An approach to fast pyrolysis-oils as diesel additive

Larsen Priem
Onderzoek naar de productie van pyrolyse olie uit bamboe. De innovatie van een snelle pyrolyse reactor voor dit onderzoek. Het onderzoek is gericht op de toepassing van FPO in scheepsdieselmotoren

VAN PANDALUNCH TOT SCHEEPSBRANDSTOF - Bamboe-houtolie als dieselvervanger

Dagelijks stromen duizenden containers uit alle hoeken van de wereld onze havens binnen, aan boord van schepen die ze aan duizend kilometer per dag vervoeren. Die schepen worden aangedreven door de grootste dieselmotoren op deze aardbol en verbruiken brandstof aan een hels tempo – tot honderden tonnen zware stookolie per dag en per schip.

Toch is dit de dag van vandaag de meest efficiënte en, hoe vreemd het ook mag klinken, de meest milieuvriendelijke vorm van intercontinentaal transport.

Maar die scheepvaart verliest stilaan terrein. Één van de grootste problemen is de aanwezigheid van zwaveldioxide in de uitlaatgassen. Dat gas wordt gevormd als bijproduct bij de verbranding van de scheepsbrandstof in de motor. Het is een van de belangrijkste bronnen van zure regen en veroorzaakt ademhalingsproblemen bij de mens. Nu, omdat de raffinage van ruwe olie tot diesel, benzine en kerosine steeds beter en efficiënter gebeurt, blijft er in het restproduct steeds meer zwavel over. En laat dat nu net de zware stookolie zijn waar deze reuzen op varen. De uitstoot van zwavel is zo één van de meest prangende milieuproblemen waar de scheepvaart tegen aankijkt.

Niet dat de maritieme wereld bij de containers blijft neerzitten. Jaar na jaar verscherpen de milieuregels, ook op zee. Tegen 2020 mogen we ons verwachten aan strenge restricties op zwavel in scheepsbrandstof. Het scrubben (wassen) van uitlaatgassen verplaatst alleen het probleem: want we zijn dan wel van de vervuilende gassen af, maar wat doen we vervolgens met het vervuilde waswater? Daarnaast wordt die ruwe olie van langsom schaarser… en tijd dus voor een radicaal alternatief.

Toekomstmuziek uit een donker-zwart verleden

We zoeken dus een brandstof die kan worden verbrand in de moderne scheepsmotoren, die liefst vloeibaar en zwavelarm is, die zo weinig mogelijk schade aanricht in het milieu en die niet té licht ontvlambaar blijkt te zijn. Deze waslijst lijkt een puzzel zonder oplossing. Nochtans leven we op hoop. Al eeuwen maken mensen houtskool uit bamboe. Bamboe groeit ongelofelijk snel, zodat de geoogste stengels vlot bijgroeien. Kweekt men die bamboe op een veld, om er houtskool uit te halen, dan is dat een CO2- en zwavel neutraal product.

Bovendien is het bamboe-houtskoolproces in de handen van heel wat capabele ingenieurs geëvolueerd tot een techniek die we snelle pyrolyse noemen. Dit is een vorm van thermisch kraken bij temperaturen boven de 500°C. Passen we dit toe bij bamboesnippers, dan levert dat nieuwe producten op. Houtskool, gas en een olieachtige substantie worden uit dit proces gewonnen. En het is vooral deze laatste fractie (Fast Pyrolysis Oil, FPO, of snelle pyrolyse olie) die erg interessant is als brandstof. De benodigde hitte voor het proces kan daarbij geleverd worden uit de verbranding van de andere producten, het houtskool en het gas. De reactor verwarmen met groene stroom van zonnepanelen en windmolens, kan het proces nog interessanter maken.

Brandstof tot nadenken

De oliefractie van een pyrolyse-proces is een cocktail met een enorme verscheidenheid aan stoffen en verbindingen. Het bevat grote hoeveelheden organische verbindingen zoals: ketonen, aldehyden, esters en aromatische alcoholen. De olie is een donker, kleverig, geurig goedje dat amper vloeibaar is op kamertemperatuur. Onder normale omstandigheden wordt het beschouwd als niet ontvlambaar omdat het nog veel water bevat. In vergelijking met gewone diesel is de energieopbrengst voor hetzelfde gewicht maar de helft, maar door de hogere dichtheid is de opbrengst, uitgedrukt per kubieke meter, wel al 70%! FPO, heeft veel potentieel. Het kan zuiver gebruikt worden of verder opgewaardeerd worden via goed bekende raffinagetechnieken en met additieven (zoals bio-methanol). En al is FPO niet mengbaar met conventionele brandstoffen (of toch niet zonder dure additieven), het product is perfect mengbaar met plantaardige biodiesel.

