Design and evaluation of biorefinery concepts
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-01-19
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
113 + app. 87
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 121/2017, VTT Science, 158
Abstract
When new biorefinery processes are developed, certain challenges are encountered during the research and development stage. There are multiple possible production routes to select from but due to limited information available at this stage it is difficult to assess the reasoning of the selected route especially when it concerns environmental and economic issues. In this thesis, a new modelling approach for this problem was developed. This new method can be used to design, evaluate and select process alternatives in research and process development, thus enhancing process development by enabling making more informed decisions earlier. Firstly, multiple lignocellulosic raw materials, for example those based on wood biomass or straw, and processes were evaluated based on the maximum product yield of the main product for each raw material. Secondly, the best processes were selected for analysis of main and side product energy yields, greenhouse gas (GHG) emission reductions and net present values (NPV), using simplified flowsheet models based on maximum heat recovery. Thirdly, the previous calculations were repeated for the selected processes employing rigorous flowsheet models. At the first modelling level, calculated energy yield of main product was employed as the preliminary indicator, and showed satisfactory accuracy. At the second and third modelling levels the differences of the indicators in main and side product energy yields, differences in GHG emission reductions and NPV are relatively small. The indicators based on second level models can in most cases be used in the early phase of process development. New process concepts that utilise separate lignin and carbohydrate fraction processing, including enhanced methanol and synthetic natural gas and hydrocarbon production, were developed by employing the modelling approach described. They were compared with conventional processes, such as methanol and synthetic natural gas (SNG) production, including combined biochemical ethanol and methanol production via lignin residue. Among the novel processes, hydrocarbon production utilising external low-temperature heat gave the highest product yield, 72.5 %, the highest GHG reduction per year and the lowest costs of GHG reduction when the produced biofuel substitutes fossil fuel. Integration to pulp and paper plants or stand-alone pulp mills was found advantageous since the processes could utilise unused heat, unused bark and the separated lignin from chemical recovery from the pulp mill. The novel processes could be run in two modes: either using external heat and power available in summer from solar economy sources, or self-sufficiently in winter. The processes studied are at an early development stage. Therefore, the performance of the novel processes should be verified with a larger scale experimental study.Kun uusia biojalostusprosesseja kehitetään, tutkimusvaiheessa on haasteena mahdollisten tuotantoreittien suuri lukumäärä. Tuotantoreitin järkevyyttä kustannusten ja ympäristön kannalta on kuitenkin silloin vaikea arvioida, koska arviointiin tarvittavia tietoja on rajallisesti saatavilla. Työssä kehitettiin monivaiheinen mallinnus- ja arviointimenetelmä, jonka avulla voidaan valita prosessivaihtoehtoja. Tämä tehostaa prosessikehitystä, koska tällöin tietoon perustuvia päätöksiä voidaan tehdä jo tutkimus- ja kehitysprosessin aikana. Ensiksi, useita lignoselluloosapohjaisia raaka-aineita, esimerkiksi puu ja peltobiomassaa, ja prosesseja arvioitiin maksimituotesaannon perusteella. Toiseksi, maksimituotesaannoltaan