Solids removal in pyrolysis
Innanen, Juho (2013)
Diplomityö
Innanen, Juho
2013
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2013208084260
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2013208084260
Tiivistelmä
Pyrolysis is a process for turning biomass into liquid fuel. The process consists of heating the biomass in inert conditions and quenching the resulting vapors into oil. The oil has many potential uses, such as heating fuel in peak heating plants.
In order to broaden the application base and improve the quality of the oil, solids removal has to be addressed. The solids may also increase the probability of plugging in downstream equipment. The purpose of this research was to gain an understanding of the formation of solids in the pyrolysis process and to assess options for reducing the solid content of the oil.
From literature it is known that the solids can be removed either by hot vapor filtration, liquid treatment or multiple cyclones. Hot vapor filtration decreases yield, but improves the stability of the oil while simultaneously removing solids and ash. Liquid treatment techniques are good for removing large particles but involve losses of pyrolysis liquid. Cyclones are a traditional robust technique used regularly in pyrolysis.
In the experimental part of this thesis, a 2 MWfuel pyrolysis setup with 2 cyclones in series was operated and monitored. Solid and liquid samples were collected from various parts of the process for further examination. Sampling and sample treatment techniques were developed. The chemical properties of the pyrolysis char were also analyzed and assessed as a function of reactor temperature and fluidizing velocity.
By measuring the particle size distributions it was noticed that there were much smaller particles collected from the second cyclone than fed into pyrolysis. The solids in the pyrolysis oil were even smaller. This was most likely caused by attrition and shrinkage. Due to better separation efficiency of the cyclones in large particles, excess attrition should be avoided. Pyrolyysi on termokemiallinen prosessi biomassan konvertoimiseksi nestemäiseksi polttoaineeksi. Siinä biomassa kuumannetaan nopeasti hapettomissa olosuhteissa n. 500 °C lämpötilaan. Näin muodostetulla nestemäisellä polttoaineella voidaan korvata mm. raskasta polttoöljyä kaukolämpökeskuksissa.
Jotta pyrolyysiöljyn sovelluspohjaa voitaisiin laajentaa ja öljyn laatua parantaa, täytyy öljyn kiintoaineen poistoa tutkia ja kehittää. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on lisätä ymmärtämystä öljyn kiintoaineen alkuperästä ja sen poistamiseen käytettävistä yksikköprosesseista.
Kirjallisuudesta tiedetään että kiintoaineen poistamiseen voidaan käyttää nestepuolella suodatusta ja sentrifugeja. Kaasupuolen kiintoaine-erotuksessa voidaan käyttää joko sykloneja tai kuumakaasusuodattimia. Kuumakaasusuodattimien huonoina puolina on vaikea puhdistettavuus ja saannon aleneminen, kun taas etuuksina on öljyn kiintoaine- ja tuhkapitoisuuden tehokas aleneminen ja stabilisuuden koheneminen. Suodattimia ja sentrifugeja voidaan käyttää tehokkaasti suurille partikkeleille. Syklonien käyttö on perinteinen kiintoaineen erotusmenetelmä leijupeti-pyrolyysissa, ja niitä voidaan laittaa useampia peräkkäin tai rinnakkain.
Tutkimuksen kokeellisessa osuudessa pyrolyysilaitteistoa ajettiin ja monitoroitiin 2 MWpa pilotointimittakaavassa. Kiintoaineen erotukseen käytettiin kahta peräkkäistä syklonia. Partikkeleja kerättiin useasta vaiheesta prosessia jatkoanalyysejä varten. Näytteenotto- ja näytteen esikäsittelymenetelmiä kehitettiin. Myös hiiltojäännöksen kemiallisia ominaisuuksia analysoitiin ja evaluoitiin lämpötilan ja leijutusnopeuden funktiona.
