Roles of CO2 in carbon-negative syngas production from pyrolysis of cellulosic biomass (oat hull)

Abstract

The biological conversion of biomass into chemicals and biofuels is environmentally beneficial. Nevertheless, it is critical to minimize the inevitable carbon loss by microbial metabolisms such as respiration and cell reproduction. Pyrolysis has gained considerable attention because it enables to utilize all carbons in biomass as the form of syngas, biocrude, and biochar. In this study, oat hull (OH), one of the by-products generated during cereal processing, was selected as a model biomass. To impart the sustainability of pyrolysis process, carbon dioxide (CO2) was used as a partial oxidant. CO2 participated in homogeneous gas-phase reactions (HGRs) with volatile matters (VMs) derived from OH pyrolysis, resulting in the enhanced formation of carbon monoxide (CO). However, the HGRs induced by CO2 are evident only above 550 °C. To expedite the reaction kinetics of CO2, pyrolysis experiment was carried out in a reactor system equipped with external heating at 700 °C and loaded with Ni/Al2O3 catalysts (0.5, 2.0, and 5.0 wt% Ni). The use of Ni catalyst during OH pyrolysis enhanced the thermal cracking of the VMs into lighter molecular volatiles, accelerating the HGRs with CO2 under improved mass transfer. The production of CO-rich syngas increased proportionally to the Ni loading on the catalysts. Therefore, this study highlights mechanistic insights into the roles of CO2 in facilitating CO-rich syngas production, with enhancing carbon utilization efficiency during the OH pyrolysis.

바이오매스를 화학물질과 바이오연료로 생물학적으로 전환하는 것은 환경적으로 유익함에도 불구하고, 호흡과 세포 번식과 같은 미생물 대사로 인한 불가피한 탄소 손실을 최소화하는 것이 중요함. 열분해는 바이오매스의 모든 탄소를 합성가스, 바이오크루드, 바이오차의 형태로 활용할 수 있기 때문에 상당한 주목을 받고 있음. 본 연구에서는 시리얼 가공 중 발생하는 부산물 중 하나인 귀리 껍질(OH)을 모델 바이오매스로 선정하였고, 열분해 공정의 지속 가능성을 높이기 위해 이산화탄소(CO2)를 부분 산화제로 사용함. CO2는 OH 열분해에서 유래한 휘발성 물질(VM)을 포함한 균질 기체상 반응(HGR)에 참여하여 일산화탄소(CO)의 형성을 강화함. 그러나 CO2에 의해 유도된 HGR은 550°C 이상에서만 뚜렷하게 나타남. CO2의 반응 동역학을 가속화하기 위해 700°C의 외부 가열이 장착된 반응기 시스템에서 Ni/Al2O3 촉매(0.5, 2.0, 5.0 중량% Ni)를 탑재하여 열분해 실험을 수행함. OH 열분해 중 Ni 촉매를 사용하면 VM이 가벼운 분자 휘발성 물질로 열분해되어 질량 전달이 개선된 상태에서 CO2를 가진 HGR을 가속화할 수 있음. 촉매에 Ni가 첨가됨에 따라 CO가 풍부한 합성가스의 생산이 증가함. 따라서 본 연구는 OH 열분해 중 탄소 활용 효율을 높이는 등 CO가 풍부한 합성가스 생산을 촉진하는 데 있어 CO2의 역할에 대한 기계적 인사이트를 강조함.