Process simulation and optimization of biomass fast pyrolysis

Die intensive Nutzung fossiler Brennstoffe für die Energie-, Kraftstoff- und Rohstoffproduktion hat globale und langanhaltende ökologische, politische und wirtschaftliche Auswirkungen, von denen ärmere Bevölkerungsschichten und Länder ohne einfachen Zugang zu diesen Rohstoffen außerordentlich stark betroffen sind.
Jedem ist klar, denn ein Übergang zu erneuerbaren Energiequellen ist notwendig, der keine vollständige Reform
des heutigen Energiesystems erfordert.
Biomasse, insbesondere forstwirtschaftliche und pflanzliche Rückstände, ist eine wenig erforschte Energiequelle, deren Nutzung zur weiteren Aufwertung der ländlichen Wirtschaft beitragen kann, indem ein Nebenprodukt von geringem wirtschaftlichem Interesse verwendet wird. ... mehrUnter den konkurrierenden Möglichkeiten ist
Schnellpyrolyse ein thermochemischer Umwandlungspfad, der aus biogenem Material energiereiche Produkte
und Produkte mit Mehrwert erzeugen kann. Die Pyrolyse kann Produkte in drei verschiedenen Zuständen erzeugen: gasförmig, flüssig und fest. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber traditionellen Verfahren, die nur eine
oder zwei dieser Phasen oder überhaupt nur Wärme erzeugen. Alle erzeugten Produkte sind sofort für die Energieerzeugung nutzbar und weisen eine vergleichbare oder höhere Energiedichte als Rohbiomasse auf; sie können
auch zu höherwertigen Produkten weiterverarbeitet werden, darunter Wasserstoff, Kraftstoffe, Zwischenprodukte und Feinchemikalien. Dies ist die Hauptmotivation für das bioliq®-Projekt.
Dieses Promotionsprojekt konzentriert sich auf die Erstellung eines rigorosen und vielseitig verwendbaren Schnellpyrolysemodells, das auf einer realen Materialisation des bioliq®-Projekts im industriellen Pilotmaß-
stab basiert. Das Modell basiert auf den Eigenschaften von lignozellulosehaltiger Biomasse, verwendet eine
Reihe von Reaktoren zur Abbildung des realen Biomasseabbaus und bietet strenge Simulationen der Abschreckungsschleifen, die für eine zweistufige Flüssigproduktgewinnung verwendet werden.
Bei der Initialisierung des Modells wurde Weizenstroh als Modellbiomasse verwendet, eine ungewöhnliche Wahl aufgrund seines hohen Aschegehalts, der katalytische Effekte begünstigt. In diesem Sinne wurde Thermogravimetrie für die Charakterisierung des Biomasseabbaus, die Schätzung des Lignozellulosegehalts und der
Pyrolysekinetik für dieses Ausgangsmaterial verwendet. Um die Vielseitigkeit des Modells in Bezug auf die Eingabedaten zu gewährleisten, wurden mehrere in der Literatur verfügbare Reaktionsnetzwerke, die die lignozellulosehaltige Zusammensetzung der Biomasse in die Endprodukte umwandeln, analysiert und angepasst; die Zusammensetzung des erzeugten Kondensats wurde durch Sekundär- und Alterungsreaktionen auf die experimentellen Daten angepasst.
Die Zusammensetzung der Kondensate wurde gestrafft, um die Modellierung zu erleichtern, und die
definierten chemischen Spezies wurden im Hinblick auf ihre thermophysikalischen Eigenschaften vollständig charakterisiert. Für einige der ausgewählten Spezies mangelt experimentelle Charakterisierung, und es wurden bestehende Schätzmethoden implementiert, deren Ergebnisse in dieser Arbeit zur Verfügung gestellt wurden.
Die abschließenden Tests berücksichtigten die Variation des Feuchtigkeitsgehalts im Weizenstroh und
ergaben Ergebnisse, die mit den experimentellen Daten übereinstimmen. Nachfolgende Modelle, die verschiedene lignozellulosehaltige Biomassen berücksichtigten, bestätigten die Vielseitigkeit des entwickelten Modells
bei der Vorhersage der Produktverteilung und der Zusammensetzung des Kondensats. Das endgültige Modell ist
eigenständig voll funktionsfähig und kann im Hinblick auf Prozessspezifikationen und vor- und nachgeschaltete
Implementierungen weiter angepasst werden.

The intensive use of fossil fuels for energy, fuel, and commodity production has engendered global and
long-lasting environmental, political, and economic impacts which disproportionally affect poorer populations
and countries without easy access to those materials. The need for a transition to renewable sources that do not
imply a complete reform of the current energetic system is clear.
Biomass, namely forestry and crop residues, is an underexplored energy source which use may help
further valorize rural economies, by using a side-product of low economic value. Amongst competing possibilities, fast pyrolysis is a thermochemical conversion route that can generate energy-dense products and valueadded products from biogenic material. ... mehrPyrolysis can generate products in three different states: gas, liquid, and
solid. This is an important advantage when compared to conventional processes that solely produce one or two
of these phases or even only heat. All generated products are immediately usable for energy production, and
feature a higher energy density than raw biomass; they can also be further refined into higher-value commodities, including hydrogen, fuels, intermediates, and fine chemicals. This is the primary motivation behind the bioliq® project.
This doctoral project is focused on the establishment of a rigorous and versatile fast pyrolysis model
based on a real industrial-pilot scale materialization of the bioliq® project. The designed model takes as input the
characteristics of lignocellulosic biomass, employs a set of reactors employed to mimic the real biomass degradation, and features rigorous simulations of the quenching loops employed for two-step liquid product recovery.
Initialization of the model was made using wheat straw as model biomass, an uncommon selection due
to its high ash content fostering catalytic effects. In that sense, thermogravimetry was used for the characterization of the biomass process degradation, estimation of lignocellulosic content, and pyrolysis kinetics specific to
this feedstock. To ensure the versatility of the model in terms of the input data, several reaction networks available in the literature, which convert the lignocellulosic composition of the biomass into the final products, were
analyzed and customized; the composition of the produced condensate was tuned by defining secondary and
aging reactions to match experimental data. The composition of the condensates was streamlined to facilitate
modeling, and the defined chemical species have been fully characterized in terms of thermophysical properties.
Several of the selected species lack thermophysical characterization, and existent estimation methods were implemented, for which results were made available in this work.
Final tests considered the variation of moisture content in wheat straw and produced results matching
the experimental data. Subsequent models considering different lignocellulosic biomasses confirmed the versatility of the designed model in predicting product distribution and condensate composition. The final model is
fully operational on its own and may be further customized in terms of process specifications and up/downstream implementations.