پالایش زیستی باگاس و مغز آن به روش پیرولیز سریع

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه خمیر و کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 دانشیار گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 عضو هیئت علمی / دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 مدیر پروژه بیومس مرکز تحقیقات انرژی هلند

5 استاد و رئیس دپارتمان مهندسی شیمی، دانشگاه خرونینگن هلند

چکیده

سابقه و هدف: زیست‌توده تنها منبع تجدیدپذیر کربن جهت تبدیل به زیست‌سوخت و محصولات باارزش افزوده زیاد است. فرآیندهای شیمیایی-حرارتی مانند پیرولیز سریع می‌توانند نقش مهمی برای تولید زیست‌سوخت، مواد شیمیایی‌ زیستی و گازها با فناوری‌های زیست-پالایش ایفا کنند. با توجه به‌اینکه، نیشکر به‌طور وسیع در جنوب کشور کشت می‌شود و مغز باگاس از فراوان‌ترین ضایعات زیست‌توده لیگنوسلولزی حاصل از فرآیند مغززدایی در صنایع خمیر و کاغذ و MDF در ایران است، هدف این تحقیق مقایسه امکان استفاده از باگاس و مغز آن جهت تولید زیست‌نفت در راکتور نیمه‌صنعتی بستر سیال و توسعه کاربردی پالایش ‌زیستی جهت تولید زیست‌سوخت و مواد با ارزش افزوده زیاد است.
مواد و روش‌ها: این تحقیق جهت تولید زیست‌سوخت در راکتور نیمه صنعتی بستر سیال از باگاس (مغززدایی نشده) و مغز آن انجام گرفت. ترکیبات باگاس با آنالیز تقریبی و آنالیز نهایی اندازه‌گیری شد. با استفاده از آنالیز‌کننده عنصری، نوع و مقدار فلزات سنگین نیز تعیین گردید. ویژگی‌های تخریب حرارتی توسط آنالیز وزن‌سنجی حرارتی اندازه‌گیری شد. پیرولیز سریع در دمای 470 درجه‌ سانتی‌گراد، سرعت تغذیه 90 گرم در دقیقه، اندازه ذرات 5/0 میلی‌متر درون پیرولیزکننده همراه گاز نیتروژن با سرعت 2 لیتر بر دقیقه انجام شد.
یافته‌ها: آنالیز عنصری نشان داد که مغز باگاس حاوی مقدار قابل توجهی مواد استخراجی و غیرآلی (غالباً کلسیم، پتاسیم، و منیزیم) است. نتایج وزن‌سنجی‌ حرارتی بیان کرد که بیشترین اتلاف وزنی باگاس و مغز آن در دمای بین 250 و 350 درجه سانتی‌گراد می‌باشد که با تجزیه حرارتی ترکیبات اصلی آن‌ها (سلولز، همی‌سلولز و لیگنین) مرتبط است. تحت شرایط ذکر شده، بازده زیست‌نفت، ذغال‌ زیستی و سینگاز برای باگاس و مغز آن به‌ترتیب 2/53 و 5/35 درصد، 25 و 37 درصد، و 21 و 5/27 درصد وزنی به‌دست آمد. کربن ثابت زیست-نفت حاصل از باگاس بیشتر از مغز آن بود که منجر به ارزش حرارتی بیشتر آن می‌شود؛ در صورتی‌که مغز باگاس ذغال ‌زیستی بیشتری تولید می‌کند. ارزش حرارتی زیست‌نفت حاصل از باگاس حدود 6/20 مگاژول بر کیلوگرم به‌دست آمد که بیشتر از ارزش حرارتی مغز باگاس و بسیاری از مواد لیگنوسلولزی گزارش شده در منابع است. اکسیژن کمتر موجود در باگاس، هزینه فرآیند تقویت زیست‌نفت جهت تبدیل به بیودیزل و دیگر مواد شیمیایی را کاهش می‌دهد. ترکیبات گازی پیرولیز سریع باگاس و مغز آن از گاز دی‌اکسید کربن، منواکسیدکربن، متان، هیدروژن و سایر هیدروکربن‌ها مانند اتان، پروپان و اتیلن تشکیل شده است. گاز دی‌اکسید کربن، گاز غالب در بین گاز‌های دیگر است. باگاس مقدار دی‌اکسید کربن بیشتری نسبت به مغز باگاس در طی فرآیند پیرولیز سریع تولید می‌کند.
نتیجه‌گیری: مغز باگاس به‌دلیل داشتن لیگنین بیشتر موجب پایداری حرارتی زیادتر و در نتیجه تولید ذغال زیستی بیشتری نسبت به باگاس طی فرآیند پیرولیز سریع می‌شود. زیست‌نفت حاصل از پیرولیز سریع باگاس نه‌تنها امکان تولید انرژی‌ تجدیدپذیر و تولید ماده شیمیایی مختلف را نشان داده است، بلکه گازهای حاصل از آن (سینگاز) به‌عنوان یک منبع مناسب تامین انرژی در صنایع قابل استفاده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Biorefinery of Bagasse and It’s Pith by Fast Pyrolysis

نویسندگان [English]

  • payam Ghorbannezhad 1
  • Ali Ghasemian 3
  • Paul de Wild 4
  • Hero Jan Heeres 5
1 Department of Pulp and Paper Technology, Faculty of Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
3 Department of Pulp and Paper Technology, Faculty of Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
4 Energy Research Centre of the Netherlands (ECN), Petten, The Netherlands
5 Department of Chemical Engineering, Engineering and Technology Institute Groningen, University of Groningen, Groningen, The Netherlands
چکیده [English]

Background and objectives: Biomass is the only source of renewable carbon which can be converted to biofuels and added value products. Thermochemical processes such as fast pyrolysis can play an important role for production of biofuels, bio-chemicals and syngases from biorefinery technologies. With regards to this point that sugarcane wildly cultivate in south of Iran and its pith is an abundant resource of biomass from de-pithing process in pulp and paper and medium density fiberboard industries. The aim of this study is the comparison possibility use of bagasse and its pith for bio-oil production in pilot scale fluidized bed reactor and application development of biorefinery for bio-oil production and added-value products.
Material and methods: This research conducted on biofuel production in a pilot-scale reactor operating in a fluidized bed from bagasse and its pith. The components of bagasse are measured by proximate and ultimate analysis. The type and amount of heavy metals were used by applying an elemental analyzer. The thermal degradation characteristics were measured via TGA. Fast pyrolysis were performed at temperature of 470 °C, under screw feeder carrier the biomass in 90 g/h, inside pyrolyzer with nitrogen gas flow rate of 2 L/min.

