Process simulation and optimization of biomass fast pyrolysis
Creators: name: Fonseca, Frederico Gomes
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: pyrolysis
renewable energies
lignocellulose
biorefinery
bio-based products
bio-oil

description: Die intensive Nutzung fossiler Brennstoffe für die Energie-, Kraftstoff- und Rohstoffproduktion hat globale und langanhaltende ökologische, politische und wirtschaftliche Auswirkungen, von denen ärmere Bevölkerungsschichten und Länder ohne einfachen Zugang zu diesen Rohstoffen außerordentlich stark betroffen sind. Jedem ist klar, denn ein Übergang zu erneuerbaren Energiequellen ist notwendig, der keine vollständige Reform des heutigen Energiesystems erfordert. Biomasse, insbesondere forstwirtschaftliche und pflanzliche Rückstände, ist eine wenig erforschte Energiequelle, deren Nutzung zur weiteren Aufwertung der ländlichen Wirtschaft beitragen kann, indem ein Nebenprodukt von geringem wirtschaftlichem Interesse verwendet wird. Unter den konkurrierenden Möglichkeiten ist Schnellpyrolyse ein thermochemischer Umwandlungspfad, der aus biogenem Material energiereiche Produkte und Produkte mit Mehrwert erzeugen kann. Die Pyrolyse kann Produkte in drei verschiedenen Zuständen erzeugen: gasförmig, flüssig und fest. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber traditionellen Verfahren, die nur eine oder zwei dieser Phasen oder überhaupt nur Wärme erzeugen. Alle erzeugten Produkte sind sofort für die Energieerzeugung nutzbar und weisen eine vergleichbare oder höhere Energiedichte als Rohbiomasse auf; sie können auch zu höherwertigen Produkten weiterverarbeitet werden, darunter Wasserstoff, Kraftstoffe, Zwischenprodukte und Feinchemikalien. Dies ist die Hauptmotivation für das bioliq®-Projekt. Dieses Promotionsprojekt konzentriert sich auf die Erstellung eines rigorosen und vielseitig verwendbaren Schnellpyrolysemodells, das auf einer realen Materialisation des bioliq®-Projekts im industriellen Pilotmaß- stab basiert. Das Modell basiert auf den Eigenschaften von lignozellulosehaltiger Biomasse, verwendet eine Reihe von Reaktoren zur Abbildung des realen Biomasseabbaus und bietet strenge Simulationen der Abschreckungsschleifen, die für eine zweistufige Flüssigproduktgewinnung verwendet werden. Bei der Initialisierung des Modells wurde Weizenstroh als Modellbiomasse verwendet, eine ungewöhnliche Wahl aufgrund seines hohen Aschegehalts, der katalytische Effekte begünstigt. In diesem Sinne wurde Thermogravimetrie für die Charakterisierung des Biomasseabbaus, die Schätzung des Lignozellulosegehalts und der Pyrolysekinetik für dieses Ausgangsmaterial verwendet. Um die Vielseitigkeit des Modells in Bezug auf die Eingabedaten zu gewährleisten, wurden mehrere in der Literatur verfügbare Reaktionsnetzwerke, die die lignozellulosehaltige Zusammensetzung der Biomasse in die Endprodukte umwandeln, analysiert und angepasst; die Zusammensetzung des erzeugten Kondensats wurde durch Sekundär- und Alterungsreaktionen auf die experimentellen Daten angepasst. Die Zusammensetzung der Kondensate wurde gestrafft, um die Modellierung zu erleichtern, und die definierten chemischen Spezies wurden im Hinblick auf ihre thermophysikalischen Eigenschaften vollständig charakterisiert. Für einige der ausgewählten Spezies mangelt experimentelle Charakterisierung, und es wurden bestehende Schätzmethoden implementiert, deren Ergebnisse in dieser Arbeit zur Verfügung gestellt wurden. Die abschließenden Tests berücksichtigten die Variation des Feuchtigkeitsgehalts im Weizenstroh und ergaben Ergebnisse, die mit den experimentellen Daten übereinstimmen. Nachfolgende Modelle, die verschiedene lignozellulosehaltige Biomassen berücksichtigten, bestätigten die Vielseitigkeit des entwickelten Modells bei der Vorhersage der Produktverteilung und der Zusammensetzung des Kondensats. Das endgültige Modell ist eigenständig voll funktionsfähig und kann im Hinblick auf Prozessspezifikationen und vor- und nachgeschaltete Implementierungen weiter angepasst werden.