Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1996. / Vita. Includes bibliographical references (leaves [149]-161).

Clean and efficient electricity can be generated using an Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC). Although IGCC is typically used with coal, it can also be used to gasify other carbonaceous species like biomass and petroleum coke. It is important to understand the pyrolysis and gasification of these species in order to design commercial gasifiers and also to determine optimal conditions for operation. High heating-rate (100,000 K/s) pyrolysis experiments were performed with biomass (sawdust) in BYU's atmospheric flat-flame burner reactor at conditions ranging from 1163 to 1433 K with particle residence times ranging from 23 to 102 ms. Volatile yields and mass release of the sawdust were measured. The measured pyrolysis yields of sawdust are believed to be similar to those that would occur in an industrial entrained-flow gasifier since biomass pyrolysis yields depend heavily on heating rate and temperature. Sawdust pyrolysis was modeled using the Chemical Percolation Devolatilization model assuming that biomass pyrolysis occurs as a weighted average of its individual components (cellulose, hemicellulose, and lignin). Thermal cracking of tar into light gas was included using a first-order kinetic model. The pyrolysis and CO2 gasification of petroleum coke was studied in a pressurized flat-flame burner up to 15 atm for conditions where the peak temperature ranged from 1402 to 2139 K. The measured CO2 gasification kinetics are believed to be representative of those from an entrained-flow gasifier since they were measured in similar conditions of elevated pressure and high heating rates (100,000 K/s). This is in contrast to the gasification experiments commonly seen in the literature that have been carried out at atmospheric pressure and slow particle heating rates. The apparent first-order Arrhenius kinetic parameters for the CO2 gasification of petroleum coke were determined. From the experiments in this work, the ASTM volatiles value of petroleum coke appeared to be a good approximation of the mass release experienced during pyrolysis in all experiments performed from 1 to 15 atm. The reactivity of pet coke by CO2 gasification exhibited strong pressure dependence.

Lignocellulosic biomasses are considered promising feedstocks for the next generation of biofuels and chemicals; however, the recalcitrance of lignocellulose remains a barrier to its utilisation over conventional sources. Pyrolysis is the heating of biomass to several hundred degrees Celsius in the absence of oxygen, which can thermally depolymerise lignocellulose. Products of pyrolysis are a solid biochar, liquid bio-oil and syngas. Biochar has roles in both carbon sequestration and soil amendment however bio-oil has no defined use, despite a high concentration of fermentable sugars. Bio-oil is a complex organic microemulsion with a host of biocatalyst inhibitors that makes its microbial degradation a challenge. In this work, the use of aerobic cultures using microbial communities isolated from natural environments saw limited potential; however, the use of anaerobic digestion (AD) successfully generated a higher volume of biogas from reactors with bio-oil than controls. Biogas yield test reactors were set up with anaerobic digestate from a wastewater treatment plant as the substrate for degradation and conversion of bio-oils. Next-generation 16S rRNA gene sequencing was utilised to characterise the communities in the reactors while the ultrahigh resolution mass spectrometry technique of Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-ICR) was used for characterisation of the chemical changes occurring during AD. Both sets of high-resolution data were additionally combined for multivariate analysis and modelling of the microbial genera that correlated best with the changes in digestate chemistry. This represents a novel analysis method for the microbial degradation of complex organic products. Bio-oil from common lignocellulosic feedstock was the most easily degradable by the AD communities, with significant inhibition observed when bio-oils from anaerobic digestate and macroalgae were used. Additionally it was found that the inclusion of biochars that were pre-incubated in anaerobic digestate prior to use in AD were capable of significantly reducing the lag time observed for biogas production in bio-oil-supplemented reactors. The addition of biochars that were not pre-incubated had no effect on biogas production. Specific inhibition of methanogenesis was also capable of causing the digestates to accumulate volatile fatty acids (VFAs) as a product of greater value than biogas. Scale-up experiments will be required to confirm the precise practicalities of the addition of bio-oil to AD as well as to establish the potential for isolation and purification of VFAs.

