Industrial-scale microwave heating of waste oils and fats – Technology evaluation
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-01-23
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
54
Series
Abstract
Research of renewable energy technologies has gained increasing amount of interest in recent years. Microwave (MW) heating has been found to have benefits in a wide range of fields and it has successfully replaced conventional heating methods in many applications, such as food, polymer and ceramics processing. With the technology, notable reductions in processing time, fouling and greenhouse gas emissions have been achieved. However, widespread use of microwaves in industrial scale has not yet taken place. The aim of this thesis is to provide a general view on the feasibility of microwave technology in heating waste oils and fats in hydrotreated vegetable oil (HVO) pre-treatment process. Waste lipid feedstocks tend to form solid particles on the walls of conventional heat exchangers in high temperatures. MW heating, with its unique heating mechanism, could possibly address this problem by eliminating the hot surfaces of the equipment and hence reduce fouling. This would cause less downtime of the plant increasing the annual production capacity. The general advantages of MW heating are rapid heating with minimal heat gradient and possible enhanced reaction rates. The disadvantages are difficult scale-up and possible increased side-reactions. In the literature study, it is concluded that oils and fats can be effectively heated because of their low specific heat capacity and high penetration depth of microwave irradiation. Moreover, some promising laboratory results have been published about MW processing of lipids; the irradiation has been found to enhance bleaching and degumming of oils. In the applied part, the technical feasibility and costs of microwave heating are assessed, using an example design case from the HVO pre-treatment process. In the example case, a process stream of 160 t/h is heated from 160 ℃ to 280 ℃ with MW irradiation. Based on the results, it is challenging to feasibly apply microwave heating in industrial-scale heating of waste oils and fats. The limited capacity of a single microwave heater increases the required number of modules (16), resulting in high investment costs (65 M€) and large physical area (837 m2) needed. The annual energy costs are estimated to be 20 M€. The high operating costs (26 M€) are caused by the low energy efficiency of microwave heaters (55%) as well as relatively high maintenance costs (6 M€/a) due to the yearly requirement to replace the MW generators. The main challenges of MW heaters are low energy efficiency and flow capacity. Microwave heating needs to significantly reduce fouling or offer some other benefit in HVO pre-treatment performance to compensate for the disadvantages. Further development of scaling up the technology is needed and more studies on heating waste oils and fats with microwaves should be conducted.Kiinnostus uusiutuvien energiateknologioiden tutkimukseen on kasvanut viime vuosina. Mikroaaltolämmityksen on todettu tarjoavan monia hyötyjä eri aloilla ja sillä on onnistuneesti korvattu perinteisiä lämmitysmenetelmiä useissa sovelluksissa, kuten elintarvikkeiden, polymeerien ja keraamien prosessoinnissa. Teknologialla on saatu vähennettyä prosessointiaikaa, laitteiden likaantumista ja kasvihuonekaasupäästöjä. Mikroaallot eivät kuitenkaan ole vielä käytössä laajemmin teollisessa mittakaavassa. Tämän diplomityön tarkoitus on tarjota yleiskatsaus mikroaaltoteknologian käyttöön jäteöljyjen ja -rasvojen lämmityksessä vetykäsitellyn kasviöljyn (eng. hydrotreated vegetable oil, HVO) esikäsittelyprosessissa. Jäteöljyjen epäpuhtaudet muodostavat kiinteitä partikkeleita perinteisten lämmönvaihdinten pinnoille korkeissa lämpötiloissa. Mikroaaltolämmitys voi mahdollisesti ratkaista tämän ongelman, sillä laitteissa ei muodostu kuumia pintoja, mikä vähentänee likaantumista. Tämä laskisi prosessin keskeytysaikaa kasvattaen vuosittaista tuotantokapasiteettia. Mikroaaltolämmityksen todetut hyödyt ovat hyvin nopea lämmitys pienellä lämpötilagradientilla ja mahdollisesti lyhyemmät reaktioajat. Teknologian haasteita ovat vaikea skaalaaminen suureen mittakaavaan ja mahdolliset lisääntyvät sivureaktiot. Työn kirjallisuuskatsauksen pohjalta todetaan, että öljyt ja rasvat lämpenevät tehokkaasti mikroaaltosäteilyllä niiden matalan ominaislämpökapasiteetin ja korkean säteilyn tunkeutumissyvyyden vuoksi. Lisäksi laboratoriokokeissa mikroaaltokäsittelyn on havaittu parantavan kasviöljyjen esikäsittelyprosessien tehokkuutta. Työn soveltavassa osuudessa tarkastellaan mikroaaltolämmityksen teknistä soveltuvuutta ja kustannuksia HVO esikäsittelyprosessissa esimerkkitilanteessa, jossa 160 t/h prosessivirta lämmitetään 160 ℃:sta 280 ℃:een. Tulosten perusteella mikroaaltoteknologian käyttäminen jäteöljyjen ja -rasvojen lämmityksessä teollisessa mittakaavassa on haastavaa. Yhden lämmittimen pieni kapasiteetti kasvattaa tarvittavaa laitemäärää (16) aiheuttaen suuret investointikustannukset (65 M€) ja vaatien laajan pinta-alan (837 m2). Vuosittaiset energiakustannukset on arvioitu olevan 20 M€. Korkeat käyttökustannukset (26 M€) ovat seurausta mikroaaltolämmittimien matalasta hyötysuhteesta (55%) ja korkeista kunnossapitokuluista (6 M€), jotka aiheutuvat vuosittaisesta tarpeesta vaihtaa laitteiden generaattorit. Mikroaaltolämmittimien merkittävimmät haasteet ovat matala energiatehokkuus ja virtauskapasiteetti. Mikroaaltolämmityksen täytyy vähentää huomattavasti laitteiden likaantumista tai tarjota muita hyötyjä HVO esikäsittelyprosessissa kompensoidakseen työssä todettuja huonoja puolia. Teknologian skaalaamista tehdasmittakaavaan on kehitettävä, ja jäteöljyjen sekä -rasvojen lämmitystä mikroaalloilla tulisi tutkia lisää.Description
Supervisor
Oinas, PekkaThesis advisor
Hommes, ArneTurkka, Jyri
Keywords
microwave heating, heat exchanger, fouling, HVO, renewable diesel, pre-treatment