Mustalipeän hydrotermisen nesteytyksen vaikutus bioöljyn laatuun

Abstract

Ilmastonmuutoksen asettama uhka ja poliittisten ohjauskeinojen ohjaama bioenergialähteiden kysyntä on kasvanut huomattavasti viime vuosikymmeninä. Bioenergian lähteillä, kuten mustalipeällä, pyritään saavuttamaan direktiivien asettamat tavoitteet ja korvaamaan fossiilisia energianlähteitä. Hydrotermistä nesteytystä (HTL) on tutkittu jo 1900-luvun puolivälistä, mutta nykyiset ohjauskeinot ja kehittyneet ratkaisut lisäävät HTL-prosessin kiinnostavuutta. HTL-prosessin yhtenä vahvuutena on vesipitoisten raaka-aineiden käyttö, jolloin energiaintensiivinen kuivaus jää pois.

Tässä työssä tutkitaan mustalipeän hydrotermisen nesteytyksen optimointia käyttäen vedyn luovuttajana glyserolia ja alkaliemäksenä natriumhydroksidia eri reaktiolämpötiloissa ja mustalipeän eri kuiva-ainepitoisuuksilla. Tavoitteena on löytää optimaaliset olosuhteet hyvälaatuisen bioöljyn tuottamiseksi. Hyvälaatuinen tuote tarkoittaa tässä työssä juoksevaa nestettä, korkeaa lämpöarvoa, matalaa happipitoisuutta ja alhaista painokeskimääräistä moolimassaa sekä alhaista natrium- ja tuhkapitoisuutta.

Kokeissa käytettiin seuraavia muuttujia: mustalipeän kuiva-ainepitoisuus 17 p-% ja 34 p-%, natriumhydroksidipitoisuus 12 p-% ja 29 p-% mustalipeän kuiva-aineesta, glyserolipitoi-suus 29 p-% ja 59 p-% mustalipeän kuiva-aineesta lämpötiloissa 350 °C ja 360 °C. Viipymä-aika oli 45 min. Parhaimman laatuinen tuote saatiin olosuhteissa, joissa mustalipeän kuiva-ainepitoisuus oli 34 p-%, natriumhydroksidin pitoisuus 12 p-% ja glyserolin pitoisuus 59 p-% mustalipeän kuiva-aineesta 360 °C:n lämpötilassa. Bioöljyn saanto oli 45,6 p-% ennen happopesua ja happopesun jälkeen 28,2 p-% mustalipeän orgaanisesta aineesta. Parhaimman happopestyn tuotteen kalorimetrinen lämpöarvo oli 39,3 MJ/kg, happipitoisuus 16,4 p-%, keskimääräinen moolimassa 688 g/mol, tuhkapitoisuus 2,1 p-%, natriumpitoisuus 0 p-% ja rikkipitoisuus 2,6 p-%. Tuote oli juoksevaa 60 °C:n lämpötilassa.

Threads by global warming and political guidance have increased the demand of the bio based energy sources. Fuels based on biogenic sources such as black liquor have potential to replace fossil fuels in order to meet the targets of the directives. Hydrothermal liquefaction has been studied since mid-20th century. Today’s political regulations and technological development have raised the interest towards the HTL-processes. The main bene-fit of the hydrothermal liquefaction is to be able to use feedstocks with high water content and thus avoid energy and capital intensive drying of the feedstocks.

The thesis addresses optimization of the hydrothermal liquefaction of black liquors using glycerol as hydrogen donor, and sodium hydroxide as alkali at different reaction temperatures employing different black liquors dry solids contents. The aim of the thesis was to find the optimal conditions for producing high-quality bio-oil. The desired HTL product properties in thesis were: fluid liquid, high heating value (HHV), low oxygen content, low molecular weight product, as well as low sodium and ash content.

The following parameters were varied in the experiments: black liquor solids content of 17 wt-% and 34 wt-%, sodium hydroxide 12 wt-% and 29 wt-% dry solids of the black liquor, glycerol content 29 wt-% and 59 wt-% of dry solids of the black liquor temperatures of 350 °C and 360 °C. The residence time was 45 minutes. The best bio-oil quality was ob-tained at conditions of black liquor dry solids of 34 wt-%, 12 wt-% of sodium hydroxide, glycerol 59 wt-% and temperature 360 °C. At these conditions, the organic bio-oil yield was 45.6 wt-% before acid wash and 28.2 wt-% after the wash. For the best acid washed oil, following values were obtained: calorimetric HHV 39.3 MJ/kg, oxygen content 16.4 wt-%, average molecular weight 688 g/mol, ash content 2.1 wt-%, sodium 0 wt-%, and a sulfur content of 2.6 wt-%. The bio-oil was fluid at 60 °C.