parhaat prosessivaihtoehdot valittiin jatkotarkasteluun perustuen yksinkertaistettuihin flowsheet-malleihin, joilla laskettiin prosessin maksimaaliseen lämmön talteenottoon perustuen pää- ja sivutuotteiden energiasaannot, kasvihuonekaasupäästövähenemät ja nettonykyarvot. Kolmanneksi, parhaat vaihtoehdot edellisestä vaiheesta valittiin jatkotarkasteluun, jossa edellisen vaiheen laskelmat toistettiin käyttämällä tarkempia flowsheet-malleja. Ensimmäisellä mallinnustasolla käytetyllä prosessin suorituskykykriteerillä, päätuotteen energiasaannolla, tarkkuus oli tyydyttävä. Ero toisella ja kolmannella mallinnustasolla laskettujen tulosten välillä, joita olivat pää- ja sivutuotteiden energiasaannot, kasvihuonekaasupäästövähenemät ja nettonykyarvot, oli suhteellisen pieni, jolloin toisen mallinnustason arvojen tarkkuus oli useimmissa tapauksissa riittävä prosessikehityksen alkuvaiheen arviointitarpeisiin. Työssä kehitettiin myös uusia prosessikonsepteja käyttäen kehitettyä mallinnus- ja arviointitapaa. Nämä prosessikonseptit olivat parannettu metanolin, synteettisen maakaasun sekä hiilivetyjen tuotanto ja ne perustuivat ligniinin ja hiilihydraattien erilliskäsittelyyn. Uusia prosesseja verrattiin tunnettuihin prosesseihin, esimerkiksi metanolin ja synteettisen maakaasun tuotantoon sekä yhdistettyyn etanolin ja metanolin tuotantoon ligniinijäänteestä. Uudessa hiilivetyjen tuotantoprosessissa hyödynnettiin ulkopuolista lämpöä ja siinä saavutettiin korkein energiahyötysuhde alemman lämpöarvon suhteen, 72,5 %, alhaisimmat tuotantokustannukset, suurimmat kasvihuonekaasupäästövähenemät sekä matalimmat kasvihuonekaasu-päästövähennyskustannukset. Prosessien integrointi yhdistettyyn paperi- ja sellutehtaaseen tai erilliseen sellutehtaaseen havaittiin ihanteelliseksi, koska tällöin prosesseissa oli mahdollista hyödyntää sellutehtaasta saatavaa hyödyntämätöntä lämpöä, puunkuorta ja kemikaalikierrosta erotettua ligniiniä. Uusia prosesseja voidaan operoida kahdella tavalla, joko talvella energiaomavaraisesti tai kesällä käyttämällä saatavilla olevaa ylimääräistä energiaa, esimerkiksi aurinkoenergiaperäistä lämpöä ja sähköä. Kehitetyt prosessit ovat varhaisella kehitysasteella, joten prosessien tehokkuutta tulisikin verifioida suuremman mittakaavan kokeissa.Description
Supervising professor
Oinas, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandThesis advisor
Hurme, Markku, Doc., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandKeywords
biorefineries, lignocellulosic biofuel production, techno-economic evalution, process modelling, biojalostamot, lignoselluloosapohjaiset biopolttoaineet, teknis-taloudellinen arviointi, prosessimallinnus
Other note
Parts
- [Publication 1]: Melin K., Hurme M., Biorefining Route Assessment by Multilevel Modeling, 20th European Symposium on Computer Aided Process Engineering: Computer-Aided Chemical Engineering, 28, Pierucci S., Ferraris G. B., Elsevier, Ischia, Naples, Italy (2010) 1745-1750
- [Publication 2]: Melin K., Hurme M., Evaluation of Lignocellulosic Biomass Upgrading Routes to Fuels and Chemicals, Cellulose Chem. Technol, 44(2010), 117-137
- [Publication 3]: Melin K., Hurme M., Parviainen K., Efficient Integration of Biofuel and Chemical Production Processes with Pulp Mills and Energy Production, Chemical Engineering Transactions, 25(2011), 977-982.DOI: 10.3303/CET1125163
-
[Publication 4]: Melin K., Kohl T., Koskinen J., Hurme M., Performance of Biofuel Processes Utilising Separate Lignin and Carbohydrate Processing, Bioresource Technology, 192(2015), 397–409.
DOI: 10.1016/j.biortech.2015.05.022 View at publisher
- [Publication 5]: Melin K., Kohl T., Koskinen J., Hurme M., Enhanced Biofuel Processes Utilizing Separate Lignin and Carbohydrate Processing of Lignocellulose Biofuels, Biofuels, 7(2016) 21-36,DOI: 10.1080/17597269.2015.1118777