Metoda produkcji trwałych peletów przy niższym zużyciu energii przy użyciu słomy kukurydzianej o wysokiej wilgotności i spoiwa skrobi kukurydzianej w młynie do peletów z płaską matrycą

Podsumowanie

W tym badaniu opracowano protokół do produkcji dobrej jakości peletów przy użyciu młyna do peletowania z płaską matrycą przy zmniejszonym jednostkowym zużyciu energii, testując słomę kukurydzianą o wysokiej wilgotności i spoiwo na bazie skrobi. Wyniki wykazały, że dodanie środka wiążącego skrobię kukurydzianą poprawiło trwałość granulek, zmniejszyło procent drobnych cząstek i zmniejszyło jednostkowe zużycie energii.

Streszczenie

Głównym wyzwaniem w produkcji peletów jest wysoki koszt związany z suszeniem biomasy od 30 do 10% (w.b.) wilgotności. W Idaho National Laboratory opracowano proces granulowania o wysokiej wilgotności w celu obniżenia kosztów suszenia. W tym procesie pelety z biomasy są produkowane przy wyższej wilgotności surowca niż metody konwencjonalne, a wytworzone granulki o wysokiej wilgotności są dalej suszone w energooszczędnych suszarniach. Proces ten pomaga zmniejszyć wilgotność surowca o około 5-10% podczas granulowania, co jest głównie spowodowane ciepłem tarcia wytwarzanym w matrycy. Celem tych badań było zbadanie, w jaki sposób dodatek spoiwa wpływa na jakość granulatu i zużycie energii w procesie granulowania o wysokiej wilgotności w granulatorze z płaską matrycą. W niniejszym badaniu surową słomę kukurydzianą granulowano w wilgotności 33, 36 i 39% (WB) przez dodanie 0, 2 i 4% czystej skrobi kukurydzianej. Częściowo wysuszone granulki były dalej suszone w piecu laboratoryjnym w temperaturze 70 °C przez 3-4 godziny, aby obniżyć wilgotność granulatu do mniej niż 9% (WB). Granulki o wysokiej wilgotności i suszone zostały ocenione pod kątem ich właściwości fizycznych, takich jak gęstość nasypowa i trwałość. Wyniki wykazały, że zwiększenie procentowej zawartości spoiwa do 4% poprawiło trwałość granulek i zmniejszyło jednostkowe zużycie energii o 20-40% w porównaniu z granulkami bez spoiwa. Przy wyższym dodatku spoiwa (4%) zmniejszenie wilgotności surowca podczas granulowania wyniosło <4%, podczas gdy zmniejszenie wyniosło około 7-8% bez spoiwa. Przy zawartości 4% spoiwa i 33% wilgotności surowca (w.b.), zaobserwowane wartości gęstości nasypowej i trwałości suszonych granulek wynosiły odpowiednio >510 kg/^m3 i >98%, a procent wytwarzanych drobnych cząstek zmniejszył się do <3%.

Wprowadzenie

Biomasa jest jednym z głównych źródeł energii na świecie i jest uważana za neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla¹. Gęstość nasypowa zbelowanej i zmielonej biomasy rolniczej oraz rozdrobnionej biomasy drzewnej jest niska. Niska gęstość nasypowa biomasy w belach (130-160 kg/^m3), biomasy mielonej (60-80 kg/^m3) i rozdrobnionej biomasy drzewnej (200-250 kg/^m3) stwarza problemy z przechowywaniem, transportem i obsługą^2,3. Zagęszczenie lub zagęszczenie biomasy mielonej za pomocą ciśnienia i temperatury zwiększa gęstość nasypową około 5 do 7 razy i pomaga przezwyciężyć ograniczenia w transporcie i przechowywaniu⁴. Granulatory, brykieciarki i wytłaczarki ślimakowe to systemy zagęszczania zwykle stosowane w przypadku biomasy⁴. Analiza odległości transportu na progu rentowności surowca z biomasy w belach i granulkach wykazała, że pelety można transportować 1,6 razy dalej niż bele za pomocą ciężarówki za tę samą cenę⁵. Wydajność transportu peletów wzrasta wraz z innymi rodzajami transportu, takimi jak kolej, ponieważ jest ona ograniczona objętościowo w porównaniu z ciężarówkami, które są ograniczone masą. Obecnie w Europie pelety produkowane z biomasy drzewnej są szeroko wykorzystywane do wytwarzania bioenergii. Kanada i Stany Zjednoczone są głównymi producentami i dostawcami peletów drzewnych do Europy⁶. Pelety produkowane zarówno z biomasy drzewnej, jak i zielnej mogą być wykorzystywane zarówno do zastosowań termochemicznych (współspalanie, zgazowanie i piroliza), jak i konwersji biochemicznej (etanol)^7-9.

Cechy peletów (gęstość i trwałość) oraz specyficzne zużycie energii w procesie granulowania zależą od zmiennych procesu granulowania, takich jak średnica matrycy, prędkość matrycy i stosunek długości do średnicy matrycy oraz zmiennych wsadu, takich jak zawartość wilgoci i skład surowca⁴. Zarówno zmienne procesu granulatora, jak i zmienne surowcowe wpływają na jakość peletów i określoną energię wykorzystywaną w procesie. Wymiary matrycy (tj. stosunek długości do średnicy) będą miały wpływ na ciśnienie ściskania i wytłaczania, a prędkość obrotowa matrycy kontroluje czas przebywania materiału w matrycy. Zawartość wilgoci jest zmienną surowcową, która odgrywa ważną rolę poprzez interakcję ze składnikami składu biomasy (tj. białkiem, skrobią i ligniną) pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia występującego w matrycy. Obecność wilgoci zwiększa siły van der Waalsa, zwiększając w ten sposób przyciąganie między cząstkami biomasy¹⁰. Ogólnie rzecz biorąc, wyższa wilgotność w biomasie wpływa na gęstość nasypową sprasowanego produktu ze względu na średnicowe i boczne rozszerzanie, gdy opuszcza on granulator lub matrycę brykieciarki¹⁰. Skład biomasy, takiej jak skrobia, białko, lignina i inne węglowodany rozpuszczalne w wodzie, wpływa na wiązanie pod wpływem ciśnienia i temperatury w urządzeniach do zagęszczania¹¹. Niektóre z typowych reakcji składu, na które wpływa wilgotność surowca, temperatura i ciśnienie matrycy, to żelatynizacja skrobi, denaturacja białek i przemiana szkła ligninowego. Ogólnie rzecz biorąc, w temperaturach 100 °C lub wyższych i wilgotności surowca większej niż 30%, skrobia w żywności i paszach dla zwierząt ulega żelatynizacji i wpływa na właściwości tekstury, takie jak twardość¹². Zazwyczaj reakcjami skrobi są żelatynizacja, wklejanie i retrogradacja. Spośród tych reakcji największy wpływ na właściwości osadów ma żelatynizacja¹³. Skrobia jest często stosowana w przemyśle spożywczym i niespożywczym jako spoiwo. Na przykład w postaci tabletek farmaceutycznych skrobia jest stosowana jako wypełniacz^4,14. Białko w biomasie ulega denaturacji i tworzy złożone wiązania pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia występujących w procesie zagęszczania¹¹. Ogólnie rzecz biorąc, większa ilość białka w biomasie spowoduje, że granulat będzie trwalszy^15,16. Na przykład lucerna, która ma większą ilość białka, daje trwałe granulki o wyższej wilgotności surowca. Tłuszcz zawarty w biomasie zmniejsza siły tarcia i energię wytłaczania podczas granulowania lub brykietowania^11,17. W biomasie lignocelulozowej obecność ligniny w materiale roślinnym pomaga w tworzeniu granulek bez dodawania jakichkolwiek spoiw¹⁸. Biomasa drzewna ma wyższą zawartość ligniny (29-33%) w porównaniu z biomasą zielną, która zwykle składa się z 12-16% ligniny^4,19. Przy niższej wilgotności wsadu wynoszącej około 10-12% (w.b.) temperatura zeszklenia ligniny jest wyższa niż 140 °C²⁰; Natomiast zwiększenie wilgotności obniża temperaturę zeszklenia²¹. Według Lehtikangas²² temperatura zeszklenia ligniny przy wilgotności 8-15% (w.b.) wynosi około 100-135 °C, ale zwiększenie wilgotności do >25% (w.b.) obniża temperaturę zeszklenia do <90 °C.

