Quality improvement of fast pyrolysis bio-oil through alkali removal from feedstock

Abstract

As the pressure to reduce greenhouse gas (GHG) emission grows, more interest towards sustainable bio-fuels emerges. Utilizable, non-edible and renewable waste streams are one of the most promising feedstocks to maximize the emission reduction. Fast pyrolysis is robust and rather simple liquefaction technique which can turn these solid feedstocks to high energy density liquid bio-oil. Although utilization of waste streams is one of the most potential ways to reduce GHG emissions, reduced quality of feedstock is problematic from the scope of the processing. Inorganic, ash forming elements of biomass, cause several problems during the fast pyrolysis process. Especially alkali and alkaline earth metals (AAEM) potassium, sodium, calcium and magnesium have been shown to possess catalytic activity, which results in decreased product yield and altered chemical composition of produced bio-oil. In addition, larger inorganic content in feedstock results in higher inorganic concertation in bio-oil, which is problematic from the scope of the further processing. Thus, pretreatment of low quality feeds, i.e. feeds with high ash content, has awaken interest.

Water and dilute nitric acid washing of biomass were studied with pine forest residues, eucalyptus and wheat straw grinded to particle size 0.55 - 0.98 mm. The effect of several parameters to total ash and AAEM removal were investigated. Although a large part of potassium and sodium were removable with water, the acidic washing liquid was more efficient regarding the total ash and AAEM removal. Especially removal of ion-exchangeable cations, such as calcium, was enhanced when acid washing was used. Changing parameters had varying effects within the raw materials. In the case of eucalyptus, elevated temperature and higher acid concentration were more efficient, whereas in the case of forest residues and especially with wheat straw, milder washing conditions were as efficient.

Regarding the raw materials, wheat straw was identified as the most promising feedstock to washing due to its high AAEM content and mildness of treatment conditions. Especially washing of the whole straws without grinding is interesting option which needs to be studied further. In addition, suitable AAEM levels in feeds should be clarified from the scope of bio-oil yield and quality maximization so that appropriate washing method could be chosen.

Kasvava paine vähentää kasvihuonekaasupäästöjä on lisännyt kiinnostusta kestäviä ja ympäristöystävällisiä biopolttoaineita kohtaan. Uusiutuvat ja syömäkelvottomat jätevirrat ovat yksi potentiaalisimmista raaka-aineista päästövähennysten kannalta. Nopeapyrolyyysi on prosessi, joka mahdollistaa näiden kiinteiden raaka-aineiden jalostamisen nestemäiseksi korkean energiatiheyden omaavaksi bioöljyksi. Vaikka jätevirrat ovatkin potentiaalisia päästövähennysten kannalta, sisältyy heikkolaatuisten raaka-aineiden prosessointiin myös ongelmia. Lignoselluloosapohjaisten raaka-aineiden sisältämän epäorgaanisen aineosan, eli tuhkan, on todettu omaavaan katalyyttisiä ominaisuuksia pyrolyysiprosessissa. Erityisesti kaliumin, natriumin, magnesiumin ja kalsiumin on todettu vaikuttavan tuotetun bioöljyn kemialliseen koostumukseen ja saantoon. Lisäksi osa epäorgaanisista aineista päätyy tuotettuun bioöljyyn, millä voi olla vakavia haittavaikutuksia jatkojalostuksen kannalta. Tästä johtuen heikkolaatuisten, eli korkean tuhkapitoisuuden omaavien raaka-aineiden esikäsittely ennen pyrolyysiä on herättänyt mielenkiintoa.

Biomassan vesi- ja happopesuja tutkittiin metsähakkuutähteillä, eukalyptuksella ja vehnän oljella, jotka oli jauhettu ja seulottu partikkelikokoon 0,55 - 0,98 mm. Erinäisten pesuparametrien vaikutusta tutkittiin biomassojen kokonaistuhkan, sekä alkali ja maa-alkalimetallien pitoisuuksien alenemaan. Suuri osa raaka-aineiden natriumista ja kaliumista olivat poistettavissa vedellä, mutta happopesu oli tehokkaampi kokonaistuhkan sekä mitattujen metallien konsentraatioiden alentamisessa. Erityisesti ioninvaihtomuodossa olevien kationien, kuten kalsiumin ja magnesiumin poisto tehostui happopesua käytettäessä. Muuttuvien parametrien vaikutus vaihteli pestyn raaka-aineen mukaan. Eukalyptuksen kohdalla korkean lämpötilan sekä happokonsentraation todettiin tehostavan pesua, kun taas metsähakkuutähteiden ja erityisesti oljen kohdalla miedommilla olosuhteilla päästiin yhtäläisiin pesutuloksiin.

Raaka-aineista vehnän oljen todettiin olevan kaikkein potentiaalisin pestäväksi sen korkean alkali ja maa-alkalimetallipitoisuuksien, sekä mietojen pesuolosuhteiden johdosta. Erityisesti kokonaisen oljen pesu on kiinnostava vaihtoehto jatkotutkimusten kannalta, mutta lisätietoa tarvitaan myös metallien raja-arvoista raaka-aineessa öljyn saannon ja laadun kannalta.