Bio-oil production from agro-residues by ablative pyrolysis and utilization in small engines

การผลิตน้ำมันชีวภาพจากเศษวัสดุการเกษตรโดยไพโรไลซิสแบบแอบลาทีฟและการใช้ประโยชน์ในเครื่องยนต์ขนาดเล็ก

Name: Panuphong Mankeed

LCSH: Biochemical engineering

LCSH: Biomass

LCSH: Biomass energy

LCSH: Pyrolysis

Abstract: Bio-oil from agro-residues by thermochemical conversion process is a value-added liquid biofuel that has potential to be upgraded to chemical products. This research studied the properties, production of bio-oil and utilization in a small engine. This work included three stages, (i) properties and thermal degradation kinetic analysis including FWO, KAS, Kissinger methods, and discrete DAEM method in different heating rates for predicting behavior of biomass decomposition. (ii) Experimental ablative pyrolysis simplified heat conduction model to represent the temperature and heating rate at various thickness of biomass during pyrolysis. (iii) The bio-oil production through the pyrolysis process in a fixed-bed reactor at 600C, the analysis of performance (including brake thermal efficiency (BTE), brake-specific fuel consumption (BSFC)) and emission characteristics (including carbon monoxide (CO), and unburnt hydrocarbon (HC)) in a small four-stroke compression ignited engine fueled with biomass pyrolysis oil/diesel blends. From the results the kinetic parameters by FWO, KAS, and Kissinger methods of hemp residue pyrolysis between the heating rates of 15 and 50 C/min included three various zones (i) water evaporation, (ii) passive, and (iii) active pyrolysis. The main conversion changed the mass of raw materials by 70% w/w in the range of temperature from 250-350C. The activation energy of the FWO and KAS method was reported to be 250 and 370 kJ/mol with the mean value of 265.5 and 291.5 kJ/mol, respectively. The Kissinger method gave a constant value to be 282.3 kJ/mol. It was found that the KAS and FWO method completely showed the complex devolatilization of the hemp residues pyrolysis. For the discrete DAEM method, heating rates from low (10, 25, and 50 ◦C/min) to intermediate (100, 125, and 150 ◦C/min) were considered. The discrete DAEM was found to be more accurate and very highly correlated. Totally, the kinetic and thermodynamic parameters indicated that the low heating rates were more relevant than intermediate heating rates due to its high reactivity. The low and intermediate heating rates were evident that the two different reaction mechanisms at 60 and 25 parallel first-order pyrolytic reactions, respectively. The activation energy and enthalpy change (ΔH) changed in range of 240–320 kJ/mol. The Gibbs free energy (ΔG), and the entropy change (ΔS) were 120–200 kJ/mol, and 120–300 J/mol∙K, respectively. The reactions under intermediate heating rates were near thermodynamic equilibrium and stability. Fluctuation of E and ΔH were between 80 and 250 kJ/mol. The ΔG, and ΔS were within 160–200 kJ/mol, and - 100 and 100 J/mol∙K, respectively. It was suggested that hemp hurds can be future converted to bioenergy and biochemical production by pyrolysis process. The heat evolution of the ablative process showed two main regions (transient and steady states). At high temperature, a small size sample allowed the shortest time to the steady state, and the major region were transient period, which released volatiles. The hot plate was given at the temperature of 550C, and the rate of heat transfer was also peaked to a maximum value of 11C/s or 660C/min which was the fast pyrolysis. This study was valuable to design a high performance ablative pyrolysis reactor for generating high yield of liquid biofuel. In the final part, production of pyrolysis oil and engine test were carried out. The liquid biofuel “Teak Sawdust Pyrolysis oil (TSPO)” was generated from teak sawdust at 600◦C through a fixed-bed reactor with water content < 1% after its properties was improved. The TSPO/diesel blend was prepared for 10,25,50% with diesel. For the engine performance of TSPO/diesel blends, the highest BTE was reported for the lowest BSFC of 25% TSPO blend, at 2000 rpm. Higher TSPO blends contained high oxygen level for combustion reducing HC and CO emissions. In addition, CO, and HC level showed lower emission at 50% TSPO blend, 2000 rpm. It is noted that the bio-oil from biomass pyrolysis could be mixed with diesel fuel and run in a small engine successfully.