Biomasa zielna jest dostępna przy wyższej wilgotności, w zależności od metody zbioru i czasu zbioru. W przypadku metody zbioru jednoprzejazdowego zebrany materiał będzie miał wilgotność >30% (w.b.)²³. Biomasa jest zwykle suszona do około 10% wilgotności (w.b.), aby była stabilna tlenowo i zapobiegała utracie suchej masy podczas przechowywania. Lamers i wsp.²⁴ wskazało, że w celu wstępnego przetworzenia biomasy o wilgotności 30% całkowity koszt zarówno mielenia (etapy 1 i 2), jak i suszenia wynosi około 43,60 USD/suchą tonę, a około 15,00 USD/suchą tonę dotyczy tylko suszenia biomasy. Suszenie biomasy pochłania około 65% całkowitej energii przetwarzania wstępnego, a granulowanie około 8-9%²⁴. Yancey i wsp.²⁵ potwierdziło fakt, że suszenie jest głównym konsumentem energii w procesie wstępnego przetwarzania biomasy. Dane eksperymentalne i analiza techniczno-ekonomiczna wykazały, że efektywne zarządzanie wilgotnością ma kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów wstępnego przetwarzania biomasy. Jednym ze sposobów na obniżenie kosztów suszenia i bardziej efektywne zarządzanie wilgotnością surowca jest zastosowanie procesu granulowania o wysokiej wilgotności w połączeniu z metodą suszenia w niskiej temperaturze. W procesie granulowania o wysokiej wilgotności opracowanym w Idaho National Laboratory, biomasa jest granulowana przy zawartości wilgoci większej niż 28% (w.b.); Wyprodukowane częściowo wysuszone granulki, które nadal mają wysoką wilgotność, można suszyć w energooszczędnych suszarniach, takich jak suszarnie zbożowe lub taśmowe²¹. Jedną z głównych zalet granulowania o wysokiej wilgotności jest to, że pomaga obniżyć koszty suszenia, co z kolei skutkuje obniżeniem całkowitych kosztów produkcji pelletu. Analiza techniczno-ekonomiczna wykazała, że koszty energii i produkcji są zmniejszone o około 40-50% przy zastosowaniu procesu granulowania o wysokiej wilgotności w porównaniu z konwencjonalną metodą peletowania^24,26. Głównym powodem obniżenia kosztów produkcji pelletu jest zastąpienie suszarni obrotowej, która pracuje w wysokich temperaturach od 160 °C do 180 °C, suszarnią do ziarna, która pracuje w niższych temperaturach około 80 °C lub mniej²¹. Inne zalety zastąpienia suszarni rotacyjnej suszarnią taśmową lub zbożową to: 1) większa wydajność, 2) zmniejszone zagrożenie pożarowe, 3) nie potrzebuje ciepła wysokiej jakości, 4) zmniejszona emisja lotnych związków organicznych (LZO), 5) zmniejszona emisja cząstek stałych oraz 6) nie aglomeruje wysokogliniastej lub lepkiej biomasy²⁷. Energochłonny etap kondycjonowania parą wodną w konwencjonalnym granulowaniu, zwykle stosowany do dodawania wilgoci i aktywacji niektórych składników biomasy, jest zastępowany krótkim etapem podgrzewania wstępnego. Ten krok pomaga zmniejszyć wilgotność surowca, a także aktywować składniki biomasy, takie jak lignina. Ciepło tarcia wytwarzane w matrycy granulek pomaga również zmniejszyć zawartość wilgoci w surowcu o około 5-8% (w.b.)^21,28. W procesie granulowania o wysokiej wilgotności granulator nie tylko kompresuje biomasę, ale także pomaga zmniejszyć zawartość wilgoci podczas prasowania i wytłaczania. Wielu badaczy przeprowadziło eksperymenty nad granulowaniem surowej i chemicznie przetworzonej biomasy o szerokim zakresie wilgotności (7-45%, w.b.) przy użyciu pojedynczych, laboratoryjnych, pilotażowych matryc pierścieniowych i komercyjnych systemów ciągłego peletowania^{10,25,29-40,(Pace, D. 2015. Peletowanie stałych odpadów komunalnych i wstępnie przetworzonej słomy kukurydzianej z eksplozją włókien amoniakalnych (AFEX) w pilotażowym młynie peletowym z matrycą pierścieniową. Departament Biopaliw, Główny Inżynier, Krajowy Zakład Użytkowania Biomasy, Idaho National Laboratory (dane niepublikowane)).} Naukowcy dostosowali zawartość wilgoci w biomasie do różnych pożądanych poziomów, aby zrozumieć wpływ zawartości wilgoci na cechy jakościowe granulek.

Cechy jakości pelletu, gęstość nasypowa i trwałość, są normatywnymi specyfikacjami według amerykańskiego Instytutu Paliwa Pelletowego (PFI). Jednak według Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego (CEN) trwałość jest normatywna, a gęstość nasypowa jest specyfikacją informacyjną⁴¹. Pellet o wartościach wytrzymałości >96,5% i gęstości nasypowej >640 kg/^m3 oznaczany jest jako pellet super premium w oparciu o normy PFI, natomiast pellet o wartościach wytrzymałości >97,5% jest oznaczany jako pellet o najwyższej klasie. Zarówno normy CEN, jak i PFI zalecają granulki o różnych średnicach. Na przykład PFI zaleca średnicę w zakresie 6,35-7,25 mm, podczas gdy CEN zaleca średnicę w zakresie 6-25 mm i długość granulki mniejszą lub równą⁴¹ średnicy. Granulki o mniejszej średnicy (6 mm) są preferowane do transportu na większe odległości, ponieważ mają większą gęstość upakowania²⁸. W przypadku konwencjonalnych procesów peletowania zaleca się granulowanie biomasy o niskiej zawartości wilgoci, aby spełnić te specyfikacje gęstości pożądane przy transporcie peletów na duże odległości⁴¹. Zarówno CEN, jak i PFI mają dodatkowe gatunki granulatu⁴¹. Tumuluru²⁸ oraz Tumuluru i Conner⁴⁰ wskazali, że procesy granulowania o wysokiej wilgotności opracowane w Idaho National Laboratory pomagają w produkcji słomy kukurydzianej i peletów drzewnych o różnych cechach jakościowych (gęstość nasypowa i trwałość) oraz określonym zużyciu energii, dzięki czemu nadają się one do różnych scenariuszy transportowych i logistycznych.

