Tεχνο-οικονομική ανάλυση και ανάλυση κύκλου ζωής της διεργασίας πυρόλυσης λιγνίνης για την παραγωγή φαινολικών και αρωματικών ενώσεων
Creators: name: Ιακώβου, Γεώργιος Πέτρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Τεχνο-Οικονομική ανάλυση
Ανάλυση κύκλου Ζωής
Πυρόλυση
Λιγνίνη
Techo-Economic Analysis
Life Cycle Assessment
Pyrolysis
Lignin

description: Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν 8 σενάρια αξιοποίησης της ταχείας καταλυτικής και μη-καταλυτικής (θερμικής) πυρόλυσης λιγνίνης σε βιομηχανικό επίπεδο για τα οποία έγιναν τεχνο-οικονομικές μελέτες (TEAs) και αναλύσεις κύκλου ζωής (LCAs). Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν TEA για τα 8 σενάρια. Σχεδιάστηκαν τα αντίστοιχα μοντέλα πρότυπων βιομηχανικών μονάδων στο Aspen Plus από όπου υπολογίστηκαν τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας σε κάθε συσκευή και έγινε η διαστασιολόγηση των συσκευών. Κατά τη διεργασία, η λιγνίνη (kraft ή organosolv) πυρολύεται σε αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης στον οποίον επικρατούν αδρανείς συνθήκες. Το παραγόμενο βιο-έλαιο χωρίζεται σε 3 κλάσματα, το ελαφρύτερο των οποίων είτε καίγεται για παραγωγή ενέργειας (σενάρια 1-4) είτε οδηγείται σε συσκευές διαχωρισμού (σενάρια 5-8), ενώ τα άλλα 2 κλάσματα καίγονται για παραγωγή ενέργειας. Πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί της συνολικής επένδυσης κεφαλαίου, του συνολικού κόστους παραγωγής, των καθαρών εσόδων, της απόδοση της επένδυσης (ROI) και του χρόνου εξόφλησης του κεφαλαίου (POT). Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν LCAs των προϊόντων (1 kg ή 1 kWh) καθώς και της λειτουργίας των μονάδων (1 h λειτουργίας) τους χρησιμοποιώντας τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας που εξήχθησαν κατά το στάδιο των τεχνο-οικονομικών μελετών. Οι TEA των σεναρίων 1-4, όπως ήταν αναμενόμενο, έδειξαν πως η καύση του βιο-ελαίου για παραγωγή ενέργειας και η πώληση της ως βασικό προϊόν είναι αισθητά ζημιογόνος είτε πρόκειται για kraft είτε organosolv λιγνίνη, τόσο κατά τη θερμική όσο και κατά την καταλυτική πυρόλυση. Στα σενάρια 5 και 8, κατά τα οποία γίνεται ανάκτηση χημικών ενώσεων με χρήση χρωματογράφου προσομοιωμένης κινούμενης κλίνης, δείχνεται πως αν και πρόκειται για υψηλού κόστους επενδύσεις οι μονάδες μπορούν να αποδειχθούν βιώσιμες επενδυτικά, λόγω της θεωρητικά υψηλής αξίας πώλησης των προϊόντων τα οποία ανακτώνται. Στο σενάριο 6 ανακτάται κλάσμα φαινολικών ενώσεων με τη μέθοδο της απόσταξης ενώ στο σενάριο 7 το κλάσμα των φαινολικών ενώσεων ανακτάται με εκχύλιση. Οι μέθοδοι στα σενάρια 6 και 7 δεν δίνουν την δυνατότητα ανάκτησης μεμονωμένων ενώσεων υψηλής καθαρότητας από το σύνθετο, πλούσιο σε χημικές ενώσεις βιο-έλαιο, σε αντίθεση με τη μέθοδο της χρωματογραφίας στήλης των σεναρίων 5 και 8. Οι LCAs που πραγματοποιήθηκαν ανέδειξαν καταρχάς τη μεγάλη σημασία της κατανομής των επιπτώσεων στο κάθε προϊόν μίας διεργασίας καθώς η σύγκριση μεταξύ της kraft και της organosolv εμφανίζει μεν μεγάλες διαφορές που όμως σχετίζονται με τον τρόπο κατανομής των επιπτώσεων. Η κατηγορία επιπτώσεων στην οποία επιδρούν περισσότερο οι διεργασίες σε όλα τα σενάρια είναι ο μετασχηματισμός φυσικής γης ενώ κατά τη σύγκριση των σεναρίων σε όλες τις κατηγορίες τα αποτελέσματα είναι πολύ κοντά, καταδεικνύοντας πως τη μερίδα του λέοντος στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις έχει η λιγνίνη ως πρώτη ύλη. Αυτό φαίνεται και από τις μεγάλες διαφορές ανάμεσα στα σενάρια 1,2,5,6,7,8 με τα σενάρια 3 και 4 που χρησιμοποιείται η organosolv λιγνίνη (στην οποία υπάρχει διαφορετικός τρόπος κατανομής των επιπτώσεων). Όπως ήταν αναμενόμενο, η εφαρμογή της καταλυτικής πυρόλυσης έχει ελαφρώς πιο έντονες περιβαλλοντικές επιπτώσεις από ότι η χρήση θερμικής πυρόλυσης και αυτό οφείλεται αφενός στην κατανάλωση του καταλύτη, αφετέρου στην μειωμένη παραγωγή βιο-ελαίου κατά την καταλυτική πυρόλυση.
