A Study Into Pyrolysis Of Biomass In Combination With CO2 Reforming And Its Subsequent Effect On C/N-cycles

Abstract

Anthropogenic activities, such as using fossil fuels for energy production, synthesizing carbon-based products, and employing nitrogen fertilizers to meet the ever-growing food demand, have drastically disrupted the planet's carbon and nitrogen cycles. These activities effectively lead to global warming, eutrophication, and NOx production. Hence, the world is in need of coming up with new sustainable technological advancements to meet the demands of fuel synthesis, carbon-based material manufacturing and food production without impacting the world's natural carbon and nitrogen cycles. One proposed solution is to utilize pyrolysis of sustainable biomass to produce biochar, bio-oil, and pyrolysis gas. The bio-oil obtained from this process can be used in a CO2 reforming step, effectively converting it into syngas with a suitable H2/CO ratio for chemical synthesis or fuel production. The produced biochar can, through a CO2 activation step and adsorption of nitrogen, be used as a fertilizer. Lastly, combustion of the produced pyrolysis gas generates energy for the other processes in the system.

In this master thesis, the aim was to evaluate the impact of the process on carbon and nitrogen cycles, analyze energy and carbon flows throughout the process, and optimize operational conditions to maximize syngas production. In addition, the study also addressed several research questions. These included investigating whether the process necessitates the introduction of external sustainable energy, and assessing the overall environmental impact of the process. To answer these research questions and overall aim, a model of the process was made in Aspen Plus V.14 in combination with a literature study on the biochars effect on the nitrogen cycle.

The results indicate that up to 70% of the carbon going into the process can be successfully sequestered through the optimization of pyrolysis for bio-oil production and subsequently of syngas yield in CO2 reforming. The study also saw that using a combined steam and CO2 reforming process could be beneficial for syngas yield and sequestration of carbon. Another conclusion was that sufficient energy was generated in the Mild combustion step for the other processes within the system, effectively eliminating the need for the introduction of renewable resources. Overall, the process will diminish the anthropogenic impact on the C-cycle by capturing CO2 from the atmosphere and sequestering it into the soil through the biochar and by processing the syngas into carbon-based products. The total sequestered amount will highly depend on the subsequent use and products of the syngas. For the system it was seen that mainly the produced biochar will have an impact on the N-cycle, effectively reducing the needed amount of added nitrogen fertilizer to the soil by reducing ammonia volatilization and increasing the nitrogen uptake by the plants.

Popular Abstract (Swedish)

Biomassa och Teknologi för en Hållbar Framtid

Genom pyrolys omvandlas biomassa till biokol, bioolja och biogas, vilket minskar beroendet av fossila bränslen och ger hållbara kemikalier, bränslen och energi. Detta motverkar global uppvärmning samtidigt som biokolet minskar behovet av gödningsmedel, vilket motverkar övergödning av våra sjöar och hav.

Sedan den industriella revolutionen har människan använt kol och olja till allt från energi, tillverkning av plaster och läkemedel, samt för att värma våra hem och driva våra bilar. Denna användning har släppt ut stora mängder koldioxid (CO2) i atmosfären, vilket i sin tur lett till den globala uppvärmningen. Samtidigt har avverkning av skogar, som annars skulle absorbera CO2 genom fotosyntesen, ytterligare rubbat det naturliga kolkretsloppet. Dessutom har överanvändning av kvävebaserade gödningsmedel rubbat kvävekretsloppet och orsakat övergödning i våra sjöar och hav, vilket har påverkat många ekosystem. För att återställa balansen i dessa kretslopp på vår planet måste vi hitta nya teknologier för att hantera dessa problem.

En föreslagen lösning är pyrolys av trä, stjälkar och matavfall. Pyrolys innebär att organiskt material upphettas till temperaturer ofta runt 300 upp till 1300 grader Celsius utan av syre. Detta bryter ner biomassan till biokol, bioolja och biogas istället för koldioxid och vatten som vid förbränning. Dessa produkter har flera användningsområden: biokolet kan modifieras och användas som gödningsmedel, biooljan kan genom CO2-reformering omvandlas till syngas för tillverkning av kemikalier och bränslen, och biogasen kan förbrännas för att ge energi till resten av processen. Processen är inte bara koldioxidneutral utan även kol negativ, vilket innebär att den tar bort koldioxid från atmosfären och binder den i biokol och syngasprodukter. Detta kan hjälpa till att återställa ett naturligt kol- och kvävekretslopp och motverka global uppvärmning och övergödning. Målet med det här exjobbet var att utvärdera processens påverkan på kol- och kvävecykler, analysera energi- och kolflöden genom processen samt optimera driftsförhållanden för att maximera produktionen av syntesgas.

För att kunna svara på målet med exjobbet, genomfördes simuleringar i Aspen Plus V.14. Detta visade att processen kan fånga upp till 70% av kolet som stoppas in i processen och därmed minskar mängden koldioxid i atmosfären. Vilket betyder att processen kommer att hjälpa världen att återgå till ett mer naturligt kol kretslopp och minska global uppvärmning. Simulerings resultaten visade också att anpassa driftförhållanden för att maximera syngas produktion är viktigt. En litteraturstudie av biokolet som gödningsmedel visade att det kan minska behovet av traditionella kvävebaserade gödningsmedel. Detta genom att förbättra växternas kväveupptag och minska kväveförluster till sjöar och hav. Vilket i sin tur leder till att motverka övergödning och återställa ett naturligt kvävekretslopp.

• author: Larsson, Andreas
• supervisor: Fatehi Hesameddin
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Biomass, Pyrolysis, CO2 Reforming, Mild Combustion, Biochar Activation, Aspen Plus, Modeling, Process Optimization, Carbon cycle, Nitrogen cycle, Carbon sequestration, Syngas, Biochar as Fertilizer, Sustainability, Chemical Engineering
• language: English
• id: 9168749
• date added to LUP: 2024-06-28 09:23:19
• date last changed: 2024-06-28 09:23:19