Results:
The elemental analysis indicated that the pith of bagasse contains substantial amounts of extractives and inorganic matter (predominantly Ca, K and Mg). The results of TGA indicated that most of weight losses of bagasse and its pith are among 250 and 350 ˚C which associated with main degradation components (cellulose, hemicellulose and lignin). Under the mentioned conditions, the yields of 53.2%, 35.5% (w/w); 25, 37% (w/w); 21%, 27.5% (w/w) for bio-oil, bio-char, and syngases were obtained from bagasse and pith respectively. The fixed carbon on bagasse was higher than its pith which led to higher energy value, while pith of bagasse contributes the higher bio-char. The heating value of bio-oil from bagasse is 20.6 Mj/kg which higher than pith and most of lignocellulosic materials reported in literatures. The lower oxygen content of bagasse will reduce the cost of upgrading for converting to bio-diesel and other chemicals. The pyrolysis gases components are CO2, CO, CH4, H2 and other hydrocarbons like ethane, propane and ethylene. The carbon dioxide is the dominant gas among them. Bagasse produced more carbon dioxide than pith in fast pyrolysis process.
Conclusions: The pith showed higher thermal stability which result in more bio-char production, because of the higher lignin content of pith in the fast pyrolysis process. The fast pyrolysis bio-oil of bagasse not only showed the possibility renewable energy and chemicals, but also its syngases enable utilize as proper energy resource in industries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pith of bagasse
  • Biorefinery
  • Bio-fuel
  • Fast Pyrolysis
1.Asadullah, M., Rahman, M.A., Ali, M.M., Rahman, M.S., Motin, M.A., Sultan, M.B., and
Alam, M.R. 2007. Production of bio-oil from fixed bed pyrolysis of bagasse. Fuel., 86: 16.
2514-2520.
2.Bertero, M., De la Puente, G., and Sedran, U. 2012. Fuels from bio-oils: Bio-oil production
from different residual sources, characterization and thermal conditioning. Fuel. 95: 1. 263-
281.
3.Demirbas, A. 2004. Combustion Characteristics of different biomass fuels. Prog. Energy
Combust. Sci. 30: 2. 219-230.
4.Ebrahimi-Nik, M.A., Heidari, A., and Younesi, H. 2014. Bio-oil production from fast
pyrolysis of Corn residues and Eucalyptus wood in fluidized bed reactor. Journal of
Agricultural Machinery. 4: 2. 226-235.
5.Fahmi, R., Bridgwater, A.V., Donnison, I., Yates, N., and Jones, J.M. 2008. The effect of
lignin and inorganic species in biomass on pyrolysis oil yields, quality and stability. Fuel. 87:
7. 1230−1240.
6.Garcia-Perez, M., Wang, S., Shen, J., Rhodes, M., Lee, W.J., and Li, C.Z. 2008. Effects of
Temperature on the Formatin of Lignin-Derived Oligomers during the Fast Pyrolysis of
Mallee Woody Biomass. Energy Fuels. 22: 3. 2022−2032.
7.Heidari, A., Stahl, R., Younesi, H., Rashidi, A., Troeger, N., and Ghoreyshi, A.S. 2014. Effect
of process conditions on product yield and composition of fast pyrolysis of Eucalyptus
grandis in fluidized bed reactor. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 20:
4.2594–2602.
8.Jain, R.K. 2001. Upgradation of quality of bagasse through advance de-pithing process.
Report of central pulp and paper research institute Saharanpur, 72p.
9.Jain, R.K., Dixit, A., Singh, K., Mathur, R.M., and Kulkarni, A.G. 2005. An Improved,
Environmentally Benign Process for Manufacturing of High Quality Chemical Bagasse Pulp.
Tappi Engineering, pulping and environmental conference, Philadelphia, USA.
10.Jones, S.B., Holladay, J.E., Valkenburg, C., Stevens, D.J., Walton, C., Kinchin, C., Elliott,
D.C., and Czernik, S. 2009. Production of gasoline and diesel from biomass via fast
pyrolysis, hydrotreating and hydorocracking: a design case. U.S. Department of Energy, 76p.
11.Jung, K.A., Woo, S.H., Lim, S.R., and Park, J.M. 2015. Pyrolytic production of phenolic
compounds from the lignin residues of bioethanol processes. Chemical Engineering Journal.
259: 1. 107-116.
12.Menon, V., and Rao, M. 2012. Trands in bioconversion of lignocellulose: Biofuels, platform
chemicals and Biorefinery concept. Prog. Energy Combust. Sci., 38: 4. 522−550.
13.Mohan, D., Rajput, S., Singh, V.K., Steele, P.H., and Pittman, C.U. 2011. Modeling and
evaluation of chromium remediation from water using low cost bio-char, a green adsorbent.
Journal of Hazardous Materials. 188: 1-3. 319-333.
14.Montoya, J.I., Valdés, C., Chejne, F., Gómez, C.A., Blanco, A., Marrugo, G., Osorio, J.,
Castill, E., Aristóbulo, J., and Acero, J. 2015. Bio-oil production from Colombian bagasse by
fast pyrolysis in a fluidized bed: An experimental study. Journal of Analytical and Applied
Pyrolysis. 112: 2. 379-387.
15.Mullen, C.A., Boateng, A.A., Goldberg, N.M., Lima, I.M., Laird, D.A., and Hicks, K.B.
2010. Bio-oil and bio-char production from corn cobs and stover by fast pyrolysis. Biomass
and Bioenergy. 34: 1. 67-74.
16.Oasmaa, A., and Peacocke, C. 2010. Properties and Fuel use of biomass derived fast
pyrolysis liquids. A guide; VTT Publications: Espoo, Finland, Publ. no. 731.
17.Pereira, P.H.F., Voordward, H.C.J., Cioffi, M.O.H., Mulinari, D.R., Luz, S.M.D., and Da
Silva, M.L.C. 2011. Sugarcane bagasse pulping and bleaching: thermal and chemical
characterization. BioResource., 6: 3. 2471-2482.
18.Qureshi, N., Hodge, and D., and Vertes , A. 2014. Biorefineries: Integrated Biochemical
Processes for Liquid Biofuels. Elsevier, 296p.
19.Rasooly Garmaroody, E., Rashidavi, J., Ramezani, O., and Saraeean, A.R. 2016. Effect of
Depithing on Bagasse pulp and paper properties. J. of Wood and Forest Science and
Technology. 22: 4. 167-185.
20.Rodrigues, J.A.R. 2011. From the Mill to a Biorefinery: The Sugar Factory as an Industrial
Enterprise for the Generation of Biochemicals and Biofuels. Química Nova. 34: 7. 1242-
1254.
21.Uzun, B.B., Apaydin-Varol, E., Ateş, F., Özbay, N., and Pütün, A.E. 2010. Synthetic fuel
production from tea waste: Characterisation of bio-oil and bio-char. Fuel. 89: 1. 176-184.
22.Westerhof, R.J., Brilman, D.W.F., Van Swaaij, W.P.M., Kersten, S.R.A. 2010. Effect of
Temperature in Fluidized Bed Pyrolysis of Biomass: Oil Quality Assessment in Test Units.
Ind. Eng. Chem. Res. 49: 3. 1160−1168.
23.Wise, L.E., Murphy, M., and Adieco, D.A. 1946. Chlorite holocellulose, its fractionation and
bearing on summative wood analysis and studies on the hemicelluloses. Paper Trade Journal
122: 1. 35–43.
24.Zhang, H., Xiao, R., Wang, D., He, G., Shao, S., Zhang, J., and Zhong, Z. 2011. Biomass
fast pyrolysis in a fluidized bed reactor under N2, CO2, CO, CH4 and H2 atmospheres.
Bioresource Technology., 102: 5. 4258-4264.
25.Zheng, A., Chen, T., Sun, J., Jiang, L., Zhao, Z., Huang, Z., Zhao, K., Wei, G., He, F., and
Li, H. 2017. Toward Fast Pyrolysis-Based Biorefinery: Selective Production of Platform
Chemicals from Biomass by Organosolv Fractionation Coupled with Fast Pyrolysis. ACS
Sustainable Chem. Eng. DOI: 10.1021/acssuschemeng.7b00622.