A kinetic model of thermochemical conversion of biomass

ABSTRACT Biomass is promising as renewable resource, comprising a broad range of different types of biomaterials, such as wood, forest and agricultural residues, waste from wood and food industry, algae, energy grasses, straw, bagasse and sewage sludge. These materials are widely available and many of them are residues from different economic activities, generating costs for disposal and sometimes even environmental issues. Harvesting these materials is a possible solution for substitution of fossil fuels and residues treatment, The thermochemical route of biomass conversion is promising. By providing heat to the feedstock, it releases its volatile matter giving multiple products, depending on the feedstock and the operating conditions. The yield of these products can be enhanced by selecting the proper technologies. This conversion path is a very complex multicomponent, multiphase, and multiscale problem. Because of its complexity, modeling this process is still a challenge, but consists an essential step to better understand the aspects involved and provide tools to the design of improved reactors. A predictive and comprehensive model for both characterization and chemical kinetics of biomass thermochemical conversion was developed. Figure 1 schematically presents and summarize the workflow: the characterization step, the kinetic mechanisms involved in all the processes, and the results obtained through the simulations. The model proposes some innovative and interesting features: • Comprehensiveness – Can be applied for a wide range of feedstock composition, covering both lignocellulosic and algae biomass; • Flexibility – Can be further improved in order to account for new experimental evidences; • Predictiveness – The models were developed and validated for many feedstocks in several different conditions. In this way, no experimental data is needed to perform the simulations. All the information needed are the characteristics of your feedstock and the operating conditions. When experimental data is available, the user can choose whether to use it or rely on the model predictions; • Compatibility – All the models proposed are compatible with each other. From characterization to the kinetic mechanisms, the same species are present; • Species – The reference components and the products released are defined with a combination of real and lumped species; • Kinetic mechanisms – A combination of semi-detailed and detailed kinetic mechanisms are present for the different facets of the problem. They are proposed in a CHEMKIN-like format, allowing an easy application for other users; • Computational cost – As a result of the simplification degree adopted in this model, it is quite efficient for more complex simulations, involving particle and reactor scales. Despite these simplifications, the model generates a great level of details. To the author’s knowledge, this is the only model in the literature that covers all these steps of biomass thermochemical conversion in a single formulation, being able to simulate the majority of processes currently available. The model is a useful tool to the development of optimized reactor designs for improving industrial processes efficiency. Besides providing reliable predictions in many cases, uncertainties still exist due to the level of simplification adopted in the selection of reference species and the definition of the reactions. The model could be further improved in the future by considering the catalytic effect of each metal present in the ashes, the intra-component interactions, the effect of the polymerization and branching degrees, among others. The detailed sub-mechanism developed for biochar oxidation/gasification can be applied for char from coal, requiring a few considerations: Characterization of sulfur and nitrogen functional groups, C/H/O functional groups absent in biochar and develop their respective detailed mechanism of oxidation; Porosity profile and evolution during pyrolysis char from coal; Adapt the coal pyrolysis mechanism to the new detailed mechanism of heterogeneous reactions.

La biomassa è promettente come risorsa rinnovabile, comprendente una vasta gamma di diversi tipi di biomateriali, come legno, foreste e residui agricoli, rifiuti da legno e industria alimentare, alghe, erbe energetiche, paglia, bagassa e fanghi di depurazione. Questi materiali sono ampiamente disponibili e molti di essi sono residui di diverse attività economiche, che generano costi per lo smaltimento e talvolta anche problemi ambientali. La raccolta di questi materiali è una possibile soluzione per la sostituzione del trattamento con combustibili fossili e residui, La via termochimica della conversione della biomassa è promettente. Fornendo calore alla materia prima, rilascia la sua materia volatile dando più prodotti, a seconda della materia prima e delle condizioni operative. La resa di questi prodotti può essere migliorata selezionando le tecnologie appropriate. Questo percorso di conversione è un problema multicomponente, multifase e multiscala molto complesso. A causa della sua complessità, modellare questo processo è ancora una sfida, ma consiste in un passo essenziale per comprendere meglio gli aspetti coinvolti e fornire strumenti per la progettazione di reattori migliorati. È stato sviluppato un modello predittivo e completo per la caratterizzazione e la cinetica chimica della conversione termochimica della biomassa. La figura 1 mostra e riassume schematicamente il flusso di lavoro: la fase di caratterizzazione, i meccanismi cinetici coinvolti in tutti i processi ei risultati ottenuti attraverso le simulazioni. Il modello propone alcune caratteristiche innovative e interessanti: • Comprensibilità - Può essere applicato a un'ampia gamma di materie prime, che coprono sia la biomassa lignocellulosica che quella algale; • Flessibilità - Può essere ulteriormente migliorata per tenere conto di nuove evidenze sperimentali; • Predittività: i modelli sono stati sviluppati e convalidati per molte materie prime in diverse condizioni. In questo modo, non sono necessari dati sperimentali per eseguire le simulazioni. Tutte le informazioni necessarie sono le caratteristiche della tua materia prima e le condizioni operative. Quando sono disponibili dati sperimentali, l'utente può scegliere se utilizzarlo o basarsi sulle previsioni del modello; • Compatibilità: tutti i modelli proposti sono compatibili tra loro. Dalla caratterizzazione ai meccanismi cinetici, sono presenti le stesse specie; • Specie: i componenti di riferimento e i prodotti rilasciati sono definiti con una combinazione di specie reali e concentrate; • Meccanismi cinetici - Una combinazione di meccanismi cinetici semi-dettagliati e dettagliati sono presenti per le diverse sfaccettature del problema. Sono proposti in un formato simile a CHEMKIN, consentendo una facile applicazione per altri utenti; • Costo computazionale - Come risultato del grado di semplificazione adottato in questo modello, è abbastanza efficiente per simulazioni più complesse, che coinvolgono scale di particelle e reattori. Nonostante queste semplificazioni, il modello genera un grande livello di dettagli. A conoscenza dell'autore, questo è l'unico modello in letteratura che copre tutte queste fasi della conversione termochimica della biomassa in un'unica formulazione, essendo in grado di simulare la maggior parte dei processi attualmente disponibili. Il modello è uno strumento utile per lo sviluppo di progetti di reattori ottimizzati per migliorare l'efficienza dei processi industriali. Oltre a fornire previsioni attendibili in molti casi, permangono incertezze a causa del livello di semplificazione adottato nella selezione delle specie di riferimento e nella definizione delle reazioni. Il modello potrebbe essere ulteriormente migliorato in futuro considerando l'effetto catalitico di ciascun metallo presente nelle ceneri, le interazioni intra-componente, l'effetto dei gradi di polimerizzazione e ramificazione, tra gli altri. Il sottomodulo dettagliato sviluppato per l'ossidazione / gassificazione del biochar può essere applicato per carbone dal carbone, richiedendo alcune considerazioni: Caratterizzazione di gruppi funzionali di zolfo e azoto, gruppi funzionali C / H / O assenti in biochar e sviluppo del loro rispettivo meccanismo dettagliato di ossidazione ; Profilo di porosità ed evoluzione durante la pirolisi del carbone; Adattare il meccanismo di pirolisi del carbone al nuovo meccanismo dettagliato di reazioni eterogenee.