Кинетика пиролиза древесной биомассы в изотермических условиях

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.

1. Theoretical 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.2016.1001

2. Prakash, N. Kinetic Modeling in Biomass Pyrolysis – A Review / N. Prakash, T. Karunanithi // J. Appl. Sci. Res. – 2008. – Vol. 4, №12. – P. 1627–1636.

3. 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.

4. 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.2006.12.001

5. Babu, 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.2004.01.050

6. Thermal 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/ie061468z

7. Vyazovkin, 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)00253-1

8. Han, 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.

9. 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)60039-4

10. Kinetics of the Thermal Decomposition of Biomass / A. Saddawit [et al.] // Energy Fuels. – 2010. – Vol. 24, № 2. – P. 1274–1282. https://doi.org/10.1021/ef900933k