Modelling of the pyrolysis of biomass particles. Studies on kinetics, thermal and heat transfer effects

Authors

  • C. A. Koufopanos,

    1. Department of Chemical Engineering, National Technical University of Athens, 9, Heroon Polytechniou St., 15773 Zografou, Athens, Greece
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  • N. Papayannakos,

    Corresponding author
    1. Department of Chemical Engineering, National Technical University of Athens, 9, Heroon Polytechniou St., 15773 Zografou, Athens, Greece
    • Department of Chemical Engineering, National Technical University of Athens, 9, Heroon Polytechniou St., 15773 Zografou, Athens, Greece
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  • G. Maschio,

    1. Institute of Industrial Chemistry, University of Messina, 98100 Messina, Italy
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  • A. Lucchesi

    1. Department of Chemical Engineering, University of Pisa, 56100 Pisa, Italy
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Abstract

The present work provides a rationally-based model to describe the pyrolysis of a single solid particle of biomass. As the phenomena governing the pyrolysis of a biomass particle are both chemical (primary and secondary reactions) and physical (mainly heat transfer phenomena), the presented model couples heat transport with chemical kinetics. The thermal properties included in the model are considered to be linear functions of temperature and conversion, and have been estimated from literature data or by fitting the model with experimental data. The heat of reaction has been found to be represented by two values: one endothermic, which prevails at low conversions and the other exothermic, which prevails at high conversions. Pyrolysis phenomena have been simulated by a scheme consisting of two parallel reactions and a third reaction for the secondary interactions between charcoal and volatiles. The model predictions are in agreement with experimental data regarding temperature and mass-loss histories of biomass particles over a wide range of pyrolysis conditions.

Abstract

On présente dans cet article un modèle s'appuyant sur des bases rationnelles pour décrire la pyrolyse d'une particule solide simple de biomasse. Considérant que les phénomènes gouvernant la pyrolyse de la particule de biomasse sont à la fois chimiques (réactions primaires et secondaires) et physiques (principalement des phénomènes de transfert de matière), le modèle présenté couple le transport de chaleur avec la cinétique chimique. Les propriétés thermiques incluses dans le modèle sont considérées comme étant des fonctions linéaires de la température et de la conversion et ont été estimées à partir de données pubiées dans la littérature ou en adaptant le modèle aux données expérimentales. On a trouvé que la chaleur de la réaction était représentée par deux valeurs: une valeur endothermique qui prédomine à de faibles conversions et une valeur exothermique qui prédomine à des conversions élevées. Les phénomènes de pyrolyse ont été simulés par un schéma comportant deux réactions parallèles et une troisième réaction pour les interactions secondaires charbon-volatils. Les prédictions du modèle montrent un bon accord avec les données expérimentales sur la temperature et l'histoire de la perte massique des particules de biomasse pour une vaste gamme de conditions de pyrolyse.

Ancillary