پالايش زيستي باگاس و مغز آن به روش پيروليز سريع در راكتور بستر سيال

Biorefinery of Bagasse and Its Pith by Fast Pyrolysis in Fluidized Bed Reactor

سابقه و هدف: زيست‌توده تنها منبع تجديدپذير كربن جهت تبديل به زيست‌سوخت و محصولات باارزش افزوده زياد است. فرآيندهاي شيميايي-حرارتي مانند پيروليز سريع مي‌توانند نقش مهمي براي توليد زيست‌سوخت، مواد شيميايي‌ زيستي و گازها با فناوري‌هاي زيست-پالايش ايفا كنند. با توجه به‌اينكه، نيشكر به‌طور وسيع در جنوب كشور كشت مي‌شود و مغز باگاس از فراوان‌ترين ضايعات زيست‌توده ليگنوسلولزي حاصل از فرآيند مغززدايي در صنايع خمير و كاغذ و MDF در ايران است، هدف اين تحقيق مقايسه امكان استفاده از باگاس و مغز آن جهت توليد زيست‌نفت در راكتور نيمه‌صنعتي بستر سيال و توسعه كاربردي پالايش ‌زيستي جهت توليد زيست‌سوخت و مواد با ارزش افزوده زياد است. مواد و روش‌ها: اين تحقيق جهت توليد زيست‌سوخت در راكتور نيمه صنعتي بستر سيال از باگاس (مغززدايي نشده) و مغز آن انجام گرفت. تركيبات باگاس با آناليز تقريبي و آناليز نهايي اندازه‌گيري شد. با استفاده از آناليز‌كننده عنصري، نوع و مقدار فلزات سنگين نيز تعيين گرديد. ويژگي‌هاي تخريب حرارتي توسط آناليز وزن‌سنجي حرارتي اندازه‌گيري شد. پيروليز سريع در دماي 470 درجه‌ سانتي‌گراد، سرعت تغذيه 90 گرم در دقيقه، اندازه ذرات 0/5 ميلي‌متر درون پيروليزكننده همراه گاز نيتروژن با سرعت 2 ليتر بر دقيقه انجام شد. يافته‌ها: آناليز عنصري نشان داد كه مغز باگاس حاوي مقدار قابل توجهي مواد استخراجي و غيرآلي (غالباً كلسيم، پتاسيم، و منيزيم) است. نتايج وزن‌سنجي‌ حرارتي بيان كرد كه بيشترين اتلاف وزني باگاس و مغز آن در دماي بين 250 و 350 درجه سانتي‌گراد مي‌باشد كه با تجزيه حرارتي تركيبات اصلي آن‌ها (سلولز، همي‌سلولز و ليگنين) مرتبط است. تحت شرايط ذكر شده، بازده زيست‌نفت، ذغال‌ زيستي و سينگاز براي باگاس و مغز آن به‌ترتيب 53/2 و 35/5 درصد، 25 و 37 درصد، و 21 و 27/5 درصد وزني به‌دست آمد. كربن ثابت زيست-نفت حاصل از باگاس بيشتر از مغز آن بود كه منجر به ارزش حرارتي بيشتر آن مي‌شود؛ در صورتي‌كه مغز باگاس ذغال ‌زيستي بيشتري توليد مي‌كند. ارزش حرارتي زيست‌نفت حاصل از باگاس حدود 20/6 مگاژول بر كيلوگرم به‌دست آمد كه بيشتر از ارزش حرارتي مغز باگاس و بسياري از مواد ليگنوسلولزي گزارش شده در منابع است. اكسيژن كمتر موجود در باگاس، هزينه فرآيند تقويت زيست‌نفت جهت تبديل به بيوديزل و ديگر مواد شيميايي را كاهش مي‌دهد. تركيبات گازي پيروليز سريع باگاس و مغز آن از گاز دي‌اكسيد كربن، منواكسيدكربن، متان، هيدروژن و ساير هيدروكربن‌ها مانند اتان، پروپان و اتيلن تشكيل شده است. گاز دي‌اكسيد كربن، گاز غالب در بين گاز‌هاي ديگر است. باگاس مقدار دي‌اكسيد كربن بيشتري نسبت به مغز باگاس در طي فرآيند پيروليز سريع توليد مي‌كند. نتيجه‌گيري: مغز باگاس به‌دليل داشتن ليگنين بيشتر موجب پايداري حرارتي زيادتر و در نتيجه توليد ذغال زيستي بيشتري نسبت به باگاس طي فرآيند پيروليز سريع مي‌شود. زيست‌نفت حاصل از پيروليز سريع باگاس نه‌تنها امكان توليد انرژي‌ تجديدپذير و توليد ماده شيميايي مختلف را نشان داده است، بلكه گازهاي حاصل از آن (سينگاز) به‌عنوان يك منبع مناسب تامين انرژي در صنايع قابل استفاده است.

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 is 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 were measured by proximate and ultimate analysis. The type and amount of heavy metals were determined 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 is usable as proper energy resource in industries.