Pyrolyse-olie is jammer genoeg geen perfect alternatief voor zware stookolie. De brandstof zelf ontbrandt enkel onder zeer extreme omstandigheden (bij hoge temperatuur en druk), en is daardoor niet geschikt voor een gemiddelde dieselmotor. Waar de olie echter wel kan worden ingezet, zijn de hele grote scheepsmotoren. Deze motoren draaien op zware stookolie, wat ze ook zeer geschikt maakt voor de verbranding van deze nieuwe olie. Zeker de nieuwste generatie van volledig computergestuurde scheepsmotoren, kan (mits enkele aanpassingen) probleemloos worden afgesteld om op houtolie te lopen. Daarbij moet dan wel een zogenoemde getrapte injectie aan te pas komen. Hierbij start de verbranding met lichtere brandstof (bv: koolzaad-biodiesel) en wordt de verbranding door de computersturing automatisch verdergezet met inspuiting van FPO.

Maar dit is niet het enige probleem. Om een 8.000 TEU (20 voetcontainer) schip een jaar lang te laten reizen tussen India en Antwerpen kost het ons de opbrengst van ongeveer 4000 hectare aan landbouwgrond (waarop voor 80% bamboe en voor, 20% koolzaad wordt verbouwd). Bovendien kost FPO ettelijke malen meer dan de huidige brandstoffen en er is geen bestaande productiecapaciteit. Ook is er het ethisch dilemma om landbouwgrond te gebruiken voor brandstofproductie i.p.v. voedingsgewassen. En ook al speelt dit voor bamboe niet zo'n grote rol omdat de plant minder eisen stelt aan bodem, mag dit toch niet vergeten worden. Het grootste probleem ligt nog steeds bij de uitstoot van de dieselmotor: die is schadelijk voor de menselijke gezondheid.

Besluit

Pyrolyse-olie uit gekweekte bamboe maakt in de maritieme sector mogelijk om de bestaande conventionele scheepsmotoren te blijven gebruiken zonder nog langer afhankelijk te zijn van aardolie.  Het is een zwavelarme, CO2-neutrale brandstof waardoor er geen bijkomende broeikasgassen of afvalstoffen ontstaan bij de productie.  Het is echter nog steeds een brandstof en zal bij (onbehandelde) verbranding luchtvervuiling in de hand werken. FPO kan opgewaardeerd worden maar dit brengt extra kosten mee.

En dat brengt ons bij een riedeltje dat we wel vaker horen in de milieutechnologie: iedere oplossing zorgt zelf weer voor nieuwe problemen en uitdagingen.

Bibliografie

Babu, B., & Chaurasia, A. (2003). Modeling for pyrolysis of solid particle: kinetics and heat transfer effects. Energy Convers Manage, 2251–2275.

Baglioni, P., Chiaramonti, D., Bonini, M., Soldaini, I., & Tondi, G. (2001). Bio-Crude-Oil/Diesel oil emulsification: main achievements of the emulsification process and preliminary results of tests on Diesel engine. Progress in Thermochemical Biomass Conversion (pp. 1525-1539). Oxford, UK: Blackwell Science.

Baxter, L. L., Jenkins, B. M., & Winter, F. (1995). Baseline Nox emissions during combustion of wood-derived pyrolysis oils. Sandia National Laboratories.

Bjornstad, E. (2014). Diesel Cetane Improver: Busting Myths. Retrieved May 20, 2017, from https://www.bellperformance.com/bell-performs-blog/diesel-cetane-improv…

Bjornstad, E. (2014). Diesel fuel lubricity trends for fleet and business. Retrieved May 19, 2017, from https://www.bellperformance.com/bell-performs-blog/topic/fleet/page/2

Bridgwater, A. V., & G.V.C. Peacocke (2000). Fast pyrolysis processes for biomass. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 4(1), 1-73.

Bridgwater, A. V., & Meier, D., Radlein, D. (1999). An overview of fast pyrolysis of biomass. Organic Geochemistry, 30, 1479-1493.

