Способ получения Durable Пеллеты при потреблении более низкой энергии с использованием высоких влажности стеблей кукурузы и кукурузный крахмал Binder в плоский мундштук гранулятора

Краткое содержание

В данном исследовании был разработан протокол для получения хорошего качества гранул с использованием плоской матрицей гранулятора при уменьшенном тестирования удельное потребление энергии высокой влажности кукурузы Стовер и связующее на основе крахмала. Результаты показали, что добавление кукурузный крахмал связующего улучшило прочность гранул, снижение процента штрафов и снижение удельного расхода энергии.

Аннотация

Одна из основных проблем в производстве пеллет является высокая стоимость, связанная с сушкой биомассы от 30 до 10% (ВБ) содержание влаги. В Айдахо национальной лаборатории, процесс гранулятор с высокой влажностью была разработана с целью снизить стоимость сушки. В этом процессе гранулы биомассы получают при содержании влаги выше исходного сырья по сравнению с обычными методами, и с высоким содержанием влаги гранулы, полученные дополнительно сушат в сушилках с низким энергопотреблением. Этот процесс позволяет уменьшить содержание влаги сырья примерно на 5-10% в течение грануляции, что в основном из-за фрикционного тепла, разработанной в штампе. Целью данного исследования было изучить, как связующее добавление влияет на качество гранул и потребление энергии процесса грануляции с высоким содержанием влаги в плоскую головку гранулятора. В настоящем исследовании, сырой кукурузы Стовера осаждали при масловлагоотделители из 33, 36 и 39% (ВБ) путем добавления 0, 2, и 4% чистого кукурузного крахмала. Частично высушенный гранулы, полученные дополнительно сушат в Alaboratory печи при 70 ° С в течение 3-4 ч, чтобы снизить влажность гранул до менее чем 9% (Вб). Высокая влажность и высушенные таблетки оценивали на их физических свойств, таких как насыпной плотности и прочности. Результаты показали, что увеличение связующего процент до 4% улучшенной прочности гранул и снижение удельного расхода энергии на 20-40% по сравнению с гранулами, не имеющих связующего вещества. При более высокой добавления связующего (4%), снижение исходного сырья влаги во время грануляции составила <4%, в то время как снижение составило около 7-8% без связующего вещества. С помощью 4% связующего вещества и 33% (Вб) содержание исходного сырья влаги, значения объемной плотности и долговечность Наблюдаемые высушенных гранул> 510 кг / м ³ и> 98%, соответственно, а процент мелких частиц генерироваться была уменьшена до <3 %.

Введение

Биомасса является одним из основных энергетических ресурсов в мире и считается нейтральным уровнем эмиссии углерода ^1. Объемная плотность кипах и измельчали ​​сельскохозяйственной биомассы и сколы древесной биомассы является низким. Низкие объемные плотности кипах биомассы (130-160 кг / м ^3), подземная биомасса (60-80 кг / м ³⁾ и сколы древесной биомассы (200-250 кг / м ³⁾ создают для хранения, транспортировки и решения вопросов , связанных ^{2, 3.} Уплотняя или сжатие биомассы грунта с помощью давления и температуры увеличивает объемную плотность примерно на 5 до 7 раз, и помогает преодолеть транспортировку и хранение ограничений ^4. Грануляторы, брикетные прессы и экструдеры представляют собой системы уплотнения , как правило , используются для биомассы ^4. Breakeven анализ расстояния транспортировки на тюках и осаждали сырья биомассы показали , что гранулы могут быть перевезены в 1,6 раза дальше , чем тюки с использованием грузовик по той же цене ^5. Перевозки Эфигранул недостатков возрастает с другими видами транспорта, таких как рельс, так как объем, ограниченный по сравнению с грузовых автомобилей, которые ограничены по весу. В настоящее время в Европе гранулы, полученные из древесной биомассы широко используются для производства био-энергии. Канада и Соединенные Штаты являются крупнейшие производители и поставщики древесных гранул в Европу ^6. Пеллеты , полученные как из древесных и травянистых биомассы могут быть использованы как для термохимической (cofiring, газификация и пиролиз) и биохимической конверсии (этанол) приложений ^7-9.