In the search for fossil fuel alternatives the production of bio-oil through the pyrolysis of biomass is one method which has shown evidence of scalability, meaning that the technology could be scaled up for the processing of biomass on the order of tons per day. Pyrolysis is the thermal degradation of compounds in the absence of oxygen. Of particular interest is the pyrolysis of sustainable energy crops such as Loblolly pine (Pinus taeda). The goal of this study is to develop a new method of characterizing the fast pyrolysis of biomass for the advancement of reactor design. The objectives are to determine bulk kinetic coefficients for the isothermal fast pyrolysis of biomass, evaluate the interchangeability of fast and slow pyrolysis kinetic parameters and compare generally accepted pyrolysis mechanisms derived from a common data set. A technical objective is to apply the most suitable derived kinetic parameters to model pyrolysis within a moving bed reactor. A novel fast pyrolysis micro-reactor is presented along with its design and development process. The micro-reactor allows for the control over both temperature and residence time of the reacting biomass. This system provides the experimental data for the characterization of biomass pyrolysis kinetic parameters. Thermal validation tests are presented and experimental yield results are given for raw Loblolly Pine, Avicel cellulose and Beechwood xylan for the derivation of kinetic descriptors. Cellulose and xylan results show good agreement with literature when the proper experimental conditions are met and whole wood pyrolysis results clearly demonstrate the dissimilarity between fast and slow pyrolysis apparent kinetic rates. The experimental results are then used to evaluate five different pyrolysis kinetic model configurations: single component global pyrolysis, two component global pyrolysis, product based pyrolysis, pseudo-component based pyrolysis and pseudo-component pyrolysis with an intermediate solid compound. Pseudo-component models are of particular interest because they may provide a generalized model, parameterized by the fractional composition of cellulose, hemicellulose and lignin in biomass species. Lignin pyrolysis yields are calculated to evaluate the suitability of a pseudo-component parallel non-competing superposition pyrolysis model. Lignin yields are estimated by taking the difference between whole wood pyrolysis and predicted cellulose and hemicellulose pyrolysis behaviors. The five models are then evaluated by comparison of predicted yields to the results for the pyrolysis of Scots pine (Pinus sylvestris) and Norway spruce (Picea abies). Model evaluations show that pseudo-component superposition is not suitable as a generic pyrolysis model for the fast pyrolysis of biomass observed using the micro-reactor. Further analytical evaluations indicate that the assumption of parallel non-competing reactions between pseudo-components is not valid. Among the other models investigated the intermediate solid compound model showed the best fit to the verification experimentation results followed closely by the two component global model. Finally, the derived kinetic parameters are applied to the design of moving bed vacuum pyrolysis reactors which provide for the separation of heat and mass transfer pathways, resulting in the reduction of char entrainment and secondary reactions within collected bio-oils. Reaction kinetics and porous bed heat and mass transfer are accounted for within the bed model. Model development and predictive results are presented and sensitivity to activation energy variations investigated.

This research aims to provide a full view of knowledge in charcoal production for fossil coal replacement. Charcoal from biomass is a promising material to replace fossil coal, which is using as heating source or reactant in the industrial sector. Nowadays, charcoal with quality comparable to fossil coal is produced by high-temperature pyrolysis, but efficiency of the production is relatively low due to the trade-off between charcoal property and yield by pyrolysis temperature. Increasing charcoal yield by means of secondary char formation in pyrolysis of large wood particles is the primary method considering in this work. This research has explored increasing efficiency of charcoal production by bio-oil recycling and CO2 purging. These proposed techniques significantly increase concentration and extend residence time of volatiles inside particle of woodchip resulting extra charcoal. Characterization of charcoals implies negligible effect of these methods on charcoal properties such as elemental composition, heating value, morphological structure, and chemical structure. Besides, reactivity of charcoal slightly increased when these methods were applied. A numerical model of pyrolysis in a rotary kiln reactor has been developed to study the effect of design parameters and conditions in reactor scale. The simulation results showed fair prediction of temperature profiles and products distribution along the reactor length. Nonetheless, to deliver full knowledge in charcoal production, further works are planned to be done at the end of this doctoral research.

