Nghiên cứu đồng khí hóa xúc tác trong và ngoài tại chỗ giữa sinh khối lignocellulose và nhựa (polyetylene mật độ thấp và mật độ cao) sử dụng xúc tác FCC đã qua sử dụng

Waste and Biomass Valorization - Tập 14 - Trang 1737-1751 - 2022
Praveen Kumar Kanduri1, Srinivas Seethamraju1
1Department of Energy Science and Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai, India

Tóm tắt

Nghiên cứu đồng khí hóa xúc tác của sinh khối và nhựa (polyetylene mật độ thấp và mật độ cao) được thực hiện bằng cách sử dụng xúc tác FCC đã qua sử dụng. Tác động của phương pháp khí hóa (tại chỗ so với ngoài chỗ) đối với năng suất và chọn lọc sản phẩm được kiểm tra với tỷ lệ cấp liệu 1:2, 1:1 và 2:1 (w/w). Cấu hình ngoài chỗ cải thiện chất lượng dầu sinh học và tạo ra năng suất khí cao hơn và năng suất than thấp hơn so với cấu hình tại chỗ. Dầu sinh học từ các quá trình ngoài chỗ có nhiều monoaromatic không oxy hơn với năng suất tối đa khoảng 29%C và khoảng 26%C cho polyetylene mật độ thấp và mật độ cao tại tỷ lệ sinh khối và nhựa là 2 và 1 tương ứng. Cung cấp chứa nhiều sinh khối dẫn đến độ chọn lọc cao hơn đối với monoaromatic (bao gồm benzen, toluen và xylen) và hydrocarbon thơm đa vòng, bất kể loại cấu hình. So với khí hóa sinh khối, việc đồng cung cấp nhựa với sinh khối đã làm giàu hàm lượng hydro của dầu sinh học, với các quá trình ngoài chỗ sản xuất nhiều sản phẩm có thể hoán đổi hơn so với các quá trình tại chỗ. Tỷ lệ H/C hiệu quả trong các loại dầu sinh học đã tăng từ khoảng 0.19 lên trên 1.0 cho các hỗn hợp sinh khối-nhựa so với khí hóa sinh khối một mình. Điều này bởi vì nhựa có chứa nhiều hydro (tỷ lệ H/C là 2) so với sinh khối, và sự gia tăng sẵn có của hydro trong quá trình khí hóa giúp cải thiện chất lượng dầu sinh học và đồng thời giảm hình thành than.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

World energy outlook 2019 https://iea.blob.core.windows.net/assets/98909c1b-aabc-4797-9926-35307b418cdb/WEO2019-free.pdf, Accessed 5 April 2022 Outlook for energy: a perspective to 2040 https://corporate.exxonmobil.com/-/media/Global/Files/outlook-for-energy/2019-Outlook-for-Energy_v4.pdf, Accessed 5 April 2022 BP energy outlook 2019 https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/energy-outlook/bp-energy-outlook-2019.pdf, Accessed 5 April 2022 Elliott, D.C.: Historical developments in hydroprocessing bio-oils. Energy Fuels 21(3), 1792–1815 (2007) Huber, G.W., Iborra, S., Corma, A.: Synthesis of transportation fuels from biomass: chemistry, catalysts, and engineering. Chem. Rev. 106(9), 4044–4098 (2006) Qiu, B., Tao, X., Wang, J., Liu, Y., Li, S., Chu, H.: Research progress in the preparation of high-quality liquid fuels and chemicals by catalytic pyrolysis of biomass: a review. Energy Convers. Manag. 261, 115647 (2022) Mohan, D., Pittman, C.U., Jr., Steele, P.H.: Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: a critical review. Energy Fuels 20(3), 848–889 (2006) Czernik, S., Bridgwater, A.V.: Overview of applications of biomass fast pyrolysis oil. Energy Fuels 18(2), 590–598 (2004) Carlson, T.R., Cheng, Y.T., Jae, J., Huber, G.W.: Production of green aromatics and olefins by catalytic fast pyrolysis of wood sawdust. Energy Environ. Sci. 4(1), 145–161 (2011) Kabir, G., Hameed, B.H.: Recent progress on catalytic pyrolysis of lignocellulosic biomass to high-grade bio-oil and bio-chemicals. Renew. Sustain. Energy Rev. 70, 945–967 (2017) Zhang, H., Xiao, R., Jin, B., Xiao, G., Chen, R.: Biomass catalytic pyrolysis to produce olefins and aromatics with a physically mixed catalyst. Bioresour. Technol. 140, 256–262 (2013) French, R., Czernik, S.: Catalytic pyrolysis of biomass for biofuels production. Fuel Process. Technol. 91(1), 25–32 (2010) Oh, S., Lee, J.H., Choi, I.G., Choi, J.W.: Enhancement of bio-oil hydrodeoxygenation activity over Ni-based bimetallic catalysts supported on SBA-15. Renew. Energy 149, 1–10 (2020) Zerva, C., Karakoulia, S.A., Kalogiannis, K.G., Margellou, A., Iliopoulou, E.F., Lappas, A.A., Papayannakos, N., Triantafyllidis, K.S.: Hydrodeoxygenation of phenol and biomass fast pyrolysis oil (bio-oil) over Ni/WO3-ZrO2 catalyst. Catal. Today 366, 57–67 (2021) Lu, Q., Zhou, M.X., Li, W.T., Wang, X., Cui, M.S., Yang, Y.P.: Catalytic fast pyrolysis of biomass with noble metal-like catalysts to produce high-grade bio-oil: analytical Py-GC/MS study. Catal. Today 302, 169–179 (2018) Chen, X., Yang, H., Chen, Y., Chen, W., Lei, T., Zhang, W., Chen, H.: Catalytic fast pyrolysis of biomass to produce furfural using heterogeneous catalysts. J. Anal. Appl. Pyrolysis 127, 292–298 (2017) Gamliel, D.P., Cho, H.J., Fan, W., Valla, J.A.: On the effectiveness of tailored mesoporous MFI zeolites for biomass catalytic fast pyrolysis. Appl. Catal. A 522, 109–119 (2016) Mante, O.D., Dayton, D.C., Carpenter, J.R., Wang, K., Peters, J.E.: Peters. Pilot-scale catalytic fast pyrolysis of loblolly pine over γ-Al2O3 catalyst. Fuel 214, 569–579 (2018) Nguyen, T.S., He, S., Raman, G., Seshan, K.: Catalytic hydro-pyrolysis of lignocellulosic biomass over dual Na2CO3/Al2O3 and Pt/Al2O3 catalysts using n-butane at ambient pressure. Chem. Eng. J. 299, 415–419 (2016) Teles, C.A., de Souza, P.M., Rabelo-Neto, R.C., Griffin, M.B., Mukarakate, C., Orton, K.A., Resasco, D.E., Noronha, F.B.: Catalytic upgrading of biomass pyrolysis vapors and model compounds using niobia supported Pd catalyst. Appl. Catal. B 238, 38–50 (2018) Li, X., Li, J., Zhou, G., Feng, Y., Wang, Y., Yu, G., Deng, S., Huang, J., Wang, B.: Enhancing the production of renewable petrochemicals by co-feeding of biomass with plastics in catalytic fast pyrolysis with ZSM-5 zeolites. Appl. Catal. A 481, 173–182 (2014) Jin, Q., Wang, X., Li, S., Mikulcic, H., Besenic, T., Deng, S., Vujanovic, M., Tan, H., Kumfer, B.M.: Synergistic effects during co-pyrolysis of biomass and plastic: gas, tar, soot, char products and thermogravimetric study. J. Energy Inst. 92(1), 108–117 (2019) Ryu, H.W., Kim, D.H., Jae, J., Lam, S.S., Park, E.D., Park, Y.K.: Recent advances in catalytic co-pyrolysis of biomass and plastic waste for the production of petroleum-like hydrocarbons. Bioresour. Technol. 310, 123473 (2020) Han, B., Chen, Y., Wu, Y., Hua, D., Chen, Z., Feng, W., Yang, M., Xie, Q.: Co-pyrolysis behaviors and kinetics of plastics−biomass blends through thermogravimetric analysis. J. Therm. Anal. Calorim. 115(1), 227–235 (2014) Li, X., Zhang, H., Li, J., Su, L., Zuo, J., Komarneni, S., Wang, Y.: Improving the aromatic production in catalytic fast pyrolysis of cellulose by co-feeding low-density polyethylene. Appl. Catal. A 455, 114–121 (2013) Lin, X., Kong, L., Ren, X., Zhang, D., Cai, H., Lei, H.: Catalytic co-pyrolysis of torrefied poplar wood and high-density polyethylene over hierarchical HZSM-5 for mono-aromatics production. Renew. Energy 164, 87–95 (2021) Tian, X., Zeng, Z., Liu, Z., Dai, L., Xu, J., Yang, X., Yue, L., Liu, Y., Ruan, R., Wang, Y.: Conversion of low-density polyethylene into monocyclic aromatic hydrocarbons by catalytic pyrolysis: Comparison of HZSM-5, Hβ, HY and MCM-41. J. Clean. Prod. 358, 131989 (2022) Costa, J.E., Barbosa, A.S., Melo, M.A., Melo, D.M., Medeiros, R.L., Braga, R.M.: Renewable aromatics through catalytic pyrolysis of coconut fiber (Cocos nucifera Linn.) using low cost HZSM-5. Renew. Energy 191, 439–446 (2022) Mullen, C.A., Dorado, C., Boateng, A.A.: Catalytic co-pyrolysis of switchgrass and polyethylene over HZSM-5: catalyst deactivation and coke formation. J. Anal. Appl. Pyrolysis 129, 195–203 (2018) Wang, K., Kim, K.H., Brown, R.C.: Catalytic pyrolysis of individual components of lignocellulosic biomass. Green Chem. 16(2), 727–735 (2014) Xue, Y., Kelkar, A., Bai, X.: Catalytic co-pyrolysis of biomass and polyethylene in a tandem micropyrolyzer. Fuel 166, 227–236 (2016) Zhang, B., Zhong, Z., Ding, K., Song, Z.: Production of aromatic hydrocarbons from catalytic co-pyrolysis of biomass and high density polyethylene: analytical Py–GC/MS study. Fuel 139, 622–628 (2015) Kim, Y.M., Jae, J., Kim, B.S., Hong, Y., Jung, S.C., Park, Y.K.: Catalytic co-pyrolysis of torrefied yellow poplar and high-density polyethylene using microporous HZSM-5 and mesoporous Al-MCM-41 catalysts. Energy Convers. Manag. 149, 966–973 (2017) Park, Y.K., Jung, J.S., Jae, J., Hong, S.B., Watanabe, A., Kim, Y.M.: Catalytic fast pyrolysis of wood plastic composite over microporous zeolites. Chem. Eng. J. 377, 119742 (2019) Zhang, H., Nie, J., Xiao, R., Jin, B., Dong, C., Xiao, G.: Catalytic co-pyrolysis of biomass and different plastics (polyethylene, polypropylene, and polystyrene) to improve hydrocarbon yield in a fluidized-bed reactor. Energy Fuels 28(3), 1940–1947 (2014) Vogt, E.T., Weckhuysen, B.M.: Fluid catalytic cracking: recent developments on the grand old lady of zeolite catalysis. Chem. Soc. Rev. 44(20), 7342–7370 (2015) Chiranjeevi, T., Pragya, R., Gupta, S., Gokak, D.T., Bhargava, S.: Minimization of waste spent catalyst in refineries. Procedia Environ. Sci. 35, 610–617 (2016) https://agriexchange.apeda.gov.in/India%20Production/AgriIndia_Productions.aspx?productcode=1007, Accessed 5 April 2022 Chen, N.Y., Walsh, D.E., Koenig, L.R.: Fluidized-bed upgrading of wood pyrolysis liquids and related compounds, pyrolysis oils from biomass, pp. 277–289. ACS Symposium Series; American Chemical Society, Washington (1988) Praveen Kumar, K., Srinivas, S.: Catalytic co-pyrolysis of biomass and plastics (polypropylene and polystyrene) using spent FCC catalyst. Energy Fuels 34(1), 460–473 (2019) Shen, D., Xiao, R., Gu, S., Luo, K.: The pyrolytic behavior of cellulose in lignocellulosic biomass: a review. RSC Adv. 1(9), 1641–1660 (2011) Zhao, Y., Wang, Y., Duan, D., Ruan, R., Fan, L., Zhou, Y., Dai, L., Lv, J., Liu, Y.: Fast microwave-assisted ex-catalytic co-pyrolysis of bamboo and polypropylene for bio-oil production. Bioresour. Technol. 249, 69–75 (2018) Jae, J., Tompsett, G.A., Foster, A.J., Hammond, K.D., Auerbach, S.M., Lobo, R.F., Huber, G.W.: Investigation into the shape selectivity of zeolite catalysts for biomass conversion. J. Catal. 279(2), 257–268 (2011)