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Tian, Yong
Universite Paris-Saclay, Ecoles doctorales no. 579 - sciences mecaniques et energetiques, materiaux et geosciences - Smemag, CentraleSupelec, Laboratoire de Genie des Procedes et Materiaux - LGPM, 3 Rue Joliot Curie,91190, Gif-sur-Yvette (France)2021
Universite Paris-Saclay, Ecoles doctorales no. 579 - sciences mecaniques et energetiques, materiaux et geosciences - Smemag, CentraleSupelec, Laboratoire de Genie des Procedes et Materiaux - LGPM, 3 Rue Joliot Curie,91190, Gif-sur-Yvette (France)2021
AbstractAbstract
[en] 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. (author)
[fr]
La pyrolyse de la biomasse lignocellulosique est une methode efficace pour la production de bio-liquide et de gaz de synthese. Le modele de multidistribuee d'energie d'activation (DAEM) est un outil robuste de modelisation de la cinetique de pyrolyse. Pourtant, sa strategie optimale concernant le nombre et la forme des distributions reste une question ouverte. Parallelement, des developpements supplementaires sont necessaires pour etendre la capacite du modele a predire l'effet de la taille des particules. Ce travail vise a etablir une strategie DAEM robuste et universelle pour la modelisation de la pyrolyse, puis de l'appliquer a la cinetique de pyrolyse de particules de differentes tailles. Apres les identifications sur la base de donnees d'apprentissage, les modeles sont systematiquement testes avec une base de donnees de validation. Pour la modelisation, une strategie optimale a ete definie en testant une grande diversite de nombre et forme des distributions. Trois distributions avec des formes pertinentes garantissent une bonne prediction avec une concision appropriee. La combinaison de deux fonctions gaussiennes et d'une fonction exponentielle s'est revelee la plus performante des combinaisons DAEM testees, et plus performante egalement que les schemas classiques du premier et du n-ieme ordre. Par la suite, ce choix de modele DAEM (deux gaussiennes + une exponentielle) a ete utilise pour determiner les parametres intrinseques de la poudre d'epicea et de peuplier. La qualite de la prediction cinetique a permis, pour la premiere fois, de determiner egalement les enthalpies de reaction a partir des signaux DSC. Des analyses experimentales d'echantillons multiechelles ont revele les effets de la taille, avec notamment une plus grande carbonisation liee aux reactions secondaires. Cela se traduit par la correlation negative entre perte de masse et composition elementaire. Les identifications ont fourni des parametres cinetiques du modele DAEM pour differentes tailles, a partir desquels des profils de devolatilisation et des indices synthetiques sont extraits pour montrer l'effet de la taille sur les trois pseudos composants. La capacite de prediction du modele a ete verifiee sur trois tailles d'echantillons par des experiences additionnelles effectuees avec des essais isothermes. Enfin, les correlations entre la masse residuelle adimensionnelle et la composition elementaire nous ont permis de determiner la composition des reactions secondaires, constituee principalement de carbone. La composition elementaire du charbon peut donc etre predite en utilisant la difference de cinetique entre une poudre fine et une taille donnee. (auteur)Original Title
Modele d'energie d'activation multi distribuee pour la pyrolyse du bois: strategie de modelisation appliquee a la cinetique experimentale de particules de differentes tailles
Primary Subject
Secondary Subject
Source
15 Apr 2021; 176 p; 332 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These de doctorat de l'universite Paris-Saclay, Specialite: Genie des Procedes
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
CHEMICAL ANALYSIS, CHEMICAL REACTIONS, CONIFERS, DECOMPOSITION, ENERGY, ENTHALPY, FUNCTIONS, GRAVIMETRIC ANALYSIS, KINETICS, MAGNOLIOPHYTA, MAGNOLIOPSIDA, PHYSICAL PROPERTIES, PINOPHYTA, PLANTS, QUANTITATIVE CHEMICAL ANALYSIS, REACTION HEAT, REACTION KINETICS, SIMULATION, SIZE, THERMAL ANALYSIS, THERMOCHEMICAL PROCESSES, THERMODYNAMIC PROPERTIES, TREES
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