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<p>U doktorskoj disertaciji vr&scaron;eno je istraživanje mogućnosti konverzije energije<br />različitih vrsta drvne biomase procesom pirolize. Ispitivanu drvnu biomasu<br />predstavljale su strugotina hrasta, bukve, tre&scaron;nje, oraha, jele, lipe, kao i<br />me&scaron;avina navedenih vrsta. Dobijeni eksperimentalni rezultati ukazuju da<br />prinos gasa, tečne i čvrste faze tokom odvijanja procesa pirolize zavise od<br />reakcionog vremena, temperature i brzine zagrevanja.</p> / <p>Doctoral dissertation investigates possibilities for energy conversion of<br />different woody biomass types through pyrolysis process. Investigated woody<br />biomass included oak, beech, cherry, walnut, fir, lime wood chips and their<br />mixture. Obtained experimental results imply that gas, liquid and solid phase<br />yields during pyrolysis process depend on reaction time, temperature and<br />heating rate.</p>

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit rohstofflichen und verfahrenstechnischen Einflussfaktoren bei der Biomassepyrolyse. Ausgehend von der Entwicklung einer kleintechnischen Festbettpyrolyseapparatur, erfolgten experimentelle Untersuchungen an 26 biogenen Einsatzstoffen unter verschiedenen Prozessbedingungen. Die Apparatur erlaubt eine vollständige Bilanzierung und Gewinnung aller Produkte, zudem können Einflüsse durch sekundäre Reaktionen in der Gasphase minimiert werden. Die Einsatzstoffe, welche u. a. auch Zellstoff, Xylan und Alkali-Lignin einschließen, wurden hinsichtlich brennstofftechnischer und physikalischer Eigenschaften sowie der Stoffgruppenzusammensetzung charakterisiert. Sie repräsentieren eine große Bandbreite möglicher Zusammensetzungen. Bei den Prozessparametern wurde die Pyrolysetemperatur im Bereich von 200 bis 750 °C, die Aufheizrate zwischen 5 und 100 K/min, die Feststoffverweilzeit von 0 bis 30 min sowie die Partikelgröße (0 bis 5 mm) variiert. Aus den Untersuchungen zum Einfluss der Prozessparameter für die verschiedenen Einsatzstoffe wurden unter Anwendung einer geeigneten Bilanzierungsmethodik geschlossene Masse- und Elementbilanzen für jeden Versuchspunkt aufgestellt. Unter den Prozessvariablen konnte die Temperatur erwartungsgemäß als wichtigste Einflussgröße identifiziert werden. Der zweistufige Zersetzungsverlauf der Biomassen ermöglicht die mathematische Beschreibung der temperaturabhängigen Ausbeuten mittels der zweistufigen Boltzmann-Funktion für den gesamten Temperaturbereich mit hohen Bestimmtheitsmaßen. Die rohstofflichen Einflussgrößen wurden unter Anwendung der Rangkorrelationsmethode nach Spearman und der Produkt-Moment-Korrelation nach Pearson mit den definierten Zielgrößen (Ausbeuten, Produktzusammensetzung, Kokseigenschaften, Heizwerte, Energieeinbindung) bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen korreliert. Neben der Stoffgruppenzusammensetzung konnten bei den rohstofflichen Einflussfaktoren die Gehalte an Alkalien sowie der Gesamtgehalt an potentiell katalytisch aktiven Bestandteilen (Na, K, Mg, Ca, Fe) als Haupteinflussgrößen identifiziert werden. Korrelationen ergeben sich auch für brennstofftechnische Eigenschaften, wobei neben dem Flüchtigen- und dem Aschegehalt, das O/C-Verhältnis signifikant ist. Die gefundenen statistischen Zusammenhänge können weitestgehend mechanistisch begründet werden. Zur Quantifizierung der ermittelten Zusammenhänge für die Zielgrößen wurden multiple Regressionsmodelle erstellt und anhand von Bestimmtheitsmaß, Informationskriterium und mittleren Modellfehlern bewertet. Somit konnten 42 Regressionsgleichungen für die Produktausbeuten bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen entwickelt werden, die auf den Gehalten verschiedener Stoffgruppen und dem Gesamtgehalt an katalytisch aktiven Elementen basieren. Weitere 56 Regressionsgleichungen stehen für die Berechnung von Teer/Öl-Elementarzusammensetzung, Kokszusammensetzung, Teer/Öl-Heizwert sowie Energieeinbindung im Koks bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen zur Verfügung. Die Prognoseeignung der Gleichungen wurde anhand eines weiteren Datensatzes für Apfeltrester überprüft. Für die Koks-, die Gas- und die Kondensatausbeute sowie die genannten Produkteigenschaften ergab sich eine gute Vorhersagequalität, die jedoch stark von der verwendeten Gleichung abhängt. Die Validierung mit Literaturdaten konnte aufgrund fehlender Datensätze, die sowohl die notwendigen Rohstoffparameter als auch Produktausbeuten und -eigenschaften enthalten, nur anhand der Koksausbeute erfolgen. Für verschiedene Biomassen und biogene Reststoffe führte dies zu einer guten Anpassung. Die mathematische Beschreibung der Ausbeuten und bestimmter Produkteigenschaften über Regressionsgleichungen auf Grundlage von Rohstoffparametern stellt einen vielversprechenden Ansatz für die Vorhersage der maximalen Ausbeuten bei bestimmten Bedingungen dar. Dies ermöglicht eine Abschätzung zur Einsatzeignung von Biomassen bzw. biogenen Reststoffen für verschiedene