اصلاح کاتالیزور برای تولید هیدروژن در فرآیند کربنیزاسیون

صنعت متالورژی یک بخش بسیار انرژی بر است و تقریباً یک سوم انتشار CO2 صنعتی را در جو تولید می کند. در نتیجه راهبردهای مختلفی در چند سال اخیر به منظور کاهش اثرات انرژی و زیست محیطی اجرا شده است [1]. در این میان، تولید زغال چوب از چوب به چند دلیل یکی از امیدوار کننده ترین گزینه ها است. از یک طرف، می توان آن را با استفاده از ضایعات لیگنوسلولزی تولید شده در فعالیت های کشاورزی و صنعتی یا با استفاده از چوب حاصل از محصولات انرژی زا انجام داد [2،3]. از سوی دیگر، کربنیزاسیون یک فرآیند ساده از دیدگاه فناوری است. این شامل گرم شدن آهسته مواد در غیاب اکسیژن تا دمای بیش از 700 درجه سانتیگراد است. به عبارت دیگر، یک فرآیند پیرولیز آهسته با تمرکز بر به حداکثر رساندن عملکرد جامد. لازم به ذکر است که زغال چوب در همه کاربردها نمی تواند جایگزین زغال سنگ فسیلی شود، چه رسد به جای کک. با این حال، می توان آن را در کاربردهای خاص، به عنوان مثال، کوره های دوار متالورژی، یا مخلوط با زغال سنگ/کک در درصدهای معین استفاده کرد. این در حال حاضر به معنای صرفه جویی مهم از نظر انتشار CO2 به دلیل ماهیت خنثی زغال چوب از آب و هوا است [2،4،5].

به این دلایل، چندین کارخانه تولید زغال چوب در سراسر جهان در مقیاس صنعتی یا نیمه صنعتی یافت می شود [3،6،7]. با این حال، یک مشکل در مورد تولید زغال چوب هنوز حل نشده است، که به نوبه خود مانع از توسعه این فناوری در کشورهای دارای قوانین محیطی محدود کننده می شود: انتشار گازهای خطرناک در جو [8] و/یا تولید، به عنوان یک محصول جانبی. ، از قطران و سایر میعانات. قطران و میعانات از بسیاری از مواد آلی مانند هیدروکربن های خطی و حلقوی، فنل و مشتقات آن، هیدروکربن های مونو و پلی آروماتیک (PAH) تشکیل شده اند. بنابراین، آنها به سختی هیچ کاربرد صنعتی را ارائه می دهند و در نهایت یک زباله خطرناک در این فرآیند ایجاد می کنند [9،10].

