Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Characterization of biomass pyrolysis and gasification using Raman Spectroscopy

Johansson, Henrik LU (2018) FYSM30 20181
Department of Physics
Combustion Physics
Abstract
This thesis examines the emissions formed during pyrolysis and gasification of lignocellulosic biomass in pellet form, using vibrational Raman spectroscopy. Seven different samples are studied during the pyrolysis process and six of these are also studied during gasification. For pyrolysis, the sample is placed into the center of a cruciform aluminum pipe, flushed with Ar, at room temperature. The Raman signal is then recorded as the pipe is heated up to ∼770 K, at a rate of ∼38 K/min. The gasification measurements are performed in a similar manner, with the addition of O2 , to a concentration of ∼4%, into the pipe. During pyrolysis, the samples were shown to emit traces of some species containing an -NH2 group at temperatures below 450 K,... (More)
This thesis examines the emissions formed during pyrolysis and gasification of lignocellulosic biomass in pellet form, using vibrational Raman spectroscopy. Seven different samples are studied during the pyrolysis process and six of these are also studied during gasification. For pyrolysis, the sample is placed into the center of a cruciform aluminum pipe, flushed with Ar, at room temperature. The Raman signal is then recorded as the pipe is heated up to ∼770 K, at a rate of ∼38 K/min. The gasification measurements are performed in a similar manner, with the addition of O2 , to a concentration of ∼4%, into the pipe. During pyrolysis, the samples were shown to emit traces of some species containing an -NH2 group at temperatures below 450 K, various hydrocarbons at temperatures above this, and H2O was emitted during the entire process. Data for the gasification process showed strong emissions from several >C=O groups between temperatures 450 K and 550 K, CO2 and several hydrocarbons from temperatures of 450 K and above, and CO above temperatures of 500 K. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Förnyelsebara bränslen vinner allt större mark inom energisektorn och biomassa är ett
av de mer lättillgängliga alternativen. Eftersom det rör sig om fasta bränslen kan det dock vara svårt att hantera. För att göra det mer lätthanterligt kan man utvinna energin i form av gas som man sedan förbränner. Men vad innehåller gasen? Och hur tar vi reda på det?

Först och främst måste vi reda ut begreppet biomassa. Biomassa är en bred kategori som
innefattar allt från sågspån till hushållsavfall och annat som blir över vid tillverkning och förbrukning av andra produkter. Då biomassa är förnyelsebar och oftast är en biprodukt så anses den ha låg klimatpåverkan i jämförelse med fossila bränslen. Den biomassa som omnämns här är i form av... (More)
Förnyelsebara bränslen vinner allt större mark inom energisektorn och biomassa är ett
av de mer lättillgängliga alternativen. Eftersom det rör sig om fasta bränslen kan det dock vara svårt att hantera. För att göra det mer lätthanterligt kan man utvinna energin i form av gas som man sedan förbränner. Men vad innehåller gasen? Och hur tar vi reda på det?

Först och främst måste vi reda ut begreppet biomassa. Biomassa är en bred kategori som
innefattar allt från sågspån till hushållsavfall och annat som blir över vid tillverkning och förbrukning av andra produkter. Då biomassa är förnyelsebar och oftast är en biprodukt så anses den ha låg klimatpåverkan i jämförelse med fossila bränslen. Den biomassa som omnämns här är i form av träpellets, som tillverkas genom hoppressning av sågspån.

Hur utvinner man gas från träpellets då? Det finns flera olika metoder, men den enklaste av dem är att värma upp dem i en syrelös miljö (känt som pyrolys) eller en väldigt syrefattig miljö (känt som förgasning). Allt man behöver göra är att placera sina pellets i en ugn, leda ut allt syre och sedan skruva upp värmen till 500◦ C! Vad den gas som sedan bildas består av beror på vilken av de två ovanstående metoderna som använts.

För att ta reda på vad gasen innehåller kan man använda sig av laserdiagnostik. Det innebär att man riktar en laserstråle in i ugnen med träpellets, helst så nära ovanför pelletsen som möjligt. Det som sedan händer är att ljuset från lasern “krockar” med molekylerna i gasen och ger dem lite extra energi, ungefär som när ett bowlingklot slår ner käglorna i slutet av bowlingbanan. Molekylerna måste sedan göra sig av med den extra energin på något sätt och det gör de genom att skicka ut den som ljus. Ljuset de skickar ut fungerar lite som ett fingeravtryck, då ljusets färg beror på hur stora molekylerna är och vilka atomer de är uppbyggda av.

Så vad är det den där gasen innehåller? Förutom kolväten - de ämnen som ger själva energin och alltså vad man vill komma åt med de här metoderna - så innehåller gasen även en hel del vattenånga. Än så länge inga konstigheter. Men, det finns också mindre mängder ammoniak i gasen. Ammoniak ingår ofta i rengöringsmedel och är inte farligt i mindre mängder, men kan i större mängder leda till njursvikt. Vid förbränning genererar den även skadliga kväveoxider med stor miljöpåverkan. Förutom ammoniak bildas det också ämnen som formaldehyd, acetaldehyd och aceton, som är kolväten hopkopplade med en syreatom. Alla tre ingår i saker vi äter dagligen (t ex äpplen) eller bildas naturligt i kroppen. Acetaldehyd bildas t ex i levern vid nedbrytning av alkohol och aceton vid nedbrytning av fett. I mindre mängder utgör dessa ämnen därför ingen hälsorisk, men större mängder kan de ha skadliga effekter, t ex på luftvägarna. Vid förbränning av gasen påverkar dessa kol-väte-syre föreningar även i sin tur den kemi som styr
bildning av miljöfarliga ämnen som kväveoxider.

Okej, så nu vet vi vad gasen innehåller. Men vad är det bra för? Jo, för att kunna göra gasen till ett energieffektivt bränsle så vill vi att den ska innehålla så mycket kolväten som möjligt. Om vi då vet vilka andra ämnen som bildas vid uppvärmningen av våra träpellets så kan vi sedan sålla bort dessa. På så sätt kan vi i framtiden framställa nya, energieffektiva, förnyelsebara bränslen! (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Johansson, Henrik LU
supervisor
organization
course
FYSM30 20181
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Raman, Raman Spectroscopy, Raman scattering, biomass, biofuel, thermal conversion, pyrolysis, gasification, laser diagnostics, laser-induced fluorescence, LIF, energy, wood pellets, ammonia, aldehydes, ketones, formaldehyde, acetaldehyde, acetone, combustion physics
language
English
id
8951168
date added to LUP
2018-06-20 08:35:42
date last changed
2018-06-20 08:35:42
@misc{8951168,
  abstract     = {{This thesis examines the emissions formed during pyrolysis and gasification of lignocellulosic biomass in pellet form, using vibrational Raman spectroscopy. Seven different samples are studied during the pyrolysis process and six of these are also studied during gasification. For pyrolysis, the sample is placed into the center of a cruciform aluminum pipe, flushed with Ar, at room temperature. The Raman signal is then recorded as the pipe is heated up to ∼770 K, at a rate of ∼38 K/min. The gasification measurements are performed in a similar manner, with the addition of O2 , to a concentration of ∼4%, into the pipe. During pyrolysis, the samples were shown to emit traces of some species containing an -NH2 group at temperatures below 450 K, various hydrocarbons at temperatures above this, and H2O was emitted during the entire process. Data for the gasification process showed strong emissions from several >C=O groups between temperatures 450 K and 550 K, CO2 and several hydrocarbons from temperatures of 450 K and above, and CO above temperatures of 500 K.}},
  author       = {{Johansson, Henrik}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Characterization of biomass pyrolysis and gasification using Raman Spectroscopy}},
  year         = {{2018}},
}