Anwendungszwecke. Bisher existiert kein derartiges Modell zur Vorhersage der definierten Zielgrößen. Grundsätzlich wäre die Entwicklung einfacher Gleichungen mit wenigen, einfach bestimmbaren und standardisierten Parametern erstrebenswert. Die Ergebnisse haben jedoch gezeigt, dass Ein-Variablen-Modelle die Trends zwischen den Biomassen aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Pyrolyseverhalten und Rohstoffparametern häufig nicht richtig wiedergeben können. Für robuste Modelle sind somit mindestens zwei unabhängige Modellparameter mit idealerweise gegensätzlichem Einfluss notwendig.:Abkürzungs- und Symbolverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii 1 Einleitung und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Kenntnisstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1 Zusammensetzung und Struktur von Lignocellulosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 Allgemeine chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.2 Struktureller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.3 Vorkommen und Einbindungsformen von anorganischen Bestandteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Möglichkeiten zur Untersuchung der Pyrolyse von Biomassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Verwendete Reaktoren zur Untersuchung der Biomassepyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3 Reaktionsabläufe bei der Biomassepyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Einflussfaktoren auf Pyrolyseproduktverteilung und -eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4.1 Einfluss rohstofflicher Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.2 Einfluss verfahrenstechnischer Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.5 Beschreibung und Vorhersage des Pyrolyseverhaltens von Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.5.1 Empirische Modelle basierend auf statistischen Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.5.2 Kinetische Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.5.3 Modelle auf Basis der Stoffgruppenzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.5.4 Netzwerkpyrolysemodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3 Untersuchungsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1 Einsatzmaterialien und deren Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.1 Biomassen und Vorbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.2 Charakterisierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2 Entwicklung einer apparativen Einrichtung zur Bilanzierung des Biomassepyrolyseprozesses . . . 55 3.2.1 Anforderungen und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2.2 Konzeption, Dimensionierung und Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.3 Endgültige Konfiguration der Laborpyrolyseanlage (LPA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3 Durchführung der Bilanzversuche an der LPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 3.3.1 Parametervariationen bei der Festbettpyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.2 Versuchsvorbereitung und -durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.3 Produktrückgewinnung und -aufarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.4 Methodik bei der Bilanzierung des Pyrolyseprozesses im Festbettreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1 Bilanzgleichungen und -annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.2 Fehlerabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4 Ergebnisse zur Charakterisierung der Einsatzmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1 Brennstofftechnische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2 Chemisch-strukturelle Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3 Physikalische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 5 Einfluss verfahrenstechnischer und rohstofflicher Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1 Bilanzfehler und Wiederholbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1.1 Vergleich der Bilanzierungsvarianten und Bilanzfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1.2 Wiederholbarkeit der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2 Einfluss verfahrenstechnischer Parameter auf Produktverteilung und -zusammensetzung . . . . 94 5.2.1 Einfluss radialer Temperaturgradienten in der Biomasseschüttung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.2.2 Pyrolysetemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2.3 Empirische Gleichungen für die Temperaturabhängigkeit der Produktausbeuten . . . . . . . . . 103 5.2.4 Aufheizgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.5 Feststoffverweilzeit bei Pyrolyseendtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.3 Einfluss rohstofflicher Parameter auf Produktverteilung und -zusammensetzung . . . . . . . . . . . 111 5.3.1 Partikelgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.3.2 Pyrolyse von Zellstoff, Xylan und Alkali-Lignin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.4 Kombinierte Betrachtungen zum Temperatur- und Rohstoffeinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6 Mathematische Zusammenhänge zwischen Rohstoffeigenschaften und Pyrolyseverhalten . . . . 