حذف یا به حداقل رساندن قطران و سایر محصولات تغلیظ شده یکی از حیاتی ترین و بررسی شده ترین جنبه ها در گازسازی زیست توده است [11،12،13،14]. با این حال، این موضوع اغلب در فرآیندهای کربنیزاسیون گزارش نمی شود. در دو مطالعه که اخیرا توسط رودریگز و براگینی منتشر شده است، آنها فناوری 172 حق ثبت اختراع در کوره های تولید زغال چوب را تجزیه و تحلیل کردند. آنها دریافتند که تنها چهار مورد از این اختراعات شامل سیستم های تصفیه یا تصفیه گاز است [15،16]. به همین دلیل، نویسندگان این کار چندین سال را به مطالعه حذف قطران و به حداقل رساندن محصولات متراکم در کربن‌سازی زیست توده با استفاده از تیمارهای ترموکاتالیستی در تماس فاز بخار اختصاص داده‌اند [17،18،19]. هدف این است که بخش تبخیر شده را به شکل گازهای غنی از هیدروژن ارزش گذاری کنیم، که راهی برای به دست آوردن محصول دیگری با استفاده گسترده صنعتی است [18،19]. در مورد تولید هیدروژن، واکنش‌های اصلی که انتظار می‌رود در عملیات حرارتی کاتالیزوری گازها و بخارات حاصل از کربن‌سازی زیست‌توده رخ دهد، تبدیل هیدروکربن‌ها با بخار و خشک هیدروکربن‌ها یا ترکیبات اکسیژن‌دار «نفت زیستی» است (معادلات (1) و (2) ) و واکنش جابجایی آب-گاز (معادله (3)). از سوی دیگر، برخی از واکنش‌های ثانویه مانند کک کردن از طریق واکنش بودوار (معادله (4)) یا واکنش آب-گاز (معادله (5)) و متاناسیون (معادله (6)) نیز احتمالاً رخ می‌دهند:
CnHmOk + (n – k)H2O ↔ nCO + n + ((m/2) – k)H2
(1)
CnHm + nCO2 ↔ 2nCO + m/2H2
(2)
CO + H2O ↔ CO2 + H2
(3)
2CO ↔ CO2 + C
(4)
CO + H2 ↔ C + H2O
(5)
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O
(6)
با در نظر گرفتن اینکه کربنیزاسیون یک فرآیند ترک خوردگی است که در آن بسیاری از ترکیبات با بریدگی تصادفی پیوندهای شیمیایی موجود در زیست توده تشکیل می شوند، سیستم شیمیایی که به بستر کاتالیزوری می رسد بسیار پیچیده است. این امر عملکرد کاتالیست را محدود می کند، حتی در دماهای بالا کار می کند، که احتمالاً به دلیل مسمومیت و غیرفعال شدن کاتالیزور است [20،21]. در نتیجه، به دست آوردن یک کسر گازی با تولید بیش از 50 درصد حجمی H2 دشوار است. این حداقل غلظتی است که امکان جداسازی H2 را به روشی سودآور از طریق جذب نوسان فشار (PSA) فراهم می‌کند، که امروزه پرکاربردترین فرآیند صنعتی جداسازی H2 است [22]. بنابراین، کار حاضر با هدف مطالعه یک رویکرد جدید، متشکل از پیش تصفیه زیست توده با ترفند قبل از فرآیند کربن‌سازی است. Torrefaction یک عملیات حرارتی در دمای پایین (200-300 درجه سانتیگراد) است که در آن رطوبت و فرارترین مواد موجود در زیست توده تبخیر می شوند. در نتیجه، زیست توده تخریب شده به دست می آید که یک جامد با ارزش حرارتی بالاتر از زیست توده خام (از نظر انرژی متراکم تر) و همچنین از نظر بیولوژیکی به دلیل عدم وجود رطوبت پایدارتر است [23،24،25]. در نتیجه، شکستن با موفقیت به عنوان یک پیش تصفیه زیست توده برای استفاده به عنوان سوخت استفاده می شود، زیرا، علاوه بر اینکه یک محصول با کالری بالا است، همچنین می تواند برای مدت طولانی بدون زوال بیولوژیکی ذخیره شود [26،27].

از دست دادن آب و مواد فرار (اسید استیک، مشتقات فنل، فورفورال، و غیره) در طول تروفیشن می‌تواند برای درمان بعدی محصولات تبخیر شده تولید شده در طول کربن‌سازی مفید باشد. به این معنا که زیست توده‌ای که قبلاً آغشته شده است، مقدار کمتری بخارات و گازها را در طول کربن‌سازی نسبت به زیست‌توده تازه آزاد می‌کند. در نتیجه میزان عبور این نوع ماده از بستر کاتالیزوری کمتر خواهد بود که می تواند برای فعالیت و عملکرد کاتالیزور مفید باشد. این بیانیه فرضیه این کار است که محصولات به دست آمده در کربن سازی زیست توده ذوب شده را با محصولات به دست آمده در کربن سازی زیست توده تازه با تاکید ویژه بر عملکرد یک کاتالیزور اصلاح کننده در حذف محصولات متراکم شده و تولید مقایسه می کند. از هیدروژن نویسندگان از هیچ تحقیقی در مورد تولید زغال چوب از زیست توده ذوب شده تا به امروز آگاه نیستند، و بسیار کمتر از تأثیر این واقعیت بر عملکرد و فعالیت کاتالیزوری که برای ارتقاء گازها و بخارات حاصل از کربن سازی استفاده می شود، آگاه نیستند. بنابراین، نتایج این تحقیق نوآورانه خواهد بود و ممکن است نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در صنعتی سازی تولید زغال چوب باشد.

