Modeling and optimization of pyrolysis reactors

Abstract

Biomass has been used as an energy source since ancient times but have the last centenary been replaced by fossil alternatives. This is causing of climate changes and emptying oil reservoirs. Concerns around the negative effects of fossil fuels has resulted in new interest around biomass and other renewable energy sources. In Norway it will be forbidden to use fossil fuels for heating purposes by 2020, this in combination with economic incentives for installation of renewable alternatives from the government has resulted in a growth of wood firing heat systems around the country. On farms, where the heat demand is highly dependent on season, big boilers are often installed to meet the demand at the most critical conditions like cold winters or when drying the agricultural yields. The goal of this study is to investigate pyrolysis reactors as an alternative to wood burners. The pyrolysis process yields gas, pyrolysis oil, char and heat dependent on the operational conditions. This is done by using mathematical models to investigate the conditions that produces the most and least heat and analyze the dominant yields under these conditions. Two mathematical models are investigated. One is describing a slow pyrolysis auger reactor and the other is describing a fast pyrolysis reactor where a hot inert gas is used to heat the feedstock. Both models are solving the heat equation with a kinetic scheme implemented. The kinetics are solved using a finite rate scheme for both models and the heat equation is simplified into 2 spatial dimensions for the slow pyrolysis auger model and 1 spatial dimension for the fast pyrolysis model. Features added to the models which is uncommon for pyrolysis models are simulations of moist feedstock and a calculation of the time volatiles stay hot and keeps decomposing inside the reactor. The fast pyrolysis reactor model predicts an overall low released heat which is decreasing with temperature. This reactor does not stand as a valid alternative to a wood burner. The slow pyrolysis auger reactor predicts the lowest energy released pr. unit time at low temperatures where char and pyrolysis oil are the main yields. In the scenario where the highest energy released pr. unit time is preferred, gas is the main yield. The slow pyrolysis reactor has the highest time consumption and char yield on the cost of pyrolysis oil, but also a much higher amount of released heat pr. unit time as a result of the construction of the reactor. These findings tell that under low energy demand, pyrolysis oil and char can be produced and at high energy demands, gas is the main yield. This kind of reactor may be a valid option to wood burners. For the highest possible oil yield, this work predicts that temperatures around 1100K, low cooldown time of volatiles and fast pyrolysis is the preferred configuration. The highest possible char yield is obtained by low temperatures, high volatile cooldown times and slow pyrolysis. For a high gas yield, high temperature, fast pyrolysis and long cooldown time of volatiles is preferred. The effect of moist is shown to have a negligible effect on the yields at a dry feedstock basis, but a huge impact on the energy consumption. The cooldown time for volatiles are shown to be the main effect of pyrolysis oil and gas yields at temperatures above 800K. Longer cooldown times results in a higher amount of oil cracked into mainly gas and a small fraction of char.

Biomasse har blitt brukt som energikilde siden oldtiden, men har det siste århundre blitt erstattet med fossile alternativer. Dette forårsaker klimaendringer og tømming av oljereservoar. Bekymringer knyttet til de negative effektene rundt bruk av fossile energikilder har resultert i ny interesse rundt biomasse og andre fornybare energikilder. I Norge vil det bli forbudt å bruke fossil olje som energikilde innen 2020, dette i kombinasjon med økonomiske insentiver for installasjon av fornybare alternativer fra staten har resultert i en vekst av vedfyringssystemer rundt om i landet. På gårdsbruk, hvor behovet for varme avhenger mye av sesong blir det ofte installert store fyringsanlegg for å dekke behovet de få ukene i året hvor det er kaldest eller et behov for å tørke avlinger. Målet med denne oppgaven er å undersøke pyrolysereaktorer som et alternativ til vedfyringsanlegg. Pyrolyseprosessen gir gass, pyrolyseolje, kull og varme avhengig av driftsforholdene. Undersøkelsen gjøres ved å bruke matematiske modeller til å forutsi hvilke driftsbetingelser som gir mest og minst varme, samt hvilket produkt som produseres av prosessen under disse driftsbetingelsene. To matematiske modeller er undersøkt. Den ene skal beskrive en langsom augerreaktor og den andre en hurtig pyrolysereaktor hvor en varm inert gass brukes for å varme biomassen. Begge modellene løser varmelikningen med en kinetisk algoritme implementert. Kinetikken løses ved bruk av en ‘finite rate’ fremgangsmåte og varmelikningen er forenklet til en dimensjon for den hurtige pyrolysereaktoren og to dimensjoner for den langsomme augerreaktoren. Nye beregninger lagt til modellen som er uvanlig for pyrolysemodeller simulering av fuktig biomasse og tiden det fra gassene blir produsert i reaktoren til de blir kjølt ned. Den raske reaktormodellen forutsier en generell lav frigjort varme som avtar med temperaturen. Denne reaktoren står ikke som et gyldig alternativ til en vedbrenner. Den langsomme reaktormodellen forutsier mer frigjort varme pr. tidsenhet som stiger ved høyere driftstemperatur. Ved lav driftstemperatur er biokull og pyrolyseolje de mest produserte produktene. Ved høyere driftstemperatur vil mer varme frigjøres og en størst andel gass vil bli produsert. Disse funnene forteller at ved lavt behov for varme kan biokull og olje produseres. Dersom varmebehovet stiger kan gass produseres. Denne typen reaktor kan være et alternativ til en vedbrenner. For høyest mulig utbytte av pyrolyseolje forutsier modellene at temperaturer rund 1100K, rask nedkjøling av de produserte gassene og rask pyrolyse som de beste driftsbetingelsene. For høyest mulig utbytte av biokull er lav temperatur, lang nedkjølingstid for produserte gasser og langsom pyrolyse foretrukket. Gass blir produsert i størst grad ved høye temperaturer, lang nedkjølingstid for de produserte gassene og rask pyrolyse. Fukt i biomassen er vist å ikke påvirke hva som blir produsert nevneverdig, men det har en stor effekt på energiforbruket. Avkjølingstiden for de produserte gassene er vist å være den viktigste enkeltfaktoren for pyrolyseolje og gassutbytte ved temperaturer over 800K. Lengre nedkjølingstid resulterte i høyere nedbryting av pyrolyseolje til hovedsakelig gass og små mengder biokull.