The fast pyrolysis characteristics of lignocellulosic biomass are investigated for a bubbling fluidized bed reactor by means of computational fluid dynamics (CFD). To simulate multiphase reacting flows for gases and solids, an Eulerian-Eulerian approach is applied. Attention is paid for the primary and secondary reactions affected by gas-solid flow field. From the result, it is scrutinized that fast pyrolysis reaction is promoted by chaotic bubbling motion of the multiphase flow enhancing the mixing of solid particles. In particular, vortical flow motions around gas bubbles play an important role for solid mixing and consequent fast pyrolysis reaction. Discussion is made for the time-averaged pyrolysis reaction rates together with time-averaged flow quantities which show peculiar characteristics according to local transverse location in a bubbling fluidized bed reactor.
Lee, Yu Ri;Park, Hoon Chae;Choi, Myung Kyu;Choi, Hang Seok
Journal of Korea Society of Waste Management
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v.34
no.5
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pp.518-527
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2017
The development of renewable energy is currently strongly required to address environmental problems such as global warming. In particular, biomass is highlighted due to its advantages. When using biomass as an energy source, the conversion process is essential. Fast pyrolysis, which is a thermochemical conversion method, is a known method of producing bio-oil. Therefore, various studies were conducted with fast pyrolysis. Most studies were conducted under a lab-scale process. Hence, scaling up is required for commercialization. However, it is difficult to find studies that address the process analysis, even though this is essential for developing a scaled-up plant. Hence, the present study carries out the process analysis of biomass pyrolysis. The fast pyrolysis system includes a biomass feeder, fast pyrolyzer, cyclone, condenser, and electrostatic precipitator (ESP). A two-stage, semi-global reaction mechanism was applied to simulate the fast pyrolysis reaction and a circulating fluidized bed reactor was selected as the fast pyrolyzer. All the equipment in the process was modeled based on heat and mass balance equations. In this study, process analysis was conducted with various reaction temperatures and residence times. The two-stage, semi-global reaction mechanism for circulating fluidized-bed reactor can be applied to simulate a scaled-up plant.
The bio-oil produced from the fast pyrolysis of lignocellulosic biomass contains a high amount of oxygenates, causing variation in the properties of bio-oil, such as instability, high acidity, and low heating value, reducing the quality of the bio-oil. Consequently, an upgrading process should be recommended ensuring that these bio-oils are widely used as fuel sources. Catalytic fast pyrolysis has attracted a great deal of attention as a promising method for producing upgraded bio-oil from biomass feedstock. In this study, the fast pyrolysis of tulip tree was performed in a bubbling fluidized-bed reactor under different reaction temperatures, with and without catalysts, to investigate the effects of pyrolysis temperature and catalysts on product yield and bio-oil quality. The system used silica sand, ferric oxides (Fe2O3 and Fe3O4), and H-ZSM-5 as the fluidized-bed material and nitrogen as the fluidizing medium. The liquid yield reached the highest value of 49.96 wt% at 450 ℃, using Fe2O3 catalyst, compared to 48.45 wt% for H-ZSM-5, 47.57 wt% for Fe3O4 and 49.03 wt% with sand. Catalysts rejected oxygen mostly as water and produced a lower amount of CO and CO2, but a higher amount of H2 and hydrocarbon gases. The catalytic fast pyrolysis showed a high ratio of H2/CO than sand as a bed material.
Choi, Joon-Weon;Choi, Don-Ha;Cho, Tae-Su;Meier, Dietrich
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2006.06a
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pp.474-477
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2006
유동형 급속열분해기((fluidized bed type fast pyrolyzer, 용량 300g/h)를 이용하여 너도밤나무와 침엽수 흔합재(독일가문비나무/전나무, 50:50)로부터 바이오오일을 생산하였다. 목질바이오매스의 열분해는 약 $470{\pm}5^{\circ}C$에서 1-2초 간 진행되었다. 목질바이오매스의 열분해 생성물의 조성을 살펴보면, 너도밤나무는 바이오오일이 약 60%, 탄이 약 9% 피리 고 가스가 31% 가량 생산되었으며, 침엽수 혼합재는 49%의 바이오오일, 9%의 탄, 그리고 42% 가량의 가스가 생성되었다. 두 종류의 목질바이오매스에서 생산된 바이오오일에는 약 17-22% 가량의 수분이 포함되어 있었으며, 비중은 약 1.2kg/L 이었다. 바이오오일의 원소 조성은 탄소가 45%, 산소가 47% 수소가 7%, 그리 고 질소가 1% 로서 일반적 인 목질바이오매스와 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 그러나 화석자원에서 생산되는 오일류와 비교하여 산소함량은 매우 높았으나 황은 전혀 포함하고 있지 않았다. 바이오오일의 GC분석 결과 총 90여종의 고리형, 또는 비고리형 저분자량 화합물이 검출되었으며 이들의 함량은 바이오오일 전건중량의 31-33% 정도로 측정되었다.
Fast pyrolysis of medium-density fiberboard was carried out using a fluidized-bed reactor under various conditions to find an optimum pyrolysis condition. When the pyrolysis temperature was varied between $425^{\circ}C$ and $575^{\circ}C$, the maximum bio-oil yield of 52 wt% was obtained at $525^{\circ}C$. The quality of the bio-oil product increased with increasing pyrolysis temperature. Pyrolysis at a high temperature removed significant amounts of oxygenates and acids, producing more valuable species such as aromatics and phenolics. The main gaseous products were CO and $CO_2$. The yields of CO and $C_1-C_4$ hydrocarbons increased with increasing the pyrolysis temperature.
