Investigation of biomass pyrolysis by using spectral methods combined with thermal analysis

Abstract

In this study, pyrolysis of almond shells was performed by TGA/FT-IR/MS system and pyrolysis kinetics and evolved gas analysis were carried out. During pyrolysis, four different heating rates were applied and the active pyrolysis zone was determined from the obtained TG and dTG curves. With increasing heating rates, the TG and dTG curves shifted to higher temperature zones and the calculated reactivity values increased. Kinetic parameters were calculated by using the distributed activation energy method (DAEM) with the obtained data. As a result of calculations, the change of the activation energy with the conversion degree has shown that complex reaction mechanisms have occurred during pyrolysis while average activation energy was found as 166,4 kj/mol. Activation energy values were also calculated using two different iso-conversional methods (Friedman and FWO) and the results were compared with DAEM. Consistent results obtained using different models showed that kinetic parameters calculated by DAEM can be used to express pyrolysis of almond shells. In addition, volatiles released as a result of pyrolytic decomposition were detected by TGA/FT-IR and TGA/MS and their temperature-dependent evolutions were monitored.

Keywords

• Pyrolysis,kinetic biomass,evolved gas analysis,almond shell

Termal analiz ile birleştirilmiş spektral yöntemlerin kullanımı ile biyokütle pirolizinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada badem kabuklarının TGA/FT-IR/MS sistemi ile pirolizi gerçekleştirilerek piroliz kinetiği ve açığa çıkan gazların analizi gerçekleştirilmiştir. Piroliz sırasında dört farklı ısıtma hızı uygulanmış ve elde edilen TG ve dTG eğrilerinden aktif piroliz bölgesi tespit edilmiştir. Isıtma hızlarının artması ile TG ve dTG eğrileri daha yüksek sıcaklık bölgelerine kaymış ve hesaplanan reaktivite değerleri artmıştır. Elde edilen veriler ile, dağılmış aktivasyon enerjisi yöntemi (DAEM) kullanılarak kinetik parametreler hesaplanmıştır. Hesaplamalar sonucunda ortalama aktivasyon enerjisi 166,4 kj/mol olarak bulunurken, aktivasyon enerjisinin dönüşüm kesri ile değişimi, piroliz sırasında karmaşık tepkime mekanizmalarının meydana geldiğini göstermiştir. Aktivasyon enerjisi değerleri iki farklı eş-dönüşüm yöntemi (Friedman ve FWO) kullanılarak da hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar DAEM ile karşılaştırılmıştır. Farklı modeller kullanılması ile elde edilen tutarlı sonuçlar DAEM ile hesaplanan kinetik parametrelerin, badem kabuklarının pirolizini ifade etmekte kullanılabileceğini göstermiştir. Ayrıca, pirolitik bozunma sonucu açığa çıkan uçucular karşılaştırmalı olarak TGA/FT-IR ve TGA/MS ile tespit edilmiş ve bu uçucuların sıcaklığa bağlı salınımları izlenmiştir.

Keywords

• Piroliz,kinetik,biyokütle,uçucu gaz analizi,badem kabuğu

References

1. [Ürün, E. ve Soyu, E., Türkiye'nin enerji üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklari üzerine bir değerlendirme, Dumlupinar University Journal of Social Science/Dumlupinar Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 31-45 (2016).
2. Koçer, N. ve Ünlü, A., Doğu anadolu bölgesinin biyokütle potansiyeli ve enerji üretimi, Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları, 1-7 (2007).
3. Demiral, I. ve Kul, Ş. Ç., Kestane kabuğunun pirolizi ve elde edilen ürünlerin karakterizasyonu, Anadolu University Journal of Science and Technology–A Applied Sciences and Engineering, 16 (2), 125-134 (2015).
4. Ateş, F. ve Pütün, E., Azotlu Ortamda Biyokütlenin Katalitik Pirolizi, Anadolu University Journal of Science and Technology–A Applied Sciences and Engineering, 4 (2), 295-299 (2003).
5. Collard, F. X. ve Blin, J. A review on pyrolysis of biomass constituents: mechanisms and composition of the products obtained from the conversion of cellulose, hemicelluloses and lignin, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 38, 594-608 (2014).
6. Kabir, G. ve Hameed, B. H., Recent progress on catalytic pyrolysis of lignocellulosic biomass to high-grade bio-oil and bio-chemicals, Renewable and Sustainable Energy Reviews 70, 945-967 (2017).
7. Sharma, A., Pareek, V. ve Zhang, D. Biomass pyrolysis—a review of modelling, process parameters and catalytic studies, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, 1081-1096 (2015).
8. Yaman, S., Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks, Energy Conversion and Management, 45 (5), 651-671 (2004).

9. FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) Statistics-2017 http://www.fao.org/faostat/en/#home (20.12.2017)
10. Caballero, J. A., Conesa, J. A., Font, R. ve Marcilla, A., Pyrolysis kinetics of almond shells and olive stones considering their organic fractions, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 42 (2), 159-175 (1997).
11. Caballero, J. A., Font, R. ve Marcilla, A., Comparative study of the pyrolysis of almond shells and their fractions, holocellulose and lignin. Product yields and kinetics, Thermochimica Acta, 276, 57-77 (1996).
12. Font, R., Marcilla, A., Devesa, J. ve Verdú, E., Gas production by almond shell pyrolysis at high temperature, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 28 (1), 13-27 (1994).
13. Safari, F., Salimi, M., Tavasoli, A. ve Ataei, A., Non-catalytic conversion of wheat straw, walnut shell and almond shell into hydrogen rich gas in supercritical water media, Chinese Journal of Chemical Engineering, 24(8), 1097-1103 (2016).
14. Grioui, N., Halouani, K. ve Agblevor, F. A., Bio-oil from pyrolysis of Tunisian almond shell: comparative study and investigation of aging effect during long storage, Energy for Sustainable Development, 21, 100-112 (2014).
15. Miura, K. ve Maki, T., A Simple Method for Estimating f(E) and k0(E) in the Distributed Activation Energy Model, Energy Fuels, 12(5) 864-869 (1998).
16. Soria-Verdugo, A., Goos, E. ve García-Hernando, N., Effect of the number of TGA curves employed on the biomass pyrolysis kinetics results obtained using the distributed activation energy model, Fuel Processing Technology, 134, 360-371 (2015).
17. Yang, X., Zhang, R., Fu, J., Geng, S., Cheng, J. J. ve Sun, Y., Pyrolysis kinetic and product analysis of different microalgal biomass by distributed activation energy model and pyrolysis–gas chromatography–mass spectrometry, Bioresource Technology, 163, 335-342 (2014).
18. Ceylan, S. ve Kazan, D., Pyrolysis kinetics and thermal characteristics of microalgae Nannochloropsis oculata and Tetraselmis sp., Bioresource Technology, 187, 1-5 (2015).
19. Shen, D. K., Gu, S., Jin, B. ve Fang, M. X., Thermal degradation mechanisms of wood under inert and oxidative environments using DAEM methods, Bioresource Technology, 102(2), 2047-2052 (2011).