ประสิทธิภาพและกลไกของตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนชนิดต่าง ๆ ต่อการลดการเกิดน้ำมันดินจากชีวมวล
คำสำคัญ:
ชีวมวล, น้ำมันดิน, ตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอน, โครงสร้างรูพรุน, แร่ธาตุ AAEMบทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ศึกษาประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอน 3 ชนิด ได้แก่ ถ่านไม้ชีวภาพที่เตรียมด้วยกระบวนการเชิงพาณิชย์ (CB char) ถ่านชีวภาพจากกระบวนการไพโรไลซิสของไม้ยูคาลิปตัส (EW char) และกากของแข็งที่เหลือจากกระบวนการสกัดฟางข้าวด้วยตัวทำละลาย (RS residue) และผลของอุณหภูมิ (600-800 องศาเซลเซียส) ต่อการสลายตัวของแนฟทาลีน ซึ่งใช้เป็นตัวแทนของน้ำมันดินจากชีวมวล เทียบกับกรณีที่ไม่เติมตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งพบว่า กรณีที่ไม่เติมตัวเร่งปฏิกิริยา แนฟทาลีนสามารถแปรสภาพได้เพียงร้อยละ 25 ที่ 800 องศาเซลเซียส การเติมตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้แนฟทาลีนแปรสภาพเพิ่มขึ้น โดย CB char มีประสิทธิภาพในการแปรสภาพแนฟทาลีนสูงที่สุดถึงร้อยละ 72 ที่ 800 องศาเซลเซียส เนื่องจากสมบัติทางกายภาพของ CB char ที่มีโครงสร้างรูพรุนค่อนข้างใหญ่ รองลงมาคือ EW char ส่วน RS residue มีประสิทธิภาพต่ำที่สุด จากการวิเคราะห์สมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยา พบว่า โครงสร้างรูพรุนมีผลต่อประสิทธิภาพในการแปรสภาพแนฟทาลีนมากกว่าแร่ธาตุบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ในทุกกรณี อุณหภูมิยังคงเป็นปัจจัยที่ส่งผลอย่างมากต่อการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา โลหะอัลคาไลน์และอัลคาไลน์เอิร์ธ (AAEM) ได้แก่ โพแทสเซียม (K) และแคลเซียม (Ca) บนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้เกิดการสลายตัวของแนฟทาลีนได้มากขึ้น ในขณะที่ซิลิกอน (Si) ยับยั้งผลของ AAEM โดยการสร้างสารประกอบอัลคาไลน์ซิลิเกต
References
Wang, G., Xu, S. Wang, C., Zhang, J. and Fang, Z., 2017, “Desulfurization and Tar Reforming of Biogenous Syngas over Ni/Olivine in a Decoupled Dual Loop Gasifier,” International Journal of Hydrogen Energy, 42 (23), pp. 15471-15478.
Shen, Y., Wang, J., Ge, X. and Chen, M., 2016, “By-products Recycling for Syngas Cleanup in Biomass Pyrolysis - An Overview,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 59, pp. 1264-1268.
Yung, M.M., Jablonski, W.S. and Magrini-Bair, K.A., 2009, “Review of Catalytic Conditioning of Biomass-Derived Syngas,” Energy & Fuels, 23, pp. 1874-1887.
Schmidt, S., Giesa, S., Drochner, A. and Vogel, H., 2011, “Catalytic Tar Removal from Bio-Syngas - Catalyst Development and Kinetic Studies,” Catalysis Today, 175 (1), pp. 442-229.
Xiao, X., Liu, J., Gao, A., Zhouya, M., Liu, B., Gao, M., Zhang, X., Lu, Q. and Dong, C., 2018, “The Performance of Nickel-Loaded Lignite Residue for Steam Reforming of Toluene as the Model Compound of Biomass Gasification Tar,” Journal of the Energy Institute, 91 (6), pp. 867-876.
Kimura, T., Miyazawa, T., Nishikawa, J., Kado, S., Okumura, K., Miyao, T., Naito, S., Kunimori, K. and Tomishige, K., 2006, “Development of Ni Catalysts for Tar Removal by Steam Gasification of Biomass,” Applied Catalysis B: Environmental, 68 (3-4), pp. 160-170.
