Towards a Sustainable Biomass and Waste Refinery Based on Pyrolysis Combined with a Pretreatment Process

Some of the naturally accumulated biomass and the massive production of waste by human activities have caused serious environmental problems. The degradation of biomass and waste is one of the main greenhouse gasses (GHG) emission sources. Pyrolysis is a technique that can convert the organic feedstock into char, bio-oil, and gas at 350 - 800 °C and in the absence of oxygen. The diversity of the pyro-products makes pyrolysis one of the most promising techniques for biomass and waste refineries. One of the main challenges of the technique is that the unfavorable physical and/or chemical properties of the feedstock would increase the energy and cost required for the whole refinery process. Combining feedstock pretreatment with a pyro-refinery has the potential to make the entire process more efficient from a cost, energy, and climate perspective. In this thesis, the performance of the peat moss pyrolysis is firstly investigated. It was found that it has a potential to convert peat moss into fuels through pyrolysis. Thereafter, beach-cast seaweed is further considered as a feedstock for the process, which is a high-ash content biomass. Three refinery processes were designed and simulated based on the pyrolysis results. Results showed that it was necessary to have a washing pretreatment for the beach-cast seaweed pyro-refinery. The implementation of washing pretreatment could decrease the direct energy for the whole process from 1485.8 to 1121.0 MJ for treating one ton of dry beach-cast seaweed. The further life cycle assessment (LCA) analysis showed that using the pyro-refinery process with washing pretreatment to treat one ton of dry beach-cast seaweed for the electricity production had the lowest cumulated energy demand (CED). Specifically, it has a value of -3.0 GJ and the lowest global warming potential within a 100-year time frame (GWP100) with a value of -790.9 kg CO2eq compared to the other scenarios of producing liquid biofuel and syngas. Digestate from anaerobic digestion (AD) requires proper treatment. The third work of this thesis compares the pyrolysis behavior of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) and its digestate. It was found that the AD process could decrease the pyrolytic activation energy of OFMSW. Due to digestate’s higher ash content, the char yield rate of digestate was higher than that of OFMSW. On the other hand, the yield rates of bio-oil and gas of OFMSW pyrolysis were higher than that of its digestate. The moisture content of the digestate is hard to be removed by traditional mechanical dewatering techniques due to digestate’s hydrophilic properties. Thus, the use of a pretreatment combined with hydrothermal carbonization (HTC) and mechanical dewatering has the potential to contribute to the digestate pyro-refinery. In the last work, the effect of HTC on the kinetics and thermodynamics of the agricultural waste digestate (AWD) pyrolysis was investigated. It was revealed that the HTC pretreatment could decrease the pyrolytic activation energy of AWD from 182.9 - 274.4 kJ/mol to 144.6 - 205.2 kJ/mol. Bench-scale pyrolysis experiments, process simulations, and LCA were then conducted based on the kinetic prediction results. In the process simulations and LCA, four scenarios of AWD refinery with different pretreatment combinations with HTC and mechanical dewatering were designed. It was found that the different pretreatment processes could benefit the designed AWD refinery for different targets. The implementation of both HTC and mechanical dewatering pretreatment for refinery based on a 650 °C-pyrolysis presented the lowest CED value of 10.3 GJ for treating one ton of AWD. The least emission of carbon dioxide equivalents (-843.3 kg) was achieved in the case of using a 650 °C-pyrolysis temperature with the pretreatment with only a dewatering process when treating 1-ton dry AWD.En del av den naturligt ackumulerade biomassan samt den stora avfallsproduktionen som orsakats av mänskliga aktiviteter har orsakat allvarliga miljöproblem. Nedbrytningen