Bio-oil production via catalytic fast pyrolysis of woody biomass

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Lehto, Jani, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
dc.contributor.advisor Lehtonen, Juha, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
dc.contributor.author Paasikallio, Ville
dc.date.accessioned 2016-10-25T09:01:33Z
dc.date.available 2016-10-25T09:01:33Z
dc.date.issued 2016
dc.identifier.isbn 978-952-60-7103-9 (Aalto, electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7104-6 (Aalto, printed)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8465-9 (VTT, electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8466-6 (VTT, printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (Aalto, electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, ISSN-L)
dc.identifier.issn 2242-1203 (VTT, electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/23056
dc.description.abstract Fast pyrolysis of biomass is a thermochemical conversion process where solid biomass such as wood is thermally converted under a non-oxidative atmosphere at a temperature of approx-imately 500°C. The main product from this process is bio-oil, a highly oxygenated liquid with very challenging fuel properties. The quality of the bio-oil can be improved using a variety of catalytic processes. One such technology is catalytic fast pyrolysis (CFP), which integrates a catalytic vapor-phase upgrading step directly into a fast pyrolysis process itself. The overall purpose of this is to improve the quality of the bio-oil that is produced in the fast pyrolysis process. This, in turn, can facilitate easier utilization of the bio-oil in demanding applications such as upgrading to transportation fuels. CFP is most often carried out using acidic zeolite catalysts, which are capable of removing oxygen from the pyrolysis vapors in the form of carbon oxides and water. Because both carbon and hydrogen are lost together with the oxygen, the quality of bio-oil improves at the expense of the yield. Acidic catalysts and highly oxygenated pyrolysis vapors are a combination which results in rapid catalyst deactivation due to coke formation. In order to maintain an adequate level of catalyst activity, the catalyst must be regenerated on a frequent basis. From the perspective of continuous operation, this sets certain requirements on the reactor technology for CFP. The results of this thesis show that bubbling fluidized bed reactors, which are commonly used for research purposes and do not normally include the possibility of continuous catalyst addition and removal, have clear operational limitations for CFP. Such reactors can, nevertheless, be used for catalyst testing and parametric studies as long as the effect of short-term catalyst deactivation is taken into account. Circulating fluidized bed reactors with continuous catalyst regeneration provide a much more convenient technological platform for CFP. The effect of coke-induced reversible deactivation is effectively negated, and the focus can be shifted to process performance and catalyst long-term stability. The latter factor is considered to be one of the key questions for CFP. It was shown in this thesis that the combination of biomass-derived inorganic contaminants and severe reaction/regeneration conditions cause irreversible changes in the catalyst structure and properties, which in turn reflects in the quality of the bio-oil. The results of this thesis also highlight the diverse overall character of the CFP products. The partially upgraded bio-oil product is accompanied by a separate aqueous liquid with varying amounts of dissolved organics. Thus, efficient utilization of the CFP products would very likely entail more than one valorization approach. en
dc.description.abstract Nopea pyrolyysi on termokemiallinen konversioprosessi missä kiinteä biomassa kuten puu-aines konvertoidaan termisesti hapettomissa olosuhteissa noin 500 °C lämpötilassa. Prosessin päätuote on runsaasti happipitoisia yhdisteitä sisältävä bioöljy, jolla on erittäin haastavat polttoaineominaisuudet. Bioöljyn laatua voidaan parantaa erilaisilla katalyyttisillä prosesseilla. Yksi näistä on katalyyttinen nopea pyrolyysi (KNP), missä pyrolyysiprosessiin itseensä sisällytetään katalyyttinen höyryfaasijalostusvaihe. Tämän tarkoitus on parantaa nopeassa pyrolyysissä tuotettavan bioöljyn laatua, joka voi osaltaan parantaa bioöljyn käytettävyyttä haastavissa sovelluksissa kuten jalostuksessa liikennepolttoaineiksi. KNP:ssä käytetään tyypillisesti happamia zeoliittikatalyyttejä, jotka voivat poistaa happea hiilen oksideina ja vetenä. Koska hapen mukana menetään sekä hiiltä että vetyä, bioöljyn laadunparannus tapahtuu öljysaannon