Kinetic Modeling and Simulation of Pyrolysis of Shrinking Biomass Particle in Fixed Bed Gasifier

Document Type: Original Article

Authors

1 Department of Mechanical Engineering, University of Lagos, Akoka, Lagos, Nigeria

2 Centre for Space Transport and Propulsion, National Space Research and Development Agency, Federal Ministry of Science and Technology, FCT, Abuja, Nigeria

Abstract

Pyrolysis plays an integrated role in the biomass conversion processes. The development of good mathematical models which in consequent leads to the design of pyrolysis reactors. The biomass gasifier is paramount in the scientific studies and understanding of the very important process in the thermochemical conversion of the solid fuels. However, due to the complexities of the biomass reaction scheme, the pyrolysis of biomass is generally modeled on the basis of apparent kinetics. Moreover, it is generally accepted that most important parameters affecting the process are temperature, concentration, residence time and heating conditions. This work presents the simulations of the pyrolysis kinetics of shrinking biomass particle under non-isothermal and isothermal heating conditions. The developed models were used to investigate the effects of shrinkage, heating conditions and heating rates on the pyrolysis of wood. There is a good agreement when the results of the developed models were compared to the experimental results. Theresults of this work could be used in estimating the optimum parameters in the pyrolysis of biomass and in the design of some pyrolysis reactors.

