AlisaDOROSCHENKO
+33 (0)4 72 01 81 60Pyrolyse met microgolfondersteuning
Pyrolyse met behulp van microgolven is een energie-efficiënte en controleerbare manier om biomassa om te zetten in chemicaliën of brandstoffen.
Voordelen van MW-verwarming
Pyrolyse met behulp van microgolven is een energie-efficiënte en controleerbare manier om de grondstof om te zetten in chemicaliën of brandstoffen. Verhitting met microgolven heeft een aantal voordelen boven conventionele verhittingstypes, waaronder de selectieve activering van verschillende chemicaliën.
Een voorbeeld van selectiviteit is de pyrolyse van biomassa. De belangrijkste componenten van de biomassa, zoals hemicellulose, cellulose en lignine, worden bij verschillende temperaturen geactiveerd. Dit maakt het mogelijk de selectiviteit van de bio-olie te verhogen door verschillende fracties bij verschillende temperaturen op te vangen. Bovendien verloopt de thermische afbraak van polysacchariden bij lagere temperaturen dan bij de conventionele methoden.
Geschiedenis
De bioraffinage van lignocellulose en de meest recente ontwikkeling daarvan zijn van groot belang op economisch, milieu- en politiek gebied. Er zijn twee belangrijke benaderingen voor de activering en het gebruik van biomassa: biochemische (fermentatie) en thermochemische (pyrolyse van biomassa tot bio-olie en bio-char). Momenteel worden aanzienlijke inspanningen geleverd om de schaal van de omzetting van biomassa te vergroten.
Als alternatief voor de biochemische benadering is de schaalbaarheid van de thermochemische benadering reeds bewezen door de duizendjarige productie van bio-char en bio-olie (vanaf de Romeinse tijd). In het midden van de 19e eeuw kon dankzij de vergaarde kennis houtskool worden verkregen op een schaal die geschikt was voor alle soorten metallurgie en teer voor alle soorten scheepsbouw. In 1863 bereikte de export van teer uit Finland bijvoorbeeld 28 miljoen liter (170.000 vaten), terwijl de VS bijna 1 miljoen ton biochar per jaar produceerde.
Belang
Onder de omstandigheden van toenemende wereldwijde concurrentie aan het begin van de 20e eeuw hebben de goedkope cokeskool en ruwe olie houtskool en teer uit hun traditionele toepassingen verdrongen. Tegenwoordig dwingen problemen in verband met de beschikbaarheid van ruwe olie, de opwarming van de aarde en ecologische problemen thermochemische methoden tot een technologische revolutie en het vinden van een nieuwe niche in een wereldeconomie.
Het succes van deze strategie zou gebaseerd kunnen zijn op de productie van zuurstofhoudende chemicaliën. Door een hoge graad van functionalisering hebben deze verbindingen geen meerstapstransformatie nodig en zijn zij commercieel aantrekkelijk voor grote industrieën. Belangrijk is dat de huidige industrieën een aanzienlijke hoeveelheid lignocelluloseafval produceren. Alleen de papier- en pulpindustrie produceert 40-50 kg droog slib per 1 ton papier en vervolgens gemeentelijk vast afval (VHA) met cellulosepolymeer als hoofdbestanddeel. In de EU heeft het probleem van het vast huishoudelijk afval een zeer hoog politiek profiel vanwege het complexe karakter ervan. In de VS wordt jaarlijks meer dan 21 miljoen ton papier- en kartonafval gestort.
Uitdagingen
De scheiding ex situ van de zuurstofhoudende componenten (wanneer deze eenmaal zijn geproduceerd) is echter een uitdaging voor de bioraffinage. Zelfs bij de pyrolyse van cellulose, het eenvoudigste bestanddeel van biomassa, bevat de bio-olie meer dan 100 verbindingen, waarvan de meeste hoogkokende, thermisch onstabiele chemicaliën zijn. Dergelijke verbindingen kunnen niet door distillatie worden afgescheiden. Tegelijkertijd is een efficiënte afscheiding van de waardevolle chemische stoffen die bij de pyrolyse van cellulose vrijkomen, wereldwijd een essentiële taak die zowel economische als milieuproblemen helpt oplossen.
Oplossing en mechanisme in de microgolven
De mogelijke oplossing is scheiding in situ en aanvankelijk selectieve pyrolyse naar de beoogde chemicaliën of fractie (bv. houtskool/biochar).
De belangrijkste structurele bestanddelen van biomassa zijn vaste zuurstofhoudende polymeren. Microgolfbestraling heeft een zeer efficiënte interactie met deze materialen, waardoor de ontleding bij lagere temperaturen plaatsvindt dan bij conventionele pyrolyse. Tegelijkertijd zijn de meeste pyrolyseproducten (behalve biochar) gas of vluchtige stoffen.
Door de lage dichtheid van deze producten is de interactie met microgolfbestraling zwak, waardoor gas- en vluchtige verbindingen achterblijven bij een temperatuur die lager is dan bij conventionele verhitting. Bovendien is de verkregen biochar niet-geleidend, laag-polair, en treedt er geen interactie op met de MW-straling.
De laagste producttemperatuur in het geval van MW-verhitting leidt tot een betere selectiviteit van dit proces dan conventioneel. De afnemende selectiviteit van het hoofdproces (pyrolyse) is een gevolg van de afbraak van primaire producten. Verlaging van de temperatuur van het hoofdproces verlaagt de afbraaksnelheid van de primaire producten en verlaagt derhalve de selectiviteit.
Laten we een schatting maken van de mogelijke selectiviteitsverbetering in het magnetronproces. Volgens de regel van Van't Hoff neemt de snelheid van een elementaire reactie tweemaal per 10 graden toe. Uit de literatuur blijkt dat MW-pyrolyse gewoonlijk plaatsvindt bij 80°C lager dan conventioneel. Daarom zal de secundaire reactiesnelheid in het geval van MW-pyrolyse 28 = 256 keer lager zijn dan bij het conventionele proces. Deze waarde geldt alleen voor de beginsnelheid en dit effect neemt af naarmate het proces vordert. Als de verblijftijd van het primaire product in de biomassa echter kort is, kan de selectiviteit van het proces bijna 100 keer worden verbeterd.
x