133 6.1 Korrelation mit Rohstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.1.1 Produktausbeuten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.1.2 Produkteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6.1.3 Schlussfolgerungen zur Korrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.2 Regressionsanalyse und Multiple Regression zur Beschreibung des Pyrolyseverhaltens . . . . . 155 6.2.1 Modellvergleich am Beispiel der Koksausbeute bei 500 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2.2 Gleichungen zur Berechnung der Produktausbeuten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.2.3 Gleichungen zur Berechnung der Produkteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2.4 Schlussfolgerungen zur Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 7 Vorhersagemöglichkeiten für das Pyrolyseverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.1 Validierung der Modellgleichungen mit internem Datensatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.2 Validierung mit Literaturdaten zur Festbettpyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 8 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208 A Weiterführende Informationen zu Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208 B Weiterführende Informationen zur Untersuchungsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 C Ergebnisse zur Einsatzstoffcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 D Ergebnisse zum Einfluss verfahrenstechnischer und rohstofflicher Parameter . . . . . . . . . . . . . . . 272 E Ergebnisse zur Korrelation des Pyrolyseverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314 F Ergebnisse zur Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .348 G Ergebnisse zur Vorhersage des Pyrolyseverhaltens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .361 / The intention of this work was an intensive study of the influence of feedstock properties and process variables on biomass pyrolysis. Due to a lack in consistent data sets, including various feedstock parameters as well as product yields, compositions, and further properties, a laboratory fixed bed reactor was developed to overcome this problem. The pyrolysis reactor was used for experiments with 26 biogenous feedstock under variable process conditions. The reactor is suitable to assure nearly closed mass balances and a complete product recovery. Furthermore, it allows the minimization of secondary reactions. The used feedstock, which include cellulose, xylan, and lignin amongst others, represent a broad range of possible compositions and were intensively characterized by determination of fuel and physical properties as well as biopolymer composition. The varied process parameters are: temperature between 200 and 700 °C, heating rate in the range of 5 to 100 K/min, solid residence time from 0 to 30 min, and particle size up to 5 mm. Closed mass and element balances were done for every set of parameters. As expected, amongst process variables the temperature was identified as the main factor influencing biomass pyrolysis. The temperature depending products yields could be fitted well by the double boltzmann approach due to the two-stage pyrolytic decomposition of biomass. Correlation of feedstock properties with different target parameters, including yields, product composition, heating values, remaining energy content in char, and char properties, was done by Spearman´s rank correlation and Pearson´s correlation for different temperatures. Biopolymer composition as well as alkaline content and total content of potential catalytic elements (Na, K, Ca, Mg, Fe) were identified as main factors influencing biomass pyrolysis product yields and compositions. Further correlations arise with fuel properties like volatile matter and ash content besides O/C atomic ratio. The obtained correlations can be mainly related to pyrolysis mechanisms. The received relationships were quantified by means of multiple regression models. Model evaluation was done by coefficient of determination, information criteria and mean squared errors. 42 regression models, based on different biopolymer contents and the total content of catalytic elements, were provided for the mathematical description of product yields for different process temperatures. Another 56 equations are suitable for the calculation of product properties like tar/oil and char composition, tar/oil heating value, and remaining energy content in the char at different temperatures. The predictability of the regression models was proved using another data set for apple pomace. The yields of char, gas, and condensate as well as the aforementioned product properties can be predicted very well, although, the predictability varies with the applied equation. Validation of the models by literature data was only possible for the char