Development of biochar separation system

Abstract

Due to the acceleration of climate change and global politics, the use of renewable energy sources such as biofuels has increased. This has also driven technological development in the field of energy, and various authors are working to develop the technology in a more environmentally friendly direction. One good example of this is development of pyrolysis process. The pyrolysis process produces bio-based fuels such as bio-oil and biochar. Biochar has many interesting properties, which is why it has several different applications. Biochar and its properties have been studied a lot recently and growing interest to it has also created a demand and market for biochar.

The purpose of this thesis was to study and develop a system for separating the biochar generated as a by-product in fast pyrolysis from the process instead of the current combustion. In this way, biochar could be sold or utilized in other uses. Separation of biochar means that biochar must be able to be separated from another solid circulating in the pyrolysis process, i.e., sand, which is used in the process to heat the biomass. If biochar is separated from the process, the energy from its combustion to reheat the sand must be replaced by another energy source. This means that it should be considered on a case-by-case basis how profitable the separation of biochar from the process is.

The thesis started by studying biochar, how and where it is produced and what properties it has compared to the sand, from which it is desired to be separated. Next, it was investigated what kind of separation methods already exist for the separation of two solids and whether similar solutions could be used to solve research problem of this thesis as well. The pyrolysis process causes certain requirements on the separation system, so at the beginning of the work it was thought what methods could be used for the separation. The most interesting ideas generated in the work were selected for further development, where it was reviewed more detailed how the ideas would work in practice. After that, an experimental phase was performed where the objective was to increase the understanding of the operation of the separation methods presented in the ideation phase in a practical environment. The results obtained from the experimental phase were utilized in selecting the method for the next development phase, which was the development of a cold model system

A cold model of an industrial system scale was designed for the selected separation system to study and ensure its functionality in continuous separation. Based on the tests performed with the cold model, the aim is to define the key operation parameters for the dimensioning principles, to be able to scale the system according to the solid flow. The thesis also considered how the system could be further developed and how it could be adapted to the existing process. If the developed and suggested system is found to be a workable solution, then the profitability of biochar separation in economic terms needs to be further investigated to decide whether it is worth to continue developing the system into more commercial direction. The construction and testing of the cold model designed in the work and its possible development according to the test results were suggested as topics for further research of this thesis. The study of other methods developed in this work would also be a suitable topic for further research.

Ilmastonmuutoksen ja maailmanpolitiikan myötä uusiutuvien energianlähteiden, kuten biopolttoaineiden käyttö on lisääntynyt kasvavaa tahtia. Tämä on edistänyt myös teknologian kehitystä energian alalla, ja eri toimijat pyrkivät kehittämään teknologiaa ympäristöystävällisempään suuntaan. Eräs hyvä esimerkki tästä on pyrolyysiprosessin kehitys. Pyrolyysiprosessilla tuotetaan biopohjaisia polttoaineita, kuten bioöljyä sekä biohiiltä. Biohiilellä on paljon kiinnostavia ominaisuuksia, minkä takia sille on myös useita erilaisia käyttökohteita. biohiiltä ja sen ominaisuuksia on tutkittu viime aikoinna paljon ja sen kiinnostavuus on myös luonnut biohiilelle kysyntää sekä markkinan.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää systeemi, jolla nopeassa pyrolyysissä sivutuotteena syntyvä biohiili saadaan erotetttua prosessista nykyisen polttamisen sijaan. Näin biohiiltä voitaiisiin hyödyntää muissa käyttökohteissa tai myydä eteenpäin muille toimijoille. Biohiilen erotus tarkoittaa sitä, että biohiili on pystyttävä erottamaan toisesta pyrolyysiprosessissa kiertävästä kiintoaineesta, eli hiekasta, jota käytetään prosessissa biomassan kuumentamiseen. Jos biohiili erotettaan prosessista, niin sen polttamisesta saatu energia hiekan uudelleenlämmittämiseen on korvattava jollain muulla energianlähteellä. Tämä tarkoittaa, että on tapauskohtaisesti mietittävä kuinka kannattavaa biohiilen erotus prosessista on.

Diplomityö aloitettiin tutkimalla biohiiltä, miten ja mistä sitä tuotetaan sekä minkälaisia ominaisuuksia sillä on verrattuna hiekkaan, josta se halutaan erottaa. Seuraavaksi selvitettiin minkälaisia erotusmentelmiä kahden kiintoaineen erotukseen on olemassa ja voitaisiinko samanlaisia ratkaisuja hyödyntää myös tämän työn tutkimusongelman ratkaisemiseksi. Pyrolyysiprosessi aiheuttaa erotussysteemille tiettyjä rajoitteita, joten työn alussa ideoitiin, mitä mahdollisia menetelmiä erotukseen olisi mahdollista hyödyntää. Tuotetuista ideoista valittiin kiinnostavimmat jatkokehitykseen, jossa mietittiin tarkemmin, kuinka ideat toimisivat käytännössä. Seraavaksi työssä suoritettiin kokeellinen vaihe, jonka tarkoituksena oli lisätä ymmärrystä ideointivaiheessa kehitettyjen erotusmenetelmien toiminnasta käytännön ympäristössä. Kokeellisesta vaiheesta saatuja tuloksia hyödynnettiin valittaessa menetelmää seuraavaan kehitysvaiheeseen, joka oli kylmämallin kehitys.

Valitulle erotussysteemille suunniteltiin työssä teollisen pilottilaitteiston mittakaavan kylmämalli, jolla on tarkoitus tutkia ja varmistaa sen toimivuus jatkuvatoimisessa erotuksessa. Kylmämallilla suoritettujen testien perusteella pyritään myös määrittämään toiminnan avainparametrit mitoitusperusteita varten, jotta systeemiä pystytään skaalaamaan kiertävän kiintoainemäärän mukaan. Työssä myös pohdittiin, miten systeemiä voitaisiin jatkokehittää sekä miten se voitaisiin sovittaa olemassa olevaan prosessiin. Jos työssä kehitetty ja ehdotettu järjestelmä todetaan toimivaksi ratkaisuksi, niin biohiilen erottelun kannattavuutta taloudellisesti on vielä tutkittava, jotta voidaan pohtia, kannattaako systeemiä kehittää edelleen kaupallisen tuotteen suuntaan. Jatkotutkimusaiheiksi tälle työlle ehdotettiin työssä kehitetyn kylmämallin rakentaminen, testaus sekä sen mahdollinen jatkokehitys testituloksien mukaan. Myös muiden tässä työssä kehitettyjen menetelmien tarkempi tutkinta voisi soveltua jatkotutkimusaiheeksi tälle työlle.