Качества гранул (плотность и прочность) и удельный расход энергии процесса грануляции зависят от технологических параметров гранулятора, например, пресс-формы диаметром, умирают скорость и отношение длины к диаметру головки экструдера и в качестве исходного сырья переменных, таких как содержание исходного сырья влаги и состав ^4. Оба переменные процесса и сырья переменные влияние грануляторкачество гранул и удельной энергии, используемой в процессе. Размеры штампа (то есть, отношение длины к диаметру) будет влиять на сжатие и экструзионное давление, и штампом скорость вращения регулирует время пребывания материала внутри пресс - формы. Содержание влаги является переменной исходного сырья , которое играет важную роль, взаимодействуя с компонентами композиции биомассы (т.е., белок, крахмал, лигнин) из - за высокой температуры и давления , встречающегося в фильеру. Наличие влаги увеличивает ван - дер - Ваальса, тем самым увеличивая притяжение между частицами биомассы ^10. В целом, более высокая влажность в воздействии на биомассе Объемная плотность прессованного продукта за счет диаметральной и бокового расширения при выходе из гранулятора или брикет пресс головки ^10. Биомасса композиции, такие как крахмал, белок, лигнин и других растворимых в воде углеводов, влияет на связывающую поведение при воздействии давления Атемпература й в уплотн оборудования ^11. Некоторые из общих реакций композиции, которые находятся под влиянием сырья влаги, фильеры температуры и давления являются клейстеризации крахмала, денатурация белков, и лигнин стеклования. Как правило, при температуре 100 ° С или выше , и содержание влаги в сырье более 30%, крахмала в пищевой промышленности и кормов для животных получает желатинированная и влияет на текстурные свойства , как твердость ^12. Как правило, реакции крахмала являются желатинизации, приклеивание и ретроградация. Среди этих реакций, желатинизации оказывает наибольшее влияние на свойства гранул ^13. Крахмал часто включается в пищевых и непищевых применений в качестве связующего вещества. Например, в фармацевтической таблеточной композиции крахмала используют в качестве наполнителя ^4,14. Белок в биомассе подвергается денатурации и образует сложные связи из - за высокой температуры и давлении , в процессе уплотнения ^11. В общем, чем вышемонтирует белка в биомассе приведет к более прочным окатышей ^15,16. Например, люцерна, который имеет более высокое количество белка, приводит к долговечных гранулы при более высоком содержании влаги в качестве исходного сырья. Жир в биомассе снижает силы трения и энергии в процессе экструзии , гранулирование или брикетирование ^11,17. В биомассы лигноцеллюлозы, наличие лигнина в растительном материале способствует формированию гранул без добавления каких - либо связующих веществ ^18. Древесная биомасса имеет более высокое содержание лигнина (29-33%) по сравнению с травянистой биомассы, которая , как правило , состоит из 12-16% лигнина ^4,19. При более низком содержании исходного сырья влаги приблизительно 10-12% (ВБ), температура стеклования лигнина превышает 140 ° С ^20; в то время как, увеличивая содержание влаги снижает температуру стеклования ^21. Согласно Lehtikangas ^22, температура стеклования лигнина на 8-15% (Вб) содержание влаги составляет около 100-135 ° С, бушельт увеличении содержания влаги до> 25% (ВБ) снижает температуру стеклования до <90 ° С.

