Enhancing the circular economy: Resource recovery through thermochemical conversion processes of landfill waste and biomass

• Currently, the global economy looses a considerable amount of potential secondary raw materials from the disposed waste streams. Furthermore, the existing landfill sites that often do not have proper environmental protection technologies pose a long-lasting risk for the environment, which urge immediate actions for landfill remediations. At the same time, the energy recovery from waste through conventional incinerators has been criticized for its CO2 emissions. Alternatively, pyrolysis and gasification offer the potential to recover secondary resources from waste and biomass streams, which can increase the circularity of the material resources and limit the CO2 emissions.This thesis aims to realize feasible thermochemical processes to enhance the material resources' circularity by treating landfill waste and biomass. Correspondingly, fundamental studies involving experimental works and process developments through lab-scale experiments and process simulations are carried out. The thesis is written based on the results from five different studies that cover the investigation regarding the effect of waste/biomass fuel properties on the performance of the pyrolysis and gasification processes, as well as the process development and improvement of thermochemical conversion processes of waste and biomass.The first study investigates the primary fragmentation behaviour of waste fuel pellets during the pyrolysis stage of thermochemical conversion processes. This study shows that the fragmentation degree of waste pellets correlates well with their volatile matter contents. Meanwhile, there is no clear relation between the fragmentation degree and the pellets’ mechanical strength. Generally, due to the high volatile matter content from plastic, fuel pellets from waste tend to fragment into a high number of smaller particles than typical biomass or coal pellets during thermochemical processes. Hence, for some processes, improving the thermal stability of waste pellets is more relevant than improving their mechanical strength. Subsequently, the second study examines the reactivity and kinetics behaviour of waste-derived char during gasification. In general, it is found that the char reactivity is a function of the ash amount and the ratio of inorganic catalytic elements (K, Ca, Na, Mg, and Fe) to the inhibitor elements (Si, Al, and Cl). More importantly, the char gasification test results demonstrated the significance of the waste sorting processes' operating conditions on the thermal behaviour of the waste fuel, especially during the gasification process.Meanwhile, the third study investigates the syngas and tar formations resulting from different interactions between plastic and paper fractions of solid waste. The results show that the interaction between plastic and paper significantly depends on the hydrocarbon chain structures of the plastic polymer. Specifically, the interactions of aliphatic-structured plastic polymers (represented by PE) and paper cause synergistic effects that reduce the tar and increase the syngas yields. Meanwhile, the synergistic effects tend to be less evident in the case of co-gasification between paper and an aromatic hydrocarbon polymer, represented by PS. Based on the results of the previous studies, a co-gasification process of waste with biomass or biochar is proposed in the fourth study. It is found that adding biochar during the gasification of waste could significantly increase the syngas and H2 production to become higher than that of when adding biomass. Synergistic effects are observed in the form of an extensive syngas yield increment and a tar yield reduction, due to the tar reforming reactions over biochar particles. In general, both biochar and biomass additions result in a higher energy yield ratio, suggesting that it could improve the efficiency of the waste gasification.Finally, the fifth study focuses on process simulations and operational cost assessments of co-production of H2, biochar, and bio-oil from biomass. The process simulation study is carried out to evaluate different scenarios for producing biochar, bio-oil, and H2 based on a biomass pyrolysis process coupled with a steam reforming and a WGS process. Based on the calculations of the total operating cost and the potential revenue, it is found that the production of bio-oil is more economically beneficial than the production of H2. The estimated minimum selling price for biochar and bio-oil based on the operating cost alone is within the price ranges of related commodities in Sweden (i.e., charcoal, coal, coke and oil crude). Nevertheless, capital and operating costs for post-processing of bio-oil should also be considered in the future to obtain a more complete economic judgement. 