Większość badań nad granulowaniem biomasy została przeprowadzona przy użyciu jednego systemu peletowania. Dane dotyczące granulowania biomasy przy użyciu systemu ciągłego w skali laboratoryjnej są ograniczone. Badania nad ciągłymi systemami peletowania będą przydatne do zrozumienia wpływu zmiennych procesu peletowania, takich jak prędkość obrotowa matrycy, stosunek długości do średnicy i średnica matrycy, na atrybuty jakościowe i określone zużycie energii. Dane dotyczące granulowania w systemach ciągłych mogą być dalej wykorzystywane do skalowania procesu do systemów pilotażowych i na skalę komercyjną. Ogólnie rzecz biorąc, granulator z płaską matrycą służy do prowadzenia badań peletowania biomasy drzewnej i zielnej w laboratorium⁴. Zasada działania płaskich matryc laboratoryjnych, pilotowych i komercyjnych granulatorów pierścieniowych są podobne. Wszystkie te granulatory mają perforowaną matrycę z twardej stali z dwoma lub trzema rolkami. Obracając matrycę, rolki wywierają siłę na materiał wsadowy i przepychają go przez perforacje matrycy, tworząc zagęszczone granulki⁴.

Nasze wcześniejsze badania nad granulowaniem słomy kukurydzianej o wysokiej wilgotności przy wilgotności surowca 28-38% (w.b.) bez dodatku spoiwa wykazały niższe wartości trwałości przy wyższej wilgotności surowca^21,28. Poprawa trwałości granulek o wysokiej wilgotności po schłodzeniu i wysuszeniu jest ważna, ponieważ pomaga zapobiegać rozpadowi granulek (utracie jakości peletów) podczas przenoszenia, przechowywania i transportu. Rozpad peletów zazwyczaj powoduje generowanie drobnych cząstek i utratę dochodów dla producentów pelletu. Spoiwa są zwykle stosowane w procesie peletowania w celu poprawy jakości pelletu, zwłaszcza trwałości, oraz w celu zmniejszenia określonego zużycia energii. Powszechnie stosowanymi naturalnymi spoiwami w procesie granulowania są białka i skrobia^4,28. Skrobia ulega żelatynizacji, natomiast białko ulega denaturacji pod wpływem ciepła, wilgoci i ciśnienia. Obie te reakcje skutkują lepszym wiązaniem i trwalszymi granulkami przy mniejszym zużyciu energii. Ogólnym celem tego badania było opracowanie i zademonstrowanie procesu granulowania o wysokiej wilgotności z wykorzystaniem słomy kukurydzianej z dodatkiem spoiwa w celu uzyskania dobrej jakości granulek pod względem trwałości ekologicznej (po schłodzeniu) i trwałości utwardzonej (po wysuszeniu) przy niższym jednostkowym zużyciu energii. Szczegółowymi celami badania były: 1) przeprowadzenie granulowania słomy kukurydzianej o wysokiej wilgotności przy różnej wilgotności surowca (33, 36 i 39% w.b.) i zawartości spoiwa skrobiowego (0, 2 i 4%), 2) ocena właściwości fizycznych (zawartość wilgoci w granulkach, średnica granulek, współczynnik rozszerzalności, gęstość nasypowa i trwałość (trwałość zielona i utwardzona) oraz 3) ocena jednostkowego zużycia energii w procesie peletowania.

Protokół

UWAGA: Bele słomy kukurydzianej zostały zakupione w formie bel z gospodarstw rolnych w Iowa, USA. Pozyskane bele były mielone kolejno w dwóch etapach. W pierwszym etapie bele słomy kukurydzianej były mielone za pomocą młynka wyposażonego w sito o średnicy 50,8 mm. W etapie 2 zmielony materiał z etapu 1 został poddany dalszemu mieleniu za pomocą młyna młotkowego Bliss wyposażonego w sito o średnicy 4,8 mm. Materiał został przetestowany pod kątem zawartości wilgoci i gęstości nasypowej i przechowywany w hermetycznym pojemniku do dalszych testów peletowania. Czysta skrobia kukurydziana została zakupiona na lokalnym rynku i została zmierzona pod kątem zawartości wilgoci i gęstości nasypowej. Zawartość wilgoci i gęstość nasypową mielonej słomy kukurydzianej i spoiwa skrobi kukurydzianej podano w tabeli 1.

Tabela 1. Zawartość wilgoci i gęstość nasypowa mielonej słomy kukurydzianej i spoiwa skrobi kukurydzianej.

1. Młyn do peletowania

1. Do przeprowadzenia testów peletowania należy użyć młyna do peletowania z płaską matrycą laboratoryjną wyposażonego w silnik o mocy 10 KM (rysunek 1)^21,28,38.

Rysunek 1. Schemat granulatora peletów z płaską matrycą w skali laboratoryjnej w Idaho National Laboratory (zaadaptowany z Tumuluru²¹).Do przeprowadzenia testów granulowania słomy kukurydzianej o wysokiej wilgotności użyto młyna do peletowania z płaską matrycą, z dodatkiem spoiwa i bez niego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Umieść elastyczną taśmę grzewczą na powierzchni leja zasypowego i podajnika ślimakowego, a następnie zaizoluj je watą szklaną, aby zapobiec utracie ciepła. Podłącz taśmę grzewczą do regulatora temperatury, aby podgrzać biomasę do żądanej temperatury w zakresie 30-130 °C.
3. Wyposaż granulator w napęd o zmiennej częstotliwości (VFD). Podłącz VFD granulatora do silnika granulatora. Sterownik silnika podajnika jest sterownikiem silnika prądu stałego, który zmienia szybkość podawania do granulatora.
4. Podłącz miernik mocy do silnika granulatora, aby rejestrować zużycie energii. Ręcznie wybierz matrycę do peletów z otworem o średnicy 8 mm i stosunkiem długości do średnicy (L/D) 2,6.
5. Dodaj poziomą chłodnicę peletów do granulatora, aby schłodzić ciepłe pelety wychodzące z matrycy do peletów. Podłącz chłodnicę do układu wydechowego, aby zapewnić cyrkulację świeżego powietrza.

