Torrefaction of biomass – a comparative and kinetic study of thermal decomposition for Norway spruce stump , poplar and fuel tree chips

Stump biomass is energy rich and stump harvesting for use as fuel become more and more interesting in Sweden. Swedish Forest Agency (2009) has estimated that stump harvesting in Sweden would respond to an annual energy supply of 57 TWh/year. However, stump has not been recognized as a bioenergy resource in Sweden. Suitable methods for pre-treatment of stump are probably of great importance to make it accepted as fuel. It is therefore rewarding to carry out an investigation in this area for stump. This report represents results from a diploma project, which was aimed to develop a fixed bed reactor for experimental study of biomass torrefaction, followed by TG analysis and kinetic modelling employing Ozawa method and different kinetic models including one-step and three-pseudo-component models. The focus was on Norway spruce stump. Two other types of biomass, poplar and fuel tree chips were also included in the study for comparison. The study has demonstrated that fuel properties, including heating values and grindability of the investigated biomasses, were improved by torrefaction. The heating rate affects the thermal decomposition process. In addition, SEM analysis indicated that the wood surface structure was broken and destroyed by torrefaction process. Activation energy of untreated and torrefied biomass were determined, being in good agreement with data in the literature. Among the kinetic models tested, three-pseudo-components model with reaction order n ≠ 1 appears to be the best for simulating pyrolysis of untreated and torrefied biomass. Sammanfattning Biomassa, som är en förnyelsebar energikälla, är CO2-neutral. Till en viss del kan fossila bränslen ersättas med denna energikälla och därmed minska CO2-utsläppen. Bränslen från biomassa har dock, jämfört med fossila bränslen, lägre bränslekvalitetsegenskaper såsom t.ex. högre fukthalt, lägre värmevärde och sämre sönderdelningsbarhet. För att förbättra kvalitetsegenskaperna på rå biomassa kan torrefiering användas som en förbehandlingsteknik. Torrefiering är en termisk nedbrytningsprocess och kallas också för en mild pyrolysprocess, vilket innebär att reaktionstemperaturen är relativt låg (från 200C till 300C) under den ca 30 minuter långa reaktionstiden, som sker under inert atmosfär. Torrefieringsprocessen förbättrar den råa biomassans kvalitet, minskar kostnaderna för transporter av biomassa samt gör det enklare att lagra biomassa under längre tidsperioder. Stubbar är energirika och intresset för att använda dessa som bränsle har ökat under senare år. Skogsstyrelsen (2009) har uppskattat att stubbskörd skulle kunna ge en årlig energitillförsel på 20,7 TWh då hänsyn även tas för gällande miljörestriktionen och ekonomiska intressen. Tyvärr har stubbar ännu inte erkänts som en bioenergiresurs pga att miljökonsekvenserna med storskalig stubbskörd inte är fastställda. Ur ett bränslekvalitetsperspektiv är lämpliga metoder för förbehandling av stubbar av stor betydelse för att öka acceptansen, då kvaliteten på detta sortiment är mycket varierande. På grund av detta är det givande att genomföra en undersökning inom detta område för stubbar. I detta examensarbete presenteras resultat som syftar till utveckling av en fastbäddsreaktor för experimentell studie av torrefiering av biomassa. Den torrefierade biomassan har därefter även studerats genom, termogravimetrisk (TG) analys, kinetisk modellering med Ozawa metod och olika kinetiska modeller såsom one-step och three-pseudo-component modeller. Huvuddelen av biomassaproverna utgjordes av granstubbar (Norway spruce), men även två andra typer av biomassa, stamved av poppel och bränsle av träflis har studerats. Studien har visat att bränslets egenskaper, inklusive värmevärde och sönderdelningsbarhet, hos de undersökta biomassorna har förbättrats genom torrefieringsprocessen. Det visades också att uppvärmningshastigeten påverkar den termiska nedbrytningsprocessen. Dessutom visade SEM-analys att ytstrukturen på trä bröts och förstördes av torrefieringsprocessen. Aktiveringsenergi av obehandlad och torrefierad biomassa bestämdes vilken väl stämde överens med data från litteraturen. Efter tester med olika kinetiska modeller, visade det sig att three-pesudo-components modellen med reaktionsordning n≠1 ger bäst resultat för simulering av pyrolys av obehandlad och torrefierad biomassa. Nomenclature P Poplar FTC Fuel Tree Chips S spruce stump MC Moister content (%) AC Ash content (%) HV Heating Value (MJ/kg) Etorrefied the Energy of torrefied biomass Euntreated Energy of untreated biomass mtorrefied the mass of torrefied biomass muntreated the initial mass of untreated biomass Ed Energy desification TGA Thermogravimetric analyzer SEM scanning electric microscope TGA-curve: the thermogravimetric analysis which presents the change of conversion with temperature DTG-curve: the derivative thermogravimetic analysis which presents the decomposition rate during pyrolysis Ea activation energy (kJ/mol) A pre-exponential factor (s) α conversion β heating rate(K/s) Mi the initial mass M∞ the residual mass Mt the mass of the sample at time t n reaction order R gas constant (8.314 J/mol/K) T temperature (K or C) t time (s) C dimensionless factor