description: This thesis studied 8 scenarios for the use of catalytic and non-catalytic (thermal) fast pyrolysis of lignin at industrial level for which techno-economic analyses (TEAs) and life cycle assessments (LCAs) were carried out. Initially, TEAs were performed for the 8 scenarios. The corresponding models of novel industrial units in Aspen Plus were designed from which the mass and energy balances were calculated on each device and the devices were dimensioned. During the process, lignin (kraft or organosolv) undergoes fast pyrolysis in a fluidized bed reactor under inert conditions. The produced bio-oil is divided into 3 fractions, the lightest of which is either burned for energy production (scenarios 1-4) or driven to separation devices (scenarios 5-8), while the other 2 fractions are burned for energy production. Calculations of total capital investment and total product cost have been performed along with revenue estimation and calculations of return on investment (ROI) and payout time (POT). Subsequently, LCAs of the products (1 kg or 1 kWh) and of the processes in whole (1 h running time) were carried out using the mass and energy balances calculated during the stage of the techno-economic analyses. As expected, TEAs of scenarios 1-4 showed that the combustion of bio-oil for energy production and its sale as the main product is significantly loss-making whether kraft or organosolv lignin is used, in either thermal or catalytic pyrolysis. Scenarios 5 and 8, in which high value-added chemical compounds are recovered using a simulated moving bed chromatograph, show that although of high-cost, they can prove to be viable investments, due to the theoretically high selling price of the recovered chemicals. In scenario 6 a fraction of phenolic compounds is recovered by distillation, while in scenario 7 the fraction of phenolics is recovered by liquid-liquid extraction. The methods in scenarios 6 and 7 do not allow the recovery of individual high purity compounds from the complex, chemically rich bio-oil, in contrast to the column chromatography method of scenarios 5 and 8. The LCAs have initially highlighted the great importance of allocation on each product of a process as the comparison between kraft and organosolv shows vast differences which are related to impact allocation. The category to which all scenarios have the most impact is natural land transformation while at the same time, comparison of all the scenarios in all impact categories gives very close results, demonstrating that the lion's share of the environmental impact is attributed to the origin and production of lignin as a raw material. This is evident by the large differences between scenarios 1,2,5,6,7,8 and scenarios 3 and 4 where organosolv lignin is used (with a different way of impact allocation). As expected, catalytic pyrolysis has slightly more pronounced environmental effects than that of thermal pyrolysis and this is due, on the one hand, to the consumption of the catalyst, on the other hand to the reduced bio-oil production during catalytic pyrolysis