Solar pyrolysis of agricultural, forest and metal-contaminated biomass

Autor: Li, Rui
Přispěvatelé: STAR, ABES, Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Perpignan, Gilles Flamant, Ange Nzihou
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Thermique [physics.class-ph]. Université de Perpignan, 2020. Français. ⟨NNT : 2020PERP0026⟩
Popis: Biomass, as a renewable energy source, can contribute to relieving the energy crisis and environmental pollutions. Pyrolysis is an attractive thermochemical process to convert biomass into biofuels. Solar energy processes improve the heat and mass balance of the biomass pyrolysis to produce transportable fuels, chemicals, and biomaterials. In the present study, solar pyrolysis of agricultural and forestry by-product biomass and metal-polluted wood has been examined. Pine sawdust, peach pit, grape stalk, and grape marc, were used as the raw materials as the agricultural and forestry by-products in a series of solar pyrolysis experiments in a lab-scale reactor. We studied the impacts of operating conditions (i.e., temperature from 800 to 2000°C, heating rate from 10 to 150°C/s, and lignocellulose composition) on the product yields (i.e., gas, tar, and char) and syngas composition. The gas yield of different biomass residues generally increases with the temperature and heating rate, while the liquid yield shows an opposite trend. Lignin, hemicellulose, and cellulose contents, as well as pellet size, of the by-products studied have an impact on the product profile under fast solar pyrolysis. Lignin content is associated with greater char and tar yields, but less gas yields. Hemicellulose pyrolysis produces more volatiles, but less char and tar yields than cellulose pyrolysis.Solar pyrolysis of chicken-litter waste and rice husk of different particle sizes (280 and 500 µm) was performed at different solar conditions aiming at investigating optimal operating parameters, such as temperature, particle size, and heating rate, to produce pyrolysis gasses with high calorific value. Temperature was found to have the highest effect on the gas yield during pyrolysis. Gases produced from solar assisted biomass pyrolysis have high concentration of combustible products which can be directly used as fuels.Biomass can be contaminated by heavy metals. Experiments were carried out to study the effects of heavy metals (copper and nickel), in combination with heating temperature and heating rate, on solar pyrolysis products of impregnated willow. Results of the investigation indicate that solar pyrolysis of heavy metal contaminated biomass is promising to produce valuable syngas such as hydrogen and carbon monoxide. Additionally, the effects of these heavy metals on the chemical composition, structure, and morphology of pyrolysis char from the impregnated willow were studied. Results prove that heavy metal and solar pyrolysis temperature affect the char properties. A conduction model was developed to describe the behavior of temperature inside the pellets. A kinetic scheme from literature involving the primary and the secondary reactions is adopted to carry out the simulations of temperature. A finite difference method was used for solving the heat transfer equation with an explicit scheme. The model is solved for two dimensions (i.e., time and axial position) in order to make it simpler and save computational time.
La biomasse est une source d'énergie renouvelable qui peut contribuer à résoudre la crise énergétique et les problèmes environnementaux. La pyrolyse est un procédé thermochimique de conversion la biomasse en biocarburants. L'énergie solaire permet d’améliorer le bilan matière et énergie de la pyrolyse de la biomasse pour produire des carburants, des produits chimiques et des biomatériaux transportables. Dans cette étude, nous avons étudié expérimentalement la pyrolyse solaire de sous-produits agricoles, forestiers et de bois contaminé par des métaux lourds. Dans le cas de la biomasse de sous-produits agricoles et forestiers, la sciure de pin, les noyaux de pêche, les tiges et marcs de raisin, a été utilisée comme matières premières dans un réacteur de laboratoire. Nous avons étudié l'influence des conditions opératoires (c.-à-d. la température de 800 à 2000°C, la vitesse de chauffage de 10 à 150°C/s et la composition de lignocellulose) sur les rendements de production des produits de la réaction (c.-à-d. gaz, tar (liquide) et char (solide)) et la composition du gaz de synthèse. Généralement le rendement en gaz augmente avec la température et la vitesse de chauffe pour les divers types de résidus de biomasse, tandis que le rendement en liquide progresse de façon opposée. Les teneurs en lignine, hémicellulose et cellulose, ainsi que la taille des pastilles d’échantillon, des sous-produits étudiés ont un impact sur la distribution des produits de pyrolyse solaire rapide. La teneur en lignine est associée à des rendements plus élevés en char et en liquide, mais moins en gaz. La pyrolyse de l'hémicellulose produit plus de composés volatils, mais moins de char et de tar que la pyrolyse de la cellulose.La pyrolyse solaire des déchets de litière de poulet et des pailles de riz de différentes tailles de particules (280 et 500 µm) a été effectuée dans différentes conditions solaires afin d'étudier les paramètres de fonctionnement optimaux, tels que la température, la taille des particules et la vitesse de chauffe, pour produire des gaz de pyrolyse à haute valeur calorifique. La température a l'effet le plus important sur le rendement en gaz pendant la pyrolyse. Les produits gazeux à partir de la pyrolyse de la biomasse assistée par l'énergie solaire contiennent une forte concentration de produits combustibles.La biomasse peut être contaminée par des métaux lourds. Des expériences ont été conçues pour étudier les effets des métaux lourds (cuivre et nickel) sur les produits de pyrolyse solaire du saule imprégné. Les résultats de cette étude indiquent que la pyrolyse solaire de la biomasse contaminée par des métaux lourds permet de produire du gaz de synthèse riche en hydrogène et monoxyde de carbone. De plus, les effets de ces métaux lourds sur la composition chimique, la structure et la morphologie du charbon de pyrolyse du saule imprégné ont été étudiés. Les résultats prouvent que la température de pyrolyse affecte les propriétés du charbon.Un modèle de conduction a été développé pour décrire le phénomène de pyrolyse à partir de l’évolution du profil de température à l'intérieur des pastilles. Un schéma cinétique de la littérature impliquant les réactions primaires et secondaires est adopté pour effectuer les simulations des transferts couplés. Une méthode aux différences finies est utilisée pour résoudre l'équation de transfert de chaleur avec un schéma explicite. Le modèle est résolu pour deux dimensions (c'est-à-dire le temps et la position axiale) afin de le rendre plus simple et de gagner du temps de calcul.
Databáze: OpenAIRE
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