Hydrothermal liquefaction of biomass for liquid biofuel production

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2016-08-23
Department
Major/Subject
Prosessit ja tuotteet
Mcode
KE3003
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
131+3
Series
Abstract
The increasing threat of global climate change has accelerated research activities to convert biomass into transportation fuels. The need to develop clean and sustainable alternatives to replace fossil fuels continually increases. Hydrothermal liquefaction (HTL) has been identified as a promising technology to convert wet biomass into a high quality intermediate product i.e. bio-crude. The HTL process operates at moderately high temperatures (250-380 °C) and pressure (4-30 MPa) in the presence of water. This thesis assesses the overall processing route of biomass via hydrothermal liquefaction. The entire value chain is studied with the main focus on the experimental study of the HTL process in a batch reactor. The remaining parts of the value chain were investigated on the basis of literature results including pre-treatment operations, product separation methods, side-products utilization and upgrading possibilities of the bio-crude. The suitability of different biomasses for the HTL was evaluated by reviewing literature. In addition, preliminary profitability estimations were calculated using a combination of the laboratory results and a literature-driven approach for investment and operational costs. For THE technology, the most promising biomass options were found to be algae, sewage sludge and woody biomass. These materials had the most favourable features among studied biomasses, such as high initial moisture content and high bio-crude yields. Biomasses chosen for experimental work were woody biomass and activated sludge. Bio-crude products, having carbon contents between 67-80 % for wood and 45-81 % for activated sludge and oxygen contents between 11.5-25 % for wood and 5-45 % for activated sludge, were obtained with yields of 13-28.6 w-% for wood and 10-25 w-% for activated sludge. The following reaction conditions were used: Temperature, 300-380 °C; Pressure, 80-265 bar; Residence time, 0-30 min; and Potassium hydroxide (KOH) loading, 0-10 w-% of biomass feed. The best processing conditions were 330 °C with 0 min residence time and 0-5 w-% KOH yielding 40 % of carbon to bio-crude for wood and 300 °C with 30 min residence time and 10 w-% KOH yielding 49 % of carbon to bio-crude for activated sludge. The bio-crude product obtained was viscous, which caused troubles in handling and analyzation. The experimental results obtained confirm that the HTL process is capable of producing bio-crude with high carbon to oxygen ratio at high yield. This work illustrates the potential of the HTL technology as a biofuel production technology for wet biomasses. The process challenges that were identified relate to the bio-crude product separation, the high viscosity of the bio-crude and reactor fouling.

Ilmastonmuutoksen aiheuttama uhka on jatkuvasti kiihdyttänyt biomassapohjaisten liikennepolttoaineiden tutkimusta. Tarve korvata fossiiliset polttoaineet puhtailla ja kestävillä vaihtoehdoilla kasvaa koko ajan. Kuumavesinesteytyksen (hydrothermal liquefaction, HTL) on todettu olevan yksi lupaavimmista teknologioista, jolla voidaan valmistaa märästä biomassasta korkealaatuista välituotetta, bioraakaöljyä. HTL-prosessi toimii kohtalaisen korkeissa lämpötiloissa (250-380 ° C) ja paineissa (4-30 MPa) veden läsnä ollessa. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja arvioida biomassan kuumavesinesteytystä prosessikokonaisuutena aina raaka-aineista jatkokäsittelyyn. Tutkimuksen pääpaino keskittyi itse HTL-teknologian kokeelli-seen tutkimukseen panosreaktorilla. Muina tutkittuina ja esiteltyinä osina prosessia ovat esikäsittelyt, tuotteiden erotusmenetelmät, sivutuotteiden käyttö sekä bioraakaöljyn jatkojalostus polttoaineeksi. Prosessin muiden osien tutkimus perustui kirjallisuustuloksien arviointiin. Tässä työssä tehtiin lisäksi biomassojen sopivuusvertailu HTL-prosessia varten kirjallisuustarkastelun avulla. Lopussa myös alustavat kannattavuusar-viot laskettiin yhdistämällä saadut laboratoriotulokset sekä kirjallisuudesta saadut investointi- ja käyttökustannusarviot. Levien, jätevesilietteen ja puun todettiin olevan lupaavimmat biomassavaihtoehdot HTL-teknologialle. Tätä puoltavat muun muassa materiaalien korkeat kosteuspitoisuudet sekä tutkimuksissa saadut korkeat bioraakaöljysaannot. Kokeelliseen osaan valittiin raaka-aineiksi puubiomassa ja aktiiviliete. Kokeellisessa osassa saatiin tuotettua bioraakaöljyjä 13-28,6 m-% saannolla puubiomassalle ja 10-25 m-% saannolla aktiivilietteelle. Tuotteiden hiilipitoisuudet olivat puubiomassalla 67-80 % ja aktiivilietteellä 45-81 %. Happipitoisuudet bioraakaöljyillä olivat puubiomassalla 11,5-25 % ja aktiivilietteellä 5-45 %. Tutkimuksessa käytettiin seuraavia reaktio-olosuhteita: 300-380 °C lämpötilaa, 80-265 baarin painetta, 0-30 min viipymäaikaa sekä kaliumhydroksidikatalyyttiä (KOH) 0-10 m-% biomassa syötöstä. Parhaat prosessiolosuhteet puubiomassalle olivat 300 °C, 0 min viipymä sekä 0 ja 5 m- % KOH, jolloin saavutettiin 40 % hiilisaanto bioraakaöljystä. Vastaavasti parhaat olosuhteet aktiivilietteelle olivat 300 °C, 30 min ja 10 m- % KOH, jolloin saavutettiin 49 % hiilisaanto bioraakaöljystä. Tuotettu bioraakaöljy oli hyvin viskoosia aiheuttaen ongelmia käsittelyssä ja analysoinnissa. Koetulokset vahvistavat, että HTL-prosessilla pystytään tuottamaan korkean hiili-happisuhteen omaavaa bioraakaöljyä korkealla saannolla. Tämä työ havainnollistaa HTL-teknologian potentiaalia tuottaa kosteista biomassoista biopolttoaineita. HTL-prosessin haasteiksi havaittiin bioraakaöljyn erotus, korkea viskositeetti ja reaktorin likaantuminen.
Description
Supervisor
Oinas, Pekka
Thesis advisor
Pasanen, Jukka-Pekka
Golam, Sarwar
Keywords
hydrothermal liquefaction, biomass, bio-crude, woody biomass, activated sludge
Other note
Citation