A theoretical and experimental study of biomass pyrolysis products

Modeling of pyrolysis process is highly important in controlling the desired products and avoid hazardous emissions. Depending on the pyrolysis temperature, different products is achieved, among which aromatic compounds and soot are dangerous for human health. For an accurate modeling, different physical and chemical phenomena should be considered at different scales, from molecular into reactor scale. Therefore, detailed reaction schemes should be coupled with heat and mass transport equations to simulate pyrolysis of a woody particle. As soon as volatiles leave the particle, they are imposed to high temperatures inside the reactor. This changes the composition of released compounds depending on the reactor temperature. This alteration include conversion of phenolic tars into aromatic compounds like benzene, toluene, xylene and naphthalene. Moreover, other tarry compounds like alcohols and carbonyls are cracked into permanent gases. Even at higher temperatures, nucleation and agglomeration of PAHs form soot. In the context of this work, Layer model is used for the purpose of modeling the detailed reaction scheme as well as transport equations in a woody particle. The released products are 18 species including three phenolics, six permanent gases, one furan, and nine alcohol and carbonyl compounds. Temperature evolution inside the particle during pyrolysis time, as well as mass loss is investigated and compared with experimental values. In order to model successive gas phase reactions in reactor, a new detailed kinetic scheme is developed. This mechanism has the capability of predicting the formation of PAH and complex aromatics. Therefore, decomposition and conversion of released volatiles from the previous step is analyzed and compared to experimental values from single particle laboratory reactor. Three different temperatures are used for the pyrolysis and secondary gas phase reactions. It is shown that at lower temperatures, released volatiles from woody particle remain almost unchanged during the gas phase reactions, while by increasing the temperature tar cracking releases more permanent gases like CO and CO2. Moreover, phenolic compounds will be changed to BTX and PAH groups. Although an exact consistency between experimental and simulated values are not achieved for each aromatic molecules, but by dividing them into phenolics, BTX and PAH families total yield of each group is well predicted. Thus, it can be interpreted that lumping the same species is a reasonable choice for reducing the size of reaction mechanism without losing the accuracy in the results.

Modellare il processo di pirolisi è molto importante per ottenere i prodotti desiderati e per evitare pericolose emissioni. In base alla temperatura di pirolisi, vengono ottenuti diversi prodotti, tra i quali composti aromatici e particolati, dannosi per la salute umana. Al fine di ottenere un modello accurato, diversi fenomeni fisici e chimici devono essere considerati, a diverse scale, da quella molecolare, fino a livello dell’intero reattore. Per simulare la pirolisi di una particella legnosa, schemi di reazione dettagliati devono essere accoppiati a bilanci energetici ed equazioni di trasporto di massa. Non appena i componenti volatili lasciano la particella, sono esposti alle alte temperature presenti all’interno del reattore. Questo provoca cambiamenti nella composizione dei prodotti liberati, che dipendono dalla temperatura del reattore. Queste alterazioni includono la conversione di catrame fenolico in composti aromatici, come benzene, toluene, xilene e naftalene, mentre altri componenti catramosi, come alcool e carbonili, sono ridotti a gas permanenti. Anche a temperature maggiori, la nucleazione e agglomerazione di IPA formano particolati. Nel contesto di questo lavoro, il Layer model è usato con lo scopo di modellare il dettagliato schema di reazione e le equazioni del trasporto in una particella legnosa. I prodotti di reazione constano di diciotto specie, tra le quali tre fenoli, sei gas permanenti, un furano e otto alcol e carbonili. L’andamento della temperatura all’interno della particella e la corrispondente perdita di massa sono studiate in funzione del tempo durante la pirolisi e confrontate con risultati sperimentali. Al fine di modellare le successive reazioni in fase gas all’interno del reattore, si è sviluppato un nuovo e dettagliato schema cinetico. Questo meccanismo è in grado di predire la formazione di IPA (PAH) e aromatici complessi. Pertanto, decomposizione e conversione dei componenti volatili rilasciati dal passo precedente sono analizzate e confrontate con risultati sperimentali, provenienti da reattori di laboratorio a particella singola. Per le reazioni di pirolisi, nonché quelle secondarie in fase gassosa, si sono considerate differenti temperature. Si è dimostrato che alle temperature più basse, i componenti volatili liberati dalla particella legnosa rimangono pressoché invariati durante le reazioni in fase di gas, mentre incrementando la temperatura il cracking del catrame rilascia altri gas permanenti, come CO e CO2. Inoltre, i componenti fenolici sono convertiti in gruppi BTX e IPA. Nonostante non si sia raggiunta esatta corrispondenza fra i risultati sperimentali e quelli simulati per ogni specie aromatica, dividendo le specie in famiglie di fenoli, BTX e IPA, le rese complessive di ciascun gruppo son ben pronosticate. Si può quindi concludere che raggruppare le specie in famiglie rappresenta una scelta ragionevole al fine di ridurre la dimensione del meccanismo di reazione, senza tuttavia ridurre l’accuratezza dei risultati finali.