Li, C., Hirabayashi, D. and Susuki, K., 2009, “Development of New Nickel Based Catalyst for Biomass Tar Steam Reforming Producing H2-Rich Syngas,” Fuel Processing Technology, 90 (6), pp. 790-796.
Hosokai, S., Kumabe, K., Ohshita, M., Norinaga, K., Li, C. and Hayasgi, J., 2008, “Mechanism of Decomposition of Aromatics over Charcoal and Necessary Conditions for Maintaining Its Activity,” Fuel, 87 (13-14), pp. 2914-2922.
Abu El-Rub, Z., Bramer, E.A. and Brem, G., 2008, “Experimental Comparison of Biomass Chars with other Catalysts for Tar Reduction,” Fuel, 87, pp. 2243-2252.
Min, Z., Yimsiri, P., Asadullah, M., Zhang, S. and Li, C-Z., 2011, “Catalytic Reforming of Tar During Gasification. Part II. Char as a Catalyst or as a Catalyst Support for Tar Reforming,” Fuel, 90 (7), pp. 2545-2552.
Song, Y., Wang, Y., Hu, X., Xiang, J., Song, H., Mourant, D., Li, T., Wu, L. and Li, C-Z., 2015, “Effects of Volatile-char Interactions on In-situ Destruction of Nascent Tar during the Pyrolysis and Gasification of Biomass. Part II. Roles of Steam,” Fuel, 143, pp. 555-562.
Mani, S., Kastner, J.R. and Juneja, A., 2013, “Catalytic Decomposition of Toluene Using a Biomass Derived Catalyst,” Fuel Processing Technology, 114, pp. 118-125.
Laurendeau, N., 1978, “Heterogeneous Kinetics of Coal Char Gasification and Combustion,” Progress in Energy and Combustion Science, 4, pp. 221-270.
Buentello-Montoya, D., Zhang, X., Li, J., Ranade, V., Marques, S. and Geron, M., 2020, “Performance of Biochar as a Catalyst for Tar Steam Reforming: Effect of the Porous Structure,” Applied Energy, 259, 114176.
Sun, H., Feng, D., Zhang, Y., Sun, S., Zhao, Y. and Zhang, F., 2022, “Roles of AAEM in Catalytic Reforming of Biomass Pyrolysis Tar and Coke Accumulation Characteristics over Biochar Surface for H2 Production,” International Journal of Hydrogen Energy, 47 (68), pp. 29207-29218
Nzihou, A., Stanmore, B. and Sharrock, P., 2013, “A Review of Catalysts for the Gasification of Biomass Char, with Some Reference to Coal,” Energy, 58 (1), pp. 305-317.
Tripathi, M., Shu, J.N. and Ganesan, P., 2016, “Effect of Process Parameters on Production of Biochar from Biomass Waste through Pyrolysis: A Review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 55, pp. 467-481.
Li, S., Harris, S., Anandhi, A. and Chen, G., 2019, “Predicting Biochar Properties and Functions Based on Feedstock and Pyrolysis Temperature: A Review and Data Syntheses,” Journal of Cleaner Production, 215, pp. 890-902.
Griffith, D. and Mainhood, J., 1967, “Cracking of Tar Vapour and Aromatic Compounds on Activated Carbon,” Fuel, 46, pp. 167-176.
Coll, R., Salvadó, J., Farriol, X. and Montané, D., 2001, “Steam Reforming Model Compounds of Biomass Gasification Tars: Conversion at Different Operating Conditions and Tendency towards Coke Formation,” Fuel, 74 (1), pp. 19-31.
Xu, C., Donald, J., Byambajav, E. and Ohtsuka, Y., 2010, “Recent Advances in Catalyst for Hot-Gas Removal of Tar and NH3 from Biomass Gasification,” Fuel, 89 (8), pp. 1784-1795.
Jadsadajerm, S., Muangthong-on, T., Wannapeera, J., Ohgaki, H., Miura, K. and Worasuwannarak, N., 2018, “Degradative Solvent Extraction of Biomass Using Petroleum Based Solvents,” Bioresource Technology, 260, pp. 169-176.
