Pyrolyysiöljyn jatkojalostaminen liikennepolttoaineeksi

Abstract

Liikenteen päästöjä on vähennettävä ilmastonmuutoksen takia. Fossiilisten polttoaineiden osuus liikenteessä on merkittävä. Päästöjä voitaisiin vähentää valmistamalla polttoainetta biopohjaisista materiaaleista. Tutkielmassa tutkitaan liikennepolttoaineen valmistamista pyrolyysiöljystä. Aluksi esitellään käsiteltävät pyrolyysiprosessit ja jatkojalostusmenetelmät kertomalla niistä yleistietoa ja selittämällä niiden toimintaperiaatteet. Erilaisia pyrolyysi- ja jatkojalostusmenetelmiä on useita, joten niistä esitellään vain yleisimmät. Työssä esiteltävät pyrolyysimenetelmät ovat nopea, hidas, keskinopea, flash-, katalyyttinen ja co-pyrolyysi. Työssä esiteltävät jatkojalostusmenetelmät ovat emulsiointi, liuottimen lisääminen, suodattaminen, tislaaminen, vetykäsittely, katalyyttiset menetelmät, esteröinti ja höyryreformointi.

Esittelyiden jälkeen tutkitaan aikaisempia aiheeseen liittyviä tutkimuksia ja kirjallisuutta. Käytettyjen lähteiden perusteella pyrolyysiöljy ei sovi suoraan käytettäväksi liikennepolttoaineena. Syitä tähän on pyrolyysiöljyn aiheuttama korroosio, liian suuri viskositeetti, epästabiilius ja liian heikko lämpöarvo. Pyrolyysiprosessien vertailu osoitti, että biopolttoainetta tuotettaessa parhaat jalostusprosessit ovat nopea ja flash-pyrolyysi käyttäen katalyyttiä. Tällöin bioöljyn saanto oli suuri ja laatu korkea. Myös co-pyrolyysi havaittiin hyväksi pyrolyysimenetelmäksi biopolttoaineen tuottamisprosessiin.

Aiemman tutkimustiedon perusteella vertailtiin myös jatkojalostusmenetelmiä. Käsitellyistä jatkojalostusmenetelmistä selvitettiin, mihin pyrolyysiöljyn ominaisuuksiin ne vaikuttavat ja kuinka paljon. Jalostusmenetelmien välisen vertailun perusteella monipuolisimmiksi jalostusmenetelmiksi havaittiin vetykäsittely ja katalyyttiset menetelmät. Ne parantavat useita bioöljyn ominaisuuksia merkittävästi. Useimmat menetelmät parantavat jotakin ominaisuutta hyvin, mutta kaikkien ominaisuuksien on oltava hyväksyttävällä tasolla liikennepolttoainekäytössä. Kirjallisuuden ja tutkimusten perusteella havaittiin, että tuotantoprosesseihin kuuluu yleensä useita jatkojalostusvaiheita. Lopuksi kirjallisuuskatsauksessa löydettyä tietoa pohdittiin eri näkökulmista, ja todettiin, että paras prosessi kannattaa valita tapauskohtaisesti, mutta yleisellä tasolla parhaita vaihtoehtoja ovat katalyyttinen pyrolyysi ja co-pyrolyysi, ja jatkojalostuskeinoista vetykäsittely ja katalyyttiset menetelmät.

Emissions caused by transportation need to be reduced to decrease the impact of climate change. Emissions could be lowered by manufacturing biofuel from biobased materials. This thesis is a literature review about transport fuel production from pyrolysis oil. The thesis begins with an introduction of the working principle and most important information about pyrolysis processes and upgrading techniques. There are many different pyrolysis and upgrading methods, but only the most common and relevant methods are considered. Pyrolysis processes considered in this thesis are fast, slow, intermediate, flash-, catalytic and co-pyrolysis. Upgrading methods considered are emulsification, solvent addition, filtration, distillation, hydrotreatment, catalytic methods, esterification and steam reforming.

After the introduction to the processes, literature and previous research are studied. Based on the sources, pyrolysis oil is not suitable for use as a fuel in transportation without upgrading. Reasons for this are corrosion, too high viscosity, instability and too weak heating value. Comparison of the pyrolysis processes showed that best processes for biofuel production are fast and flash-pyrolysis using a catalyst. With these methods both the yield and quality of the bio-oil were high. Also, co-pyrolysis was found to be a good option for biofuel production.

Bio-oil upgrading methods are compared based on the previous research. For all of the upgrading methods in consideration, the effects to pyrolysis oil properties are found out. Based on the comparison of the upgrading methods, hydrotreatment and catalytic methods are well-rounded upgrading methods. It improves most of the important properties by a sufficient amount. Most of the upgrading methods improve one or two properties very well, but all of the properties need to be on a certain level. In the literature it was also found that pyrolysis oil upgrading schemes often contain multiple upgrading methods. In the end of the thesis information found in the literature review is discussed from multiple perspectives. It was concluded that the best process needs to be chosen individually depending on the application case. In comparison, the best pyrolysis processes are catalytic pyrolysis and co-pyrolysis, and the best upgrading methods are hydrotreating and catalytic upgrading methods.