2. Przygotowanie surowca

1. Weź 2-3 kg zmielonej słomy kukurydzianej za pomocą sitka 4,8 mm. Zmierzyć wilgotność słomy kukurydzianej (patrz krok 4.1) i gęstość nasypową (patrz krok 4.3) (patrz tabela 2).
2. Zmierzyć zawartość wilgoci (patrz krok 4.1) i gęstość nasypową (patrz krok 4.3) czystego (100%) spoiwa skrobi kukurydzianej zakupionego na lokalnym rynku.
3. Dodać spoiwo skrobi kukurydzianej do zmielonej słomy kukurydzianej (patrz tabela 2 dla procentowego dodatku spoiwa)
4. Oblicz ilość wody, którą należy dodać, aby dostosować poziom wilgotności mielonej mieszanki słomy kukurydzianej i spoiwa skrobi kukurydzianej do 33, 36 i 39% (WB), korzystając z równania 1.
   = (1)
   UWAGA: W równaniu 1 W_w oznacza masę wody (g), W_s oznacza masę próbki biomasy (g), m_f: procentowa wilgotność końcowa próbki (w.b.), a m_i: procentowa wilgotność początkowa próbki (w.b.).
5. Dodaj obliczoną wodę do mieszanki spoiwa słomy kukurydzianej / skrobi kukurydzianej i zmiksuj ją w laboratoryjnym blenderze wstęgowym.
6. Przechowuj mieszankę słomy kukurydzianej i skrobi kukurydzianej o regulowanej wilgotności w szczelnie zamkniętym pojemniku i umieść ją w lodówce nastawionej na 4-5 °C, aby umożliwić zrównoważenie wilgotności.

3. Proces granulowania o wysokiej wilgotności

1. Wyjmij mieszankę słomy kukurydzianej i skrobi kukurydzianej z lodówki i pozostaw w temperaturze pokojowej na około 1-2 godziny, aby doprowadzić ją do temperatury pokojowej.
2. Załaduj materiał do leja zasypowego granulatora. Uruchom młyn peletowy z prędkością matrycy 60 Hz (380 obr./min).
3. Nadawać granulator równomiernie, dostosowując szybkość podawania granulatora, aby wytwarzać pelety w stanie ustalonym. Ostudzić pelety w poziomej chłodnicy peletów.
4. Oddzielanie drobnych cząstek powstających w procesie granulowania za pomocą sita 6,3 mm.
   UWAGA: Zmierz zawartość wilgoci i trwałość granulek po schłodzeniu²¹.
5. Suszyć schłodzone granulki o wysokiej wilgotności w piecu laboratoryjnym w temperaturze 70 °C przez 3-4 godziny, aby zmniejszyć końcową zawartość wilgoci w granulkach do mniej niż 9% (w.b.).
   UWAGA: Zmierz wilgotność granulek, gęstość nasypową i trwałość suszonych granulek²¹.
6. Rejestruj dane dotyczące mocy w komputerze podczas procesu peletowania.
   UWAGA: Patrz Tabela 2 dla warunków testu granulowania i Rysunek 2 dla granulek produkowanych przy wilgotności 33, 36 i 39% i 4% dodatku spoiwa skrobi kukurydzianej.

Tabela 2. Eksperymentalne warunki badań zastosowane w niniejszym badaniu.

Rysunek 2. Zdjęcie granulek słomy kukurydzianej wyprodukowanej z 4% spoiwem skrobi kukurydzianej przy różnej wilgotności surowca. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Właściwości peletu i specyficzne zużycie energii

UWAGA: Standardy ASABE⁴² były używane do pomiaru zawartości wilgoci, gęstości, trwałości i procentowej zawartości drobnych cząstek w surowcach i granulkach.

1. Umieścić około 25-50 g zmielonych i granulowanych próbek słomy kukurydzianej w piecu laboratoryjnym ustawionym na 105 °C na 24 godziny. Zważyć próbkę przed i po suszeniu. Obliczyć zawartość wilgoci za pomocą równania 2. Przeprowadź eksperymenty w trzech egzemplarzach.
   (2)
2. Weź pojedynczą kulkę i wygładź oba końce za pomocą Grit Utility Cloth. Zmierz średnicę granulki za pomocą suwmiarki z noniuszem. Obliczyć współczynnik rozszerzalności granulki, korzystając z równania 3²⁸. Zmierz średnicę dziesięciu granulek.
   Współczynnik rozwinięcia = (3)
   UWAGA: W równaniu 3 D jest średnicą wytłaczanego granulatu (mm), a d jest średnicą matrycy (mm).
3. Użyj cylindra ze szkła plexi o wysokości 155 mm i średnicy 120 mm. Wlej granulki do cylindra, aż się przeleje i wyrównaj górną powierzchnię prostą krawędzią. Zważyć cylinder z materiałem. Podziel masę butli przez objętość butli, aby obliczyć gęstość nasypową. Powtórz eksperyment trzy razy.
4. Granulowany materiał przesiać ręcznie za pomocą sitka o średnicy 6,3 mm. Zważ materiał, który przeszedł przez sito. Oblicz procentowe cząstki za pomocą równania 4.
   Procent grzywien = × 100 (4)
5. Umieść około 500 g granulek bez drobnych cząstek w każdej komorze testera trwałości granulek. Obracaj pelety z prędkością 50 obr./min przez 10 min. Przesiej przewrócony materiał za pomocą sitka o średnicy 6,3 mm. Użyj równania 5, aby obliczyć procentową trwałość granulek.
   Trwałość = × 100 (5)
   Uwaga: Trwałość zielona to trwałość granulek mierzona po schłodzeniu, a trwałość po utwardzeniu to trwałość mierzona po wysuszeniu granulek w temperaturze 70 °C przez 3 godziny.
6. Rejestruj zużycie energii przez granulator za pomocą oprogramowania do rejestrowania danych. Zapisz dane dotyczące mocy bez obciążenia (kW) granulatora, uruchamiając młyn peletowy pusty z prędkością matrycy 60 Hz. Użyj równania 6, aby obliczyć jednostkowe zużycie energii (SEC).
   (6)

Wyniki

Zawartość wilgoci w granulkach

Zawartość wilgoci w biomasie została zmniejszona o około 5-8% (w.b.) po granulowaniu. Zmniejszenie to przypisuje się głównie ciepłu tarcia wytwarzanemu w matrycy oraz temperaturze podgrzewania i chłodzenia granulek o wysokiej wilgotności. Również spoiwa miały wpływ na ilość traconej wilgoci. Przy spoiwa 0% utrata wilgoci wynosiła około 7-8%, co zgadza się z naszymi wcześniejszymi badaniami^21,28; podczas gdy przy 4% spoiwa utrata wilgoci w surowcu podczas granulowania wynosiła około 3-5% (rysunek 3). Spoiwo dodane do biomasy mogło działać jako środek smarny. Mogło to zmniejszyć opory tarcia i skrócić czas przebywania materiału w kanale matrycy, powodując zmniejszenie utraty wilgoci. W poprzednich badaniach temperatura matrycy mierzona bezpośrednio po granulowaniu za pomocą termometru na podczerwień (Fluke, Model 561, Fluke Corporation, Everett, WA, USA) osiągnęła około 100-110 °C²¹. Zwiększenie procentowej zawartości spoiwa zmniejszyło utratę wilgoci, ponieważ wilgoć mogła być ściśle związana z granulkami skrobi. Granulki o wysokiej wilgotności, które były dalej suszone w piecu laboratoryjnym w temperaturze 70 °C przez 3-4 godziny, miały zawartość wilgoci <9% (WB), a granulki te użyto do pomiaru innych właściwości fizycznych, takich jak średnica granulek, współczynnik rozszerzalności, gęstość nasypowa i trwałość. Analiza statystyczna danych dotyczących zawartości wilgoci w granulkach wykazała, że istnieje interaktywny wpływ zawartości wilgoci w surowcu i dodatku spoiwa na zawartość wilgoci w granulkach (tabela 3). W przypadku peletów bez spoiwa i 2% spoiwa wzrost wilgotności surowca spowodował wzrost wilgotności granulatu (p<0,05 Tukeya), ale trend ten nie był statystycznie istotny przy 4% spoiwa (p≥0,05 Tukeya; Rysunek 3).