Zhang, Y., Luo, Y., Wu, W., Zhao, S. and Long, Y., 2014, “Heterogeneous Cracking Reaction of Tar over Biomass Char, Using Naphthalene as Model Biomass Tar,” Energy & Fuels, 28 (5), pp. 3129-3137.
Jess, A., 1996, “Mechanisms and Kinetics of Thermal Reactions of Aromatic Hydrocarbons from Pyrolysis of Solid Fuels,” Fuel, 75 (12), pp. 1441-1448.
Guerrero, M., Ruiz, M.P., Millera, A., Alzueta, M.U. and Bilbao, R., 2008, “Characterization of Biomass Chars Formed under Different Devolatilization Conditions: Difference between Rice Husk and Eucalyptus,” Energy & Fuels, 22 (2), pp. 1275-1284.
Korus, A., Samson, A., Szlęk, A., Katelbach-Woźniak, A. and Sładek, S., 2017, “Pyrolytic Toluene Conversion to Benzene and Coke over Activated Carbon in a Fixed-Bed Reactor,” Fuel, 207, pp. 283-292.
Okuno, T., Sonoyama, N., Hayashi, J., Li, C.Z., Sathe, C. and Chiba, T., 2005, “Primary Release of Alkali and Alkali Earth Metallic Species during the Pyrolysis of Pulverized Biomass,” Energy & Fuels, 19 (5), pp. 2164-2171.
Nestler, F., Buehenna, L., Amtenbrink, M.J. and Aicher, T., 2016, “Catalytic Decomposition of Biomass Tars: The Impact of Wood Char Surface Characteristics on the Catalytic Performance for Naphthalene Removal,” Fuel Processing Technology, 145, pp. 31-41.
Jensen, P.A., Frandsen, F.J., Dam-Johansen, K. and Sander, B., 2000, “Experimental Investigation of the Transformation and Release to Gas Phase of Potassium and Chlorine during Straw Pyrolysis,” Energy & fuels, 14, pp. 1280-1285.
Steenari, B-M., Lundberg, A., Petterson, H., Wilewska-Bien, M. and Andersson, D., 2009, “Investigation of Ash Sintering during Combustion of Agricultural Residues and the Effect of Additives,” Energy & Fuels, 23, pp. 5655-5662.
Klinghoffer, N.B., Castaldi, M.J. and Nzihou, A., 2015, “Influence of Char Composition and Inorganics on Catalytic Activity of Char from Biomass Gasification,” Fuel, 157, pp. 37-47.
Gilbert, P., Ryu, C., Sharifi, V. and Swithenback, J., 2009, “Tar Reduction in Pyrolysis Vapours from Biomass over a Hot Char Bed,” Bioresource Technology, 100 (23), pp. 6045-6051.
Hayashi, J.I., Iwatsuki, M., Morishita, K., Tsutsumi, A., Li, C.Z. and Chiba, T., 2002, “Roles of Inherent Metallic Species in Secondary Reactions of Tar and Char during Rapid Pyrolysis of Brown Coals in a Drop-Tube Reactor,” Fuel, 81 (15), pp. 1977-1987.
Wang, F.J., Zhang, S., Chen, Z.D., Liu, C. and Wang, Y.G., 2014, “Tar Reforming Using Char as Catalyst during Pyrolysis and Gasification of Shengli Brown Coal,” Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 105, pp. 269-275.
Dupont, C., Nocquet, T., Da Costa Jr., J.A. and Verne-Tournon, C., 2011, “Kinetic Modelling of Steam Gasification of Various Woody Biomass Chars: Influence of Inorganic Elements,” Bioresource Technology, 102 (20), pp. 9743-9748.
Downloads
เผยแพร่แล้ว
How to Cite
ฉบับ
บท
License
Copyright (c) 2023 มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
เนื้อหาของบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science and Engineering Connect ในทุกรูปแบบ รวมถึงข้อความ สมการ สูตร ตาราง ภาพ ตลอดจนภาพประกอบในรูปแบบอื่นใด เป็นลิขสิทธิ์ของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี การนำเนื้อหา ไม่ว่าจะในรูปแบบใด ของบทความไปใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ ต้องได้รับอนุญาตจากบรรณาธิการวารสารอย่างเป็นลายลักษณ์อักษรก่อนเท่านั้น