منابع

1. Abdul Quader, M.; Ahmed, S.; Dawal, S.Z.; Nukman, Y. Present needs, recent progress and future trends of energy-efficient Ultra-Low Carbon Dioxide (CO₂) Steelmaking (ULCOS) program. Renew. Sustain. Energy Rev. 2016, 55, 537–549. [Google Scholar] [CrossRef]
2. Suopajärvi, H.; Umeki, K.; Mousa, E.; Hedayati, A.; Romar, H.; Kemppainen, A.; Wang, C.; Phounglamcheik, A.; Tuomikoski, S.; Norberg, N.; et al. Use of biomass in integrated steelmaking–Status quo, future needs and comparison to other low-CO2 steel production technologies. Appl. Energy 2018, 213, 384–407. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
3. Mansor, A.M.; Theo, W.L.; Lim, J.S.; Ani, F.N.; Hashim, H.; Ho, W.S. Potential commercialisation of biocoke production in Malaysia—A best evidence review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 90, 636–649. [Google Scholar] [CrossRef]
4. Dufourny, A.; Van De Steene, L.; Humbert, G.; Guibal, D.; Martin, L.; Blin, J. Influence of pyrolysis conditions and the nature of the wood on the quality of charcoal as a reducing agent. J. Anal. Appl. Pyrolysis 2019, 137, 1–13. [Google Scholar] [CrossRef]
5. Suopajärvi, H.; Pongrácz, E.; Fabritius, T. Bioreducer use in Finnish blast furnace ironmaking–Analysis of CO₂ emission reduction potential and mitigation cost. Appl. Energy 2014, 124, 82–93. [Google Scholar] [CrossRef]
6. Suopajärvi, H.; Pongrácz, E.; Fabritius, T. The potential of using biomass-based reducing agents in the blast furnace: A review of thermochemical conversion technologies and assessments related to sustainability. Renew. Sustain. Energy Rev. 2013, 25, 511–528. [Google Scholar] [CrossRef]
7. Suopajärvi, H.; Kemppainen, A.; Haapakangas, J.; Fabritius, T. Extensive review of the opportunities to use biomass-based fuels in iron and steelmaking processes. J. Clean. Prod. 2017, 148, 709–734. [Google Scholar] [CrossRef]
8. Pereira, E.G.; Martins, M.A.; Pecenka, R.; Carneiro, A.d.C.O. Pyrolysis gases burners: Sustainability for integrated production of charcoal, heat and electricity. Renew. Sustain. Energy Rev. 2017, 75, 592–600. [Google Scholar] [CrossRef]
9. Solar, J.; de Marco, I.; Caballero, B.M.; Lopez-Urionabarrenechea, A.; Rodriguez, N.; Agirre, I.; Adrados, A. Influence of temperature and residence time in the pyrolysis of woody biomass waste in a continuous screw reactor. Biomass Bioenergy 2016, 95, 416–423. [Google Scholar] [CrossRef]
10. Adrados, A.; Lopez-Urionabarrenechea, A.; Solar, J.; Requies, J.; De Marco, I.; Cambra, J.F. Upgrading of pyrolysis vapours from biomass carbonization. J. Anal. Appl. Pyrolysis 2013, 103, 293–299. [Google Scholar] [CrossRef]
11. Min, Z.; Asadullah, M.; Yimsiri, P.; Zhang, S.; Wu, H.; Li, C.Z. Catalytic reforming of tar during gasification. Part I. Steam reforming of biomass tar using ilmenite as a catalyst. Fuel 2011, 90, 1847–1854. [Google Scholar] [CrossRef]
12. Nordgreen, T.; Nemanova, V.; Engvall, K.; Sjöström, K. Iron-based materials as tar depletion catalysts in biomass gasification: Dependency on oxygen potential. Fuel 2012, 95, 71–78. [Google Scholar] [CrossRef]
13. Chan, F.L.; Tanksale, A. Review of recent developments in Ni-based catalysts for biomass gasification. Renew. Sustain. Energy Rev. 2014, 38, 428–438. [Google Scholar] [CrossRef]
14. Ren, J.; Liu, Y.L.; Zhao, X.Y.; Cao, J.P. Biomass thermochemical conversion: A review on tar elimination from biomass catalytic gasification. J. Energy Inst. 2020, 93, 1083–1098. [Google Scholar] [CrossRef]
15. Rodrigues, T.; Braghini Junior, A. Technological prospecting in the production of charcoal: A patent study. Renew. Sustain. Energy Rev. 2019, 111, 170–183. [Google Scholar] [CrossRef]