yield, because of the mentioned lack in suitable and complete data sets. Application of regression model to fixed bed char yields for different biomass and biogenous residues from literature resulted in a good predictability. Mathematical description of pyrolysis product yields and properties by means of regression models based on feedstock parameters is a promising approach to predict maximum yields at defined conditions and, therefore, to make an estimation of suitability of the biomass to different applications. Up to now such models do not exist. In general, the development of simple equations based on a few standardized parameters which are easy to determine is worthwhile. Hence, the results showed that the overall trend between different biomass feeds was often not predicted correctly using one-parameter models. This is due to the complex relationships between pyrolysis behavior and feedstock properties. Consequently, at least two parameter models, where the variables show the opposite trends, were most appropriate.:Abkürzungs- und Symbolverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii 1 Einleitung und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Kenntnisstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1 Zusammensetzung und Struktur von Lignocellulosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 Allgemeine chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.2 Struktureller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.3 Vorkommen und Einbindungsformen von anorganischen Bestandteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Möglichkeiten zur Untersuchung der Pyrolyse von Biomassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Verwendete Reaktoren zur Untersuchung der Biomassepyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3 Reaktionsabläufe bei der Biomassepyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Einflussfaktoren auf Pyrolyseproduktverteilung und -eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4.1 Einfluss rohstofflicher Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.2 Einfluss verfahrenstechnischer Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.5 Beschreibung und Vorhersage des Pyrolyseverhaltens von Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.5.1 Empirische Modelle basierend auf statistischen Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.5.2 Kinetische Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.5.3 Modelle auf Basis der Stoffgruppenzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.5.4 Netzwerkpyrolysemodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3 Untersuchungsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1 Einsatzmaterialien und deren Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.1 Biomassen und Vorbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.2 Charakterisierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2 Entwicklung einer apparativen Einrichtung zur Bilanzierung des Biomassepyrolyseprozesses . . . 55 3.2.1 Anforderungen und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2.2 Konzeption, Dimensionierung und Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.3 Endgültige Konfiguration der Laborpyrolyseanlage (LPA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3 Durchführung der Bilanzversuche an der LPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 3.3.1 Parametervariationen bei der Festbettpyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.2 Versuchsvorbereitung und -durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.3 Produktrückgewinnung und -aufarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.4 Methodik bei der Bilanzierung des Pyrolyseprozesses im Festbettreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1 Bilanzgleichungen und -annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.2 Fehlerabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4 Ergebnisse zur Charakterisierung der Einsatzmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1 Brennstofftechnische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2 Chemisch-strukturelle Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3 Physikalische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 5 Einfluss verfahrenstechnischer und rohstofflicher Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1 Bilanzfehler und Wiederholbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1.1 Vergleich der Bilanzierungsvarianten und Bilanzfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1.2 Wiederholbarkeit der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2 Einfluss verfahrenstechnischer Parameter auf Produktverteilung und -zusammensetzung . . . . 94 5.2.1 Einfluss radialer Temperaturgradienten in der Biomasseschüttung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.2.2 Pyrolysetemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2.3 Empirische Gleichungen für die Temperaturabhängigkeit der Produktausbeuten . . . . . . . . . 