Multi-distributed activation energy model for wood pyrolysis : modelling strategy applied to experimental kinetics of different particle sizes
Modèle d'énergie d'activation multi distribuée pour la pyrolyse du bois : stratégie de modélisation appliquée à la cinétique expérimentale de particules de différentes tailles
Résumé
Pyrolysis of lignocellulosic biomass is an effective method for the bio-liquid and syngas productions. The multi-distributed activation energy model (DAEM) is a comprehensive tool for modelling pyrolysis kinetics. Yet, its optimal strategy regarding distribution number and shape is still an open question. Meanwhile, further developments are needed to extend the model’s ability to predict the effect of particle size. This work aims to establish a robust and universal DAEM strategy for pyrolysis modelling, which is applied to the pyrolysis kinetics of different particle sizes.To assess the models, a validation database was systematically employed after identification on the learning database. A trade-off strategy was defined by testing multi-distribution DAEMs with various distribution number and shape. Three-distribution with relevant shapes ensured good prediction with suitable conciseness, and the combination of two-Gaussian plus one exponential distributions further gave the best trade-off between prediction capacity and numerical complexity. This model showed superiority compared to other DAEMs, first-order and nth-order schemes, being determined as the optimal numerical tool in this work.Afterward, two Gaussian + one exponential DAEM distributions were employed to determine intrinsic parameters for spruce and poplar powder. The quality of kinetics prediction allowed, for the first time, the enthalpies of reaction to be also determined from the DSC signals. Experimental analyses of multi-scale samples revealed the effects of particle size with carbonization enhancements, being further evidenced by the negative correlation between mass loss and elemental compositions. The DAEM identifications provided solid kinetic parameters for different sizes, from which devolatilization profiles and synthetic indices are extracted to show the effect of size on three pseudo-components. The prediction ability of the model was checked by further experiments performed at different time-temperature patterns with several particle sizes. Finally, correlations between dimensionless residual mass (DRM) and element compositions allowed us to determine the composition of secondary charring, which consists mainly of carbon. The elemental composition of char can therefore be predicted using the difference of kinetics between fine powder and a given particle size.
La pyrolyse de la biomasse lignocellulosique est une méthode efficace pour la production de bio-liquide et de gaz de synthèse. Le modèle de multidistribuée d'énergie d'activation (DAEM) est un outil robuste de modélisation de la cinétique de pyrolyse. Pourtant, sa stratégie optimale concernant le nombre et la forme des distributions reste une question ouverte. Parallèlement, des développements supplémentaires sont nécessaires pour étendre la capacité du modèle à prédire l'effet de la taille des particules. Ce travail vise à établir une stratégie DAEM robuste et universelle pour la modélisation de la pyrolyse, puis de l'appliquer à la cinétique de pyrolyse de particules de différentes tailles.Après les identifications sur la base de données d'apprentissage, les modèles sont systématiquement testés avec une base de données de validation. Pour la modélisation, une stratégie optimale a été définie en testant une grande diversité de nombre et forme des distributions. Trois distributions avec des formes pertinentes garantissent une bonne prédiction avec une concision appropriée. La combinaison de deux fonctions gaussiennes et d'une fonction exponentielle s'est révélée la plus performante des combinaisons DAEM testées, et plus performante également que les schémas classiques du premier et du n-ème ordre.Par la suite, ce choix de modèle DAEM (deux gaussiennes + une exponentielle) a été utilisé pour déterminer les paramètres intrinsèques de la poudre d'épicéa et de peuplier. La qualité de la prédiction cinétique a permis, pour la première fois, de déterminer également les enthalpies de réaction à partir des signaux DSC. Des analyses expérimentales d'échantillons multiéchelles ont révélé les effets de la taille, avec notamment une plus grande carbonisation liée aux réactions secondaires. Cela se traduit par la corrélation négative entre perte de masse et composition élémentaire.Les identifications ont fourni des paramètres cinétiques du modèle DAEM pour différentes tailles, à partir desquels des profils de dévolatilisation et des indices synthétiques sont extraits pour montrer l'effet de la taille sur les trois pseudos composants. La capacité de prédiction du modèle a été vérifiée sur trois tailles d'échantillons par des expériences additionnelles effectuées avec des essais isothermes.Enfin, les corrélations entre la masse résiduelle adimensionnelle et la composition élémentaire nous ont permis de déterminer la composition des réactions secondaires, constituée principalement de carbone. La composition élémentaire du charbon peut donc être prédite en utilisant la différence de cinétique entre une poudre fine et une taille donnée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)