Rysunek 3. Wpływ wilgotności surowca (FMC) i spoiwa skrobiowego na zawartość wilgoci w granulkach po schłodzeniu (średnia±1SD; n=3). Testy peletowania przeprowadzone bez spoiwa skutkowały większą utratą wilgoci w surowcu w porównaniu z testami przeprowadzonymi z użyciem spoiwa. Różne litery wskazują na istotne różnice przy użyciu testów post hoc Tukey HSD (p<0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Średnica granulki

Średnica granulek przy wilgotności 33% z dodatkiem spoiwa i bez niego wynosiła 8,4-8,7 mm po schłodzeniu (dane nie pokazane). Zwiększenie wilgotności surowca do 36 i 39% (w.b.) z dodatkiem spoiwa zwiększyło średnicę granulki do maksymalnej wartości 9,3 mm (dane nie pokazane). Granulki te suszono następnie w piecu laboratoryjnym w temperaturze 70 °C przez około 3-4 godziny. Suszenie spowodowało zmniejszenie średnicy granulki o około 0,3-0,4 mm. Głównym powodem zmniejszenia średnicy po wysuszeniu było kurczenie się granulek. Stwierdzono istotny statystycznie wpływ interakcji pomiędzy wilgotnością surowca a dodatkiem spoiwa na średnicę granulek po wysuszeniu (tab. 3). Przy wilgotności wsadu 33% średnica granulatu po wysuszeniu mieściła się w zakresie od 8,3 do 8,5 mm, natomiast zwiększenie wilgotności surowca do 36% lub 39% zwiększyło średnicę granulki do około 8,7 mm (rysunek 4). Wzrost ten był statystycznie istotny tylko między 33% a 39%, gdy nie użyto spoiwa (p<0,05 Tukeya), prawdopodobnie z powodu dużych odchyleń w pomiarach.

Rysunek 4. Wpływ wilgotności surowca (FMC) i spoiwa skrobi kukurydzianej na średnicę granulki po wysuszeniu (średnia±1SD; n=10). Średnica granulatu zwiększała się wraz ze wzrostem wilgotności surowca i dodatkiem skrobi. Różne litery wskazują na istotne różnice przy użyciu testów post hoc Tukey HSD (p<0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Współczynnik ekspansji

Współczynnik rozszerzalności jest obliczany na podstawie średnicy granulki (równanie 3). Wartości współczynnika rozszerzalności były wyższe dla peletów po schłodzeniu w porównaniu do po wysuszeniu (dane nie pokazane). Przy wilgotności 33% bez dodatku spoiwa i z dodatkiem spoiwa wartości współczynnika rozszerzalności po schłodzeniu mieściły się w zakresie 1,16-1,20. Dalsze zwiększenie wilgotności do 36 i 39% bez dodatku spoiwa zwiększyło wartości współczynnika rozszerzalności do 1,35. Wysuszone granulki miały niższe współczynniki rozszerzalności, co wynikało głównie z kurczenia się granulek zarówno w kierunku średnicowym, jak i bocznym. Przy wilgotności surowca 33% wartości współczynnika rozszerzalności z dodatkiem spoiwa i bez niego mieściły się w zakresie 1,11-1,07 (rysunek 5). Zwiększenie wilgotności surowca do 36 i 39% spowodowało dalsze zwiększenie wartości współczynnika rozszerzalności do 1,10-1,18 (rysunek 5); jednak było to statystycznie istotne tylko dla 33% w porównaniu z 39% wilgotnością bez dodatku spoiwa (p<0,05 Tukeya; Tabela 3). W przypadku średnicy granulki i współczynnika rozszerzalności, dodanie spoiwa na bazie skrobi zwiększyło te wartości przy całej wilgotności surowca, ale różnice te nie były istotne statystycznie (p≥0,05 Tukeya). Wyniki współczynnika rozszerzalności po wysuszeniu potwierdzają wyniki wcześniejszych badań, w których zwiększenie wilgotności surowca zwiększyło współczynnik rozszerzalności i dodatkowo zmniejszyło wartości gęstości nasypowej²⁸.

Rysunek 5. Wpływ wilgotności surowca (FMC) i spoiwa na bazie skrobi na współczynnik rozszerzalności granulek po wysuszeniu (n=10). Stopień rozszerzalności granulatu wzrastał wraz ze wzrostem wilgotności surowca bez dodatku spoiwa i z dodatkiem spoiwa. Różne litery wskazują na istotne różnice przy użyciu testów post hoc Tukey HSD (p<0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Gęstość nasypowa

Gęstość nasypowa granulek wykonanych z wilgotności surowca 33% z spoiwem i bez niego, mierzona po schłodzeniu wynosiła w zakresie 464-514 kg/^m3 (dane nie pokazane). Przy wilgotności wsadu 36 i 39% bez spoiwa wartości gęstości nasypowej mieściły się w przedziale 437-442 kg/^m3. Dodanie spoiwa do tych wilgotności surowca zmniejszyło gęstość nasypową do <400 kg/m³. Suszenie granulek o wysokiej wilgotności w piecu laboratoryjnym w temperaturze 70 °C przez około 3 godziny zmniejszyło zawartość wilgoci w granulkach do mniej niż 9% (WB). Nastąpił nieznaczny wzrost wartości gęstości nasypowej o około 50 kg/^m3 po wysuszeniu. Wzrost gęstości nasypowej po wysuszeniu może wynikać z mniejszej liczby międzycząsteczkowych mostków cieczy, które mogły utrzymywać cząstki bliżej siebie przy mniej otwartej strukturze. Oginni⁴⁴ zaobserwował, że gęstość nasypowa mielonej sosny Loblolly zmniejszała się wraz ze wzrostem wilgotności. W przypadku granulek wyprodukowanych o wilgotności surowca 33% z dodatkiem spoiwa i bez niego, gęstość nasypowa granulek mieściła się w zakresie 520-530 kg/^m3 (rysunek 6). Przy wyższej wilgotności surowca wynoszącej 36 i 39% (w.b.) gęstość nasypowa suszonych granulek znacznie spadła odpowiednio do <434 kg/^m3 i <437 kg/^m3. Stwierdzono istotny statystycznie wpływ interakcji między wilgotnością surowca a dodatkiem spoiwa na gęstość nasypową (tab. 3). Ogólnie rzecz biorąc, gęstość nasypowa zmniejszała się wraz ze wzrostem wyjściowej wilgotności surowca. Ponadto istnieją pewne przesłanki, że gęstość nasypowa zmniejszała się wraz ze wzrostem zawartości skrobi (ryc. 6).