av biomassa och avfall utgör några av de största källorna till utsläpp av växthusgaser. Pyrolys är en teknik som kan omvandla organiska råmaterial till biokol, bioolja och gas vid 350 till 800 °C i en syrefri atmosfär. Mångfalden av produkter från pyrolys gör att tekniken är en av de mest lovande för raffinering av biomassa och avfall. En av de största utmaningarna med tekniken är att ofördelaktiga fysikaliska och kemiska egenskaper hos råmaterial kan leda till ökad kostnad och energiåtgång för hela raffineringsprocessen. Det finns dock en potential att göra hela processen mer hållbar genom att kombinera förbehandling av råvaran med ett pyrolysbaserat raffinaderi. I avhandlingen så behandlas inledningsvis pyrolys av torv. Resultaten visar att det finns en potential att kunna omvandla torv till bränslen genom att använda pyrolysprocessen. Därefter behandlar avhandlingen tång, vilken är en biomassa med ett högt askinnehåll. Tre raffineringsprocesser designades och simulerades baserat på pyrolysprocessen. Resultaten visar att det är nödvändigt att använda tvättning av tången som en förbehandling innan pyrolyssteget. Införandet av denna förbehandling kan minska den direkta energiförbrukningen för hela processen från 1485.8 till 1121.0 MJ vid behandling av ett ton torr tång från stränder. Dessutom visar resultaten från en efterföljande livscykelanalys (LCA) att denna kombination av en tvättning som förbehandling följt av pyrolys av ett ton torr tång från stränder med en efterföljande elproduktion leder till den minsta ackumulerade energiåtgången (CED) med ett värde av -2.98 GJ. Dessutom så är värdet på den globala uppvärmningspotentialen inom en hundraårsperiod (GWP100) -790.89 kg CO2eq, vilket är lägre i jämförelse med de andra scenarierna fokuserade på en produktion av flytande biobränslen och syntetiska gaser. Produkten från en anaerobisk nedbrytning (AD) kräver en lämplig behandling. Den tredje delen av avhandlingen är fokuserad på att jämföra resultat från pyrolys av den organiska andelen kommunalt fast avfall (OFMSW) och den resulterade nedbrutna produkten. Resultaten visar att en anaerobisk nedbrytning kan minska den aktiveringsenergin för pyrolys hos OFMSW. På grund av det högre askinnehållet hos den nedbrutna produkten så blev även utbytet av biokol högre i jämförelse med OFMSW. Däremot blev utbytet av bioolja och gas högre för OFMSW än för den nedbrutna produkten vid en pyrolytisk behandling. Det är svårt att minska fuktinnehållet i den nedbrutna produkten genom användning av traditionella mekaniska avvattningstekniker, på grund av materialets hydrofila egenskaper. Resultaten visar att användandet av en förbehandling kombinerat med en hydrotermisk förkolning (HTC) och en mekanisk avvattning har en potential att kunna förbättra den pyrolytiska raffineringen av den nedbrutna produkten. I avhandlings sista del studerades påverkan av HTC på kinetiken och termodynamiken vid pyrolys av nedbrutet avfall från jordbruk (AWD). Resultaten visar att förbehandling genom HTC kan minska den pyrolytiska aktiveringsenergin hos AWD från 182.91 - 274.43 kJ/mol till 144.59 - 205.20 kJ/mol. Utöver detta arbete så utfördes laboratorieförsök, processimuleringar och livscykelanalyser fokuserat på kinetiska beräkningar. Vid processimuleringarna och livscykelanalys designades fyra olika scenarion fokuserade på raffinering av AWD, genom användande av olika kombinationer av HTC och avvattningstekniker. Resultaten visar att de olika valen av förbehandlingsprocesser kan ha olika positiva påverkningar vid raffinering av AWD beroende på vad den önskade produkten är. En användning av både HTC och en mekanisk avvattning som förbehandling baserat på en pyrolys vid 650℃ resulterade i det lägsta CED värdet, vilket motsvarade 10.26 GJ vid en behandling av ett ton av AWD. Den lägsta emissionen av koldioxidekvivalenter motsvarande ett värde på -843.28 kg erhölls vid användande av en 650℃ pyrolystemperatur och endast en avvattningsprocess som förbehandling vid pyrolys av 1 ton torrt AWD material. Nyckelord: pyrolys, anaerobisk nedbrytning, hydrotermisk förkolning, raffinering, biomassa, avfall, kinetik, LC