Development of pyrolysis process models for the production of lignin based phenols using Aspen Plus®
Date
2017-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: Lignin is an abundant organic solid waste presently produced in the form of black
liquors from the paper and pulp industry, and is expected to be produced from
lignocellulose biorefineries via chemical/biochemical processes for implementation in
the sugar industry in fore sable future. Unlike various other organic wastes, lignin is
made of chemical compounds called phenols, which have a relatively high market
values (i.e. US$1500 – 12 000 per tonne), and can be produced from lignin residues by
pyrolysis.
In order to determine the techno economics of extracting phenols from lignin, this
robust catalytic pyrolysis of lignin Aspen Plus® models were developed in this study..
Four scenarios were developed and results of the models were compared against each
other to determine the most economically viable process of producing phenols from
lignin. Scenarios 1 and 2 were about producing a crude phenolic mixture called
creosote via catalytic pyrolysis of lignin, whilst scenarios 3 and 4 were about producing
phenolic fractions from the lignin via catalytic pyrolysis and fractional distillation.
Scenarios 1 and 3 used a relatively cheap catalyst sodium hydroxide, whilst scenarios
2 and 4 use relatively expensive catalyst zeolite.
The technical performance analysis showed that scenarios 1 and 2 performed better,
as they were found to be energy self-sufficient as the energy generated in combustion
of char was able to meet the energy demands of the plants. Unlike scenarios 1 and 2,
scenario 3 and 4 were found to need imported energy so as to meet the energy
demands of the plants. The economic analysis showed that scenario 3 and 4 had the
highest IRR values of 19.27% and 18.23% respectively. Production of crude phenolic
solution (creosote) had generated the lowest IRR where scenarios 1 and 2 had IRR
values of 1.10% and 2.07% respectively. Both scenario 3 and 4 showed it was more
economically viable to produce phenolic fractions from lignin but is was found to be
economically feasible to produce a phenolic mixture using a cheap catalyst as
evidenced by the IRR of scenario 3. Production of phenolic fractions from pyrolysis of
lignin using a catalyst of high market value (i.e. scenario 3) was economically viable but it was lower than scenario 3 which generated additional sales revenue through
selling the by-product sodium oxide. The environmental impact analysis (CO2
emissions) showed that all four scenarios emitted less CO2 than fossil based phenols
(4.5 kg CO2 per kg phenol). Comparison of the CO2 emissions of the four scenarios
showed that scenario 4 emitted the highest CO2 emissions (2.72 kg CO2 per kg phenol)
whilst scenario 1 was found to emit the least CO2 emissions (1.80 kg CO2 per kg
phenol). Thus it can be concluded that production of phenolic fractions from lignin was
preferred economically viable route but the yields of the phenolic compounds have to
increase above the current 1wt % of lignin so as to increase the productivity of the
phenolic fractions that will in turn increase the IRR thus attracting more investment.
AFRIKAANS OPSOMMING: Lignien is 'n oorvloedige organiese vaste afval wat tans geproduseer word in die vorm van swart drank van die papier en pulp nywerheid, en wat verwag word om van lignosellulose biorefineries te produseer via chemiese / biochemiese prosesse vir implementering in die suikerbedryf in die toekoms. Dit word tans verbrand in die ketels om stoom en elektrisiteit vir die papier en pulp nywerhede te genereer. Maar lignien het ook potensiaal om in chemikalieë op toegevoegde waarde omskep te word, met die doel om die ekonomiese lewensvatbaarheid van biorefineries te verbeter. In teenstelling met verskeie ander organiese afval, is lignien gemaak van chemiese verbindings genoem fenole, wat 'n relatief hoë markwaardes (dit wil sê VSA $ 1500 12 000 per ton) het, en kan geproduseer word van lignien residue deur pirolise. . Ten einde om die tegno-ekonomie van fenole vanaf lignien te bepaal, robuuste katalitiese pirolise van lignien Aspen Plus model in hierdie studie ontwikkel. Vier senario's was ontwikkel en die resultate van die modelle is vergelyk teen mekaar om die mees ekonomiese lewensvatbare proses van die vervaardiging van fenole van lignien te bepaal. Senario's 1 en 2 was oor die vervaardiging van 'n ruwe fenoliese mengsel genoem kreosoot via katalitiese pirolise van lignien, terwyl senario 3 en 4 oor die vervaardiging van fenoliese breuke van die lignien via katalitiese pirolise en fraksionele distillasie was. Senario's 1 en 3 gebruik 'n relatief goedkoop katalisator, terwyl senario 2 en 4 gebruik relatief duur katalisator zeoliet. Die tegniese prestasie analise het getoon dat senario 1 en 2 beter presteer, terwyl hulle besig was gevind om energie selfonderhoudend te wees as die energie wat in verbranding van char in staat was om die energie behoeftes van die plante te ontmoet. In teenstelling met senario's 1 en 2, senario 3 en 4 is bevind dat ingevoerde energie benodig word om die energie behoeftes van die plante te ontmoet.. Die ekonomiese aanwysers was bepaal deur kontantvloei afslag deur die bepaling van die IRR vir die vier senario's gebaseer op die markpryse van die fenoliese breuke en 'n paar ekonomiese aannames. Die ekonomiese ontleder het getoon dat senario 3 en 4 die hoogste IRR waardes van 19.27% en 18.23% onderskeidelik het. Produksie van ru fenoliese oplossing (kreosoot) het die laagste IRR waar senario 1 en 2 IRR waardes van 1.1% en 2.7% onderskeidelik gegenereer het. Beide senario 3 en 4 het getoon dat dit meer ekonomies lewensvatbaar te fenoliese breuke van lignien geproduseer het, maar dit was gevind om ekonomies lewensvatbaar te wees om 'n fenoliese mengsel te produseer met behulp van 'n goedkoop katalisator soos blyk uit die IRR van senario 3. Produksie van fenoliese breuke van pirolise van lignien met behulp van 'n katalisator van hoë markwaarde was ekonomies lewensvatbaar as dit 'n IRR van 18.23% produseer, maar dit was laer as senario 3 wat bykomende omset gegenereer het deur die verkoop van die neweproduk Natriumoksied. Die impak analise omgewing (CO2 emissies) het getoon dat al vier senario’s uitgestraal meisie CO2 as fossiel gebaseer fenole (4.5 kg CO2 per kg fenole). Vergelyking van die CO2 emissies van die vier senario’s het getoon dat senario 4 (2.72 kg CO2 per kg fenole) die hoogste CO2 uitgestraal het terwyl senario 1 (1.80 kg CO2 per kg fenole) die minste CO2 vrygestel het.So dit kan afgelei word dat die produksie van fenoliese breuke van lignien verkies was om ekonomies lewensvatbare roete maar die opbrengste van die fenoliese verbindings te verhoog bo die huidige 1wt% lignien ten einde die produktiwiteit van die fenoliese breuke wat op sy beurt die IRR sal toeneem verhoog dus lok meer beleggings.
AFRIKAANS OPSOMMING: Lignien is 'n oorvloedige organiese vaste afval wat tans geproduseer word in die vorm van swart drank van die papier en pulp nywerheid, en wat verwag word om van lignosellulose biorefineries te produseer via chemiese / biochemiese prosesse vir implementering in die suikerbedryf in die toekoms. Dit word tans verbrand in die ketels om stoom en elektrisiteit vir die papier en pulp nywerhede te genereer. Maar lignien het ook potensiaal om in chemikalieë op toegevoegde waarde omskep te word, met die doel om die ekonomiese lewensvatbaarheid van biorefineries te verbeter. In teenstelling met verskeie ander organiese afval, is lignien gemaak van chemiese verbindings genoem fenole, wat 'n relatief hoë markwaardes (dit wil sê VSA $ 1500 12 000 per ton) het, en kan geproduseer word van lignien residue deur pirolise. . Ten einde om die tegno-ekonomie van fenole vanaf lignien te bepaal, robuuste katalitiese pirolise van lignien Aspen Plus model in hierdie studie ontwikkel. Vier senario's was ontwikkel en die resultate van die modelle is vergelyk teen mekaar om die mees ekonomiese lewensvatbare proses van die vervaardiging van fenole van lignien te bepaal. Senario's 1 en 2 was oor die vervaardiging van 'n ruwe fenoliese mengsel genoem kreosoot via katalitiese pirolise van lignien, terwyl senario 3 en 4 oor die vervaardiging van fenoliese breuke van die lignien via katalitiese pirolise en fraksionele distillasie was. Senario's 1 en 3 gebruik 'n relatief goedkoop katalisator, terwyl senario 2 en 4 gebruik relatief duur katalisator zeoliet. Die tegniese prestasie analise het getoon dat senario 1 en 2 beter presteer, terwyl hulle besig was gevind om energie selfonderhoudend te wees as die energie wat in verbranding van char in staat was om die energie behoeftes van die plante te ontmoet. In teenstelling met senario's 1 en 2, senario 3 en 4 is bevind dat ingevoerde energie benodig word om die energie behoeftes van die plante te ontmoet.. Die ekonomiese aanwysers was bepaal deur kontantvloei afslag deur die bepaling van die IRR vir die vier senario's gebaseer op die markpryse van die fenoliese breuke en 'n paar ekonomiese aannames. Die ekonomiese ontleder het getoon dat senario 3 en 4 die hoogste IRR waardes van 19.27% en 18.23% onderskeidelik het. Produksie van ru fenoliese oplossing (kreosoot) het die laagste IRR waar senario 1 en 2 IRR waardes van 1.1% en 2.7% onderskeidelik gegenereer het. Beide senario 3 en 4 het getoon dat dit meer ekonomies lewensvatbaar te fenoliese breuke van lignien geproduseer het, maar dit was gevind om ekonomies lewensvatbaar te wees om 'n fenoliese mengsel te produseer met behulp van 'n goedkoop katalisator soos blyk uit die IRR van senario 3. Produksie van fenoliese breuke van pirolise van lignien met behulp van 'n katalisator van hoë markwaarde was ekonomies lewensvatbaar as dit 'n IRR van 18.23% produseer, maar dit was laer as senario 3 wat bykomende omset gegenereer het deur die verkoop van die neweproduk Natriumoksied. Die impak analise omgewing (CO2 emissies) het getoon dat al vier senario’s uitgestraal meisie CO2 as fossiel gebaseer fenole (4.5 kg CO2 per kg fenole). Vergelyking van die CO2 emissies van die vier senario’s het getoon dat senario 4 (2.72 kg CO2 per kg fenole) die hoogste CO2 uitgestraal het terwyl senario 1 (1.80 kg CO2 per kg fenole) die minste CO2 vrygestel het.So dit kan afgelei word dat die produksie van fenoliese breuke van lignien verkies was om ekonomies lewensvatbare roete maar die opbrengste van die fenoliese verbindings te verhoog bo die huidige 1wt% lignien ten einde die produktiwiteit van die fenoliese breuke wat op sy beurt die IRR sal toeneem verhoog dus lok meer beleggings.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Lignin, Pyrolysis, Bio-phenols, Techno-economics, Recycling (Waste, etc.) -- Economic aspects, UCTD