Modelowanie numeryczne szybkiej pirolizy biomasy rolniczej w reaktorze opadowym - analiza wpływu parametrów operacyjnych

Abstract

Przedstawiona praca naukowa dotyczy zastosowania metod CFD do analizy procesu pirolizy w reaktorze opadowym. Wykonanie obliczeń numerycznych pozwoliło ocenić wpływ średnicy cząstki biomasy, strumienia objętościowego azotu, strumienia masowego biomasy oraz temperatury procesu na wydajność produktów pirolizy. Celem pracy była poprawa efektywności reaktora opadowego poprzez dobór parametrów pirolizy, które pozwoliły na uzyskanie wysokiej wydajności biooleju. W oparciu o wyniki numeryczne wykazane zostało, że kluczowy wpływ na wydajność biooleju w reaktorze odgrywa temperatura. Wzrost temperatury z 500 do 700 °C zwiększał intensywność występowania reakcji krakingu termicznego. Cząstki o średnicy 250 oraz 500 μm, zapewniają około 50% uzysk biooleju. Wzrost strumienia azotu zwiększał obszar występowania niejednorodnej temperatury. Na podstawie badań numerycznych wykazano, że strumień masowy biomasy nie oddziałowywuje na wydajność produktów pirolizy. Parametry pirolizy, dla których uzyskano wysoką wydajność biooleju, zostały poddane weryfikacji eksperymentalnej. Wyniki badań doświadczalnych potwierdziły możliwość wykorzystania metod numerycznych do określenia optymalnych parametrów pirolizy. Głównym składnikiem biooleju był kwas octowy, jednakże odnotowano około 20% uzysk związków fenolowych. W składzie gazu pirolitycznego odnotowano dominujące udziały tlenku węgla i ditlenku węgla.

The doctoral dissertation concerns the application of CFD methods in biomass pyrolysis process in a drop tube reactor. The performed analysis allowed to investigate the influence of particle diameter, nitrogen volumetric flow rate, biomass mass load, and temperature on the pyrolytic products yield. The main aim was to improve reactor efficiency by selecting optimal pyrolytic conditions that lead to the highest bio-oil yield. The numerical results showed that temperature is a crucial parameter in the case of bio-oil production. The increase in temperature from 500 to 700 °C increased the thermal cracking reactions and led to a decrease in bio-oil yield. The particle dimeter from 250 to 500 μm in size provided around 50 % of the bio-oil yield. Increasing the flow rate increased the temperature gradient. The biomass mass load did not significantly influence the yield of the pyrolytic products. Numerical analysis established pyrolytic conditions, which were characterised by the highest bio¬oil yield. These parameters were then experimentally verified using a laboratory setup. The results showed that numerical calculations can be successfully used to determine the optimal parameters. The main chemical compound of bio-oil was acetic acid, but 20 % of phenol compounds were also obtained. Analysis of the gas compositions showed the dominant content of carbon monoxide and carbon dioxide.