Show simple item record

Modelling, simulation and analysis of the coprocessing of biomass-based feedstocks in crude oil refineries

dc.contributor.authorCruz Prieto, Pedro Luis
dc.date.accessioned2019-01-29T11:20:33Z
dc.date.available2019-01-29T11:20:33Z
dc.date.issued2018
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10115/15848
dc.descriptionTesis Doctoral leída en la Universidad Rey Juan Carlos de Madrid en 2018. Director de la Tesis: Javier Dufour Andíaes
dc.description.abstractEl agotamiento progresivo, la incertidumbre del suministro y los impactos ambientales relacionados con el uso de combustibles fósiles han llevado a un creciente interés en las fuentes de energía alternativas y renovables. En lo que respecta al sector del transporte, el uso de combustibles líquidos seguirá siendo importante a medio plazo, ya que ciertos aspectos no pueden ser cubiertos aún por el transporte eléctrico. En este sentido, los combustibles líquidos basados en la biomasa (biocombustibles) son la única alternativa actual a los combustibles fósiles que no requieren la transformación de la infraestructura existente y del parque automovilístico. Sin embargo, una de las mayores barreras de una sustitución total es la capacidad de producción necesaria, debido a la gran demanda; pero también la baja madurez de las nuevas tecnologías, su elevado capital y sus costes de operación. En este contexto, el coprocesado de materias primas derivadas de la biomasa con fuentes fósiles convencionales en las refinerías de petróleo crudo puede construir un escenario realista para reducir los impactos. Además, esto aprovecharía la infraestructura existente, facilitando una transición progresiva de las fuentes fósiles a un concepto de biorrefinería completa. Esta tesis tiene como objetivo estudiar la viabilidad de estos sistemas de coprocesado. En particular, se estudia el coprocesado del bio-oil producido en la pirólisis de biomasa lignocelulósica en unidades de craqueo catalítico en lecho fluidizado (FCC) y de hidrocraqueo (HC), y la cogasificación del char de pirólisis (coproducido con el bio-oil) con coque de petróleo. Debido a que estos sistemas no existen a escala industrial, se utilizan herramientas de modelado y simulación para representarlos y obtener datos clave para estudiar su viabilidad. Para ello, se desarrollan nuevos y propios modelos del coprocesado en las unidades mencionadas, validándose con datos experimentales e implementándose en la simulación de una refinería. Estos modelos tienen en cuenta los mecanismos de reacción, la cinética y los balances de energía, siendo adecuados para trabajar con diferentes materias primas y condiciones de operación mediante el ajuste de sus parámetros. Se diseña y simula una refinería convencional (con esquema de conversión profunda), y se definen tres casos de estudio alternativos para determinar la factibilidad de diferentes combinaciones del coprocesado. Estos casos, además, tienen en cuenta el funcionamiento de la planta de pirólisis de biomasa, la cual produce el bio-oil y el char procesados. La simulación de los procesos estudiados permite obtener datos para realizar evaluaciones tecno-económicas y del ciclo de vida, lo que ayuda a estudiar la viabilidad del coprocesado desde perspectivas técnicas, económicas y ambientales. De este modo, cuando se realiza el coprocesado, la distribución de productos cambia en comparación con el caso de la refinería convencional. El coprocesado en FCC mejora la producción de gasolina, queroseno y gases ligeros, mientras que el coprocesado en HC maximiza los gases ligeros, las fracciones de gasolina y diésel. El coprocesado de char en la cogasificación aumenta la producción de hidrógeno. Este hidrógeno se autoconsume en la refinería, obteniéndose también una producción neta en el caso de refinería convencional y el caso del coprocesado en FCC; sin embargo, cuando el coprocesado se realiza en HC, el consumo de hidrógeno aumenta y su producción no compensa el consumo, siendo necesario un aporte externo. Desde una perspectiva económica, el coprocesado implica un aumento consecuente de la inversión y de los costes de operación. Aun así, los resultados muestran que el coprocesado en hidrocraqueo mejora el beneficio de la refinería. Sin embargo, el coprocesado en FCC reduce los beneficios en comparación con el caso de la refinería convencional. A partir de la evaluación del ciclo de vida, realizada con un enfoque de la cuna a la puerta, el desempeño ambiental en el potencial de calentamiento global se ve mejorado con el coprocesado, contribuyendo a la mejora de la huella de carbono de las refinerías y de los combustibles producidos. Sin embargo, otras categorías ambientales (por ejemplo, agotamiento abiótico) se ven empeoradas, debido a las mayores instalaciones requeridas, el uso de fertilizantes para el crecimiento de la biomasa y el mayor uso y reposición de catalizadores, las cuales deberán abordarse en el futuro.es
dc.description.abstractThe progressive depletion, supply uncertainty and environmental impacts related to fossil fuels use have led to an increasing interest in alternative and renewable energy sources. Concerning transportation sector, the use of liquid fuels will remain important in a medium term since some issues cannot be covered yet by electric transport. In this sense, bio-based liquid fuels are the only current alternative to fossil ones that do not require transformation of existing infrastructure and vehicles fleet. However, one of the biggest barriers of a total substitution is the required production capacity, due to the huge demand; but also the low maturity of new systems technologies and their elevated capital and operating costs. Within this context, the coprocessing of biomass-derived feedstocks with conventional fossil sources in crude oil refineries seems to be a realistic scenario for lowering the impacts. This would take advantage of existing infrastructure, facilitating the progressive transition from fossil resources to a full biorefinery concept. This thesis aims to study the viability of these coprocessing systems. In particular, the coprocessing of bio-oil from lignocellulosic biomass pyrolysis in fluid catalytic cracking (FCC) and hydrocracking (HC) units, and the cogasification of pyrolysis char (coproduced with bio-oil) with coke are studied. Since these systems do not exist at industrial scale, modelling and simulation tools are used to represent them and to obtain key data to study their feasibility. So, new own models for the coprocessing of mentioned systems are developed, validated against experimental data and implemented within a refinery simulation. These models take into account reaction mechanisms, kinetics and energy balances, and are able to work with different feedstocks and operation conditions by tuning their key parameters. A conventional refinery (deep-conversion scheme) is designed and simulated, and three alternative case studies are defined to determine the feasibility of different combinations of coprocessing. Furthermore, these cases consider the operation of the biomass pyrolysis plant, which produces the bio-oil and the char processed. The simulation of the studied processes allows obtaining data to perform technoeconomic and life cycle assessments, which helps to study the feasibility of coprocessing from technical, economic and environmental perspectives. In this way, when coprocessing is performed, products yield distribution changes compared with the conventional refinery case. The coprocessing in FCC enhances the production of gasoline, kerosene and light gases, while the coprocessing in HC maximize light gases, gasoline and diesel fractions. The coprocessing of char in cogasification makes hydrogen production increase. This hydrogen is self-consumed in the refinery, also producing a net output in the conventional refinery case and when bio-oil is introduced in FCC; however, when coprocessing is performed in HC, hydrogen consumption increases and its production does not compensate its requirement. From an economic perspective, the coprocessing involves consequent investment and operational costs intensifications. Anyway, coprocessing in hydrocracking was found to enhance profit of the refinery. Nevertheless, the coprocessing in FCC makes benefit decrease compared to conventional refinery case. From the life cycle assessment, performed with a cradle-to-gate approach, the environmental performance on global warming potential is really improved when coprocessing, contributing to the improvement of the carbon footprint of refineries and the fuels produced within them. However, there are some concerns in other environmental categories (e.g. abiotic depletion) due to the larger facilities required, the use of fertilizers for biomass growth and higher catalysts use, that must be addressed in the future.en
dc.language.isoenges
dc.publisherUniversidad Rey Juan Carloses
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/*
dc.subjectQuímicaes
dc.titleModelling, simulation and analysis of the coprocessing of biomass-based feedstocks in crude oil refinerieses
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesises
dc.rights.accessRightsinfo:eu-repo/semantics/openAccesses
dc.subject.unesco3321.13 Diseño de Refineríases
dc.subject.unesco3321.03 Petróleo Crudoes
dc.subject.unesco3322.05 Fuentes no Convencionales de Energíaes
dc.subject.unescoCoprocessinges
dc.subject.unescobiomasses
dc.subject.unescolife cycle assessmentes
dc.subject.unescotechno-economic analysises


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 InternacionalExcept where otherwise noted, this item's license is described as Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional