierwszego stopnia, a oryginalny katalizator pierwszego stopnia wytłacza się do reaktora, stukając na zewnątrz reaktora, aby utworzyć wypełnione złoża katalizatora.

Załaduj 32 mililitry każdego katalizatora, aby utworzyć dwustopniowe złoże katalizatora z 24 mililitrami każdego katalizatora znajdującego się w strefie izotermicznej. Umieść reaktor w systemie hydrorafinacji, instalując najpierw dwie grzałki. Następnie podłącz reaktor do elementu zasilającego gaz i ciecz oraz elementu separacji produktu gaz-ciecz.

Po wykonaniu wstępnej obróbki katalizatora przez siarczkowanie, zgodnie z opisem w protokole tekstowym, dostosuj przepływ wodoru do 153 mililitrów na minutę i utrzymuj ciśnienie w układzie na poziomie 10,3 megapaskali . Ustaw temperaturę łoża katalizatora pierwszego stopnia na 220 stopni Celsjusza, a temperaturę złoża katalizatora drugiego stopnia na 400 stopni Celsjusza. Zapisz temperaturę złoża i linie bazowe przepływu wodoru, gdy temperatura, ciśnienie i przepływ wodoru ustabilizują się.

Dodać disiarczek di-tert-butylu do oleju pirolitycznego w ilości równej 150 ppms siarki w oleju pirolitycznym. Napełnij jedną z pomp zasilających olejem pirolitycznym i oczyść linię zasilającą, aż do uzyskania przepływu cieczy wolnej od pęcherzyków powietrza. Zwiększ ciśnienie w pompie do 10,3 megapaskala, a następnie podłącz do reaktora, otwierając zawory łączące.

Zacznij podawać olej pirolityczny z natężeniem przepływu 4,8 mililitra na godzinę. To działanie rozpoczyna test hydrorafinacji oleju pirolitycznego. Sprawdzaj stan reaktora i okresowo rejestruj parametry, takie jak temperatura, ciśnienie, natężenie przepływu i objętość.

Upewnij się, że temperatura złoża katalizatora mieści się w zakresie plus minus dwa stopnie żądanej temperatury, że natężenia przepływu gazu i cieczy są dokładnie takie same jak żądane ustawienia oraz że ciśnienie w reaktorze mieści się w zakresie plus minus 0,15 megapaskali od żądanego ciśnienia. Upewnij się również, że spadek ciśnienia na złożu katalizatora jest mniejszy niż 0,35 megapaskala. Próbki cieczy pobiera się co sześć godzin, przełączając najpierw pułapkę do pobierania próbek na pułapkę obejściową i zmniejszając ciśnienie w pułapce do pobierania próbek.

Następnie odcedź próbkę płynu do fiolek zbiorczych. Oczyść pułapkę do pobierania próbek i zintensyfikuj w niej działanie azotu. Na koniec przekierować przepływ produktu do pułapki do pobierania próbek.

Próbki gazu należy analizować co dwie godziny za pomocą chromatografii mikrogazowej. Przeprowadzaj test przez 60 godzin na strumieniu, ustawiając temperaturę reaktora na 100 stopni Celsjusza, a natężenie przepływu wodoru na 100 mililitrów na minutę. Zakończ badanie, zatrzymując podawanie oleju pirolitycznego.

Przetwarzaj i analizuj produkty płynne zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Rysunek ten porównuje analizę elementarną zawartości węgla, wodoru i tlenu w surowcu, oleju pirolitycznym i paliwie uszlachetnionym. Świadczy to o udanej konwersji surowców z biomasy na ciekłe paliwa węglowodorowe w dwuetapowym procesie.

Wykazano tutaj wpływ filtracji gorącym gazem oparów pirolizy przed kondensacją. Filtracja gorącym gazem eliminuje pozostałości nieorganiczne, ale wpływa również na uzysk oleju pirolitycznego i właściwości oleju, takie jak zawartość tlenu w oleju. Szczegółowe wyniki pokazują uzysk i właściwości paliw uszlachetnionych po hydrorafinacji.

Bioolej filtrowany gorącą parą prowadzi do nieco wyższego stosunku wody do paliwa, a właściwości paliwa uszlachetnionego dla tych dwóch bioolejów są bardzo podobne. Główna różnica między hydrorafinacją tych dwóch olejów pirolitycznych polega na tym, że złoże katalizatora biooleju filtrowanego gorącą parą wykazało znacznie mniejsze osadzanie się minerałów. Technika ta pokazuje konwersję biomasy lignocelulozowej do paliw węglowodorowych poprzez szybką pirolizę i hydrorafinację, wykorzystując warunki niezbędne do produkcji wysokiej jakości biopaliwa o dobrej wydajności.

Po tym odkryciu technika ta utorowała naukowcom drogę do zbadania surowców, polityk i parametrów biomasy oraz katalizatorów i parametrów hydrorafinacji o największym wpływie na ogólną efektywność emisji dwutlenku węgla w produkcji biopaliw. Nie zapominaj, że praca z olejem pirolitycznym i systemami gorących reaktorów może być bardzo niebezpieczna. Podczas wykonywania tej techniki należy zawsze zachować środki ostrożności.

Ponadto należy ściśle przestrzegać zasad i procedur bezpieczeństwa.