• Förnärvarande så försvinner en stor mängd sekundära råmaterial som avfall istället för att bidra till en global ekonomi. Dessutom så är de existerande avfallsdeponierna inte utrustade med teknologier för att förhindra långsiktiga risker för miljöförstöringar, vilket gör att det är av yttersta vikt att vidta åtgärder för att hantera dessa avfallsdeponier.  Samtidigt så har energiåtervinning baserat på förbränning av avfall kritiserats för den leder till ökade CO2 utsläpp. Här utgör pyrolys och förgasningsprocesser bra alternativ för att möjliggöra en återvinning av sekundära råmaterial från avfall och biomassa, vilket kan leda till en ökad cirkularitet av materialresurser och minskade CO2 emissioner.I denna avhandling diskuteras möjligheten att använda termokemiska processer för att öka cirkulationen av material baserat på utnyttjande av avfallsdeponier och biomassa. Fundamentala studier inriktade på utveckling av experimentella tekniker och processer har utförts baserat på försök I laboratorieskala och simuleringar. Avhandlingen innefattar resultat från fem olika undersökningar som behandlar studier av påverkan av bränsleegenskaperna hos avfall/biomassa på effektiviteten av pyrolys- och förgasningsprocesser samt på processutvecklingar och förbättringar av termokemiska konverteringsprocesser för avfall och biomassa.Den första undersökningen fokuserar på den primära sönderdelningen av pellets tillverkade av avfall vid pyrolyssteget av den termokemiska konverteringsprocesen.  Resultaten visar att graden av sönderdelning av pellets från avfall är starkt kopplad till innehållet av lättflyktiga ämnen. Däremot så finns ingen klar koppling mellan graden av sönderdelning och den mekaniska styrkan hos pellets. Generellt så innebär den höga andelen av lättflyktiga ämnen  i plaster att bränsle pellets tillverkade av avfall tenderar i att sönderdelas i ett stort antal små partiklar jämfört med typiska pellets tillverkade av biomassa eller kol under den termokemiska konverteringsprocessen. Därför så är det mer relevant att förbättra den termiska stabiliteten av pellets tillverkade av avfall  i jämförelse med den mekaniska stabiliteten för några processer.Den andra undersökningen fokuserar på att studera reaktiviteten och kinetiken av kol tillverkat av avfall vid förgasning. Resultaten visar att reaktiviteten hos kol är beroende av askinnehållet och kvoten mellan oorganiska katalytiska ämnen (K, Ca, Na, Mg, och Fe) och hämmande ämnen (Si, Al, och Cl). Fast av större betydelse, att förgasningen av kol visar på betydelsen av sorteringsmetodernas effektivitet på den termiska egenskapen hos bränsle tillverkat av avfall, speciellt under förgasningsprocessen.Den tredje undersökningen fokuserar på att studera bildningen av tjära och syngas som ett resultat av interaktioner mellan plast- och pappersfraktioner som finns i det fasta avfallet.  Resultaten visar att interaktionen mellan plast och papper i hög grad beror av kedjestrukturen hos kolväten i polymerer. Specifikt, så orsakar interaktionen mellan alifatiskt strukturerade polymerer (representerade av PE) och papper synergiska effekter som leder till minskade tjär- och syngasutbyten. Samtidigt så är den synergiska effekten mindre uppenbar när papper och aromatiska kolvätespolymerer, representerade av PS, förgasas tillsammans.Den fjärde undersökningen presenterar resultat från en kombinerad förgasningsprocess som använder avfall I combination med biomassa eller biotjära, baserat på resultaten i de tidigare tre studierna. Resultaten visar att om biotjära tillsätts vid förgasning av avfall så kan utbytet av syngas och H2 ökas mer än om biomassa tillsätts vid förgasning av avfall. Dessutom framkom synergiska bidrag i form av väsentlig ökning av syngasutbytet och en minskning av tjärutbytet, orsakat av tjärreaktioner som sker i biotjärpartiklarna. Generellt så visar resultaten att både tillsatser av biotjära och biomassa  leder till ett högre energiutbyte, vilket indikerar att dessa tillsatser kan öka effektiviteten vid förgasning av avfall.I den femte undersökningen användes processsimuleringar och kostnadsberäkningar för bedöma processen innefattande att samproducera H2, biokol, och bio-olja från biomassa. Simuleringarna av processen utfördes för att bestämma olika scenarios vid tillverkning av biokol, bioolja och H2 vid pyrolys av biomassa kopplat med en ångreformering och en WSG process. Baserat på beräkningar av den totala driftskostnaden och den potentiella förtjänsten så framkom att produktion av bioolja är mer fördelaktig i jämförelse med produktion av H2. Den uppskattade lägsta försäljningspriset för biokol och bioolja baserat på enbart driftskostnaden ligger inom prisintervallet för relaterade existerande produkter ( t ex träkol, kol, koks och råolja). Icke desto mindre så måste kostnader för kapital och driftskostnader relaterade till förbehandling av bioolja tas i beaktande i framtida utvärderingar för att erhålla en mer realistisk ekonomisk bedömning.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Energiteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Energy Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

gasification; pyrolysis; waste-to-energy; landfill waste; hydrogen production; circular economy; municipal solid waste

Teknisk materialvetenskap

Materials Science and Engineering

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)