vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2019-64-3-321-331vestift-456Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERКинетика пиролиза древесной биомассы в изотермических условияхKinetics of pyrolysis of wood biomass under isothermal conditionsМалькоМ. В.MalkoM. V.

Малько Михаил Владимирович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

ул. Академическая, 15, корп. 2, 220072, Минск

Mikhail V. Malko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher

15, b. 2, Academicheskaya Str., 220072, Minsk

mikhailvm@bas-net.byВасилевичС. В.VasilevichS. V.

Василевич Сергей Владимирович – кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией

ул. Академическая, 15, корп. 2, 220072, Минск

Siarhei V. Vasilevich – Ph. D. (Engineering), Assistant Professor, Head of Laboratory

15, b. 2, Academicheskaya Str., 220072, Minsk

svasilevich@yandex.ruИнститут энергетики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Power Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus201905102019643321331Copyright © Малько М.В., Василевич С.В., 20192019Малько М.В., Василевич С.В.Malko M.V., Vasilevich S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/456

Обсуждаются результаты кинетического исследования пиролиза древесной биомассы (древесина дуба обыкновенного – Quercus robur) в статических условиях при температурах 673, 773 и 873 К. В опытах образцы массой порядка 1,4 г выдерживались в нагревательной печи на протяжении некоторого промежутка времени, после чего измерялась их остаточная масса и определялась достигнутая степень разложения. Всего выполнено семь серий опытов: по две серии при температурах 673 и 873 К и три серии при температуре 773 К. Полученные результаты анализировались в рамках одностадийной химической реакции, приводящей к потере исходной массы. Установлено, что с феноменологической точки зрения пиролиз древесной биомассы в условиях опытов соответствует сигмоидальной реакционной модели Аврами–Ерофеева с показателем степени n, изменяющимся в пределах от 0,508 до 0,985. Анализ результатов первых серий опытов привел к значению энергии активации, равному 57,2 кДж/моль, и значению предэкспоненциального фактора, равному 38 с–1. Другие серии опытов дали значение энергии активации, равное 64,9 кДж/моль, и значение предэкспоненциального фактора, равное 130 с–1. Показано, что использование этих значений энергии активации и предэкспоненциального фактора приводит к согласию расчетных значений степени разложения изученных образцов биомассы с экспериментальными в интервале значений степени разложения от 0 до 1. Представленные в работе данные способствуют более полному пониманию кинетики пиролиза биомассы, что необходимо для разработки эффективного оборудования для термохимической переработки растительного сырья.

The paper discusses the results of a kinetic study of the pyrolysis of woody biomass (ordinary oak wood – Quercus robur) under static conditions at temperatures of 673, 773 and 873 K. In experiments, biomass samples weighing about 1.4 g were kept in a heating furnace for a certain period, after which their residual weight was measured and the degree of decomposition achieved was determined. A total of 7 series of experiments were performed: two series each at temperatures of 673 and 873 K and three series at a temperature of 773 K. The obtained results were analyzed in the framework of a single-stage chemical reaction (one-step global model), leading to a loss of the initial mass. It was established that from the phenomenological point of view, the pyrolysis of woody biomass under experimental conditions corresponds to the sigmoidal reaction model by Avarami–Erofeev with an exponent n ranging from 0.508 to 0.985. The use of the results of the first series of experiments led to an activation energy value of 57.2 kJ/mol and a pre-exponential factor value of 38 s–1. The other series of experiments gave an activation energy value of 64.9 kJ/mol and a preexponential factor value of 130 s–1. It is shown that the use of these values of the activation energy and the preexponential factor leads to agreement of the calculated values of the degree of decomposition of the studied biomass samples with the experimental ones in the range of values of the degree of decomposition from 0 to 1. The data presented in this work contribute to a more complete understanding of the kinetics of pyrolysis of biomass, which is necessary for the development of effective equipment for the thermochemical processing of vegetable raw materials.

пиролиздревесная биомассакинетикауравнение Аврами–Ерофеевааррениусовские параметрыpyrolysiswoody biomasskineticsAvarami–Erofeev equationArrhenius parametersReferencesTheoretical Investigations of the Effects of Isothermal and Non-isothermal Heating Conditions on the Kinetics of Biomass Particle / M.G. Sobamowo [et al.] // Am. J. Biomass and Bioenergy. – 2016. – Vol. 5, № 1. – P. 1–23. https://doi.org/10.7726/ajbb.2016.1001Sobamowo M. G., Ojolo S. J., Kehinde A. J., Osheku C. A. Theoretical Investigations of the Effects of Isothermal and Non-isothermal Heating Conditions on the Kinetics of Biomass Particle. American Journal of Biomass and Bioenergy, 2016, vol. 5, no. 1, pp. 1–23. https://doi.org/10.7726/ajbb.2016.1001Prakash, N. Kinetic Modeling in Biomass Pyrolysis – A Review / N. Prakash, T. Karunanithi // J. Appl. Sci. Res. – 2008. – Vol. 4, №12. – P. 1627–1636.Prakash N., Karunanithi T. Kinetic Modeling in Biomass Pyrolysis – A Review. Journal of Applied Sciences Research, 2008, vol. 4, no. 12, pp. 1627–1636.Weerachanchai, P. Comparison of Pyrolysis Kinetic Models for Thermogravimetric Analysis of Biomass / P. Weerachanchai, Ch. Tangsathitkulchai, M. Tangsathitkulchai // Suranaree J. Sci. Technol. – 2010. – Vol. 17, №4. – P. 387–400.Weerachanchai P., Tangsathitkulchai Ch., Tangsathitkulchai M. Comparison of Pyrolysis Kinetic Models for Thermogravimetric Analysis of Biomass. Suranaree Journal of Science and Technology, 2010, vol. 17, no. 4, pp. 387–400.Di Blasi, C. Modeling Chemical and Physical Processes of Wood and Biomass Pyrolysis / C. Di Blasi // Prog. Energy Combust. Sci. – 2008. – Vol. 34, №1. – P. 47–90. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2006.12.001Di Blasi C. Modeling Chemical and Physical Processes of Wood and Biomass Pyrolysis. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, vol. 34, no. 1, pp. 47–90. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2006.12.001Babu, B. V. Heat transfer and Kinetics in the Pyrolysis of Shrinking Biomass Particle / B.V. Babu, A.S. Chaurasia // Chem. Eng. Sci. – 2004. – Vol. 59. – P. 1999–2012. https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.01.050Babu B. V., Chaurasia A. S. Heat Transfer and Kinetics in the Pyrolysis of Shrinking Biomass Particle. Chemical Engineering Science, 2004, vol. 59, pp. 1999–2012. https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.01.050Thermal decomposition of biomass wastes. A kinetic study / M. Becidan [et al.] // Ind. Eng. Chem. Res. – 2007. – Vol. 46. – P. 2428–2437. https://doi.org/10.1021/ie061468zBecidan M., Várhegyi G., Hustad J. E., Skreiberg Ø. Thermal decomposition of biomass wastes. A kinetic study. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, vol. 46, pp. 2428–2437. https://doi.org/10.1021/ie061468zVyazovkin, S. Model-free and Model-ftting Approaches to Kinetic Analysis of Isothermal and Nonisothermal Data / S. Vyazovkin, Ch. A. Wight // Thermochim. Acta. – 1999. – Vol. 340–341. – P. 53–68. https://doi.org/10.1016/s0040-6031(99)00253-1Vyazovkin S., Wight Ch. A. Model-free and Model-ftting Approaches to Kinetic Analysis of Isothermal and Nonisothermal Data. Thermochimica Acta, 1999, vol. 340–341, pp. 53–68. https://doi.org/10.1016/s0040-6031(99)00253-1Han, Yunqing. Theoretical Study of Thermal Analysis Kinetics [Electronic resource]: Theses and Dissertations – Mechanical Engineering / Yunqing Han. – Lexington, Kentucky, 2014. – Mode of access: https://uknowledge.uky.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1036&context=me_etds – Date of access: 15.05.2019.Han Yunqing. Theoretical Study of Thermal Analysis Kinetics: Theses and Dissertations – Mechanical Engineering. Lexington, Kentucky, 2014. Available: https://uknowledge.uky.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1036&context=me_etds (accessed 15.05.2019).Ebrahimi-Kahrizsangi, R. Evaluation of realibity of Coats-Redfern method for kinetic analysis of non-isothermal TGA / R. Ebrahimi-Kahrizsangi, M.H. Abbasi // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2008. – Vol. 18, iss. 1. – P. 217–221. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(08)60039-4Ebrahimi-Kahrizsangi R., Abbasi M. H. Evaluation of reliabity of Coats-Redfern method for kinetic analysis of non-isothermal TGA. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, vol. 18, iss. 1, pp. 217–221. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(08)60039-4Kinetics of the Thermal Decomposition of Biomass / A. Saddawit [et al.] // Energy Fuels. – 2010. – Vol. 24, № 2. – P. 1274–1282. https://doi.org/10.1021/ef900933kSaddawit A., Jones J. M., Williams A., Wojtowicz M. A. Kinetics of the Thermal Decomposition of Biomass. Energy Fuels, 2010, vol. 24, no. 2, pp. 1274–1282. https://doi.org/10.1021/ef900933k

The authors declare that there are no conflicts of interest present.