The influence of carbon additives in microwave assisted pyrolysis and the cost of energy regeneration

Abstract

The carbon concentration in the atmosphere is higher than it has ever been during the last 800 000 years, resulting in 27.5 million climate refugees globally. There is consensus within the international community that the threat of climate change is one of the biggest challenges facing the 21st century. This has in turn resulted in an ever increasing amount of interest and potential for environmentally friendly technology solutions. Microwave assisted pyrolysis (MAP) is the process of pyrolyzing waste with microwaves as the source of energy. When pyrolyzing, matter is heated in the absence of oxygen, resulting in three products: syngas, bio-char, and bio-oil. The different amount of each product is dependent on a variety of factors, like pyrolysis temperature, heating rate, residence time, waste composition etc. Pyrolysis may also be performed without microwaves, often referred to as conventional pyrolysis (CP), where the energy input usually comes from electric or gas heating. When performing CP, the waste is heated from the outside of a cavity, relying on conduction heating in to the centre of the cavity. When utilizing MAP, the mass is heated more uniformly, and more energy efficiently. The main problem with MAP, compared to CP, is that organic waste is not very receptive to microwaves. However, carbon is a great microwave receptor so adding bio-char back to the in-feed of the cavity will increase the microwave absorption, resulting in a more efficient heating. Based on this, the problem formulation was: “In what way will varying carbon contents affect the mass balance of the MAP system and what are the operational costs associated with running the MAP on a daily basis?” In addition to increasing the microwave absorption, the MAP system must compete with other forms of waste handling and energy regeneration processes, most notably anaerobic decomposition and incineration. Microwaves are often defined as electromagnetic waves in the frequency range of 300 MHz to 300 GHz with wavelengths of 1m to 1mm. The standard for MAP is 915 MHz or 2.45 GHz with wavelengths of 12 or 33 cm. The ability to absorb microwaves is measured by a materials dielectric properties, most commonly the tan value, that quantifies a materials ability to absorb microwaves. Any value above 0.2 is considered a good absorbent, but sewage sludge has a value of about 0.06 while bio-char has a value of about 1.04. Syngas is commonly defined as gas rich in H2 and CO, although there is no set definition. Besides H2 and CO, syngas contains CH4 and CO2, although the gas composition depends on the composition of the input. Often heavier CxHy gases are also present. The bio-char consists of mainly carbon, often with varying amounts of ash. Other elements in the bio-char can be found depending on the composition of the input. The bio-oil will also contain a lot of varying elements, making it to unstable for use without further processing. However, the potential for future bio-fuel from the bio-oil is present. Pyrolysis is often sorted into three different types, that being slow, fast, and flash pyrolysis. The heating rate varies between 0.1-1 K/s for slow pyrolysis, while flash pyrolysis is over 1000 K/s. Slow pyrolysis gives the highest amount of gas, about 35 wt%, while flash pyrolysis gives the least amount, but about 75 wt% oil. To determine the impact of bio-char additives in waste, six different waste compositions were used as a basis for estimation, ranging from 0 to 30 wt% additives. The rest of the waste consisted of equal amounts of PVC plastic, wood, and bio-solids in the form of dry municipal solid waste. The penetration depth of the microwaves varied from 47.28 cm without additives, to 1.45 cm with 30 wt% additives. In regards to the gas composition, there were some, but small variances between the six different gases. Based on the impact on heating rate, dielectric properties, and penetration depth, it was determined that 5-10 wt% bio-char additive was the ideal amount. With the given amount of additive, the LHV of the gas was 2.605 MJ/kg waste and bio-char, equivalent to 11.297 MJ/kg gas. Given a price on energy of 0.399 NOK/kWh and a gross energy input of 0.7855 MJ/kg waste and bio-char, the net energy savings were estimated to be worth 566 NOK/day. However, when adjusting for the alternative cost of waste management and the potential value of bio-char, the daily savings were estimated to be 5266 NOK/day. This is given a capacity of 4000 kg/day. The thesis concludes that the ideal amount of additives is 5-10 wt%, because of the impact on heating rate and penetration depth. It also comments on the amount of small scale testing in academia and the need for more large scale testing. However, despite the relative low energy output, the technology is ideal when anaerobic decomposition is to large and time consuming, like on offshore instalments such as cruise ships. In the future there will have to be conducted more testing, not only to evaluate the correlation between small and large scale operations, but also to examine the relation between heating rate, dielectric properties, waste composition, and output from the system.

Konsentrasjonen av karbon i atmosfæren er høyere enn den har vært noen gang de siste 800 000 årene, noe som har ført til at det finnes over 27.5 millioner klimaflykninger globalt. Det er konsensus internasjonalt om at trusselen fra klimaendringer er en av de største utfordringene for det 21. århundre. Dette har ført til økt interesse og potensiale for miljøvennlige tekniske løsninger. Mikrobølge-assistert pyrolyse (MAP) er en prosess som innebærer pyrolyse av avfall med mikrobølger som energikilde. Under pyrolyse varmes materie opp under fravær av oksygen, som resulterer i tre produkter: syngass, bio-kull, og bio-olje. Mengden av hvert produkt varierer med en rekke faktorer, som pyrolysetemperatur, oppvarmingsrate, oppholdstid, avfallssammensetning osv. Pyrolyse kan også gjennomføres uten mikrobølger, ofte kalt konvensjonell pyrolyse (CP), hvor energitilførselen vanligvis kommer fra elektrisitet eller gass. Når en pyrolyserer med konvensjonell pyrolyse blir avfallet varmet fra utsiden av reaktoren, og ledningsvarme fører til oppvarming i reaktorens kjerne. Når en benytter seg av MAP blir massen varmet mer uniformt, og mer effektivt. Problemet med MAP, i forhold til CP, er at organisk avfall ikke er ideelt for absorbering av mikrobølger. Karbon, derimot, er en god absorbent, så en tilsetning av bio-kull til avfallet ved inntak vil føre til en økt absorpsjonsevne. Basert på dette er følgende problemstilling fremsatt: «På hvilken måte vil varierende karboninnhold påvirke massebalansen av MAP systemet og hva er driftskostnadene tilknyttet en daglig drift av MAP?» I tillegg til mikrobølgeabsorpsjonen må MAP systemet konkurrere mot andre former for avfallshåndtering og energigjenvinning, spesielt anaerob nedbrytelse og incineratorer. Mikrobølger blir ofte definer som elektromagnetiske bølger med frekvens fra 300 MHz til 300 GHz og tilsvarende bølgelengder mellom 1m og 1mm. Standarden for MAP ligger på 915 MHz eller 2.45 GHz med bølgelengder på 12 eller 33 cm. Evnen til å absorbere mikrobølger er gitt ved et materials dielektriske egenskaper, som oftest tan verdien, som kvantifiserer et materials evne til å absorbere mikrobølger. En Verdi på over 0.2 blir regnet som en god absorbent, men kloakkslam har en verdi på omlag 0.06 mens bio-kull har en verdi på 1.04. Syngass er som oftest definert som en gass rik på H2 og CO, selv om det mangler en offisiell definisjon. Utenom H2 og CO inneholder syngass CH4 og CO2, selv om gassammensentningen vil være avhengig av avfallssammensetningen som går inn. Tyngere CxHy gasser er også ofte til stede. Bio-kullet består i hovedsak av karbon, ofte med varierende mengder aske. Andre elementer kan bli funnet avhengig av avfallssammensetningen. Bio-oljen vil også inneholde mange forskjellige elementer, som gjør den for ustabil for bruk uten videre prosessering. Likevel er det er potensial for fremtidig produksjon av biodrivstoff fra bio-oljen. Pyrolyse deles ofte inn i tre forskjellige typer: sakte, rask, og flash. Oppvarmingsraten varierer fra 0,1-1 K/s for sakte pyrolyse, til over 1000 K/s for flash. Skate pyrolyse avgir mest gass, omtrent 35 vekt%, mens flash pyrolyse avgir minst gass, men omtrent 75 vekt% olje. For å avgjøre påvirkningen fra tilsatt bio-kull ble seks forskjellige avfallssammensetninger brukt som grunnlag for beregninger, med 0 til 30 vekt% tilsetning. Resten av sammensetningen besto av PVC plastikk, tre, og tørket avfallsslam. Penetreringsdybden til mikrobølgene ble estimert til å variere fra 47,28 cm uten tilsetninger, til 1,45 cm med 30 vekt% tilsetninger. I forhold til gassammensetningene var det noe, men små variasjoner mellom de seks forskjellige gassene. Basert på påvirkningen på oppvarmingsrate, dielektriske egenskaper, og penetreringsdybde, ble det vurdert at 5-10 vekt% tilsetning var den ideelle mengden. Med denne mengden tilsetning, fikk gassen en nedre brennverdi på 2,604 MJ/kg avfall og bio-kull, tilsvarende 11.297 MJ/kg gass. Med en energipris på 0,399 NOK/kWh og brutto energitilførsel på 0,7855 MJ/kg avfall og bio-kull, oppnådde man energisparing på 566 NOK/dag. Ved å ta hensyn til alternativkostnaden med avfallshåndtering og potensiell verdi fra salg av bio-kull, kan man oppnå en besparelse på opptil 5266 NOK/dag. Dette forutsetter en kapasitet på 4000 kg avfall/dag. Denne oppgaven konkluderer med at den ideelle tilsetningen av bio-kull er på 5-10 vekt%, grunnet påvirkningen det har på penetreringsdybde og oppvarmingshastighet. Det kommenteres også mengden småskala tester som er gjennomført I forkningslitteraturen og behovet for mer storskala testing. Tross det relative lave energiutbyttet er teknologien ideell når anaerob nedbrytning blir for stort og tidkrevende, eksempelvis på offshore installasjoner som cruiseskip. I fremtiden vil det være behov for mer testing, ikke bare for å evaluere sammenhengen mellom stor og liten skala, men også for å utforske sammenhengen mellom oppvarmingsrate, dielektriske egenskaper, avfallssammensetning, og utbyttet fra systemet.