16. Rodrigues, T.; Braghini Junior, A. Charcoal: A discussion on carbonization kilns. J. Anal. Appl. Pyrolysis 2019, 143. [Google Scholar] [CrossRef]
17. Adrados, A.; De Marco, I.; Lopez-Urionabarrenechea, A.; Solar, J.; Caballero, B. Avoiding tar formation in biocoke production from waste biomass. Biomass Bioenergy 2015, 74, 172–179. [Google Scholar] [CrossRef]
18. Solar, J.; Caballero, B.; De Marco, I.; López-Urionabarrenechea, A.; Gastelu, N. Optimization of Charcoal Production Process from Woody Biomass Waste: Effect of Ni-Containing Catalysts on Pyrolysis Vapors. Catalysts 2018, 8, 191. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
19. Adrados, A.; Lopez-Urionabarrenechea, A.; Acha, E.; Solar, J.; Caballero, B.M.; de Marco, I. Hydrogen rich reducing gases generation in the production of charcoal from woody biomass carbonization. Energy Convers. Manag. 2017, 148, 352–359. [Google Scholar] [CrossRef]
20. Ochoa, A.; Bilbao, J.; Gayubo, A.G.; Castaño, P. Coke formation and deactivation during catalytic reforming of biomass and waste pyrolysis products: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2020, 119. [Google Scholar] [CrossRef]
21. Ochoa, A.; Arregi, A.; Amutio, M.; Gayubo, A.G.; Olazar, M.; Bilbao, J.; Castaño, P. Coking and sintering progress of a Ni supported catalyst in the steam reforming of biomass pyrolysis volatiles. Appl. Catal. B Environ. 2018, 233, 289–300. [Google Scholar] [CrossRef]
22. Luberti, M.; Friedrich, D.; Brandani, S.; Ahn, H. Design of a H2 PSA for cogeneration of ultrapure hydrogen and power at an advanced integrated gasification combined cycle with pre-combustion capture. Adsorption 2014, 20, 511–524. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
23. Da Silva, C.M.S.; de Carneiro, A.C.O.; Vital, B.R.; Figueiró, C.G.; de Fialho, L.F.; de Magalhães, M.A.; Carvalho, A.G.; Cândido, W.L. Biomass torrefaction for energy purposes–Definitions and an overview of challenges and opportunities in Brazil. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 82, 2426–2432. [Google Scholar] [CrossRef]
24. Shang, L.; Ahrenfeldt, J.; Holm, J.K.; Bach, L.S.; Stelte, W.; Henriksen, U.B. Kinetic model for torrefaction of wood chips in a pilot-scale continuous reactor. J. Anal. Appl. Pyrolysis 2014, 108, 109–116. [Google Scholar] [CrossRef]
25. Nunes, L.J.R.; Matias, J.C.O.; Catalão, J.P.S. A review on torrefied biomass pellets as a sustainable alternative to coal in power generation. Renew. Sustain. Energy Rev. 2014, 40, 153–160. [Google Scholar] [CrossRef]
26. Niu, Y.; Lv, Y.; Lei, Y.; Liu, S.; Liang, Y.; Wang, D.; Hui, S. Biomass torrefaction: Properties, applications, challenges, and economy. Renew. Sustain. Energy Rev. 2019, 115, 109395. [Google Scholar] [CrossRef]
27. Basu, P. Pyrolysis and Torrefaction. In Biomass Gasification and Pyrolysis; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2010; pp. 65–96. ISBN 978-0-12-374988-8. [Google Scholar]

پروژه مشابه دارید؟

برای ثبت سفارش در سیمیا می توانید از طریق اپلیکیشن سیمیا، یا فرم ثبت سفارش در سایت اقدام کرده و یا از طریق ایمیل، واتساپ، تلگرام و اینستاگرام اقدام نمایید.

اپلیکیشن سیمیا را از بازار و مایکت دانلود کنید.

سریع ترین راه پاسخگویی سیمیا، واتساپ و سروش می باشد. لینک واتساپ، اینستاگرام و تلگرام در پایین سایت وجود دارد.

 09392265610

نشانی ایمیل سیمیا simiya_ht@yahoo.com می باشد.

از برقراری تماس برای هماهنگی پروژه خودداری کنید، حجم بالای سفارشات به ما اجازه نمی دهد تا از طریق تلفن پاسخگوی شما عزیزان باشیم، حتما درخواست خود را به صورت مکتوب و از طریق یکی از راه های ذکر شده فوق ارسال نمایید، درخواست خود را به طور کامل و با تمام فایل ها و توضیحات لازم ارسال نمایید تا مدت زمان بررسی آن به حداقل برسد. پس از تعیین کارشناس، در اسرع وقت به شما پاسخ می دهیم.