Solids removal in pyrolysis

Pyrolysis is a process for turning biomass into liquid fuel. The process consists of heating the biomass in inert conditions and quenching the resulting vapors into oil. The oil has many potential uses, such as heating fuel in peak heating plants. In order to broaden the application base and improve the quality of the oil, solids removal has to be addressed. The solids may also increase the probability of plugging in downstream equipment. The purpose of this research was to gain an understanding of the formation of solids in the pyrolysis process and to assess options for reducing the solid content of the oil. From literature it is known that the solids can be removed either by hot vapor filtration, liquid treatment or multiple cyclones. Hot vapor filtration decreases yield, but improves the stability of the oil while simultaneously removing solids and ash. Liquid treatment techniques are good for removing large particles but involve losses of pyrolysis liquid. Cyclones are a traditional robust technique used regularly in pyrolysis. In the experimental part of this thesis, a 2 MWfuel pyrolysis setup with 2 cyclones in series was operated and monitored. Solid and liquid samples were collected from various parts of the process for further examination. Sampling and sample treatment techniques were developed. The chemical properties of the pyrolysis char were also analyzed and assessed as a function of reactor temperature and fluidizing velocity. By measuring the particle size distributions it was noticed that there were much smaller particles collected from the second cyclone than fed into pyrolysis. The solids in the pyrolysis oil were even smaller. This was most likely caused by attrition and shrinkage. Due to better separation efficiency of the cyclones in large particles, excess attrition should be avoided.

Hiukkasten leijutusominaisuuksien määrittäminen

Leijuttaminen on tärkeä tekniikan sovellus energiantuotannossa. Leijutusreaktorin suunnittelussa ongelmana on kuitenkin oikeiden leijutusnopeuksien käyttäminen halutun tuloksen saamiseksi. Eri korrelaatiot leijutusnopeuksille antavat hyvinkin erilaisia vastauksia, jolloin niitä on vertailtava ja niistä on valittava paras tilanteen mukaan. Leijuttamista tapahtuu, kun hienojakoisesta aineesta koostuvan kerroksen alapuolelta puhalletaan kaasua sen läpi. Leijutusnopeuden ja leijutettavan aineen perusteella leijutilat jaetaan eri tyyppeihin ja niitä kuvaavat erilaiset referenssinopeudet. Nopeuksista tärkeimmät ovat minimileijutusnopeus, terminaalinopeus sekä siirtymäaluenopeus. Eri leijutustilat ja -nopeudet sekä aineen koosta ja tiheydestä kertovat tekijät, Geldart-luokat, voidaan koota yhdeksi diagrammiksi. Diagrammi on dimensiottomien muuttujien ansiosta universaali ja täten hyvin käyttökelpoinen työkalu leijutusnopeuksia ja -tiloja määritettäessä. Työssä esitetyn teorian pohjalta tehty laskentatyökalu hyödyntää Matlabia ja Exceliä. Se vertailee eri leijutuskorrelaatioita ja valitsee niistä tilanteen mukaan parhaan. Lisäksi se havainnollistaa vallitsevaa leijutilaa piirtämällä pisteen Excelissä tehtyyn leijutila-diagrammiin. Laskentatyökalu näyttää, että korrelaatioiden välillä on suuriakin eroja. Terminaalinopeuteen vaikuttaa suuresti partikkelin muoto, joten sen olettaminen palloksi voi antaa moninkertaisen nopeuden todellisuuteen nähden. Siirtymäaluenopeudelle on eri tuloksia antavia mittausmenetelmiä, jolloin korrelaatiotkin antavat toisistaan suuresti poikkeavia tuloksia.