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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 15 / Maschinenbau  → Institut für Thermische Energietechnik (ITE)  → Fachgebiet Thermodynamik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-889

Titel: Zur Reaktionskinetik der Oxidation von Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse
Autor(en): Scholz, Karsten
Schlagworte (SWD): ReaktionskinetikOxidationKohlenstoffverbindungenPyrolyseBiomasse
Klassifikation (DDC): 660 - Technische Chemie (Chemical engineering)
Issue Date: 22-Dec-2003
Zusammenfassung: Zur Modellierung von Vergasungs- und Verbrennungsprozessen zur energetischen Nutzung von Biomasse ist die Kenntnis von reaktionskinetischen Daten für die Sauerstoff-Oxidation von Biomassepyrolysaten erforderlich. Eine ausführliche Literaturübersicht zeigt den Stand der Forschung bezüglich der experimentellen Ermittlung von reaktionskinetischen Parametern für die Oxidation von Pyrolysaten aus Lignin, Cellulose und pflanzlicher Biomasse sowie der Suche nach einem plausiblen Reaktionsmechanismus für die Reaktion von Sauerstoff mit festen Kohlenstoffmaterialien. Es wird eine Versuchsanlage mit einem quasistationär betriebenen Differentialreaktor konstruiert, die eine Messung der Reaktionskinetik und der reaktiven inneren Oberfläche (RSA) für die Reaktion eines Pyrolysats aus Maispflanzen mit Sauerstoff ermöglicht. Die getrockneten und zerkleinerten Maispflanzen werden 7 Minuten lang bei 1073 K in einem Drehrohrofen pyrolysiert. Das Pyrolysat zeichnet sich vor allem durch seine hohe Porosität von über 0,9 und seinen hohen Aschegehalt von 0,24 aus. Die RSA wird nach der Methode der Messung von Übergangskinetiken (TK) bestimmt. Die Bestimmung der RSA erfolgt für die Reaktionsprodukte CO und CO2 getrennt, für die entsprechend ermittelten Werte werden die Bezeichnungen CO-RSA und CO2-RSA eingeführt. Die Abhängigkeit dieser Größen von der Sauerstoffkonzentration läßt sich durch eine Langmuir-Isotherme beschreiben, ebenso das leichte Absinken der CO-RSA mit der Kohlendioxidkonzentration. Über dem Abbrand zeigen sich unterschiedliche Verläufe für die CO-RSA, CO2-RSA und die innere Oberfläche nach der BET-Methode. Zur Charakterisierung der Oberflächenzwischenprodukte werden temperaturprogrammierte Desorptionsversuche (TPD) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß eine Unterscheidung in zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Oberflächenkomplexe ausreichend ist. Die experimentellen Untersuchungen zum Oxidationsverlauf werden im kinetisch bestimmten Bereich durchgeführt. Dabei werden die Parameter Temperatur, Sauerstoff-, CO- und CO2-Konzentration variiert. Anhand der Ergebnisse der reaktionskinetischen Untersuchungen wird ein Reaktionsmechanismus für die Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion entwickelt. Dieser Reaktionsmechanismus umfaßt 7 Elementarreaktionen, für welche die reaktionskinetischen Parameter numerisch ermittelt werden. Darüber hinaus werden reaktionskinetische Parameter für einfachere massenbezogene Reaktionsgeschwindigkeitsansätze berechnet und summarische Reaktionsgeschwindigkeitsansätze für die Bildung von CO und CO2 aus dem Reaktionsmechanismus hergeleitet.The knowledge of kinetic data is necessary for the modelling of combustion and oxygen-gasification processes for the energetic utilisation of biomass. The comprehensive literature study shows the state of investigation in the experimental determination of kinetic parameters for the oxidation of chars from lignin, cellulose and vegetable biomass. An overview is additionally given on the research on the reaction mechanism of the reaction of solid carbonaceous material with oxygen. An experimantal set-up with a quasi-steady-state differential reactor is designed and built to measure reaction kinetics and the Reactive Surface Area (RSA) of the reaction of a char from maize plants with oxygen. The dried and ground maize is pyrolysed for 7 minutes at 1073 K in a rotary kiln. This char is characterised by its high porosity of more than 0.9 and its high ash content of 0.24. The RSA is determined by the method of transient kinetics (TK). It is calculated separately for the reaction products carbon monoxide and carbon dioxide; the associated items are called CO-RSA and CO2-RSA. The dependence of these parameters on the oxygen concentration, as well as the small decrease of the CO-RSA with an increasing CO2-concentration, can be described by a Langmuir isotherm. The parameters CO-RSA, CO2-RSA and apparent specific surface area by BET-method show different shapes vs. burn-off. For the characterisation of the surface intermediates, temperature programmed desorption studies (TPD) are made. The results show that the discrimination of two different carbon-oxygen-surface-complexes is sufficient. The experimental investigations of the oxidation kinetics are made in the kinetically controlled region. The following parameters are varied: Temperature, O2-, CO- and CO2-concentration. A reaction mechanism is formulated for the carbon-oxygen-reaction by analysing the experimental results. The reaction mechanism contains 7 elementary reactions for which the kinetic parameters are numerically determined. In addition, kinetic parameters for simple mass-based reaction rate expressions are calculated. For the formation of CO and CO2, summarised kinetic rate expressions based on the reaction mechanism, are derived.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-889
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