Briens, C., Piskorz, J., & Berruti, F. (2008). Biomass valorization for fuel and chemicals production- a review. International Journal of Chemical Reactor Engineering, 6, 1.

Cambustion (2017). Exhaust Gas Recirculation (EGR) and NOx measurement. Retrieved May 10, 2017, from http://www.cambustion.com/products/egr

Chiaramonti, D., Bonini, M., Fratini, E., Tondi, G., Gartner, K., Bridgwater, A. V., Grimm, H. P., ... Baglioni, P. (2003). Development of emulsions from biomass pyrolysis liquid and diesel, Part 1 Emulsion production, Part 2 Tests in diesel engines. Biomass Bioenergy, Part 1: 85 - 99 Part 2: 101 - 111.

Chiaramonti, D., Oasmaa, A., & Solantausta, Y. (2007). Power generation using fast pyrolysis liquid from biomass. Renewable&Sustainable EnergyReviews, 11, 1056–1086.

Chidumayo, E. N., & Gumbo, D. (2012). The environmental impacts of charcoal production in tropical ecosystems of the world: a synthesis. Energy for Sustainable Development , 17(2), 8694.

Clarck, J. (2015). Cracking Alkanes. Retrieved May 18, 2017, from http://www.chemguide.co.uk/organicprops/alkanes/cracking.html

Clark, L. (2005). Bamboo Biodiversity. Retrieved May 2, 2017, from http://www.eeob.iastate.edu/research/bamboo/index.html

Clark, L. (2012). Bamboo Evolution. 9th World Bamboo Congress Belgium, 1-70.

Clayton, G., Turkington, K., Harker, N., O’Donovan, J. O., & Johnston, A. (2000). High Yielding Canola. Better Crops, 84(1), 26-27.

Czernik, S., & Bridgwater, A. V. (2004). Overview of Applications of Biomass Fast Pyrolysis Oil. Energy & Fuels, 18, 590-598.

Dagkinis, I., & Nikitakos, N. (2015). Slow steaming options investigation using multi criteria decision analysis method. ECONSHIP 2015 Chios Greece.

Dan-Bunkering (2017). CCAI. Retrieved May 23, 2017, from http://dan-bunkering.com/Pages/Solutions/Tools-and-specs/Tools/Tool-cca…

de Jauregui, R. (2017). How to Grow Bamboo in the Desert. Retrieved May 5, 2017, from https://www.hunker.com/12002956/how-to-grow-bamboo-in-the-desert

de la Puente, G., Gil, A., Pis, J. J., & Grange, P. (n.d.). Effects of support surface chemistry in hydrodeoxygenation reactions over CoMo/activated carbon sulfided catalysts.. Langmuir, 15(5800–5806), 5800–5806.

de Wild, P.J. (2015). Pyrolysis of Bamboo Vulgaris for fuels chemicals and energy. ECN.

Demirbas, A. (2007). The influence of temperature on the yields of compounds existing in bio-oils obtained from biomass samples via pyrolysis. Fuel Proc Technol, 88, 591-597.

Demirbas, A. (2010). Competitive liquid biofuels from biomass. Applied Energy, 88(1), 17-28.

Diebold, J. P., Milne, T. A., Czernik, S., Oasmaa, A., Bridgwater, A. V., Cuevas, A., ... & Piskorz, J. (1997). Proposed specifications for various grades of pyrolysis oils. In Developments in thermochemical biomass conversion, 433-447. Springer Netherlands.

EMIS (2015). Cyclone. Retrieved May 26, 2017, from https://emis.vito.be/en/techniekfiche/cyclone

Exxonmobile (2017). Marine fuel oil ISO 8217:2012. Retrieved May 20, 2017, from https://www.exxonmobil.com/marine/~/media/files/global/us/marine/produc…

French, R., & Czernik, S. (2010). Catalytic pyrolysis of biomass for biofuels production. Fuel Processing Technology, 91, 25 - 32.

Fu, M., Yang, X., & Jiang, S. (2007). Technical manual on utilization of sympodial bamboos. China Forestry Publishing House.

G.W. Hubert, A. Corma (2007). Synergies between bio- and oil refineries for the production of fuels from biomass. ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION, 46, 7184–7201.

Garcia-Perez, M., Shen, J., Wang, X. S., & Li, C. Z. (2010). Production and fuel properties of fast pyrolysis oil/bio-diesel blends. Fuel Processing Technology, 91(3), 296-305.

Gust, S. (2004). A New Competitive Liquid Biofuel for Heating. ENK5-CT-2002-00690, Project N°: NNE5-CT-2001-00604..

IMO (2014). Ships face lower sulphur fuel requirements in emission control areas from 1 January 2015. Retrieved http://www.imo.org/en/mediacentre/pressbriefings/pages/44-eca-sulphur.a…, from http://www.imo.org/en/mediacentre/pressbriefings/pages/44-eca-sulphur.a…

IMO (2017). Sulphur oxides (SOx) – Regulation 14. Retrieved April 29, 2017, from http://www.imo.org/en/OurWork/Environment/PollutionPrevention/AirPollut…

Kumar, A., & Sastry, C. B. (1999). Non-wood Forest Products and Income Generation. Unasylva, 50(198), 3.

Lanka IOC, P.L.C. (2017). Specifications for marine fuel. Retrieved May 16, 2017, from http://www.lankaioc.com/products/

Leech, J. (1997, April). Running a dual fuel engine on pyrolysis oil. In Proc. Int. Conf. Gasification and Pyrolysis of Biomass, Stuttgart, 9-11.

Lehto, J., Oasmaa, A., Solantausta, Y., Kyto, M., & Chiaramonti, D. (2013). Fuel oil quality and combustion of fast pyrolysis bio-oils. VTT Technology, 87, 79.

Li, X., Sun, C., Zhou, B., & He, Y. (2015). Determination of hemicellulose, cellulose and lignin in moso bamboo by near infrared spectroscopy. Scientific reports, 5, 17210.

Mahzuz, H. M. A., Ahmed, M., Dutta, J., & Rose, R. H. (2013). Determination of several properties of a bamboo of Bangladesh. Journal of Civil Engineering Research, 3(1), 16-21.

Meier, D., Gerdes, C., Korte, A. -., & El Bassam, N. (1999). Modern Biofuels From Bamboo: Bio-Oil, Charcoal and Gas! Temperate Bamboo Quarterly, 4(1), 12-18.

Messerli, B., & Winiger, M. (1992). Climate, environmental change, and resources of the African mountains from the Mediterranean to the equator. Mountain Research and Development, 315-336.

Mfame, T. ( 2015). Piston Ring Damage and Liner Wear Due to High Cat-fines. Retrieved May 22, 2017, from http://mfame.guru/piston-ring-damage-and-liner-wear-due-to-high-cat-fin…

MMD, E. I. B. (2017). What is TEU? Twenty feet equivalent unit. Retrieved May 25, 2017, from http://marinenotes.blogspot.be/2012/06/what-is-teu-twenty-foot-equivale…

Oasmaa, A., & Czernik, S. (1999). Fuel oil quality of biomass pyrolysis oils state of the art for the end users. Energy & Fuels, 13(4), 914-921.

Oasmaa, A., Källi, A., Lindfors, C., Elliott, D. C., Springer, D., Peacocke, C., & Chiaramonti, D. (2012). Guidelines for transportation, handling, and use of fast pyrolysis bio-oil. 1. Flammability and toxicity. Energy & Fuels, 26(6), 3864-3873.

Oasmaa, A., Kytö, M., & Sipilä, K. (2001). Pyrolysis oil combustion tests in an industrial boiler. Progress in thermochemical biomass conversion, 1468-1481.

Oasmaa, A., Peacocke, C., Gust, S., Meier, D., & McLellan, R. (2005). Norms and standards for pyrolysis liquids. End-user requirements and specifications. Energy & Fuels, 19(5), 2155-2163.

Ormrod, D., & Webster, A. (2000). Progress in utilization of bio-oil in diesel engines. PyNe Newsletter, 10(15), 86-91.

Potters, G., Brems, A., Valcke, R., Dewil, R., D’Haese, L., Samson, R., & Gielis, J. (2009). Energy crops in Western Europe: Is bamboo an acceptable alternative. In 8th World Bamboo Congress, 22-24)

Potters, G. (2012). Bamboe. Armemensenhout of godengeschenk. MeNS, 83, 32.

 

Rozich, A., & Gaudy Jr, A. (1992). Design and operation of activated sludge processes using respirometry. CRC Press.

Scheller, H. V., & Ulvskov, P. (2010). Annual Review of Plant Biology. Hemicelluloses, 61, 263-289.