Rysunek 6. Wpływ wilgotności surowca (FMC) i spoiwa skrobiowego na gęstość nasypową granulek po wysuszeniu (średnia±1SD; n=3). Niższa wilgotność surowca wynosząca 33% (w.b.) i brak spoiwa skutkowały najwyższą gęstością nasypową. Dodanie 2 i 4% spoiwa przy różnej wilgotności surowca skutkowało niższymi wartościami gęstości nasypowej. Różne litery wskazują na istotne różnice przy użyciu testów post hoc Tukey HSD (p<0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Trwałość (%)

Po schłodzeniu

Trwałość na zielono

Rysunek 7 pokazuje trwałość granulek po schłodzeniu (zielona siła) i po wysuszeniu w piecu w temperaturze 70 °C przez 3-4 godziny (wytrzymałość po utwardzeniu). Pożądane są wyższe wartości trwałości granulek o wysokiej wilgotności, ponieważ spowodują one mniejsze pękanie podczas przenoszenia i przechowywania ze względu na odporność na ścinanie i uderzenia. W przypadku ANOVA interakcja była istotna między zawartością wilgoci w surowcu, procentową zawartością spoiwa i suszeniem (Tabela 3). Wartości trwałości granulek po schłodzeniu wzrosły wraz ze wzrostem zawartości spoiwa (tab. 3; Tukey's p<0.05). Przy wilgotności surowca 33% (w.b.) wartości trwałości bez spoiwa wynosiły około 87,2%; natomiast po dodaniu spoiwa skrobiowego 2 i 4% wartości trwałości wzrosły do 93,2 i 96,1% (rys. 7). Tendencja była podobna w przypadku wilgotności pozostałych surowców wynoszącej 36 i 39% (w.b.). Bez spoiwa wartości trwałości wynosiły około 80%; Jednak dodanie spoiwa do biomasy zwiększyło wartości trwałości. Trwałość wzrosła do około 90%, gdy pelety zostały wykonane z wilgotnością surowca 36% i 4% spoiwa skrobiowego. Przy jeszcze wyższej wilgotności surowca wynoszącej 39% (w.b.) tendencja była podobna, ale ogólne wartości trwałości zmniejszyły się w porównaniu z zawartością wilgoci w innych surowcach.

Rysunek 7. Wpływ wilgotności surowca (FMC) i spoiwa skrobiowego na trwałość po schłodzeniu i po wysuszeniu (średnia±1SD; n=3). Wartości trwałości granulatu słomy kukurydzianej o wysokiej wilgotności wyprodukowanego przy wilgotności 33, 36 i 39% (w.b.) wsadu wzrosły wraz z dodaniem spoiwa zarówno po schłodzeniu, jak i po wysuszeniu. Różne litery wskazują na istotne różnice przy użyciu testów post hoc Tukey HSD (p<0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Po wysuszeniu

Utwardzona trwałość

Suszenie granulek o wysokiej wilgotności w piecu laboratoryjnym w temperaturze 70 °C przez 3-4 godziny skutkowało utwardzeniem granulek, zwiększając tym samym ich trwałość. Wartości trwałości granulek wytworzonych przy wilgotności surowca 33, 36 i 39% (w.b.) wzrosły do >92% (rysunek 7). Wartości trwałości przy wilgotności surowca wynoszącej 33% wzrosły do około 98% po wysuszeniu (rysunek 7). Wyniki te są ściśle zgodne z wcześniejszymi pracami^21,28. Wartości trwałości granulek wykonanych przy użyciu spoiwa wzrosły po wysuszeniu (p<0,05 Tukeya). Przy wilgotności surowca na poziomie 33% i 4% spoiwa zaobserwowano końcowe wartości trwałości na poziomie około 98%. Tendencja była podobna przy wilgotności surowca 36 i 39%, gdzie spoiwo miało pozytywny wpływ na wartości trwałości (p<0,05 Tukeya). Przy wilgotności wsadu 39% z dodatkiem spoiwa 2 i 4% wartości trwałości wzrosły do około 94-95%.

Procent grzywien

W obecnym badaniu, procent drobnych cząstek generowanych podczas granulowania był wyższy i wynosił 36 i 39% (w.b.) w porównaniu do 33% (w.b.) wilgotności surowca. Dodanie spoiw spowodowało obniżenie procentowej zawartości drobnych cząstek przy całej zawartości wilgoci w surowcu w porównaniu z testami bez dodatku spoiwa (rysunek 8). Testy granulowania przeprowadzone bez spoiwa wykazały najwyższy procent drobnych cząstek wynoszący około 11% przy wilgotności surowca 39% (w.b.). Dodanie 2 i 4% spoiwa do słomy kukurydzianej zmniejszyło procent drobnych cząstek generowanych podczas granulowania dla 33% i 36% (w.b.) w porównaniu z granulkami bez dodatku spoiwa. Najniższy procent drobnych cząstek zaobserwowany w tym badaniu wynosił 4% dodatku spoiwa i 33% (w.b.) wilgotności surowca (około 3%).

Rysunek 8. Wpływ wilgotności surowca i spoiwa skrobiowego na procentową zawartość drobnych cząstek wytwarzanych z granulowanego materiału. Przy wilgotności surowca wynoszącej 33, 36 i 39 % (w.b.) dodanie spoiwa zmniejszyło procentową zawartość drobnych cząstek w granulowanym materiale. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Specyficzne zużycie energii

Na konkretne zużycie energii wpłynęło dodanie spoiwa (Rysunek 9). Bez spoiwa energia właściwa przy wilgotności 33, 36 i 39% surowca wynosiła od 118 do 126 kWh/tonę. Dodanie 2% spoiwa zmniejszyło jednostkowe zużycie energii do około 75-94 kWh/tonę. Dalsze zwiększenie zawartości procentowej spoiwa do 4% jeszcze bardziej zmniejszyło jednostkowe zużycie energii do około 68-75 kWh/tonę dla wszystkich badanych wilgotności surowców. Dodanie spoiwa w ilości 2 i 4% zmniejszyło jednostkowe zużycie energii o około 20-40%.

