Thermogravimetric analysis and modeling of pyrolysis of macroscopic wood particles

• Main Author: PERSNIA, YOSRA
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE) 2016
• Subjects: Biomass; gasification; renewable energy; thermogravimetric analysis; mathematical modeling
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-190841

The knowledge of kinetics of pyrolysis is important. It is also challenging to find parameters for kinetic which can be applied at different sizes of biomass. Many researchers have been investigating the pyrolysis behavior of wood powders due to heat and mass transfer limitations. They have also been focusing on determining the effects of feedstock characterization, residence time, gas environment, heating rate and the final temperature as well as the arrangement of the pyrolysis reactor and modeling of the kinetics. This project presents a qualitative understanding of the pyrolysis process based on data from slow heating rates. Samples of spruce chips at different masses, namely 4 mg, 200 mg, 500 mg and 800 mg and also 4 mg powder have been used in experiments with thermogravimetric analysis to understand the mass loss behavior. Furthermore, kinetic parameters for biomass are taken from literature and have been used in modeling to understand to which extent these parameters are different for different particle sizes. The kinetic model that is chosen to investigate in this project is where each component of biomass shows different characteristics during the thermal decomposition. The experimental results on wood chips at different sample masses show same behavior for all of them and there is no heat and mass transfer limitations. The results from experiments on powders shows different behavior than for chips at the end of the mass loss curve only. This means less char is produced for powders than it is for the chips. The results from modeling show that kinetic parameters such as activation energy and the prefactor are the same for both powders and chips. The only parameter that is different is the pre-determined char yield for hemicellulose second reaction. The kinetic model and the kinetic parameters used in this report are in good agreement to the experimental results. The model used, where each component show different behavior during its thermal decomposition and the final products are volatiles and char is a reliable model to describe the mass loss behavior of biomass. The difference in the experimental results between powders and chips can be explained by the modeling. It can be stated that the difference is in the char yield from thermal decomposition of hemicellulose.   === Kunskap om kinetiken för pyrolysprocessen är viktig. Det är även en utmaning att finna parametrar för kinetiken som kan tillämpas till olika massor och storlekar av biomassa. Många forskare har undersökt pyrolys beteenden på bara träpulver på grund av värme- och massöverföring begränsningar. De har också fokuserat på att undersöka effekterna av råvara karakterisering, uppehållstid, gasmiljö, uppvärmningshastighet och den slutliga temperaturen samt arrangemanget av pyrolysreaktorn och modellering av kinetiken. I detta projekt presenteras en kvalitativ förståelse av pyrolysprocessen baserad på data från långsamma uppvärmningshastigheter. Prover av granflis vid olika massor; 4 mg, 200 mg, 500 mg och 800 mg och även 4 mg pulver har använts i experimenten med thermogravimetric analys för att förstå massförlust uppträdandet. Dessutom har kinetiska parametrar för biomassa tagits från litteratur och har använts i modelleringen för att förstå i vilken utsträckning dessa parametrar skiljer sig åt för pulver och flis. Den kinetiska modellen som har valts att undersökas i detta projekt är den där varje komponent av biomassa visar separata och olika egenskaper under termisk nedbrytning. De experimentella resultat på flis vid olika provmassorna uppvisar samma beteende för dem alla och det finns ingen värme- och massöverföringsbegränsningar. Resultaten från experiment på pulver visar annorluna beteende än för träflis endast i slutet av massförlust kurvan. Detta innebär att mindre kol produceras för pulver än vad det gör för flis. Resultaten från modelleringen visar att kinetiska parametrar såsom aktiveringsenergin och prefactor är densamma för båda pulver och flis. Den enda parameter som skiljer sig är den förutbestämda utbytet av kol för hemicellulosa’s andra reaktion. Den kinetiska modellen och kinetiska parametrar som används i denna rapport är i god överensstämmelse med de experimentella resultaten. Denna modell som används, där varje komponent visar enskilt beteende under dess termisk nedbrytning och slutprodukterna är bara gaser och kol, är en pålitlig modell för att beskriva beteendet för massförlust av biomassa. Skillnaden i de experimentella resultaten mellan pulver och flis kan förklaras av modelleringen. Det kan konstateras att skillnaden är i kol utbytet från sönderdelningen av hemicellulosa.