基于模型自由與模型擬合方法的指黍秸稈熱解動力學與熱力學分析及ANN機器學習模型預測研究

《Bioresource Technology Reports》:Kinetic and thermodynamic analyses of pyrolysis of finger millet ( Eleusine coracana) straw through both model-free and model-based methods and application of ANN-based machine learning model to predict thermal degradation

【字體: 時間:2025年05月12日 來源:Bioresource Technology Reports CS7.2

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  本研究針對指黍秸稈(FMS)熱解過程中的動力學與熱力學機制不明問題,結合KAS、FWO等5種模型自由方法和DAEM模型擬合方法,揭示其活化能(167–175 kJ/mol)及反應機制(R1、D2等),并通過ANN模型實現熱失重預測(R2=0.994)。成果為生物質能轉化提供理論支撐與技術優化路徑。

  

隨著化石能源枯竭與氣候變化加劇,生物質能作為可再生碳源成為研究熱點。指黍(Eleusine coracana)秸稈(FMS)作為農業廢棄物,其熱解轉化潛力尚未充分挖掘,F有研究多局限于單一動力學模型,且缺乏機器學習預測手段。印度作為全球第二大農業國,年產6.5億噸農業殘渣,FMS的殘留物與產物比(RPR)達1.3,但僅有兩篇文獻涉及FMS熱解,且未系統整合模型自由/擬合方法或機器學習應用。為此,印度研究人員通過多方法聯用與人工神經網絡(ANN)建模,填補了這一空白。

研究采用熱重分析(TGA)在非等溫條件下解析FMS熱解行為,結合Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)、Friedman等5種模型自由方法和分布式活化能模型(DAEM)進行動力學分析,并通過主曲線(master plots)判定反應機制。ANN模型以溫度、升溫速率為輸入,預測重量損失。

Feedstock collection, characterization, and thermogravimetric experiments
FMS采自印度Nagpur,經粉碎篩分(<250 μm)后,ASTM標準分析顯示其纖維素+半纖維素含量達60.91%,固定碳16.81%,水分僅5.9%,表明其適于熱解。TGA顯示主要失重(70–76%)發生于147–500°C。

Characterization of finger millet straw
低灰分(8.5%)與高揮發分(75.3%)凸顯FMS能源潛力。元素分析顯示O/C比0.58,H/C比1.58,預示較高生物油產率。

Conclusions
六種方法所得平均活化能(167–175 kJ/mol)無顯著差異(ANOVA驗證)。主曲線表明α<0.5時遵循一級反應(R1),α>0.5時符合二維擴散(D2)與Ginstling-Brounshtein(D4)模型。熱力學參數ΔH≈164 kJ/mol、ΔG≈169 kJ/mol證實過程可行性。ANN模型測試集R2達0.994,均方誤差僅0.684,顯著優于傳統方法。

該研究首次系統整合多尺度動力學方法與機器學習,為FMS熱解工藝優化與反應器設計提供理論依據。印度豐富的FMS資源(年產1.89百萬噸)可通過該技術實現增值轉化,助力碳中和目標。論文發表于《Bioresource Technology Reports》,作者Ankita Tagade等強調該方法可擴展至其他生物質研究,推動可再生能源技術發展。

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