Toisen syklonin alitteesta analysoidut partikkelikokojakaumat olivat huomattavasti pienempiä kuin prosessin lähtöaineista löydetyt. Prosessin lähtöaineissa ei myöskään ollut juuri lainkaan niin pieniä partikkeleita kuin valmistetussa pyrolyysiöljyssä. Todennäköisimmin tämä johtui partikkeleiden hankautumisesta ja kutistumisesta reaktorissa. Koska sykloneiden erotustehokkuus paranee partikkelikoon kasvaessa, ylimääräistä hankautumista täytyisikin pyrkiä vähentämään.
In order to broaden the application base and improve the quality of the oil, solids removal has to be addressed. The solids may also increase the probability of plugging in downstream equipment. The purpose of this research was to gain an understanding of the formation of solids in the pyrolysis process and to assess options for reducing the solid content of the oil.
From literature it is known that the solids can be removed either by hot vapor filtration, liquid treatment or multiple cyclones. Hot vapor filtration decreases yield, but improves the stability of the oil while simultaneously removing solids and ash. Liquid treatment techniques are good for removing large particles but involve losses of pyrolysis liquid. Cyclones are a traditional robust technique used regularly in pyrolysis.
In the experimental part of this thesis, a 2 MWfuel pyrolysis setup with 2 cyclones in series was operated and monitored. Solid and liquid samples were collected from various parts of the process for further examination. Sampling and sample treatment techniques were developed. The chemical properties of the pyrolysis char were also analyzed and assessed as a function of reactor temperature and fluidizing velocity.
By measuring the particle size distributions it was noticed that there were much smaller particles collected from the second cyclone than fed into pyrolysis. The solids in the pyrolysis oil were even smaller. This was most likely caused by attrition and shrinkage. Due to better separation efficiency of the cyclones in large particles, excess attrition should be avoided.
Jotta pyrolyysiöljyn sovelluspohjaa voitaisiin laajentaa ja öljyn laatua parantaa, täytyy öljyn kiintoaineen poistoa tutkia ja kehittää. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on lisätä ymmärtämystä öljyn kiintoaineen alkuperästä ja sen poistamiseen käytettävistä yksikköprosesseista.
Kirjallisuudesta tiedetään että kiintoaineen poistamiseen voidaan käyttää nestepuolella suodatusta ja sentrifugeja. Kaasupuolen kiintoaine-erotuksessa voidaan käyttää joko sykloneja tai kuumakaasusuodattimia. Kuumakaasusuodattimien huonoina puolina on vaikea puhdistettavuus ja saannon aleneminen, kun taas etuuksina on öljyn kiintoaine- ja tuhkapitoisuuden tehokas aleneminen ja stabilisuuden koheneminen. Suodattimia ja sentrifugeja voidaan käyttää tehokkaasti suurille partikkeleille. Syklonien käyttö on perinteinen kiintoaineen erotusmenetelmä leijupeti-pyrolyysissa, ja niitä voidaan laittaa useampia peräkkäin tai rinnakkain.
Tutkimuksen kokeellisessa osuudessa pyrolyysilaitteistoa ajettiin ja monitoroitiin 2 MWpa pilotointimittakaavassa. Kiintoaineen erotukseen käytettiin kahta peräkkäistä syklonia. Partikkeleja kerättiin useasta vaiheesta prosessia jatkoanalyysejä varten. Näytteenotto- ja näytteen esikäsittelymenetelmiä kehitettiin. Myös hiiltojäännöksen kemiallisia ominaisuuksia analysoitiin ja evaluoitiin lämpötilan ja leijutusnopeuden funktiona.
Toisen syklonin alitteesta analysoidut partikkelikokojakaumat olivat huomattavasti pienempiä kuin prosessin lähtöaineista löydetyt. Prosessin lähtöaineissa ei myöskään ollut juuri lainkaan niin pieniä partikkeleita kuin valmistetussa pyrolyysiöljyssä. Todennäköisimmin tämä johtui partikkeleiden hankautumisesta ja kutistumisesta reaktorissa. Koska sykloneiden erotustehokkuus paranee partikkelikoon kasvaessa, ylimääräistä hankautumista täytyisikin pyrkiä vähentämään.