Ανάπτυξη υπολογιστικού μοντέλου πυρόλυσης καυσίμων βιομάζας

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού μοντέλου για τον προσδιορισμό της χημικής κινητικής της θερμοχημικής διεργασίας της πυρόλυσης για διάφορα είδη βιομάζας. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν έξι βιοκαύσιμα: ενεργειακές καλλιέργειες (γιγαντιαίο καλάμι και switchgrass) και υπολλείματα καρπών, μετά την εξαγωγή του ελαίου, από ελιές, γιατρόφα , ρετσινολαδιά και ηλίανθο. Για τα παραπάνω καύσιμα πραγματοποιήθηκε πειραματική θερμοβαρυμετρική ανάλυση με δύο διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης (10 και 100οC/min). Εν συνεχεία τα πειραματικά αποτελέσματα, αποτέλεσαν τη βάση για την κατάστρωση ενός υπολογιστικού μοντέλου. Το μοντέλο το οποίο υιοθετήθηκε ήταν αυτό των ανεξάρτητων παράλληλων αντιδράσεων, προκειμένου να προσδιοριστούν οι σταθερές της χημικής κινητικής της πυρόλυσης. Μέσω του μοντέλου αυτού κατέστη δυνατός ο υπολογισμός του ποσοστού συμμετοχής του κάθε συστατικού της βιομάζας (ημικυτταρίνη, κυτταρίνη και λιγνίνη) στη συνολική θερμοχημική μετατροπή του στερεού καυσίμου καθώς και της ενέργειας ενεργοποίησης (Ε) και του προ-εκθετικού παράγοντα (Α) της αντίδρασης πρώτου βαθμού κάθε συστατικού για κάθε τύπο βιομάζας. Η προσέγγιση των παραμέτρων του μοντέλου στα πειραματικά δεδομένα πραγματοποιήθηκε με τη χρήση προγράμματος γραμμένου σε γλώσσα προγραμματισμού C, ενώ η βελτιστοποίηση με χρήση του λογισμικού EASY (Evolutionary Algorithm System).

The work undertaken within this thesis is focused on the development of a computational model for the determination of a kinetic model and its parameters, in order to describe several biomasses pyrolysis process. In particular, six biofuels were examined: energy crops (Arundo donax and switchgrass) and residual cakes, after oil has been extracted, from olives, castor, jatropha and sunflower seeds. Experimental thermogravimetric analysis was performed on these fuels, employing two different heating rates (10 and 100oC/min). To describe the mass loss, an independent parallel reaction model was adopted and mathematically fitted, in order to determine its constants. Within the model it was possible to determine the contribution of each of each component (hemicellulose, cellulose and lignin) to the overall mass loss as well as the activation energy (E) and pre-exponential factor (A) of the first law reaction of each of these components in each type of biomass. The fitting of the model parameters into the experimental data was performed using a program in C programming language, while the optimization was performed using the EASY (Evolutionary Algorithm System) platform.