Published March 1, 2023 | Version v1
Publication Metadata-only

Microwave-assisted pyrolysis of pine sawdust: Process modelling, performance optimization and economic evaluation for bioenergy recovery

Creators

  • 1. Chinhoyi University of Technology

Description

This study aims at optimizing the process conditions to extract maximum yields of bio-oil from pine sawdust using microwave-assisted pyrolysis (MAP). Aspen Plus® V11 was used to model the thermochemical conversion of pine sawdust to pyrolysis products, and response surface methodology (RSM) based on a central composite design (CCD) was employed in the optimization of the process parameters. The mutual effects of pyrolysis temperature and reactor pressure on the product distribution were investigated. The findings have shown that the optimal operating conditions for producing the highest amount of bio-oil (65.8 wt%) were achieved at 550 °C and 1 atm. The product distribution of the simulated model was more significantly influenced by linear and quadratic terms of the reaction temperature. In addition, a high determination coefficient (R2 = 0.9883) was obtained for the developed quadratic model. A set of three published experimental results acquired under circumstances comparable to the simulations' operating limitations were used to further validate the simulation results. The process's economic viability was assessed in order to establish the bio-oil minimum selling price (MSP). A MSP of $1.14/L of liquid bio-oil was evaluated. An economic sensitivity analysis has shown that the annual fuel yield, required rate of return, annual income tax, annual operating costs and initial capital investment have a substantial impact on the MSP of bio-oil. It was inferred that using the optimized process parameters may improve the process' competitiveness on an industrial scale due to its better product yields and improved sustainability in biorefineries, as well as assure waste reduction.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تهدف هذه الدراسة إلى تحسين ظروف العملية لاستخراج أقصى غلة من الزيت الحيوي من نشارة الصنوبر باستخدام التحلل الحراري بمساعدة الميكروويف (MAP). تم استخدام Aspen Plus® V11 لنمذجة التحويل الكيميائي الحراري لنشارة الصنوبر إلى منتجات الانحلال الحراري، وتم استخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) بناءً على تصميم مركب مركزي (CCD) في تحسين معلمات العملية. تم التحقيق في الآثار المتبادلة لدرجة حرارة الانحلال الحراري وضغط المفاعل على توزيع المنتج. أظهرت النتائج أن ظروف التشغيل المثلى لإنتاج أكبر كمية من النفط الحيوي (65.8 ٪ بالوزن) قد تحققت عند 550 درجة مئوية و 1 ضغط جوي. تأثر توزيع المنتج للنموذج المحاكى بشكل أكبر بالحدود الخطية والتربيعية لدرجة حرارة التفاعل. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على معامل تحديد مرتفع (R2 = 0.9883) للنموذج التربيعي المطور. تم استخدام مجموعة من ثلاث نتائج تجريبية منشورة تم الحصول عليها في ظل ظروف مماثلة لقيود تشغيل المحاكاة لمزيد من التحقق من صحة نتائج المحاكاة. تم تقييم الجدوى الاقتصادية للعملية من أجل تحديد الحد الأدنى لسعر بيع النفط الحيوي. تم تقييم متوسط ربحية قدرها 1.14 دولار/لتر من الزيت الحيوي السائل. أظهر تحليل الحساسية الاقتصادية أن عائد الوقود السنوي، ومعدل العائد المطلوب، وضريبة الدخل السنوية، وتكاليف التشغيل السنوية والاستثمار الرأسمالي الأولي لها تأثير كبير على MSP للنفط الحيوي. تم الاستدلال على أن استخدام معلمات العملية المحسنة قد يحسن القدرة التنافسية للعملية على نطاق صناعي بسبب إنتاجية المنتج الأفضل والاستدامة المحسنة في المصافي الحيوية، فضلاً عن ضمان الحد من النفايات.

Translated Description (French)

Cette étude vise à optimiser les conditions de procédé pour extraire les rendements maximaux en bio-huile de la sciure de pin par pyrolyse assistée par micro-ondes (MAP). Aspen Plus® V11 a été utilisé pour modéliser la conversion thermochimique de la sciure de pin en produits de pyrolyse, et une méthodologie de surface de réponse (RSM) basée sur une conception composite centrale (CCD) a été utilisée dans l'optimisation des paramètres du processus. Les effets mutuels de la température de pyrolyse et de la pression du réacteur sur la distribution du produit ont été étudiés. Les résultats ont montré que les conditions de fonctionnement optimales pour produire la plus grande quantité de bio-huile (65,8 % en poids) ont été atteintes à 550 °C et 1 atm. La distribution des produits du modèle simulé a été plus significativement influencée par les termes linéaires et quadratiques de la température de réaction. De plus, un coefficient de détermination élevé (R2 = 0,9883) a été obtenu pour le modèle quadratique développé. Un ensemble de trois résultats expérimentaux publiés acquis dans des circonstances comparables aux limites de fonctionnement des simulations a été utilisé pour valider davantage les résultats de la simulation. La viabilité économique du processus a été évaluée afin d'établir le prix de vente minimum de la bio-huile (MSP). Une PMS de 1,14 $ / L de bio-huile liquide a été évaluée. Une analyse de sensibilité économique a montré que le rendement annuel du carburant, le taux de rendement requis, l'impôt annuel sur le revenu, les coûts d'exploitation annuels et l'investissement initial en capital ont un impact substantiel sur le MSP de la bio-huile. Il a été déduit que l'utilisation des paramètres de processus optimisés peut améliorer la compétitivité du processus à l'échelle industrielle en raison de ses meilleurs rendements de produits et de sa durabilité améliorée dans les bioraffineries, ainsi que pour assurer la réduction des déchets.

Translated Description (Spanish)

Este estudio tiene como objetivo optimizar las condiciones del proceso para extraer los máximos rendimientos de bioaceite del aserrín de pino mediante pirólisis asistida por microondas (MAP). Se utilizó Aspen Plus® v11 para modelar la conversión termoquímica del aserrín de pino en productos de pirólisis, y se empleó la metodología de superficie de respuesta (RSM) basada en un diseño compuesto central (CCD) en la optimización de los parámetros del proceso. Se investigaron los efectos mutuos de la temperatura de pirólisis y la presión del reactor en la distribución del producto. Los hallazgos han demostrado que las condiciones operativas óptimas para producir la mayor cantidad de bioaceite (65,8% en peso) se lograron a 550 °C y 1 atm. La distribución del producto del modelo simulado estuvo más significativamente influenciada por términos lineales y cuadráticos de la temperatura de reacción. Además, se obtuvo un alto coeficiente de determinación (R2 = 0.9883) para el modelo cuadrático desarrollado. Se utilizó un conjunto de tres resultados experimentales publicados adquiridos en circunstancias comparables a las limitaciones operativas de las simulaciones para validar aún más los resultados de la simulación. Se evaluó la viabilidad económica del proceso para establecer el precio mínimo de venta (MSP) del bioaceite. Se evaluó un MSP de $ 1.14/L de bioaceite líquido. Un análisis de sensibilidad económica ha demostrado que el rendimiento anual del combustible, la tasa de rendimiento requerida, el impuesto sobre la renta anual, los costos operativos anuales y la inversión de capital inicial tienen un impacto sustancial en el MSP del biopetróleo. Se infirió que el uso de los parámetros de proceso optimizados puede mejorar la competitividad del proceso a escala industrial debido a sus mejores rendimientos de producto y una mejor sostenibilidad en las biorrefinerías, así como asegurar la reducción de residuos.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التحلل الحراري لنشارة الصنوبر بمساعدة الميكروويف: نمذجة العملية وتحسين الأداء والتقييم الاقتصادي لاستعادة الطاقة الحيوية
Translated title (French)
Pyrolyse assistée par micro-ondes de la sciure de pin : modélisation de processus, optimisation des performances et évaluation économique pour la récupération de bioénergie
Translated title (Spanish)
Pirólisis asistida por microondas de aserrín de pino: modelado de procesos, optimización del rendimiento y evaluación económica para la recuperación de bioenergía

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4327918777
DOI
10.1016/j.heliyon.2023.e14688

Is supplement to
https://openalex.org/W1992533167 (Other)
https://openalex.org/W2019804673 (Other)
https://openalex.org/W2106098739 (Other)
https://openalex.org/W2165622072 (Other)
https://openalex.org/W1983047026 (Other)
https://openalex.org/W4235421818 (Other)
https://openalex.org/W4388007654 (Other)
https://openalex.org/W2388589497 (Other)
https://openalex.org/W2088432381 (Other)
https://openalex.org/W2517932663 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Zimbabwe

References

  • https://openalex.org/W424484751
  • https://openalex.org/W948013345
  • https://openalex.org/W966218678
  • https://openalex.org/W1498159274
  • https://openalex.org/W1965430505
  • https://openalex.org/W1972709689
  • https://openalex.org/W1987313726
  • https://openalex.org/W2027867363
  • https://openalex.org/W2028141085
  • https://openalex.org/W2032813423
  • https://openalex.org/W2039051942
  • https://openalex.org/W2057226252
  • https://openalex.org/W2086718572
  • https://openalex.org/W2086727503
  • https://openalex.org/W2089540641
  • https://openalex.org/W2097747352
  • https://openalex.org/W2140596222
  • https://openalex.org/W2178640296
  • https://openalex.org/W2225755105
  • https://openalex.org/W2305939090
  • https://openalex.org/W2480302639
  • https://openalex.org/W2519854023
  • https://openalex.org/W2568450935
  • https://openalex.org/W2576906533
  • https://openalex.org/W2751525884
  • https://openalex.org/W2752469926
  • https://openalex.org/W2789793387
  • https://openalex.org/W2797062236
  • https://openalex.org/W2913772812
  • https://openalex.org/W2921343505
  • https://openalex.org/W2922653868
  • https://openalex.org/W2931831644
  • https://openalex.org/W2956196392
  • https://openalex.org/W2968107639
  • https://openalex.org/W2970221482
  • https://openalex.org/W2970657442
  • https://openalex.org/W3004087349
  • https://openalex.org/W3044286570
  • https://openalex.org/W3089914472
  • https://openalex.org/W3150702579
  • https://openalex.org/W3167407374
  • https://openalex.org/W4200043604
  • https://openalex.org/W4205141283
  • https://openalex.org/W4213166843
  • https://openalex.org/W4233852873
  • https://openalex.org/W4242538754
  • https://openalex.org/W4289528909
  • https://openalex.org/W4311041991
  • https://openalex.org/W4316362324