Rysunek 9. Wpływ zawartości wilgoci w surowcu i spoiwa skrobiowego na jednostkowe zużycie energii w procesie granulowania o wysokiej wilgotności. Jednostkowe zużycie energii w procesie granulowania słomy kukurydzianej o wysokiej wilgotności zostało zmniejszone o około 20-40% dzięki dodatkowi 2 i 4% spoiwa na bazie skrobi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Analiza statystyczna

Analiza statystyczna została zakończona w JMP 10⁴³. Dwukierunkową analizę ANOVA wykorzystano do określenia wpływu wilgotności surowca (33, 36, 39%) i spoiwa skrobi kukurydzianej (0, 2, 4%) na zawartość granulek (n = 3), średnicę granulek (n = 10), współczynnik rozszerzalności (n = 10) i gęstość nasypową (n = 3). Trójczynnikową analizę ANOVA wykorzystano do określenia wpływu zawartości wilgoci (33, 36, 39%), spoiwa skrobi kukurydzianej (0, 2, 4%) i suszenia (przed suszeniem, po wysuszeniu) na trwałość (n = 3). Resztki spełniły założenia ANOVA dotyczące normalności i jednorodności wariancji. Aby spełnić te założenia, zawartość wilgoci w granulkach została przekształcona poprzez podniesienie danych do 4^{. potęgi}. Jeśli czynniki badane w ANOVA były istotne na poziomie p<0,05, testy HSD Tukey zostały użyte do porównań parami post hoc.

Tabela 3. Istotność statystyczna zmiennych procesowych na podstawie analizy wariancji (ANOVA).

Dyskusja

Krytycznymi etapami metody granulowania o wysokiej wilgotności w celu wytworzenia peletów o pożądanej trwałości przy niższym jednostkowym zużyciu energii są: 1) suszenie słomy kukurydzianej o wysokiej wilgotności do pożądanego poziomu wilgotności (33-39%, WB), 2) procentowe dodanie spoiwa i 3) równomierne podawanie biomasy o wysokiej wilgotności do granulatora. Wilgotność surowca i procentowa zawartość spoiwa to zmienne procesowe, które wpłynęły na właściwości granulek (gęstość i trwałość granulek przed schłodzeniem i po wysuszeniu) oraz na specyficzne zużycie energii w procesie peletowania. Zaleca się zbadanie wilgotności surowca przed jego użyciem do badań granulowania. Równomierne podawanie granulatora kukurydzianego o wysokiej wilgotności 33, 36 i 39% (w.b.) do granulatora ma wpływ na jakość i zużycie energii. Modyfikacja podajnika granulatora z napędem o zmiennej częstotliwości była niezbędna, aby równomiernie doprowadzać biomasę do granulatora.

Wyniki niniejszego badania wykazały, że dodanie spoiwa do słomy kukurydzianej o wysokiej wilgotności nieznacznie zmniejszyło gęstość nasypową granulek, ale znacznie poprawiło ich trwałość. Dodanie spoiwa na bazie skrobi zwiększyło zawartość wilgoci w granulkach po ściskaniu i wytłaczaniu, ale stwierdzono, że wzrost ten nie jest statystycznie istotny w prawie wszystkich badanych przypadkach. Ubytek wilgoci podczas granulowania wynosił około 3 do 4% przy dodaniu 4% spoiwa, podczas gdy był większy (7-8% w.b.) bez spoiwa. Dodanie spoiwa do słomy kukurydzianej mogło 1) skrócić czas przebywania materiału w matrycy i 2) zmniejszyć opory tarcia w matrycy, obniżając w ten sposób temperaturę matrycy, co mogło skutkować mniejszą utratą wilgoci podczas ściskania i wytłaczania w matrycy do peletów.

Nastąpił wzrost średnicy granulki po jej wytłoczeniu z matrycy granulki i wysuszeniu (rysunek 4). Wzrost ten był większy przy wyższej wilgotności surowca i z dodatkiem spoiwa skrobiowego. Gęstość nasypowa granulek mieściła się w przedziale 510-530 kg/^m3 przy wilgotności wsadu 33% (w.b.) ze spoiwem i bez spoiwa. Wcześniejsze badania wykazały, że wyższa wilgotność surowca wynosząca około 38% (w.b.) skutkuje niższą gęstością nasypową, głównie z powodu rozszerzania się granulek podczas ich opuszczania przez matrycę^21,28. Częstym zjawiskiem jest, że gdy materiał biomasy o wysokiej wilgotności jest wytłaczany przez matrycę pod ciśnieniem, powoduje to odparowanie wilgoci^12,21. Odparowanie wilgoci ustępuje miejsca rozszerzaniu się granulki, zarówno w kierunku osiowym, jak i średnicowym. Ogólnie rzecz biorąc, rozszerzalność średnicowa jest bardziej widoczna w porównaniu z rozszerzalnością osiową. Innym powodem rozszerzania się biomasy po ściskaniu i wytłaczaniu przez matrycę do peletowania może być to, że włókna biomasy rozluźniają się w obecności wilgoci. Ndiema i wsp.⁴⁵ oraz Mani i wsp.¹⁸ wskazało, że zwolnienie przyłożonego ciśnienia w matrycy powoduje rozluźnienie skompresowanej biomasy. Charakterystyka relaksacji zależy od wielu czynników, takich jak wielkość cząstek, zawartość wilgoci w surowcu i zastosowane ciśnienie. Ponadto w tym badaniu zaobserwowaliśmy, że gęstość nasypowa wzrasta po wysuszeniu, co może być spowodowane mniejszą liczbą międzycząsteczkowych mostków cieczy, które mogły utrzymać cząstki bliżej i wytworzyć mniej otwartą strukturę. Oginni⁴⁵ zaobserwował, że gęstość nasypowa mielonej sosny Loblolly zmniejszała się wraz ze wzrostem wilgotności.

Trwałość granulek została zmierzona, aby zrozumieć ich wytrzymałość. Ogólnie rzecz biorąc, pelety są odporne na ścinanie i uderzenia podczas przechowywania, transportu i procesu obsługi^4,46. Kaliyan i Morey⁴⁷ zasugerowali, że trwałość granulek wyprodukowanych bezpośrednio po wyprodukowaniu (green strength) różni się od trwałości granulek, które są przechowywane przez kilka dni po wyprodukowaniu (cured strength). Pelety o niższych wartościach trwałości pękają i zwiększają ryzyko problemów z przechowywaniem, takich jak odgazowywanie i samozapłon, które mogą spowodować utratę przychodów dla producentów pelletu. Według Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego (CEN) i Instytutu Paliw Pelletowych Stanów Zjednoczonych (PFI) zalecane wartości trwałości wynoszą >96,5% dla peletek wysokiej jakości lub premium³¹. W tym badaniu wartości trwałości wzrosły do około 94-95% przy granulowaniu spoiwem skrobiowym o wilgotności 39% w porównaniu z granulkami wykonanymi bez spoiwa, które po wysuszeniu miały wartości trwałości w zakresie 83-85%. Pelety produkowane przy wilgotności surowca 33% (w.b.) miały wartości trwałości >96,5% i spełniają międzynarodowe standardy.