In-Jun Hwang;Jae-Rak Jeon;Jinsoo Kim;Seung-Soo Kim
Clean Technology
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v.29
no.3
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pp.200-216
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2023
Ginkgo leaves are considered waste biomass and can cause problems due to the strong insecticidal actions of ginkgolide A, B, C, and J and bilobalide. However, Ginkgo leaf biomass has high organic matter content that can be converted into fuels and chemicals if suitable technologies can be developed. In this study, the effect of pyrolysis temperature, minimum fluidized velocity, and Ginkgo leaf size on product yields and product properties were systematically analyzed. Fast pyrolysis was conducted in a bubbling fluidized bed reactor at 400 to 550℃ using silica sand as a bed material. The yield of pyrolysis liquids ranged from 33.66 to 40.01 wt%. The CO2 and CO contents were relatively high compared to light hydrocarbon gases because of decarboxylation and decarbonylation during pyrolysis. The CO content increased with the pyrolysis temperature while the CO2 content decreased. When the experiment was conducted at 450℃ with a 3.0×Umf fluidized velocity and a 0.43 to 0.71 mm particle size, the yield was 40.01 wt% and there was a heating value of 30.17 MJ/kg, respectively. The production of various phenol compounds and benzene derivatives in the bio-oil, which contains the high value products, was identified using GC-MS. This study demonstrated that fast pyrolysis is very robust and can be used for converting Ginkgo leaves into fuels and thus has the potential of becoming a method for waste recycling.
Lee Sun-Hoon;Eom Min-Seop;Yoo Kyung-Seun;Lee Young-Soo;Kim Nam-Chan;Lee See-Hoon;Lee Jae-Goo;Kim Jae-Ho
Resources Recycling
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v.15
no.1
s.69
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pp.3-11
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2006
Fast pyrolysis of Quercus acutissima was carried out in a fluidized bed pyrolyser and then the physicochemical properities of obtained bio-oil were analyzed using GC/MS. The yields of bio-oil of Quercus acutissima and Larix leptolepis from a fluidized bed pyrolyzer were maximized at $350^{\circ}C\;and\;400^{\circ}C$, respectively. This is due to the difference or cellulose content between the two tree species. Above the optimum temperature, the yields of char and oil decreased as the reaction temperature increased, but the yield of gas-phase and water fraction increased. It is concluded that this phenomenon is occured by secondary pyrolysis in the free board. The feeding rate of the sample in a fluidized bed pyrolyser did not affect the yields and composition of products, because of a sufficient mixing between bed materials and sand.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.35
no.10
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pp.710-716
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2013
New and renewable energy sources have drawn attention because of climate change. Many studies have been carried out in waste-to-energy field. Fast pyrolysis of waste lignocelluosic biomass is one of the waste-to-energy technologies. Bubbling fluidized bed (BFB) reactor is widely used for fast pyrolysis of the biomass. In BFB pyrolyzer, bubble behavior influences on the chemical reaction. Accordingly, in the present study, hydrodynamic characteristics and fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass occurring in a BFB pyrolyzer are scrutinized. The computational fluid dynamics (CFD) simulation of the fast pyrolysis reactor is carried out by using Eulerian-Granular approach. And two-stage semi-global kinetics is applied for modeling the fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass. To summarize, generation and ascendant motion of bubbles in the bed affect particle behavior. Thus biomass particles are well mixed with hot sand and consequent rapid heat transfer occurs from sand to biomass particles. As a result, primary reaction is observed throughout the bed. And reaction rate of tar formation is the highest. Consequently, tar accounts for 66wt.% of the product gas. However, secondary reaction occurs mostly in the freeboard. Therefore, it is considered that bubble behavior and particle motions hardly influences on the secondary reaction.
Bio-oil is produced by the fast quenching of hot vapor produced by fast pyrolysis of biomass in an inert atmosphere. Nitrogen is used as carrier gas to control the concentration of oxygen less than 3%. The consumption of nitrogen should be increased with increasing process size, and leading to increasing of facility and operating costs due to nitrogen charge. The effects of the recycling of non-condensable gases on the fast pyrolysis, bio-oil yield and quality, and nitrogen consumption have systematically investigated to see the possibility of these results in fast pyrolysis process of palm residue.
Choi, Joon-Weon;Choi, Don-Ha;Cho, Tae-Su;Meier, Dietrich
Journal of the Korean Wood Science and Technology
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v.34
no.6
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pp.36-43
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2006
Using fluidized bed type fast pyrolysis system (capacity 400 g/h) bio-oils were produced from beech (Fagus sylvatica) and softwood mixture (spruce and larch, 50:50). The pyrolysis was performed for 1~2 s at the temperature of $470{\pm}5^{\circ}C$. Pyrolysis products consisted of liquid form of bio-oil, char and gases. In beech wood bio-oil was formed to ca. 60% based on dry biomass weight and the yield of bio-oil was 49% in soft wood mixture. The moisture contents in both bio-oils were ranged between 17% and 22% and the bio-oil's density was measured to $1.2kg/{\ell}$. Bio-oils were composed of 45% carbon, 47% oxygen, 7% hydrogen and lower than 1% nitrogen,which was very similar to those of original biomass. In comparison with oils from fossil resources, oxygen content was very high in bio-oils, while no sulfur was found. More than 90 low molecular weight components, classified to aromatic and non aromatic compounds, were identified in bio-oils by gas chromatographic analysis, which amounted to 31~33% based on the dry weight of bio-oils.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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