Design and setup optimization of ex-situ catalytic up-gradation of renewable biomass into fuel range hydrocarbons

Abstract

De raskt utarmende fossile brennstoffreservene og miljøpåvirkningen banet banen for alternative fornybare ressurser. Biodrivstoff skildrer en attraktiv mulighet til å erstatte konvensjonelle fossile brensler. Dette fører til positive drevne effekter på miljøet og redusert avhengighet av fossilt brensel. Den nylige Paris-avtalen i 2015 hadde gitt fart for markedet for fornybar energi i nær fremtid. I denne forbindelse setter Norge et ambisiøst mål om å redusere halvparten av sitt nåværende klimagassutslipp fra transportsektoren innen 2030. Dette settes ved å erstatte minst 30% av flydrivstoffet med biodrivstoff. Derfor hadde utviklingen og oppskalering av den nye og etablerte konverteringsteknologien for biomasse for øyeblikket vekket interessen. Begrenset konverteringsteknologi for biomasse hadde kommet til produksjonsnivå i pilotskala. I dette arbeidet, inspirert av H2-Bio-oil-teknologi og atmosfæretrykkets arbeidsforhold, ble det utviklet småskala katalytisk screening-oppsett. Det eksperimentelle oppsettet involverte to rørformede reaktorer med fast sjikt i serie, hvor ikke-katalytisk hydropyrolyse ble utført i den første reaktoren, og katalytisk eks-situ oppgradering utføres i den andre reaktoren. Fôringsrommet for biomasse, fôringsanordning for biomasse, kalibrering av biomasse, rørformet reaktor, temperaturkalibrering, kondensator og kondensasjonsmedium hadde blitt optimalisert i det endelige eksperimentelle oppsettet. Videre ble GC-instrumentene kalibrert for å kvantifisere gassformige og flytende produkter fra de vellykkede eksperimentene.

Tandem katalytisk system ble tilnærmet i den ex-situ katalytiske oppgradering av ikke-katalytiske biomasse hydropyrolyseprodukter. Hovedmålet var å oppgradere mindre oksygenater (C3-C7) ved karbon-karbon-koblingsreaksjonen (ketonisering og aldolkondensering) og påfølgende hydrodeoksygenering for å forbedre utbyttet og kvaliteten på bioolje. For å validere oppsettet, karbon-karbon koblingskatalysator, 0,5, 1, 3 og 7 vekt% Cu-Ti02, 1 vekt \% Ru / TiO2, 1 vekt \% Au / TiO2 og hydrodeoksygeneringskatalysator 1 vekt \ % Ru-MoFeP / Al203 ble syntetisert. Den fremstilte katalysatoren ble karakterisert av BET, XRD, SEM, NH3-TPD og CO2-TPD og diskuterte kort dens katalysatorstrukturelle og overflateegenskaper som spesifikt overflateareal, krystallinitet, overflatemorfologi, surhet og basalitet. Imidlertid kunne den syntetiserte katalysatoren ikke valideres på grunn av mange tekniske vanskeligheter under utviklingen av installasjonen. For å få en bedre forståelse av det katalytiske systemet, ble det også presentert en oversikt over de siste ti årene av litteraturstudie om den atmosfæriske karbon-karbon-kobling og hydrodeoksygeneringskatalysator.

The fast depleting fossil fuel reserves and its environmental impact paved the path for alternative renewable resources. Bio-fuel portrays an attractive opportunity to substitute conventional fossil fuels. This leads to positive driven effects on the environment and reduced dependency on fossil fuels. The recent Paris agreement in 2015 had provided momentum for the renewable energy market in the near future. In this regard, Norway sets an ambitious goal to reduce half of its current greenhouse gas emission from the transportation sector by 2030. This is set by replacing at least 30\% of aviation fuel by biofuels. Therefore, the development and up-scaling of the new and established biomass conversion technology had currently piqued the interest. Limited biomass conversion technology had progressed to production level at pilot scale. In this work, inspired by H2-Bio-oil technology and atmospheric pressure working condition, small scale fast catalytic screening setup was developed. The experimental setup involved two fixed-bed tubular reactors in series, in which non-catalytic hydropyrolysis was conducted in the first reactor, and ex-situ catalytic up-gradation is carried out in the second reactor. The biomass feeding compartment, biomass feeding device, biomass calibration, tubular reactor, temperature calibration, condenser and condensing medium had been extensively optimized in the final experimental setup. Further, the GC instruments were calibrated to quantify the gaseous and liquid products from the successful experiments.

Tandem catalytic system was approached in the ex-situ catalytic up-gradation of non-catalytic biomass hydropyrolysis products. The main objective was to upgrade smaller oxygenates (C3-C7) by the carbon-carbon coupling reaction (ketonization and aldol condensation) and consecutive hydrodeoxygenation to improve the yield and quality of bio-oil. To validate the setup, carbon-carbon coupling catalyst, 0.5, 1, 3 and 7 wt.\% Cu-TiO2, 1 wt.\% Ru/TiO2, 1 wt.\% Au/TiO2 and hydrodeoxygenation catalyst 1 wt.\% Ru-MoFeP/Al2O3 was synthesized. The prepared catalyst was characterized by BET, XRD, SEM, NH3-TPD and CO2-TPD and briefly discussed its catalyst structural and surface properties such as specific surface area, crystallinity, surface morphology, acidity and basicity. However, the synthesized catalyst could not be validated due to numerous technical difficulties faced during the development of the setup. To get a better understanding over the catalytic system, an overview of the last ten years of literature study on the atmospheric carbon-carbon coupling and hydrodeoxygenation catalyst had also been presented.