Hydrothermal liquefaction of biowaste: Case study on a continuous test system

Abstract

The growing demand for energy and the depletion of fossil fuels has increased interest in renewable fuels. Hydrothermal liquefaction (HTL) is a thermochemical conversion method, which can be used to produce biofuels from biomass. The conversion is a result of high temperature and pressure. Biomass is an abundant and renewable resource, that has potential to become a major part of the energy system. Especially, utilizing waste biomass for biofuel production is a resource-efficient, climate-friendly alternative to fossil fuels that promotes circular economy. Every year, 1.3 billion tons of biowaste is generated and at least a third of it is not yet processed in a sustainable way. HTL offers a solution to manage these waste streams and harvest their energy content. Many biowaste streams can be processed without drying or other pretreatments because HTL requires wet feedstocks. The objective of this study is to explore the basic principles, current state, and challenges of HTL and investigate the liquefaction of biowaste on a continuous test system. Developing continuous systems is a vital step toward large-scale commercial production. The thesis is divided into two sections. The first section explains the theory and mechanisms behind HTL as well as the products and their applications. It includes a short review of previous experiments on continuous HTL presented in literature. The literature has dealt with many small-batch experiments and continuous systems have received less attention. However, they have become more common and a few promising pilot plants have been established. As part of this thesis, a test run of continuous HTL of biowaste, containing mainly food waste, was performed. The other section describes the test run and discusses the results obtained from it. The test run was successful as good quality biocrude was obtained. Oxygen content and higher heating value are the most significant factors in determining the quality of biocrude. In this case, the oxygen content was 13.2 % and the higher heating value 39.31 MJ/kg. Both of these values are typical for HTL biocrude and good in comparison to literature. However, many technical issues emerged during the test runs. These problems should be focused on in the future when developing the technology. This study confirms that hydrothermal liquefaction of biowaste is possible and has real potential. Efforts should be made to develop it in the future, so that continuous HTL could be introduced on a larger scale.

Kasvava energiantarve ja fossiilisten polttoaineiden väheneminen kasvattavat jatkuvasti kiinnostusta uusiutuvia polttoaineita kohtaan. Hydroterminen nesteytys (HTL) on yksi termokemiallisista konversiomenetelmistä, joilla voidaan tuottaa biopolttoaineita biomassasta. Konversio tapahtuu korkean paineen ja lämpötilan seurauksena. Biomassa on uusiutuva ja hyvin saatavilla oleva luonnonvara, jolla on potentiaalia olla merkittävä osa energiajärjestelmää. Etenkin jätebiomassan hyödyntäminen biopolttoaineiden tuotannossa on resurssitehokas ja ympäristöystävällisempi vaihtoehto fossiilisille polttoaineille ja edistää kiertotaloutta. Vuosittain syntyy 1,3 miljardia tonnia biojätettä, josta kolmasosaa ei vielä hyödynnetä kestävästi. HTL tarjoaa ratkaisun näiden jätevirtojen käsittelyyn ja niiden energiasisällön hyödyntämiseksi. HTL voi hyödyntää syötteenään myös kosteita biomassoja, joten monet biojätteet soveltuvat sellaisenaan nesteytettäväksi. Työn tavoitteena on tarkastella HTL:n perusperiaatteita, nykytilannetta ja haasteita sekä tutkia biojätteen hydrotermisen nesteytyksen toteutusta jatkuvatoimisella testijärjestelmällä. Jatkuvatoimisten järjestelmien tutkiminen on merkittävä askel kohti suuremman kokoluokan kaupallista tuotantoa. Työ jakaantuu kahteen osaan, joista ensimmäinen on kirjallisuuskatsaus HTL:n teoriasta, tuotteista sekä aiemmin kirjallisuudessa esitellyistä jatkuvatoimisista HTL kokeista. Kirjallisuudessa on käsitelty huomattavasti enemmän pieniä eräkokeita ja jatkuvatoimiset järjestelmät ovat jääneet vähemmälle huomiolle. Ne ovat kuitenkin yleistyneet ja muutamia lupaavia pilottilaitoksia on perustettu. Osana tätä työtä suoritettiin koeajo jatkuvatoimisella HTL testilaitteistolla käyttäen syötteenä pääosin ruoantähteitä sisältävää biojätettä. Työn toinen osa on kuvaus suoritetusta koeajosta ja siitä saaduista tuloksista. Koeajossa onnistuttiin tuottamaan hyvälaatuista bioöljyä. Happipitoisuus ja lämpöarvo ovat tärkeimpiä mittareita bioöljyn laadun määrittämisessä. Tässä tapauksessa happipitoisuus oli 13,2 m-% ja lämpöarvo 39,1 MJ/kg. Molemmat arvot ovat kirjallisuuteen verrattuna hyviä ja HTL bioöljylle tyypillisiä. Koeajoissa ilmeni kuitenkin paljon teknisiä ongelmia ja kehityskohtia, joihin täytyy keskittyä jatkossa teknologiaa kehittäessä. Tutkimus vahvistaa, että biojätteen hydroterminen nesteytys on toteutettavissa ja siinä on todellista potentiaalia. Sen kehittämiseen tulisi panostaa jatkossa, jotta jatkuvatoiminen HTL suuremmassa mittakaavassa voitaisiin ottaa käyttöön.