kustannuksella. Happokatalyytit ja happirikkaat pyrolyysihöyryt ovat yhdistelmä joka johtaa nopeaan katalyytin deaktivoitumiseen katalyytin koksaantumisen vuoksi. Riittävän aktiivisuustason ylläpitäminen vaatii katalyytin regeneroimista lyhyin aikavälein. Tämä taasen asettaa tiettyjä vaatimuksia KNP:ssä käytettävälle reaktoriteknologialle erityisesti jatkuvan käytettävyyden näkökulmasta. Tämän väitöskirjan tulokset näyttävät selvästi että yleisesti tutkimuskäytössä olevilla kuplaleijupetireaktoreilla, joista tyypillisesti puuttuu mahdollisuus katalyytin jatkuvalle poistolle ja lisäämiselle, on selkeitä käyttöteknisiä rajoituksia KNP:n kohdalla. Tällaisia reaktoreita voidaan silti käyttää katalyyttitestaukseen ja prosessimuuttujien tutkimukseen, kunhan katalyytin deaktivoituminen otetaan huomioon. Jatkuvatoimiseen katalyytin regenerointiin pystyvät kiertoleijupetireaktorit soveltuvat huomattavasti paremmin KNP:lle. Koksaantumisen aiheuttaman reversiibelin deaktivaation sijaan fokusalueiksi muodostuvat prosessin suorituskyky ja katalyytin elinikä, joista jälkimmäinen on yksi olennainen epävarmuustekijä KNP:n tapauksessa. Tässä väitöskirjassa on osoitettu, että biomassaperäisten epäorgaanisten epäpuhtauksien ja vaativien reaktio- ja regenerointiolosuhteiden yhdistelmä aiheuttaa muutoksia katalyytin rakenteessa ja ominaisuuksissa, joka myös heijastuu bioöljyn laadussa. Tämän väitöskirjan tulokset myös korostavat KNP:n tuotteiden monitahoisuutta. Pääasiallisen öljytuotteen lisäksi prosessissa muodostuu erillinen vesifaasi joka sisältää vaihtelevan määrän liuennutta orgaanista ainesta. KNP:n koko tuotespektrin tehokas hyödyntäminen tulee täten todennäköisesti vaatimaan useamman kuin yhden jatkojalostusmenetelmän käyttöä. fi
dc.format.extent 95 + app. 71
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 227/2016
dc.relation.ispartofseries VTT Science
dc.relation.ispartofseries 137
dc.relation.haspart [Publication 1]: Ville Paasikallio, Christian Lindfors, Jani Lehto, Anja Oasmaa, Matti Reinikainen. Short Vapour Residence Time Catalytic Pyrolysis of Spruce Sawdust in a Bubbling Fluidized-Bed Reactor with HZSM-5 Catalysts. Topics in Catalysis, Volume 56, issue 9, pages 800-812, June 2013. DOI: 10.1007/s11244-013-0037-y
dc.relation.haspart [Publication 2]: Ville Paasikallio, Foster Agblevor, Anja Oasmaa, Jani Lehto, Juha Lehtonen. Catalytic Pyrolysis of Forest Thinnings with ZSM-5 Catalysts: Effect of Reaction Temperature on Bio-oil Physical Properties and Chemical Compositions. Energy & Fuels, Volume 27, issue 12, pages 7587-7601, November 2013. DOI: 10.1021/ef401947f
dc.relation.haspart [Publication 3]: Ville Paasikallio, Christian Lindfors, Eeva Kuoppala, Yrjo Solantausta, Anja Oasmaa, Jani Lehto, Juha Lehtonen. Product quality and catalyst deactivation in a four day catalytic fast pyrolysis production run. Green Chemistry, Volume 16, pages 3549-3559, June 2014. DOI: 10.1039/c4gc00571f
dc.relation.haspart [Publication 4]: Ville Paasikallio, Konstantinos Kalogiannis, Angelos Lappas, Jani Lehto, Juha Lehtonen. Catalytic fast pyrolysis: Influencing bio-oil quality with the catalyst-to-biomass ratio. Energy Technology, Early View Article, July 2016. DOI: 10.1002/ente.201600094
dc.relation.haspart [Publication 5]: Christian Lindfors, Ville Paasikallio, Eeva Kuoppala, Matti Reinikainen, Anja Oasmaa, Yrjo Solantausta. Co-processing of Dry Bio-oil, Catalytic Pyrolysis Oil, and Hydrotreated Bio-oil in a Micro Activity Test Unit. Energy & Fuels, Volume 29, issue 6, pages 3707-3714, June 2015., DOI: 10.1021/acs.energyfuels.5b00339
dc.subject.other Biotechnology en
dc.subject.other Chemistry en
dc.subject.other Energy en
dc.title Bio-oil production via catalytic fast pyrolysis of woody biomass en
dc.title Bioöljyn tuotanto puubiomassasta katalyyttisellä nopealla pyrolyysillä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Biotechnology and Chemical Technology en
dc.subject.keyword biomass en
dc.subject.keyword biofuels en
dc.subject.keyword bio-oil en
dc.subject.keyword pyrolysis en
dc.subject.keyword catalysis en
dc.subject.keyword biomassa fi
dc.subject.keyword biopolttoaineet fi
dc.subject.keyword bioöljy fi
dc.subject.keyword pyrolyysi fi
dc.subject.keyword katalyysi fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7103-9
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Seppälä, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
dc.opn Prins, Wolter, Prof., Ghent University, Belgium
dc.contributor.lab Industrial Chemistry en
dc.rev Meier, Dietrich, Dr., Thermophil international, Germany
dc.rev Venderbosch, Robbie, Dr., BTG Biomass Technology Group B.V., The Netherlands
dc.date.defence 2016-11-11


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account