Carbon monoxide production from wood-based waste and municipal waste-based fractions towards P2X chemicals

Abstract

The chemical industry feedstocks and energy sources are currently dominated by fossil fuels. Advances to decarbonize the chemical industry have been made by studying the production of chemicals from renewable sources and applying carbon capture and utilization to existing technologies. In this master’s thesis, a Power-to-X application towards chemicals was studied. Contribution to circular economy was also considered, as potential waste-based fractions were used as a feedstock.

The objective of the thesis was to study carbonization of waste-based fractions, and the conversion of the produced char and CO₂ to carbon monoxide with the Boudouard reaction. The aim was to achieve a production route to reduce impurities in the feedstock and minimize tar formation compared to direct gasification.

In the literature part of the thesis, research on waste materials and current waste utilization methods was performed. In addition, carbonization of waste and gasification methods of char were researched in more detail. In the experimental part, the carbonization of the wood pellet, wood waste, and energy waste followed by the Boudouard reaction was studied. In addition, the thesis includes analysis of the obtained results, focusing on the suitability for further applications of the products, and the set objectives.

Based on the results, the waste materials are a feasible feedstock for relatively clean CO production. The yield of CO from more heterogeneous waste materials was smaller compared to lignocellulosic biomass, but as waste materials are generally free, the method is a promising solution for improving waste management, as well as a method for CO₂ conversion. More experiments for lower quality wastes in larger applications and improving process efficiency would be required to study the feasibility and optimization of the method.

Kemianteollisuuden raaka-aineet ja energialähteet koostuvat tällä hetkellä fossiilisista polttoaineista. Alan hiilidioksidipäästöjä on yritetty vähentää esimerkiksi tutkimalla kemikaalien tuotantoa uusiutuvista raaka-aineista, sekä integroimalla hiilidioksidin talteenotto- ja hyödyntämisteknologioita olemassa oleviin prosesseihin. Tässä diplomityössä tutkittiin Power-to-X teknologian hyödyntämistä kemikaalien tuotannossa. Myös kiertotalouden näkökulma otettiin huomioon, sillä tutkimuksen materiaaleina käytettiin jätepohjaisia raaka-aineita.

Työn tavoitteena oli tutkia jätejakeiden hiilestystä, sekä tuotetun hiilen ja hiilidioksidin reaktiota hiilimonoksidiksi Boudouard-reaktiolla. Työn tarkoituksena oli saavuttaa prosessi, jossa mahdollisia epäpuhtauksia ja tervan muodostumista saataisiin vähennettyä verrattuna suoraan kaasutukseen.

Työn kirjallisuusosassa tutkittiin jätemateriaalien käsittely- ja hyödyntämismenetemiä, sekä eri materiaalien hiilestystä ja hiilen kaasutusta. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin puupelletin, puujätteen ja energiajätteen hiilestystä, sekä Boudouard-reaktiota tuotetun hiilen ja hiilidioksidin välillä. Lisäksi saatuja tuloksia tarkasteltiin tuotteiden jatkokäytön ja asetettujen tavoitteiden näkökulmasta.

Tulosten perusteella jätemateriaalit soveltuvat suhteellisen puhtaan hiilimonoksidin tuotantoon. Heterogeenisemmistä jätemateriaaleista tuotetun hiilimonoksidin määrä oli pienempi verrattuna lignoselluloosapohjaiseen biomassaan, mutta koska jätemateriaalit ovat yleensä ilmaisia, menetelmä on lupaava ratkaisu sekä jätteenkäsittelyn parantamiseksi että hiilidioksidin konversioon. Menetelmän soveltuvuutta tulisi kuitenkin tutkia huonolaatuisemmilla materiaaleilla, sekä suuremmassa mittakaavassa. Lisäksi prosessin tehokkuutta tulisi kehittää.