Abstract: น้ำมันชีวภาพจากเศษวัสดุการเกษตรที่ได้จากการแปลงสภาพทางเคมีเชิงความร้อนเป็นเชื้อเพลิงเหลวชีวภาพที่มีมูลค่า และมีศักยภาพที่จะพัฒนาไปสู่เคมีภัณฑ์ต่างๆ ได้ งานวิจัยนี้ได้ศึกษาสมบัติต่างๆ ของน้ำมันชีวภาพ รวมถึงการผลิต และการใช้ประโยชน์ในเครื่องยนต์ขนาดเล็กโดยการศึกษาถูกแบ่งเป็น 3 ขั้นตอน ประกอบด้วย (1) การวิเคราะห์จลนพลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการสลายตัวทางความร้อน โดยใช้แบบวิธี FWO, KAS, Kissinger, และ discrete DAEM ณ อัตราการให้ความร้อนที่แตกต่างกัน เพื่อทำนายพฤติกรรมการสลายตัว ของตัวอย่างชีวมวล (2) การทดลองและการวิเคราะห์กระบวนการไพโรไลซิสแบบแอบลาทีฟด้วยการวัด และวิเคราะห์ด้วยแบบจำลองการนำความร้อนอย่างง่าย เพื่อสร้างแผนภาพโครงร่างอุณหภูมิและอัตราการให้ความร้อน ณ ระดับความหนาของชีวมวลต่างๆ และ (3) การผลิตน้ำมันชีวภาพ โดยการไพโรไลซิสด้วยเตาปฏิกรณ์แบบ Fixed-bed ที่อุณหภูมิ 600 C แล้วนำไปทดสอบกับเครื่องยนต์ หาประสิทธิภาพเชิงความร้อนเบรก (BTE) ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงจำเพาะเบรก (BSFC) และการปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และ ก๊าซไฮโดรคาร์บอน (HC) ของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ ขนาดเล็กที่ใช้เชื้อเพลิงผสมน้ำมันไพโรไลซิส กับดีเซล ผลการศึกษาตัวแปรจลนพลศาสตร์ด้วยวิธี FWO, KAS, and Kissinger ในการไพโรไลซิส ลำต้นกัญชงที่อัตราการให้ความร้อนในช่วง 15-50 C/min พบว่า การสลายตัวทางความร้อนแบ่งเป็น 3 ช่วง คือ (1) การคลายน้ำ (2) แพสซิพไพโรไลซิส และ (3) แอฟทิฟไพโรไลซิส การเปลี่ยนแปลงของมวลส่วนใหญ่ลดลง 70% ในช่วงอุณหภูมิ 250-350 C พลังงานกระตุ้นของวิธี FWO และ KAS ได้ค่าเท่ากับ 250 และ 370 kJ/mol ค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 265.5 และ 291.5 kJ/mol ตามลำดับ สำหรับวิธี Kissinger ได้พลังงานกระตุ้นคงที่ เท่ากับ 282.3 kJ/mol แสดงให้เห็นชัดเจนว่าวิธี FWO และ KAS การ สลายตัวของไอระเหย (Devolatilization ) ในการไพโรไลซิสลำต้นกัญชงมีความซับซ้อน ส่วนวิธี discrete DAEM ได้แบ่งช่วงของอัตราการให้ความร้อนต่ำ (Low heating rates: 10, 25, and 50 ◦C/min) และ ปานกลาง (Intermediate heating rates: 100, 125, and 150 ◦C/min) ตามลำดับ วิธีนี้ถือว่ามีความแม้นยำและให้ค่าสหพันธ์ที่สูง โดยทั้งค่าตัวแปรจลนพลศาสตร์และเทอร์โมไดนามิกส์ชี้ให้เห็นว่า การให้อัตราความร้อนต่ำมีประโยชน์มากกว่าการให้อัตราความร้อนปานกลาง เนื่องจากสามารถเกิดปฏิกิริยาได้จำนวนมาก โดยอัตราความร้อนต่ำและปานกลางเห็นชัดเจนว่าเกิดปฏิกิริยาไพโรไลซิสอยู่ 2 ค่า คือ 60 and 25 (parallel first-order pyrolytic reactions) ค่าพลังงานกระตุ้น และการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี (ΔH) เปลี่ยนแปลงในช่วง 240–320 kJ/mol พลังงานอิสระกิบส์ (Gibbs free energy) (ΔG) และการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี (ΔS) อยู่ที่ 120–200 kJ/mol และ120–300 J/mol∙K ตามลำดับ ปฏิกิริยาของการให้อัตราความร้อนปานกลางมีค่าใกล้เคียงกับสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamic equilibrium) และเสถียรภาพ การเปลี่ยนแปลงของค่าพลังงานกระตุ้นและ ΔH อยู่ระหว่าง 80-250 kJ/mol ค่า ΔG และ ΔS อยู่ในช่วง 160–200 kJ/mol และ - 100 -100 J/mol∙K ตามลำดับ กล่าวได้ว่าลำต้นกัญชงสามารถใช้ผลิตเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพและผลิตภัณฑ์เคมี ได้โดยกระบวนการไพโรไลซิส การก่อตัวของความร้อนในกระบวนการแอบลาทีฟไพโรไลซิสเกิดขึ้นเป็น 2 ส่วนหลักๆ คือ สภาวะชั่วคราว (Transient state) และ สภาวะคงที่ (steady state) พบว่าอุณหภูมิของชีวมวลที่มีขนาดเล็กใช้เวลาเข้าสู่สภาวะคงที่ได้เร็วที่สุด และสภาวะชั่วคราวมีความเด่นชัดที่สุดเนื่องจากเป็นช่วงของการปลดปล่อยไอระเหย (Volatiles) โดยอุณหภูมิของแผ่นร้อนเกิดค่าสูงสุดที่ 550 C ที่อัตราการให้ความร้อนมากสุดที่ 11C/s หรือ 660C/min ซึ่งแสดงถึงเกิดกระบวนการไพโรไลซิสเร็ว การศึกษานี้นับได้ว่ามีคุณค่าต่อการนำไปใช้ เพื่อออกแบบเตาปฏิกรณ์แอบลาทีฟสมรรถนะสูง สำหรับผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพเหลวให้มีผลผลิตสูง ในการทดสอบเครื่องยนต์ และการปล่อยมลพิษกับน้ำมันชีวภาพนั้น ได้ใช้น้ำมันไพโรไลซิสจากขี้เลื่อยไม้สักเป็นวัตถุดิบ เรียกว่า TSPO (Teak Sawdust Pyrolysis oil) ผลิตได้จากเตาไพโรไลซิสแบบเบดคงที่ ที่อุณหภูมิ 600 C โดยมีปริมาณน้ำคงอยู่ (water content) หลังการปรับปรุงสภาพทางกายภาพน้อยกว่า 1 % จากนั้นได้ผสมน้ำมันไพโรไลซิสที่อัตราส่วน 10% 25% และ 50% กับน้ำมันดีเซล ก่อนนำไปทดสอบกับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก โดยพบว่าสมรรถนะของเครื่องยนต์ที่ได้ มีดังนี้ ประสิทธิภาพเชิงความร้อนเบรกให้ค่าสูงสุดที่ระดับต่ำสุดของค่าปริมาณการใช้เชื้อเพลิงจำเพาะเบรก ในการทดสอบกับเชื้อเพลิงผสม 25% TSPO ณ ความเร็วรอบของเครื่องยนต์ 2000 rpm พบว่า หากสัดส่วนของปริมาณ TSPO สูงขึ้น มีผลต่อการเพิ่มขึ้นของปริมาณออกซิเจนในเชื้อเพลิงอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้ปริมาณการปล่อยก๊าซ CO และ HC ลดลง โดยปรากฏปริมาณ CO และ HC ต่ำสุดในการทดสอบกับเชื้อเพลิงผสม 50% TSPO (2000 rpm) เห็นได้ว่า การใช้น้ำมันไพโรไลซิสหรือน้ำมันชีวภาพที่ได้จากการไพโรไลซิสชีวมวลเหลือทางการเกษตร ซึ่งผสมกับดีเซล สามารถใช้กับเครื่องยนต์ขนาดเล็กได้ กล่าวได้ว่า การผสมผสานการใช้เชื้อเพลิงชีวภาพผสม เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม และยอมรับได้หากใช้ในปริมาณที่ไม่มากจนเกินไป

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Nakorn Tippayawong

Role: Advisor

Name: Konlayutt Punyawudho

Role: Advisor

Name: Woradej Manosroi

Role: Advisor

Created: 2023

Modified: 2567-01-17

Issued: 2023-12-08

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Energy Engineering

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	610651003.pdf	1.98 MB

ใช้เวลา

0.034722 วินาที