103 5.2.4 Aufheizgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.5 Feststoffverweilzeit bei Pyrolyseendtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.3 Einfluss rohstofflicher Parameter auf Produktverteilung und -zusammensetzung . . . . . . . . . . . 111 5.3.1 Partikelgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.3.2 Pyrolyse von Zellstoff, Xylan und Alkali-Lignin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.4 Kombinierte Betrachtungen zum Temperatur- und Rohstoffeinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6 Mathematische Zusammenhänge zwischen Rohstoffeigenschaften und Pyrolyseverhalten . . . . 133 6.1 Korrelation mit Rohstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.1.1 Produktausbeuten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.1.2 Produkteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6.1.3 Schlussfolgerungen zur Korrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.2 Regressionsanalyse und Multiple Regression zur Beschreibung des Pyrolyseverhaltens . . . . . 155 6.2.1 Modellvergleich am Beispiel der Koksausbeute bei 500 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2.2 Gleichungen zur Berechnung der Produktausbeuten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.2.3 Gleichungen zur Berechnung der Produkteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2.4 Schlussfolgerungen zur Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 7 Vorhersagemöglichkeiten für das Pyrolyseverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.1 Validierung der Modellgleichungen mit internem Datensatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.2 Validierung mit Literaturdaten zur Festbettpyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 8 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208 A Weiterführende Informationen zu Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208 B Weiterführende Informationen zur Untersuchungsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 C Ergebnisse zur Einsatzstoffcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 D Ergebnisse zum Einfluss verfahrenstechnischer und rohstofflicher Parameter . . . . . . . . . . . . . . . 272 E Ergebnisse zur Korrelation des Pyrolyseverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314 F Ergebnisse zur Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .348 G Ergebnisse zur Vorhersage des Pyrolyseverhaltens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .361

<p>U doktorskoj disertaciji realizovano je istraživanje mogućnosti konverzije energije različitih vrsta poljoprivredne biomase procesom pirolize. Ispitivanu poljoprivrednu biomasu predstavljale su p&scaron;enična, ovsena, sojina slama, slama od kukuruzovine kao i me&scaron;avina navedenih slama. Dobijeni eksperimentalni rezultati ukazuju da prinos gasa, tečne i čvrste faze tokom odvijanja procesa pirolize zavise od vi&scaron;e parametara vođenja procesa među kojima dominantan uticaj imaju reakciono vreme, temperatura i brzina<br />zagrevanja.</p> / <p>Doctoral dissertation investigates possibilities for energy conversion of different agricultural biomass types through pyrolysis process. Investigated agricultural biomass included wheat, corn, oat, soy straw and the mixture of mentioned straws. Obtained experimental results imply that gas, liquid and solid phase yields during pyrolysis process depend on various process parameters, where the reaction time, temperature and heating rate have dominant influence.</p>

En raison de l'épuisement des combustibles fossiles et en raison de son coût croissant, les déchets ont été utilisés comme combustibles alternatifs dans les fours rotatifs à ciment pendant plusieurs années. Afin de répondre aux exigences de protection de l'environnement et de qualité du produit final, il est nécessaire de comprendre et de quantifier les différents processus intervenant dans le four. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la substitution partielle des déchets (pneus usés et Refuse Derived Fuel « RDF ») et biomasse (résidus d’agriculture) dans les fours tournants de production de ciment à un taux de 50 % d’apport énergétique. Le présent projet de thèse a été financé par la République Démocratique Congo, porté par l’Université Kongo (UK), dans le cadre du renfoncement des capacités des universités congolaises. Les travaux de recherche ont été réalisés au sein du Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés (LaTEP) de l’Ecole Nationale Supérieure en Génie de Technologies Industrielles (ENSGTI)/Université de Pau et des Pays de l’Adour (France), dans le but d’étudier et de comprendre les phénomènes thermochimiques se déroulant dans les fours tournants de production de ciments, dans le cas de substitution partielle des combustibles fossiles par des combustibles alternatifs. Pour cela, un modèle mathématique à deux sous-modèles a été établi : - Le modèle monodimensionnel stationnaire du lit de solides et de l’enveloppe du four, caractérisé dans sa première partie par le mélange de la farine de