Kinetics of gasification of biochar made of Kraft lignin
Tarkka, Antti (2021-08-17)
A. Tarkka
17.08.2021
© 2021 Antti Tarkka. Tämä Kohde on tekijänoikeuden ja/tai lähioikeuksien suojaama. Voit käyttää Kohdetta käyttöösi sovellettavan tekijänoikeutta ja lähioikeuksia koskevan lainsäädännön sallimilla tavoilla. Muunlaista käyttöä varten tarvitset oikeudenhaltijoiden luvan.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202108208899
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202108208899
Tiivistelmä
The aim of the thesis was to find out the gasification kinetics of biochar made from Kraft lignin. The studied kinetics can be used to map the behavior of biochar at high temperatures. In the future, the investigated properties can be used to study and develop the possibility of replacing traditional metallurgical coke, for example in the production of non-ferrous metals, thus improving the efficiency of slag treatment and reducing the burden on the environment.
The theoretical part focuses on the biomass and the Kraft lignin obtained from it, possible applications for biochar made from Kraft lignin and the theoretical basis for studying the gasification reaction. The aim of the theoretical part is to give basic information on what biochar is, in what applications it could be utilized and in which way the gasification of biochar can be studied.
The experimental part includes the preparation of biochar samples and the determination of kinetic parameters for the biochar samples using TGA equipment. The data obtained from the samples are fitted to a suitable isothermal model from which parameters describing the gasification kinetics can be determined.
From the research work we were able to find out the activation energies and velocity constants of all the samples. Compared to the literature, the values of biochar obtained are quite small, but this was to be expected, due to the material and conditions. The results show that Kraft lignin-based biochar is highly reactive, for example when compared to conventional metallurgical coke. The activation energy of biochar made from Kraft lignin got values between 6 and 19 kJ/mol depending on the pyrolysis temperature and the velocity constant values between 0.00262 and 0.00617 1/s. The corresponding values for coke were 80 kJ/mol and 0.26503 1/s.
The use of biochar made from Kraft lignin as a reducing agent, for example in the production of non-ferrous metals, is possible in the future, but before that its production costs and production problems should be solved. Diplomityön tavoitteena on selvittää Kraft-ligniinistä valmistetun biohiilen kaasuuntumisen kinetiikkaa. Selvitetyn kinetiikan avulla saadaan kartoitettua biohiilen käyttäytymistä korkeassa lämpötilassa hapettomassa ympäristössä. Selvitetyillä ominaisuuksilla voidaan jatkossa tutkia ja kehittää mahdollisuutta korvata perinteistä metallurgista koksia esimerkiksi värimetallien valmistuksen yhteydessä, näin tehostamalla kuonan käsittelyä ja pienentämällä ympäristölle aiheutuvaa kuormaa.
Teoriaosassa käsitellään biomassaa ja siitä saatavaa Kraft-ligniiniä, mahdollisia käyttökohteita Kraft-ligniinistä valmistetulle biohiilelle sekä teoreettista pohjaa kaasuuntumisreaktion tutkimiselle. Teoriaosan tavoite on antaa kuvaa siitä, mitä biohiili on, missä käyttökohteissa sitä voitaisiin hyödyntää esimerkiksi värimetallien valmistuksessa, sekä millä tavoin biohiilen kaasuuntumista voidaan tutkia.
Kokeellinen osa sisältää biohiilinäytteiden valmistamisen sekä kineettisten parametrien selvittämisen biohiilinäytteille TGA-laitteiston avulla. Näytteistä saatu data sovitetaan sopivaan isotermiseen malliin, josta saadaan määriteltyä kaasuuntumisen kinetiikkaa kuvaavat parametrit.
Tutkimustyöstä selvitettiin kaikkien näytteiden aktivoitumisenergiat sekä nopeusvakiot. Kirjallisuuteen verrattuna saadut biohiilen arvot ovat melko pieniä, mutta tämä oli odotettavissa, materiaalin ja olosuhteiden johdosta. Tuloksista havaitaan, että Kraft-ligniini-pohjainen biohiili on hyvin reaktiivista esimerkiksi verrattuna perinteiseen metallurgiseen koksiin. Kraft-ligniinistä valmistetun biohiilen aktivoitumisenergia sai arvoja väliltä 6–19 kJ/mol riippuen pyrolyysilämpötilasta ja nopeusvakion arvoja väliltä 0,00262–0,00617 1/s. Koksilla vastaavat arvot olivat suuruudeltaan 80 kJ/mol ja 0,26503 1/s.
Kraft-ligniinistä valmistetun biohiilen käyttäminen pelkistimenä esimerkiksi värimetallien valmistuksessa on tulevaisuudessa mahdollista, mutta ennen sitä sen valmistuskustannukset ja tuotantoon liittyvät ongelmat olisi hyvä ratkaista.
The theoretical part focuses on the biomass and the Kraft lignin obtained from it, possible applications for biochar made from Kraft lignin and the theoretical basis for studying the gasification reaction. The aim of the theoretical part is to give basic information on what biochar is, in what applications it could be utilized and in which way the gasification of biochar can be studied.
The experimental part includes the preparation of biochar samples and the determination of kinetic parameters for the biochar samples using TGA equipment. The data obtained from the samples are fitted to a suitable isothermal model from which parameters describing the gasification kinetics can be determined.
From the research work we were able to find out the activation energies and velocity constants of all the samples. Compared to the literature, the values of biochar obtained are quite small, but this was to be expected, due to the material and conditions. The results show that Kraft lignin-based biochar is highly reactive, for example when compared to conventional metallurgical coke. The activation energy of biochar made from Kraft lignin got values between 6 and 19 kJ/mol depending on the pyrolysis temperature and the velocity constant values between 0.00262 and 0.00617 1/s. The corresponding values for coke were 80 kJ/mol and 0.26503 1/s.
The use of biochar made from Kraft lignin as a reducing agent, for example in the production of non-ferrous metals, is possible in the future, but before that its production costs and production problems should be solved.
Teoriaosassa käsitellään biomassaa ja siitä saatavaa Kraft-ligniiniä, mahdollisia käyttökohteita Kraft-ligniinistä valmistetulle biohiilelle sekä teoreettista pohjaa kaasuuntumisreaktion tutkimiselle. Teoriaosan tavoite on antaa kuvaa siitä, mitä biohiili on, missä käyttökohteissa sitä voitaisiin hyödyntää esimerkiksi värimetallien valmistuksessa, sekä millä tavoin biohiilen kaasuuntumista voidaan tutkia.
Kokeellinen osa sisältää biohiilinäytteiden valmistamisen sekä kineettisten parametrien selvittämisen biohiilinäytteille TGA-laitteiston avulla. Näytteistä saatu data sovitetaan sopivaan isotermiseen malliin, josta saadaan määriteltyä kaasuuntumisen kinetiikkaa kuvaavat parametrit.
Tutkimustyöstä selvitettiin kaikkien näytteiden aktivoitumisenergiat sekä nopeusvakiot. Kirjallisuuteen verrattuna saadut biohiilen arvot ovat melko pieniä, mutta tämä oli odotettavissa, materiaalin ja olosuhteiden johdosta. Tuloksista havaitaan, että Kraft-ligniini-pohjainen biohiili on hyvin reaktiivista esimerkiksi verrattuna perinteiseen metallurgiseen koksiin. Kraft-ligniinistä valmistetun biohiilen aktivoitumisenergia sai arvoja väliltä 6–19 kJ/mol riippuen pyrolyysilämpötilasta ja nopeusvakion arvoja väliltä 0,00262–0,00617 1/s. Koksilla vastaavat arvot olivat suuruudeltaan 80 kJ/mol ja 0,26503 1/s.
Kraft-ligniinistä valmistetun biohiilen käyttäminen pelkistimenä esimerkiksi värimetallien valmistuksessa on tulevaisuudessa mahdollista, mutta ennen sitä sen valmistuskustannukset ja tuotantoon liittyvät ongelmat olisi hyvä ratkaista.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [34237]