Schröder, S. (2011). Comparing Mechanical Properties of Bamboo: Guadua vs Moso. Retrieved May 1, 2017, from https://www.guaduabamboo.com/guadua/comparing-mechanical-properties-of-…

Schröder, S. (2014). Bamboo Identification Guide. Retrieved April 22, 2017, from https://www.guaduabamboo.com/identification/types-of-bamboo-rhizomes

Schutte, F. (2010). Bamboe kweken. De teelt van bamboe (pp. 10-12). BE: Oikebana.

Searates, L. (2017). Rates Search Engine. Retrieved May 25, 2017, from https://www.searates.com/

SEBI (2017). Bamboo for integrated rural development. Ministry of Environment and Forests India, 1-15.

Semple, S., Devakumar, D., Fullerton, D. G., Thorne, P. S., Metwali, N., Costello, A., ... & Ayres, J. G. (2010). Airborne endotoxin concentrations in homes burning biomass fuel. Environmental health perspectives, 988-991.

Shaddix, C. R., & Hardesty, D. R. (1999). Combustion properties of biomass flash pyrolysis oils. USA: Sandia National Laboratory, 71.

Shakir (1996). n/a. n/a. Quoted by El Bassam (1998) in Energy Plant Species as Figure 3.9

Shihadeh, A. L. (1999). Rural electrification from local resources: biomass pyrolysis oil combustion in a direct injection diesel engine (Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology).

Solantausta, Y., Nylund, N. O., & Gust, S. (1994). Use of pyrolysis oil in a test diesel engine to study the feasibility of a diesel power plant concept. Biomass and Bioenergy, 7(1-6), 297-306.

Solantausta, Y., Nylund, N. O., Westerholm, M., Koljonen, T., & Oasmaa, A. (1993). Wood-pyrolysis oil as fuel in a diesel-power plant. Bioresource Technology, 46(1-2), 177-188.

STEAUA, S.A., S.C. RAFINĂRIA ROMÂNĂ (2007). MARINE FUEL OIL type DMA (MGO). Retrieved May 18, 2017, from http://www.steauaromana.ro/prod/COMBMARDMA_en.pdf

Suppes, G. J., Natarajan, V. P., & Chen, Z. (1996). Autoignition of select oxygenate fuels in a simulated diesel engine environment. American Institute of Chemical Engineers.

Tunde, A. M., Adeleke, E. A., & Adeniyi, E. E. (2013). Impact of charcoal production on the sustainable development of Asa Local Government Area, Kwara State, Nigeria. African Research Review, 7(2), 1-15.

Tzanetakis, T., Farra, N., Moloodi, S., Lamont, W., McGrath, A., & Thomson, M. J. (2010). Spray combustion characteristics and gaseous emissions of a wood derived fast pyrolysis liquid-ethanol blend in a pilot stabilized swirl burner. Energy & Fuels, 24(10), 5331-5348.

USDA (2017). Species Profiles Golden Bamboo. Retrieved May 5, 2017, from https://www.invasivespeciesinfo.gov/plants/goldenbamboo.shtml

Van Goethem, D. (2014). Growth and ecophysiological characterisation of the bamboo Phyllostachys humilis Muroi in a plantation in Ireland (Doctoral dissertation, Universiteit Antwerpen (Belgium)).

Vilches, T. B., Marinkovic, J., Seemann, M., Thunman, H., & Berdugo Vilches Marinkovic, Jelena, Seemann, Martin, Thunman, Henrik (2016). Comparing Active Bed Materials in a Dual Fluidized Bed Biomass Gasifier: Olivine, Bauxite, Quartz-Sand, and Ilmenite. Energy Fuels, 4848–4857.

Wildschut, J., Mahfud, F. H., Venderbosch, R. H., & Heeres, H. J. (2009). Hydrotreatment of fast pyrolysis oil using heterogeneous noble-metal catalysts. Industrial & Engineering Chemistry Research, 48(23), 10324-10334.

Wysocki, W. P., Clark, L. G., Attigala, L., Ruiz-Sanchez, E., & Duvall, M. R. (2015). Evolution of the bamboos (Bambusoideae; Poaceae): a full plastome phylogenomic analysis. BMC evolutionary biology, 15(1)

 

Universiteit of Hogeschool
Professionele Bachelor Scheepswerktuigkunde
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
Dr. Geert Potters
Kernwoorden
Share this on: