1. Introduction
Each year the US alone produces 250 million tons of municipal solid waste (MSW). Among it, over 50% of the non-recyclable MSW ends up in landfill sites [1]. The landfilled MSW takes away valuable land and creates numerous potential environmental problems. In fact, the discarded MSW represents a tremendous energy source. Waste-to-energy (WTE) technologies can mitigate negative impacts of MSW and provide sustainable energy from low-cost feedstock. Examples of these technologies include incineration, gasification, anaerobic digestion, and pyrolysis [2] and [3]. Pyrolysis depolymerizes dry feedstock under an oxygen free environment. When the pyrolysis temperature is moderately high (450–550 °C) [4], the volatiles arise from pyrolysis process can be condensed to become liquid product, called pyrolysis-oil [5]. Unlike other technologies that produce heat or gases, pyrolysis-oil is transportable liquid and can be upgraded to transportation fuels or other platform chemicals [6]. Another advantage of the pyrolysis process is that it has low requirements for the feedstock type and reactor design, thus technology is relatively easy to scale up.
While MSW consists of many different types of materials, biomass and plastics make up a majority of the composition [1]. When biomass is pyrolyzed alone, it produces a number of oxygenated products, such as sugars, aldehydes, ketones, acids and phenols. The presence of oxygen in the pyrolysis-oil (resulting from an abundance in the biomass feedstock) lowers the heating value and also causes thermal instability and corrosiveness [7]. On the other hand, plastic wastes are rich in hydrogen and contain much less oxygen than biomass. High density polyethylene (HDPE), the most commonly used plastic for example, has virtually no oxygen. Thus, compared to pyrolyzing biomass alone, co-pyrolyzing biomass and waste plastics increases carbon and hydrogen contents in the feedstock and could be beneficial in improving the quality of pyrolysis-oil. As a result, higher quality pyrolysis-oil could potentially reduce the costs associated with catalytic hydro-deoxygenation, which is required to process it into hydrocarbon fuels [8].
Co-pyrolysis of biomass with different plastics has been investigated extensively [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] and [22]. Biomass and the plastics were often placed inside of batch reactors or fixed bed reactors and slowly pyrolyzed for an extended period of time in a discontinuous mode [8]. For example, Costa et al. [9] co-pyrolyzed rice husk and polyethylene in a batch reactor at 350–430 °C for up to 60 min and reported that the thermal conversions of biomass and PE are facilitated by the presence of each other. Martinez et al. [12] also slowly pyrolyzed biomass and synthetic polymers and found that the viscosity and acidity of pyrolysis-oil decreased whereas the heating value increased compared to that of pyrolysis-oil obtained when pyrolyzing biomass alone. It was also reported that the yield of pyrolysis-oil was much higher than the theoretical sum of pyrolysis oils produced from biomass and plastics when they are independently pyrolyzed [13]. Recently, Sajdak et al. [19], [20] and [21] thoroughly investigated co-pyrolysis of biomass and polypropylene and concluded that co-pyrolysis has a significant synergistic effect. In their study, the mixed feedstock was pyrolyzed in a batch reactor for 50 min at a heating rate of 5 °C/min.
It is noteworthy that in general, maximum yield of pyrolysis-oil is achieved from biomass upon fast pyrolysis [23] since slow pyrolysis of biomass usually promotes the formation of char and light gases instead of pyrolysis-oil [24]. During fast pyrolysis, the feedstock is rapidly heated (>100 °C/s) and pyrolysis vapor is instantly swept away from the reactor zone and quenched. The vapor retention time is usually less than 2 s in fast pyrolysis to limit secondary reactions that decreasing the amount of the condensable vapor. Although fast pyrolysis of biomass alone was extensively studied, very few investigated fast co-pyrolysis of biomass and plastics [10], [15], [16], [18], [22] and [24] in continuous mode. It was reported that the synergetic effect among biomass and plastics is negligible during fast pyrolysis due to the short reaction time in the reactor [10] and [22]. A contradictory result, however, is reported by Martinez et al. at a study using an auger reactor [12].
It should also be noted that fast co-pyrolysis of biomass and plastics was mostly conducted at the optimum temperature for fast pyrolyzing biomass (450–500 °C). However, the optimum pyrolysis temperature of biomass is often too low for completely decomposing plastics during fast pyrolysis since some plastics, such as HDPE, degrade at much higher temperatures than biomass does [25].
In this study, red oak and HDPE pellets were co-pyrolyzed in a lab-scale, continuous fluidized bed reactor. The estimated heating rate in the fluidized bed is 600 °C/s, which is typical for fast pyrolysis. Fast pyrolysis at below 500 °C in the reactor is not sufficient to completely depolymerize HDPE to volatiles due to the short reaction time. As a result, the melted plastic either forms agglomerates with the fluidizing sand or biomass thus developing defluidization inside of the fluidized reactor. Thus it was determined that the fast co-pyrolysis of biomass and HDPE has to be conducted in a temperature range higher than the optimal temperature of biomass pyrolysis. In this work, pyrolysis products, including two fractions of pyrolysis-oil, non-condensable gases and pyrolysis char were analyzed using comprehensive analytical methods and the results were compared with the products produced from pyrolysis of red oak alone.
Results (
Thai) 1:
[Copy]Copied!
1. บทนำแต่ละปีสหรัฐอเมริกาคนเดียวสร้าง 250 ล้านตันของเทศบาลขยะมูลฝอย) หมู่ กว่า 50% ของมูลฝอยรีไซเคิลไม่ได้สิ้นสุดลงในเว็บไซต์ฝังกลบ [1] มูลฝอย landfilled จะอยู่ที่แผ่นดินที่มีคุณค่า และสร้างปัญหาสิ่งแวดล้อมเป็นจำนวนมาก ในความเป็นจริง มูลฝอยถูกละทิ้งหมายถึงแหล่งพลังงานมหาศาล เสียพลังงาน (WTE) เทคโนโลยีสามารถบรรเทาผลกระทบเชิงลบของมูลฝอย และให้พลังงานอย่างยั่งยืนจากวัตถุดิบต้นทุนต่ำ ตัวอย่างของเทคโนโลยีเหล่านี้ได้แก่การเผา การแปรสภาพเป็นแก๊ส การย่อย อาหารที่ไม่ใช้ออกซิเจน และไพโรไลซิ [2] และ [3] ไพโรไลซิ depolymerizes วัตถุดิบแห้งภายใต้สภาพแวดล้อมฟรีออกซิเจน เมื่ออุณหภูมิการไพโรไลซิมีค่อนข้างสูง (450-550 ° C) [4], volatiles เกิดขึ้นจากการไพโรไลซิกระบวนการที่สามารถ condensed เป็น ผลิตภัณฑ์ของเหลว เรียกน้ำมันไพโรไลซิ [5] ซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยีอื่น ๆ ที่ทำให้เกิดความร้อนหรือก๊าซ น้ำมันชีวภาพเป็นของเหลว transportable และสามารถปรับการขนส่งเชื้อเพลิงหรือสารเคมีอื่น ๆ แพลตฟอร์ม [6] ประโยชน์อีกประการหนึ่งของกระบวนการไพโรไลซิคือ ว่า มีความต้องการต่ำสุดสำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์และชนิดวัตถุดิบ จึงง่ายในการปรับเทคโนโลยีWhile MSW consists of many different types of materials, biomass and plastics make up a majority of the composition [1]. When biomass is pyrolyzed alone, it produces a number of oxygenated products, such as sugars, aldehydes, ketones, acids and phenols. The presence of oxygen in the pyrolysis-oil (resulting from an abundance in the biomass feedstock) lowers the heating value and also causes thermal instability and corrosiveness [7]. On the other hand, plastic wastes are rich in hydrogen and contain much less oxygen than biomass. High density polyethylene (HDPE), the most commonly used plastic for example, has virtually no oxygen. Thus, compared to pyrolyzing biomass alone, co-pyrolyzing biomass and waste plastics increases carbon and hydrogen contents in the feedstock and could be beneficial in improving the quality of pyrolysis-oil. As a result, higher quality pyrolysis-oil could potentially reduce the costs associated with catalytic hydro-deoxygenation, which is required to process it into hydrocarbon fuels [8].Co-pyrolysis of biomass with different plastics has been investigated extensively [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] and [22]. Biomass and the plastics were often placed inside of batch reactors or fixed bed reactors and slowly pyrolyzed for an extended period of time in a discontinuous mode [8]. For example, Costa et al. [9] co-pyrolyzed rice husk and polyethylene in a batch reactor at 350–430 °C for up to 60 min and reported that the thermal conversions of biomass and PE are facilitated by the presence of each other. Martinez et al. [12] also slowly pyrolyzed biomass and synthetic polymers and found that the viscosity and acidity of pyrolysis-oil decreased whereas the heating value increased compared to that of pyrolysis-oil obtained when pyrolyzing biomass alone. It was also reported that the yield of pyrolysis-oil was much higher than the theoretical sum of pyrolysis oils produced from biomass and plastics when they are independently pyrolyzed [13]. Recently, Sajdak et al. [19], [20] and [21] thoroughly investigated co-pyrolysis of biomass and polypropylene and concluded that co-pyrolysis has a significant synergistic effect. In their study, the mixed feedstock was pyrolyzed in a batch reactor for 50 min at a heating rate of 5 °C/min.
It is noteworthy that in general, maximum yield of pyrolysis-oil is achieved from biomass upon fast pyrolysis [23] since slow pyrolysis of biomass usually promotes the formation of char and light gases instead of pyrolysis-oil [24]. During fast pyrolysis, the feedstock is rapidly heated (>100 °C/s) and pyrolysis vapor is instantly swept away from the reactor zone and quenched. The vapor retention time is usually less than 2 s in fast pyrolysis to limit secondary reactions that decreasing the amount of the condensable vapor. Although fast pyrolysis of biomass alone was extensively studied, very few investigated fast co-pyrolysis of biomass and plastics [10], [15], [16], [18], [22] and [24] in continuous mode. It was reported that the synergetic effect among biomass and plastics is negligible during fast pyrolysis due to the short reaction time in the reactor [10] and [22]. A contradictory result, however, is reported by Martinez et al. at a study using an auger reactor [12].
It should also be noted that fast co-pyrolysis of biomass and plastics was mostly conducted at the optimum temperature for fast pyrolyzing biomass (450–500 °C). However, the optimum pyrolysis temperature of biomass is often too low for completely decomposing plastics during fast pyrolysis since some plastics, such as HDPE, degrade at much higher temperatures than biomass does [25].
In this study, red oak and HDPE pellets were co-pyrolyzed in a lab-scale, continuous fluidized bed reactor. The estimated heating rate in the fluidized bed is 600 °C/s, which is typical for fast pyrolysis. Fast pyrolysis at below 500 °C in the reactor is not sufficient to completely depolymerize HDPE to volatiles due to the short reaction time. As a result, the melted plastic either forms agglomerates with the fluidizing sand or biomass thus developing defluidization inside of the fluidized reactor. Thus it was determined that the fast co-pyrolysis of biomass and HDPE has to be conducted in a temperature range higher than the optimal temperature of biomass pyrolysis. In this work, pyrolysis products, including two fractions of pyrolysis-oil, non-condensable gases and pyrolysis char were analyzed using comprehensive analytical methods and the results were compared with the products produced from pyrolysis of red oak alone.
Being translated, please wait..
Results (
Thai) 3:
[Copy]Copied!
1 . บทนำ
แต่ละปีเราคนเดียวสร้าง 250 ล้านตันของขยะ ( ขยะ ) ระหว่างนั้น กว่า 50% ของที่ไม่ใช่รีไซเคิลขยะจบลงใน [ 1 ] เว็บไซต์ที่ฝังกลบ การ landfilled ขยะใช้เวลาที่มีคุณค่าที่ดินและสร้างสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้นมากมายปัญหา ในความเป็นจริง , ทิ้งขยะเป็นแหล่งพลังงานมหาศาลของเสียให้เป็นพลังงาน ( wte ) เทคโนโลยีที่สามารถลดผลกระทบเชิงลบของขยะ และให้พลังงานอย่างยั่งยืนจากวัตถุดิบราคาถูก ตัวอย่างของเทคโนโลยีเหล่านี้รวมถึงการเผาไหม้ก๊าซ , การหมัก , และไพโรไลซิส [ 2 ] และ [ 3 ] ไพโร depolymerizes บริการวัตถุดิบภายใต้ออกซิเจนฟรีสิ่งแวดล้อม เมื่อค่าอุณหภูมิสูงปานกลาง ( 450 - 550 องศา C ) [ 4 ]ส่วนสารระเหยเกิดขึ้นจากกระบวนการไพโรไลซิสสามารถย่อเป็นผลิตภัณฑ์ของเหลวที่เรียกว่า ไพโรไลซีสน้ำมัน [ 5 ] ซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยีอื่น ๆที่ผลิตก๊าซร้อนหรือน้ำมันไพโรไลซิสที่ขนส่งของเหลว และสามารถปรับใช้แพลตฟอร์มการขนส่งหรือสารเคมีอื่น ๆ [ 6 ] ประโยชน์ของกระบวนการไพโรไลซิสนั้น มีความต้องการน้อยสำหรับประเภทวัตถุดิบและเครื่องปฏิกรณ์แบบจึงเป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างง่ายที่จะปรับขึ้น
ในขณะที่แหล่งประกอบด้วยหลายประเภทของวัสดุชีวมวล และพลาสติก ทำให้ขึ้นส่วนใหญ่ขององค์ประกอบ [ 1 ] เมื่อชีวมวลเป็นคนเดียวที่ถูกเผาในบรรยากาศออกซิเจนจะสร้างจำนวนของผลิตภัณฑ์ เช่น น้ำตาล อัลดีไฮด์ , คีโตนกรดฟีนอล .การปรากฏตัวของออกซิเจนในน้ำมัน การไพโรไลซิส ( ที่เกิดจากความอุดมสมบูรณ์ในชีวมวลขึ้น ) ช่วยลดความร้อนและค่าความร้อนยังทำให้เกิดความไม่แน่นอนและการกัดกร่อน [ 7 ] บนมืออื่น ๆ , ขยะพลาสติกที่อุดมไปด้วยไฮโดรเจนและมีออกซิเจนน้อยกว่าปริมาณมวลชีวภาพ พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นสูง ( HDPE ) ที่ใช้บ่อยที่สุด พลาสติก ตัวอย่างเช่น มีแทบจะไม่มีออกซิเจน ดังนั้นเมื่อเทียบกับ pyrolyzing ชีวมวลคนเดียว Co pyrolyzing ชีวมวลและเศษพลาสติกคาร์บอนและไฮโดรเจนเพิ่มเนื้อหาในวัตถุดิบและอาจเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงคุณภาพของน้ำมันไพโรไลซีส เป็นผลให้คุณภาพสูงกว่าน้ำมันไพโรไลซิสที่อาจลดต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการใช้น้ำ ซึ่งจะต้องดำเนินการเป็นเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน [ 8 ] .
ไพโรไลซิสของชีวมวลจำกัดกับพลาสติกที่แตกต่างกันได้รับการสอบสวนอย่างกว้างขวาง [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] , [ 17 ] , [ 18 ] , [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] และ [ 22 ] ชีวมวลและพลาสติกมักจะถูกวางไว้ภายในเครื่องปฏิกรณ์ชุดหรือเครื่องปฏิกรณ์เบดและค่อยๆถูกเผาในบรรยากาศเพื่อขยายระยะเวลาของเวลาที่ไม่ต่อเนื่อง โหมด [ 8 ] ตัวอย่างเช่น คอสตา et al .[ 9 ] และพอลิเอทธิลีนที่ถูกเผาในบรรยากาศ CO แกลบในเครื่องปฏิกรณ์แบบกะที่ 350 – 430 °องศาเซลเซียส นานถึง 60 นาที และมีรายงานว่าแปลงความร้อนมวลชีวภาพและ PE มีความสะดวก โดยการแสดงตนของแต่ละอื่น ๆ มาร์ติเนซ et al .[ 12 ] ค่อยๆถูกเผาในบรรยากาศชีวมวลและพอลิเมอร์สังเคราะห์ และพบว่า ค่าความหนืด และค่าความเป็นกรดของน้ำมันลดลงและค่าความร้อนที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับที่ของน้ำมันไพโรไลซิสที่ได้รับเมื่อ pyrolyzing ชีวมวลเพียงอย่างเดียวนอกจากนี้ ยังรายงานว่า ผลผลิตน้ำมันไพโรไลซิสที่มากกว่าผลรวมของน้ำมันที่ผลิตจากทฤษฎีไพโรไลซิสชีวมวลและพลาสติกเมื่อพวกเขาเป็นอิสระที่ถูกเผาในบรรยากาศ [ 13 ] เมื่อเร็วๆ นี้ sajdak et al . [ 19 ] , [ 20 ] และ [ 21 ] ไพโรไลซิสของชีวมวลร่วมสอบสวนอย่างละเอียด และสรุปว่า บริษัทผลิตโพรพิลีนและมีความสําคัญ synergistic effect ในการศึกษาของพวกเขาการผสมวัตถุดิบที่ถูกเผาในบรรยากาศ ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ 50 นาที ที่อัตราการให้ความร้อน 5 ° C ต่อนาที
มันเป็นน่าสังเกตว่าโดยทั่วไปผลผลิตสูงสุดของน้ำมันไพโรไลซิสที่ได้จากชีวมวลบนไพโรไลซิส [ 23 ] เร็วตั้งแต่ไพโรไลซิสของชีวมวลช้ามักจะส่งเสริมการก่อตัวของถ่านและก๊าซแสง แทนน้ำมันไพโรไลซิส [ 24 ] ในระหว่างการเผาเร็วีนให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว ( > 100 ° C / S ) และไพโรไอทันที กวาดไปจากเครื่องปฏิกรณ์โซน และดับ ไอ retention time มักจะน้อยกว่า 2 ในไพโรไลซิสแบบเร็วเพื่อจำกัดปฏิกิริยาทุติยภูมิที่ลดปริมาณไอระเหยย่อ . แม้ว่าไพโรไลซิสแบบเร็วของชีวมวลเพียงอย่างเดียวคืออย่างกว้างขวางที่ศึกษาน้อยมากโดยไพโรไลซิสของชีวมวลจำกัดรวดเร็วและพลาสติก [ 10 ] [ 15 ] [ 16 ] , [ 18 ] , [ 22 ] และ [ 24 ] ในโหมดต่อเนื่อง มีรายงานว่า ซึ่งทำงานร่วมกัน ผลของชีวมวลและพลาสติกกระจอกในไพโรไลซิสแบบเร็วเนื่องจากเวลาตอบสนองสั้นในเครื่องปฏิกรณ์ [ 10 ] และ [ 22 ] การขัดแย้ง อย่างไรก็ตาม มีรายงานโดยมาร์ติเนซ et al . ที่ศึกษาโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ Auger
[ 12 ]ก็ควรที่จะตั้งข้อสังเกตว่า ไพโรไลซิสของชีวมวลและพลาสติก CO อย่างรวดเร็วส่วนใหญ่ดำเนินการที่อุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับอย่างรวดเร็ว pyrolyzing ชีวมวล ( 450 - 500 ° C ) อย่างไรก็ตาม การไพโรไลซิสชีวมวลที่เหมาะสมอุณหภูมิมักต่ำเกินไปสำหรับสมบูรณ์ของพลาสติกในไพโรไลซิสแบบเร็ว เนื่องจากบางพลาสติก เช่น HDPE , ย่อยสลายที่อุณหภูมิที่สูงกว่าชีวมวลไม่ [ 25 ] .
ในการศึกษานี้ เรดโอ๊คและ HDPE เม็ดเป็น Co ถูกเผาในบรรยากาศในห้องแลปขนาดเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิดไดซ์เบดแบบต่อเนื่อง ประมาณการอัตราความร้อนในฟลูอิดไดซ์เบด 600 ° C / S ซึ่งเป็นปกติสำหรับการไพโรไลซิสแบบเร็ว ไพโรที่รวดเร็วกว่า 500 °องศาเซลเซียสในถังปฏิกรณ์ไม่เพียงพอที่จะสมบูรณ์ดีพอลิเมอไรซ์ HDPE กับสารระเหยเนื่องจากเวลาตอบสนองสั้น ผลละลายพลาสติกทั้งแบบรวมกับการฟลูอิดไดซ์ทรายหรือชีวมวลจึงพัฒนา defluidization ภายในเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิดไดซ์เบด . ดังนั้นมันจึงถูกพิจารณาว่ารวดเร็วไพโรไลซิสของชีวมวลจำกัดและ HDPE จะต้องดำเนินการในช่วงอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิที่เหมาะสมประมาณไพโรไลซีส ในงานนี้ ผลิตภัณฑ์ไพโรไลซีส รวมทั้งสองส่วนแยกน้ำมัน ,ไม่ย่อ และไพโรไลซิสก๊าซถ่าน วิเคราะห์ข้อมูลโดยใช้วิธีการวิเคราะห์อย่างละเอียดและเปรียบเทียบกับผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจากไพโรไลซิสของโอ๊คแดงคนเดียว
Being translated, please wait..