ciment, de déchets et/ou biomasse, et de gaz, et alors que dans sa deuxième partie par les échanges thermiques. Le travail de modélisation est effectué à l'aide du langage de programmation Fortran 90 dans lequel sont implémentées les équations de conservations de la masse, des espèces et de l’énergie, l’équation de transport de la charge, ainsi que les équations algébriques. - Le modèle tridimensionnel instationnaire, repose sur l’utilisation de la mécanique des fluides numérique, et l’outil commercial Fluent a été retenu pour représenter les processus se déroulant au-dessus de la surface libre du lit.Le modèle complet est le couplage entre les deux sous modèles, étant donné les échanges qui s’y effectuent.Deux grands groupes de simulations ont été réalisés dans cette thèse : le cas monodimensionnel et le cas global (couplage Modèle 1D-Modèle 3D). Dans les deux situations, les simulations ont été effectuées dans le cas de fonctionnement au fuel lourd seul, puis dans celui du fonctionnement avec substitution partielle du combustible fossile par les combustibles alternatifs. Pour le modèle monodimensionnel, les simulations ont été effectuées en imposant les flux de chaleur dans la surface libre du lit et dans la paroi découverte. Alors que pour le modèle global, les simulations ont été effectuées en considérant les densités de flux de chaleur associées aux phénomènes physico-chimiques (combustion du fuel lourd, rayonnement, turbulence) se déroulant dans le volume de gaz situé au-dessus de la surface libre du lit.Les résultats ainsi obtenus nous ont permis de conclure sur l’importance de mener en amont une étude expérimentale dans un four tournant à l’échelle pilote afin de pouvoir disposer des ordres de grandeur des différents flux de chaleur au sein du four tournant. Les résultats obtenus nous ont également permis de nous rendre compte de la nécessité de disposer de la géométrie exacte (emplacement) du brûleur dans le four tournant. / Because of the depletion of fossil fuels and because of its increasing cost, waste has been used as alternative fuels in cement rotary kilns for several years. In order to fulfill the requirements of environmental protection and quality of the final product, it is necessary to understand and quantify the different processes occurring in the kiln.As part of this thesis, we focused on the partial substitution of waste (used tires and Refuse Derived Fuel "RDF") and biomass (agricultural residues) in rotary kilns producing cement at a rate of 50 % of energy supply. This thesis project was funded by the Democratic Republic of Congo, led by Kongo University (UK), as part of the capacity building of Congolese universities. The research work was carried out within the Laboratory of Thermal, Energy and Processes (LaTEP) of the National School of Engineering in Industrial Technologies (ENSGTI) /University of Pau, with the aim of to study and understand the thermochemical phenomena taking place in rotary kilns for the production of cement, in the case of partial substitution of fossil fuels by alternative fuels. For this, a mathematical model with two sub-models has been established:- The stationary one-dimensional model of the bed of solids and furnace casing, characterized in its first part by the mixing of cement flour, waste and / or biomass, and gas, and while in its second part by thermal exchanges. The modeling work is performed using the Fortran 90 programming language in which the conservation equations for mass, species and energy, the load transport equation, and the algebraic equations are implemented.- The unsteady three-dimensional model relies on the use of digital fluid mechanics, and the Fluent commercial tool has been retained to represent the processes taking place above the free surface of the bed.The complete model is the coupling between the two sub models, because of the exchanges that take place there.Two large groups of simulations have been realized in this thesis: the one-dimensional case and the global case (Model 1D-3D model coupling). In both situations, the simulations were carried out in the case of operation with heavy fuel oil alone, then in the case of operation with partial substitution of the fossil fuel by alternative fuels. For the one-dimensional model, the simulations were performed by imposing the heat flux in the free surface of the bed and in the exposed wall. Whereas for the global model, the simulations were performed considering the heat flux densities associated with physico-chemical phenomena (combustion of heavy fuel oil, radiation, turbulence) taking place in the volume of gas located above the free surface of the bed.The results thus obtained allowed us to conclude on the importance of carrying out an experimental study in a pilot scale furnace in order to be able to have orders of magnitude of the different heat flows within the rotating furnace. The results obtained also allowed us to realize the necessity to model the exact geometry (location) of the burner in the rotary kiln.