Wilgoć pełni różne funkcje podczas granulowania biomasy, w tym: 1) tworzenie stałego mostka między cząstkami biomasy pod wpływem sił van der Waalsa, 2) aktywację naturalnych spoiw, takich jak białko, skrobia i lignina obecne w biomasie, oraz 3) promowanie reakcji opartych na skrobi i białkach, takich jak żelatynizacja i denaturacja, które mają silny wpływ na właściwości tekstury, takie jak twardość^4-12. W przypadku biomasy lignocelulozowej głównym spoiwem jest lignina (biomasa drzewna: 27-33%, biomasa zielna: 12-16%)⁴. Zawartość ligniny w słomie kukurydzianej określono średnio na około 16% na podstawie przeglądu danych dotyczących składu, w tym źródeł literaturowych i baz danych surowców⁴⁸. Cząsteczki ligniny, które mają większą ruchliwość przy wyższej zawartości wilgoci, działają jak klej i powodują silniejsze wiązanie; Jednak przy bardzo wysokich poziomach wilgoć będzie działać bardziej jak smar, co spowoduje mniejsze wiązanie. W niniejszym badaniu, przy bardzo wysokiej zawartości wilgoci wynoszącej około 39% (w.b.) wilgoć mogła działać bardziej jak smar i skutkować niską trwałością i wytwarzaniem większej ilości drobnych cząstek w procesie produkcji granulatu. Wyższe wartości trwałości zaobserwowano przy dodaniu spoiwa o wyższej wilgotności wsadu wynoszącej 36 i 39% (w.b.), co mogło być spowodowane żelatynizacją skrobi w obecności temperatury matrycy i wilgotności wsadu. Te reakcje żelatynizacji mogą prowadzić do powstawania sieciowania skrobi z innymi składnikami biomasy.

Procent drobnych cząstek powstających podczas procesu peletowania jest dobrym wskaźnikiem tego, jak dobrze biomasa będzie tworzyć pelety. Wytwarzanie drobnych cząstek podczas procesu peletowania powoduje utratę produktu i przychodów dla producenta pelletu. Nadmierne wytwarzanie drobnego materiału podczas procesów granulowania może mieć również wpływ na cechy jakościowe, takie jak gęstość i trwałość. Na wytwarzanie drobnych cząstek podczas procesu produkcji peletów ma wpływ skład biomasy (tj. skrobia, białko, lignina i woski), zmienne procesu granulacji, tj. stosunek długości do średnicy (stosunek L / D), prędkość obrotowa matrycy, stan pary, podgrzewanie wstępne) oraz zmienne wsadowe (tj. zawartość wilgoci w surowcu, wielkość cząstek i szybkość karmienia) ⁴. Obecne wyniki wskazują, że dodatek spoiwa nie tylko zmniejsza procent wytwarzanych drobnych cząstek, ale także pomaga poprawić właściwości fizyczne przy jednoczesnym zmniejszeniu jednostkowego zużycia energii. Niższy procent generowanych miałów wskazuje, że biomasa ma większą granulowalność .

Tumuluru i wsp.⁴ W swoim przeglądzie dotyczącym systemów zagęszczania odpowiednich do przekształcania biomasy w produkt typu towarowego wskazały, że dodanie spoiwa przyczynia się do zmniejszenia energii wytłaczania, co skutkuje zmniejszeniem jednostkowego zużycia energii. Zazwyczaj stosunek długości do średnicy (L/D) kontroluje czas przebywania materiału w matrycy i pomaga w wiązaniu biomasy. Ponadto stosunek L/D kontroluje energię wytłaczania i jednostkowe zużycie energii. Wyższy stosunek L/D wydłuża czas przebywania, co poprawia właściwości fizyczne granulek, ale zwiększa energię niezbędną do wytłaczania. Dodanie spoiwa do biomasy może pomóc w związaniu biomasy przy niższym stosunku L/D i zmniejszeniu energii wytłaczania. W tym badaniu wybrano stały stosunek długości do średnicy (L/D) wynoszący (2,6). Przyszłe badania mają na celu zrozumienie wpływu stosunku L/D matrycy do peletów i ich interakcji z zawartością wilgoci w surowcu na cechy jakości peletów.

Dane doświadczalne dotyczące wstępnego przetwarzania biomasy (mielenie, suszenie i granulowanie) uzyskane z Krajowego Zakładu Użytkowania Biomasy (https://www.inl.gov/bfnuf/) zlokalizowanego w INL oraz związana z nimi analiza techniczno-ekonomiczna wykazały, że suszenie biomasy od 30-10% (w.b.) zużywa dużą ilość energii (dane niepublikowane). Proces granulowania o wysokiej wilgotności opracowany w INL może pomóc obniżyć koszty produkcji peletów w porównaniu z konwencjonalną metodą produkcji peletów²⁴. Niniejsze badanie wykazało, że dodanie spoiwa na bazie skrobi do procesu granulowania o wysokiej wilgotności poprawiło trwałość granulek do >92% po schłodzeniu przy wilgotności surowca 36 i 39% (w.b.), a także zmniejszyło jednostkowe zużycie energii w procesie peletowania o około 20-40%. Większe wartości trwałości peletów wytwarzanych przy wyższej wilgotności surowca są ważne, ponieważ mogą być one efektywnie przenoszone przez przenośniki. Zazwyczaj pelety o niskiej trwałości kruszą się na drobne cząstki podczas obsługi i przechowywania, co powoduje utratę przychodów dla producentów pelletu. Ponadto cząstki drobne powstające w procesie mogą powodować zagrożenia bezpieczeństwa, takie jak samozapłon i odgazowanie^28,41. Redukcja energii właściwej o około 20-40% przy użyciu spoiwa przewyższa koszt spoiwa. Na podstawie tego badania możemy również stwierdzić, że niektóre produkty uboczne z przemysłu spożywczego mogą być wykorzystywane do granulowania biomasy do zastosowań bioenergetycznych. Obecnie, proces granulowania o wysokiej wilgotności został zademonstrowany przy użyciu młyna do peletowania z płaską matrycą w skali laboratoryjnej. Opisany tutaj protokół dla granulatora na skalę laboratoryjną będzie podstawą do opracowania modeli skalowania i testowania procesu w granularniach na skalę pilotażową i komercyjną.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Młyn peletowy z płaską matrycą	Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA	Młyn
Taśmy grzewcze	BriskHeat, Columbus, OH, USA	Grzejnik z gumy silikonowej, Wytrawione elementy
Termopary	Watlow, Burnaby, BC, Kanada	Napęd
	J Schneider Electric, Palatine, IL, USA	Altivar 71
Chłodnica pelletu	Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA	CME ECO-HC6
Oprogramowanie do rejestracji danych	National Instruments Corporation, Austin, TX, USA	Oprogramowanie
Tester trwałości	Seedburo Equipment Co., Des Plaines, IL, USA	Tester
Młyn młotkowy	Bliss Industries	CME ECO-HC6
Młynek	Vermeer	HG200
Mikser poziomy	Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA	ECO-RB 500
Niebieska ziarnistość użytkowa	3M	Nr części 05107-150J Klasa
Materiał izolacyjny	McMaster Carr	Elastyczna izolacja
Kontroler podajnika	KB Electornics, INC	KBIC-DC-MTR sterownik
System odsysania pyłu	Delta	Nr modelu: 50-763, Nr. seryjny: 2010 11OI1415
Suwmiarki z noniuszem	VWR® Numer części suwmiarki cyfrowej	:  12777-830
Binder	ACH Food Companies Inc., Memphis, TN, USA	ARGO 100% czysta skrobia
Stover	Zbierana w stanie Iowa i pozyskiwana w formie