Flammability characterization of biofuels and materials with energetic recovery

Castells Somoza, Blanca (2021). Flammability characterization of biofuels and materials with energetic recovery. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.68110.

Description

Title: Flammability characterization of biofuels and materials with energetic recovery
Author/s:
  • Castells Somoza, Blanca
Contributor/s:
  • García Torrent, Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM)
Department: Energía y Combustibles
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

In the current energy scenario, characterized by the objectives of sustainable development and mitigation of the effects of climate change, renewable energies acquire special importance. The reduction of dependence on fossil fuels induces a necessity to look for alternatives that allow the substitution of these fuels. In this context, biofuels are presented as possible substitutes for fossil fuels due to their versatility and their climate-independent energy conversion unlike other renewable energies such as solar, wind, hydropower, etc. In particular, the use of solid biofuels, mainly biomass, has significantly grown, however, its use involves with two major disadvantages: its low energy density and the risk of accidents due to its flammability characteristics. Among the main pre-treatments used to improve the energy properties of biomass, dry torrefaction stands out, which is a thermal process that significantly improves biofuels by modifying the bonds between molecules producing changes in the composition and characteristics of the samples. Therefore, the main objective of the present thesis is to assess the flammability characteristics of different biomasses, to determine how physical and chemical parameters such as composition, particle size, etc. influence them. To do so, various flammability and characterization tests have been carried out, modifying physical parameters (such as granulometry or moisture) and chemical parameters (torrefying biomass). The tendency to self-ignition of different materials has been determined, observing that samples with a smaller particle size produce spontaneous heating more easily than those samples with greater granulometry. On the other hand, the effect of torrefaction on the energy conversion of biomass has been studied in detail, determining the kinetic parameters that define the combustion process through different methods. It has been noticed that torrefied samples present higher activation energy values, since torrefaction affects the weakest bonds and produces more structurally stable materials. At the same time, it has been defined how torrefaction affects the composition of the biomass in terms of lignin, hemicellulose, and cellulose. Given the decomposition temperature ranges of these components, hemicellulose and cellulose tend to decrease after torrefaction, while lignin increases. The composition estimation, together with the determination of other parameters obtained using thermogravimetric analysis such as induction temperature, specific heat, etc., allowed the study of the relationships between these parameters and the flammability of the samples, specifically, the minimum ignition energy. From this study, a relationship between the hemicellulose / cellulose ratio and the induction temperature has been obtained, which gives rise to trend areas, in which the samples with similar minimum ignition energies are placed together. Thus, an estimation of the flammable tendency of the sample can be obtained, using only thermogravimetric analysis. ----------RESUMEN---------- En el actual escenario energético, caracterizado por los objetivos de desarrollo sostenible y mitigación de los efectos de cambio climático, las energías renovables adquieren una especial importancia. La reducción de la dependencia de combustibles fósiles obliga a buscar alternativas que permitan sustituir estos combustibles. En este contexto, los biocombustibles se presentan como posibles sustitutos a los combustibles fósiles dada su versatilidad y su conversión energética independiente del clima a diferencia de otras energías renovables como la solar, eólica, hidráulica, etc. En particular, el uso de biocombustibles sólidos, principalmente biomasas, ha crecido notable, no obstante, lleva asociadas dos importantes desventajas: su baja densidad energética y el riesgo de accidentes debido a sus características de inflamabilidad. Dentro de los principales pretratamientos utilizados para mejorar las propiedades energéticas de las biomasas, destaca la torrefacción seca, un proceso térmico que mejora notablemente los biocombustibles modificando los enlaces entre moléculas produciendo cambios en la composición y características de las muestras. Por todo ello, el principal objetivo de esta tesis es evaluar las características de inflamabilidad de distintas biomasas, para determinar cómo influyen en ellas parámetros físicos y químicos como pueda ser la composición, el tamaño de partícula, etc. Para ello, se han realizado diversos ensayos de inflamabilidad y de caracterización alterando parámetros físicos (como la granulometría o la humedad) y químicos (torrefactando las biomasas). Se ha determinado la tendencia a la autoignición de distintos materiales, observándose que muestras con un menor tamaño de partícula producen calentamiento espontáneo con mayor facilidad que aquellas muestras con mayor granulometría. Por otra parte, se ha estudiado en detalle el efecto de la torrefacción en la conversión energética de la biomasa, determinándose los parámetros cinéticos que definen el proceso de combustión a través de distintos métodos. Se ha visto que las muestras torrefactadas presentan mayores valores de la energía de activación, ya que la torrefacción afecta a los enlaces más débiles y produce materiales estructuralmente más estables. Al mismo tiempo, se ha visto cómo afecta la torrefacción a la composición de la biomasa en términos de lignina, hemicelulosa y celulosa. Dados los rangos de temperatura de descomposición de dichas componentes, la hemicelulosa y celulosa tienden a reducirse tras la torrefacción, mientras que la lignina aumenta. La estimación de la composición, junto la determinación de otros parámetros obtenidos mediante análisis termogravimétrico como la temperatura de inducción, el calor específico, etc., ha permitido estudiar las relaciones entre dichos parámetros y la inflamabilidad de las muestras, en concreto, la energía mínima de inflamación. De dicho estudio se ha obtenido una relación entre el ratio de hemicelulosa/celulosa y la temperatura de inducción que da lugar a áreas de tendencia, en las que las muestras con energías mínimas de inflamación similares se sitúan juntas. De este modo, se puede obtener una estimación de la tendencia inflamable de la muestra, utilizando únicamente el análisis termogravimétrico.

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Item ID: 68110
DC Identifier: https://oa.upm.es/68110/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:68110
DOI: 10.20868/UPM.thesis.68110
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 30 Aug 2021 05:15
Last Modified: 30 Aug 2021 05:15
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