Keywords


1.  Pyle, D. and C. Zaror, 1984. Heat transfer and kinetics in the low temperature pyrolysis of solids. Chemical Engineering Science, 39(1): 147-158. 
2.  Alves, S. and J. Figueiredo, 1989. A model for pyrolysis of wet wood. Chemical Engineering Science, 44(12): 2861-2869. 
3.  Babu, B. and A. Chaurasia. Modeling & simulation of pyrolysis: effect  of  convective  heat  transfer  &  orders  of  reactions.  in Proceedings of International Symposium and 55th Annual Session of IIChE (CHEMCON-2002), OU, Hyderabad, India. 2002. 
4.  Bonnefoy, F., P. Gilot and G. Prado, 1993. A three-dimensional model for the determination of kinetic data from the pyrolysis of beech wood. Journal of analytical and applied pyrolysis, 25: 387- 394. 
5.  Boroson,  M.L.,  J.B.  Howard,  J.P.  Longwell  and  W.A.  Peters, 1989. Product yields and kinetics from the vapor phase cracking of wood pyrolysis tars. AIChE Journal, 35(1): 120-128. 
6.  Branca,  C.  and  C.  Di  Blasi,  2003.  Kinetics  of  the  isothermal degradation of wood in the temperature range 528–708 K. Journal of Analytical and applied Pyrolysis, 67(2): 207-219. 
7.  Bridgewater, A.V., 2008. Blackie Academic and Professional. J. Appl. Sci. Res, 4(12): 1627-1636. 
8.  Chan,  W.-C.R., M.  Kelbon  and  B.B.  Krieger,  1985. Modelling and experimental verification of physical and chemical processes during pyrolysis of a large biomass particle. Fuel, 64(11): 1505- 1513. 
9.  Di Blasi, C. and G. Russo, Modeling of transport phenomena and kinetics  of  biomass  pyrolysis,  in  Advances  in  thermochemical biomass conversion1993, Springer. p. 906-921. 
10.  Font, R., A. Marcilla, E. Verdu and J. Devesa, 1990. Kinetics of the  pyrolysis  of  almond  shells  and  almond  shells  impregnated with cobalt dichloride in a fluidized bed reactor and in a pyroprobe 100.  Industrial  &  engineering  chemistry  research,  29(9):  1846- 1855. 
11.   Grioui, N., K. Halouani, A. Zoulalian and F. Halouani, 2006. Thermogravimetric analysis and kinetics modeling of isothermal carbonization of olive wood in inert atmosphereThermochimica Acta, 440(1): 23-30.
12.   Grønli,    M.G.,    G.    Varhegyi    and    C.    Di    Blasi,    2002. Thermogravimetric  analysis  and  devolatilization  kinetics  of wood.  Industrial  &  Engineering  Chemistry  Research,  41(17): 4201-4208.
13.   Guo, J. and A. Lua, 2001. Kinetic study on pyrolytic process of oil-palm solid waste using two step consecutive reaction modelBiomass and Bioenergy, 20(3): 223-233.
14.   Jalan, R. and V. Srivastava, 1999. Studies on pyrolysis of a single biomass  cylindrical  pellet kinetic  and  heat  transfer  effectsEnergy Conversion and Management, 40(5): 467-494.
15.   Janse, A., R. Westerhout and W. Prins, 2000. Modelling of flash pyrolysis of a single wood particleChemical Engineering and Processing: Process Intensification, 39(3): 239-252.
16.   Kansa, E.J., H.E. Perlee and R.F. Chaiken, 1977. Mathematical model of wood pyrolysis including internal forced convectionCombustion and Flame, 29: 311-324.
17.   Kanury, A.M. and P.L. Blackshear Jr, 1970. Some considerations pertaining to the problem of wood-burningCombustion Science and Technology, 1(5): 339-356.
18.   Koufopanos, C.,  A.  Lucchesi and G.  Maschio, 1989.  Kinetic modelling of the pyrolysis of biomass and biomass componentsThe Canadian Journal of Chemical Engineering, 67(1): 75-84.
19.   Koufopanos, C., N. Papayannakos, G. Maschio and A. Lucchesi, 1991. Modelling of the pyrolysis of biomass particles. Studies on kinetics, thermal and heat transfer effectsThe Canadian journal of chemical engineering, 69(4): 907-915.
20.   Kung, H.-C., 1972. A mathematical model of wood pyrolysisCombustion and flame, 18(2): 185-195.
21.   Lee, C.K., R.F. Chaiken and J.M. Singer. Charring pyrolysis of wood in fires by laser simulation. in Symposium (International) on Combustion. 1977. Elsevier.
22.   Peters, B. and C. Bruch, 2003. Drying and pyrolysis of wood particles: experiments and simulationJournal of Analytical and Applied Pyrolysis, 70(2): 233-250.
23.   Shafizadeh, F. and P.P. Chin. Thermal deterioration of wood. in ACS Symposium Series American Chemical Society. 1977.
24.   Shen, D., M. Fang, Z. Luo and K. Cen, 2007. Modeling pyrolysis of wet wood under external heat fluxFire Safety Journal, 42(3): 210-217.
25.   Simmons, G.M. and M. Gentry, 1986. Particle size limitations due to heat transfer in determining pyrolysis kinetics of biomassJournal of Analytical and Applied Pyrolysis, 10(2): 117-127.
26.   Srivastava, V. and R. Jalan, 1996. Prediction of concentration in the pyrolysis of biomass material—IIEnergy conversion and Management, 37(4): 473-483.
27.  Svenson, J., J.B. Pettersson and K.O. Davidsson, 2004. Fast pyrolysis of the main components of birch woodCombustion science and technology, 176(5-6): 977-990.
28.   Thurner, F. and U. Mann, 1981. Kinetic investigation of wood pyrolysisIndustrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 20(3): 482-488.
29.   Tinney, E.R., The combustion of wood dowels in heated air. In: Proceedings of the 10th Symposium (International) on Combustion, in The Combustion Institute, 1965: Pittsburgh. p.925-930.
30.   Vamvuka, D., E. Kakaras, E. Kastanaki and P. Grammelis, 2003. Pyrolysis   characteristics  and  kinetics   of  biomass   residuals mixtures with lignite☆Fuel, 82(15): 1949-1960.
31.   Wagenaar, B., W. Prins and v.W. Swaaij, 1993. Flash pyrolysis kinetics of pine woodFuel processing technology, 36(1-3): 291-298.
32.   Weerachanchai,      P.,      C.      Tangsathitkulchai      and      M. Tangsathitkulchai, 2010. Comparison of pyrolysis kinetic models for thermogravimetric analysis of biomassSuranree Journal of Tecnologies, 17(4): 387-400.
33.   Williams, P.T. and S. Besler, Thermogravimetric analysis of the components of biomass, in Advances in thermochemical biomass conversion1993, Springer. p. 771-783.
34.   Babu,  B.  and  A.  Chaurasia,  2003.  Modeling,  simulation  and estimation  of  optimum  parameters  in  pyrolysis  of  biomassEnergy Conversion and Management, 44(13): 2135-2158.
35.   B.V., S.P.N.a.B., Kinetic Modeling of the Pyrolysis of Biomass in National Conference on Environmental Conservation2006: Pilani, India. p. 453-458.
36.   Yang, Y.B., A.N. Phan, C. Ryu, V. Sharifi and J. Swithenbank, 2007. Mathematical modelling of slow pyrolysis of segregated solid wastes in a packed-bed pyrolyserFuel, 86(1): 169-180.
37.   KartarzynaSlopiecka, P.a.F.F., Thermogravimetric analysis and Kinetic  study  of  poplar  wood  pyrolysis,  in  3rd  International Conference on Applied Energy2011: Perugia, Italy. p. 1687-1698.
38.  D., A.S.a.C.L., Kinetics of Biomass Pyrolysis with Radiant Heating., in International conference on Research in   Biomass Conversion1988: USA.
39.   Lu, H., W. Robert, G. Peirce, B. Ripa and L.L. Baxter, 2008. Comprehensive study of biomass particle combustionEnergy & Fuels, 22(4): 2826-2839.
40.   Mayor,  L.  and  A.  Sereno,  2004.  Modelling shrinkage during convective drying of food materials: a reviewJournal of Food Engineering, 61(3): 373-386.
41.   Prakash,  N.  and  T.  Karunanithi,  2008.  Kinetic  modeling  in biomass pyrolysis–a reviewJournal of Applied Sciences Research, 4(12): 1627-1636.
42.   Babu, B. and A. Chaurasia, 2004. Heat transfer and kinetics in the pyrolysis of shrinking biomass particleChemical Engineering Science, 59(10): 1999-2012.