För att Sverige ska nå klimatmålet om noll nettoutsläpp av växthusgaser till år 2045 behöver bland annat mer biobränslen fasas in och fossila bränslen fasas ut och därför behövs större produktion och fler alternativ av biobränslen. Pyrolysolja är ett alternativ till biobränsle som har forskats på sedan 1970-talet men som först för några år sedan börjat produceras i större skala för användning till värmeproduktion. Först i år startades även en byggnation för produktion av pyrolysolja som ska uppgraderas till biodrivmedel av Pyrocell. Pyrolysoljan har annorlunda egenskaper och sammansättning mot andra biooljor och fossila oljor. Till exempel har pyrolysolja högt vatteninnehåll, hög viskositet och högt innehåll av syresatta komponenter vilket gör att pyrolysoljan har lågt värmevärde, är svårare att hantera och är ostabil. Karlstad Energi AB har påbörjat ett projekt för att utvärdera en integrerad pyrolysreaktor vid en befintlig kraftvärmepanna med målsättningen att i framtiden producera pyrolysolja. De är intresserade av att använda pyrolysoljan som bränsle i två av deras reservpannor för fjärrvärmeproduktion och för att få produktionen lönsam är de dessutom intresserade av att sälja pyrolysoljan som råvara till drivmedelsindustrin. Syftet med arbetet är att undersöka pyrolysoljans användbarhet i Karlstad Energis system utifrån pyrolysoljans egenskaper, åldring, förbränning och uppgradering till biodrivmedel samt jämföra pyrolysoljans egenskaper och förbränning med biobränslet de använder idag, bio100. Målen är att; (1) kartlägga och jämföra pyrolysoljans egenskaper med bio100 utifrån litteratur, (2) beräkna och bedöma viskositetsförändring samt varmhållnings och förvärmningstemperaturer av färsk och lagrad pyrolysolja utifrån litteratur, (3) beräkna förbränningsegenskaper och förbränningsprestanda vid en uttagen effekt på 30 MW i reservpannan genom simulering i Chemcad tillsammans med en uppbyggd värmeöverföringsmodell i Excel och (4) undersöka möjligheten att uppgradera pyrolysolja till biodrivmedel genom teoretisk beräkning av vätgasbehov och oljeutbyte. Pyrolysoljan undersöks med 25, 15 och 8 vikt % vatten och tillsats av 5 och 10 vikt % metanol och etanol för att stabilisera pyrolysoljan samt förbättra förbränningen. Resultaten visar på att en pyrolysolja med 8 % vatteninnehåll kan ha alltför hög viskositet för att kunna pumpas och förbrännas i rimliga varmhållnings- och förvärmningstemperaturer, medan 26 och 15 % klarar det med rimliga temperaturer, med och utan tillsats av alkohol. Vid förbränning med en uttagen effekt på 30 MW krävs ca 1,9-2,6 gånger så högt oljeflöde och ca 1,05-1,21 gånger så högt rökgasflöde för pyrolysoljorna mot bio100 (3250 kg/h respektive 42900 m3/h). Det innebär att anläggningen skulle kunna vara underdimensionerad för att få ut 30 MW vid förbränning av pyrolysolja där oljeflödet förmodligen är det begränsande flödet. Detta kräver ytterligare utredning av utrustningen. Luft-bränsle förhållandet för att uppnå 4 % syreöverskott är ca dubbelt så stort för bio100 mot pyrolysoljorna (16 mot 6,7-8,6 kg luft/kg olja). Utsläpp av stoft och NOx kan bli väldigt högt på grund av det höga ask- och kväveinnehållet och kommer förmodligen inte klara de framtida utsläppsbegränsningarna varav åtgärder kommer behövas. Verkningsgraden (baserat på det högre värmevärdet) för 8 % vatteninnehåll med 10 % etanol kommer upp i samma verkningsgrad som bio100 (91 %) mot 26 och 15 % vatteninnehåll som kommer upp i ca 84 respektive 88 %. Det teoretiskt beräknade vätgasbehovet och oljeutbytet ligger mellan ca 575-775 liter vätgas/kg pyrolysolja respektive ca 45-62 %. Överlag är tillsats av metanol det bättre alternativet för viskositeten men etanol är bättre vid förbränning och uppgradering till biodrivmedel. / For Sweden to reach the goal of zero net emissions of greenhouse gases by the year 2045, more use of biofuels and less use of fossil fuels is needed and for this we need higher production and more options of biofuels. One option is pyrolysis oil which has been in research since the 1970’s but was only recently introduced to large-scale heat production. Also, this year Pyrocell have started the construction of a pyrolysis plant where the pyrolysis oil is going to be upgraded to biofuels. The pyrolysis oil has different properties and composition compared to other biooils and fossil oils. For example, it has high water content, high viscosity and high content of oxygenated compounds which makes the oil more difficult to handle, unstable and gives the oil a low heating value. Karlstads Energi AB has started a project to evaluate an integrated pyrolysis reactor to one of their existing combined heat and power plants with the objective to produce pyrolysis oil in the future. They are interested in using the pyrolysis oil as a fuel in two of their reserve boilers for district heating production and to sell as raw material to the fuel industry. The object of this study is to investigate the possibility of using the pyrolysis oil at Karlstads Energi in the meaning of properties, aging, combustion and upgrading to biofuel and to compare the properties and combustion performance with the fuel they are using today, bio100. The goals are to; (1) map and compare the properties and composition of pyrolysis oil with bio100 from literature, (2) calculate and estimate changes of viscosity and storage- and atomization temperatures of fresh and stored pyrolysis oil using data from literature, (3) calculate combustion properties and combustion performance at 30 MW power outlet from the boiler through simulation in Chemcad and a heat transfer-model in Excel and (4) investigate the possibility to upgrade pyrolysis oil to biofuel through theoretical calculation of hydrogen consumption and biofuel yield. The pyrolysis oil is investigated with 25, 15 and 8 wt% water and addition of 5 and 10 wt% methanol and ethanol to stabilize the oil and to improve the combustion. The results shows that a pyrolysis oil with 8 wt% water could have too high viscosity to be able to be pumped and combusted in reasonable temperatures while 26 and 15 wt% water have lower viscosity and can be used in reasonable temperatures, both with and without addition of alcohol. At combustion with 30 MW power output the flow of pyrolysis oil and flue gases is 1,9-2,6 times and 1,05-1,21 times higher than bio100, respectively (3250 kg/h and 42900 m3/h, respectively for bio100). This means that the facility could be undersized to be able to get 30 MW power output with pyrolysis oil, where the oil flow probably is the limiting factor. This requires further investigation of the equipment. The air-fuel-ratio to receive 4% excess oxygen in the flue gases for the pyrolysis oils is about half of that of bio100 (6,7-8,6 compared to 16 kg air/kg oil, respectively). The emissions of dust and NOx are high for the pyrolysis oils because of high content of ash and nitrogen and will probably exceed the future limitations of which measures will be needed. The efficiency (based on higher heating value) for pyrolysis oil with 8 wt% water and 10 wt% ethanol can reach the same efficiency as bio100 (91%), while 26 and 15 wt% water content reach 84 and 88%, respectively. The theoretical hydrogen consumption and biofuel yield were calculated to 575-775 L hydrogen/kg pyrolysis oil and 45-62%, respectively. Overall, addition of methanol is a better choice for the viscosity, but ethanol performs better in combustion and upgrading to biofuels.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kau-85314 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Bergström, Maria |
| Publisher | Karlstads universitet, Institutionen för ingenjörs- och kemivetenskaper (from 2013), Karlstad Universitet |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0031 seconds