Травяной биомасса доступна при повышенном содержании влаги в зависимости от способа уборки и уборки время. В случае одного метода сбора проход собранный материал будет иметь содержание влаги> 30% (ВБ) ^23. Биомасса, как правило, сушат до приблизительно 10% (Вб) содержание влаги, чтобы сделать его аэробно стабильным и предотвратить потерю сухого вещества во время хранения. Ламерс и др. ²⁴ показали , что для предварительной обработки биомассы с содержанием влаги 30% общая стоимость для обоих измельчения (стадии 1 и 2) и сушки составляет около $ 43,60 / сухой тонну, и около $ 15.00 / сухой тонны только для сушки биомассы. Сушка биомассы занимает около 65% от общей энергии предварительной обработки, и гранулирование занимает около 8-9% ^24. Янси и др. ²⁵ уже подтвердили тот факт , что сушка является основным потребителем энергии в биомассе preprocessing. Экспериментальные данные и технико-экономический анализ показал, что эффективное управление влаги имеет решающее значение для снижения затрат биомассы предварительной обработки. Один из способов более эффективно снизить стоимость сушки и управления сырья влаги является использование процесса грануляции с высоким содержанием влаги в сочетании с методом низкотемпературной сушки. В процессе грануляции высокой влажности, разработанной в Национальной лаборатории Айдахо, биомасса осаждали при содержании влаги более 28% (термометру); частично высушенного гранулы , полученные, которые по - прежнему с высоким содержанием влаги, можно сушить в энергоэффективных сушилок, таких как зерно или ленточные сушилки ^21. Одним из основных преимуществ грануляции с высоким содержанием влаги, что она помогает снизить стоимость сушки, что в свою очередь приводит к снижению общей стоимости производства пеллет. Технико-экономический анализ показал , что энергетические и производственные затраты снижаются примерно на 40-50% при использовании способа грануляции с высоким содержанием влаги по сравнению с обычным методом брикетирования ^24,26. Majили причиной снижения себестоимости производства гранул из - за замены барабанной сушилке , которая работает при высоких температурах от 160 до 180 ° С с зерносушилки , который работает при более низких температурах около 80 ° С или ниже ^21. Другие преимущества замены барабанной сушилке с поясом или зерносушилки являются: 1) повышение эффективности, 2) снижение пожарной опасности, 3) не требуется высокое качество тепла, 4) сокращение летучих органических соединений (ЛОС), 5) уменьшается выбросы твердых частиц и 6) не агломерат высоким содержанием глины или наклейками биомассы ^27. Энергоемкой шаг Редукционная в обычном гранулирование, как правило, используется для добавления влаги и активировать некоторые из компонентов биомассы, заменяется коротким шагом предварительного нагрева. Этот шаг помогает уменьшить содержание влаги сырье, а также активировать компоненты биомассы как лигнин. Теплота трения разработана в гранулированной матрице также помогает уменьшить содержание влаги сырья примерно на 5-8% (ВБ) ^21,28. В высоковольтном мoisture процесс гранулятор, гранулятора не только сжимает биомассы, но также помогает уменьшить содержание влаги в процессе сжатия и экструзии. Многие исследователи сделали эксперименты по грануляции сырья и химически предварительно обработанной биомассы в широком диапазоне влажности (7-45%, Wb) с использованием одного, лабораторных, опытно - промышленных кольца умирают и коммерческие системы непрерывного грануляторы ^{10,25,29-40, (Pace, Д. 2015. Гранулирование твердых бытовых отходов и аммиака волокна взрыва (AFEX) предварительно обрабатывают в кукурузные стебли пилотном кольцевой экструзионной гранулятора. Отдел Биотопливо, главный инженер, Биомасса Национальный фонд пользователя, Айдахо национальной лаборатории (неопубликованные данные))} , Эти исследователи скорректированные содержание влаги в сырье биомассы в различных желаемых уровней, чтобы понять влияние содержания влаги на качество атрибутов гранул.

Пелле атрибуты качества, насыпная плотность и прочность, являются нормативные спецификации в соответствии с СШАИнститут основан на пеллетах топлива (PFI). Тем не менее, в соответствии с Европейским комитетом по стандартизации (CEN) долговечность является нормативным и объемная плотность является информативным спецификация ^41. Пеллеты со значениями прочности> 96,5% и объемную плотность> 640 кг / м ³ обозначены как супер премиум гранул на основе стандартов PFI, в то время как гранулы со значениями прочности> 97,5% обозначаются в виде гранул с самого высокого класса. Оба стандартов ЕКС и PFI рекомендуют гранулы различного диаметра. Например, ПФП рекомендует диаметр в диапазоне 6.35-7.25 мм, в то время как СЕН рекомендует диаметр от 6-25 мм и длиной гранул меньше или равно 4 раза превышает диаметр ^41. Гранулы меньшего диаметра (6 мм) , являются предпочтительными для транспортировки на большие расстояния с учетом они имеют более высокую плотность упаковки ^28. Для обычных процессов грануляторов, рекомендуется для осаждения биомассы при низком содержании влаги для удовлетворения этих спецификаций плотности Desirable для транспортировки гранул на большие расстояния ^41. Оба ЕКС и PFI имеют дополнительные гранулы сорта ^41. Tumuluru ²⁸ и Tumuluru и Conner ⁴⁰ показали , что процессы грануляторы с высоким содержанием влаги , разработанные в Национальной лаборатории Айдахо помогают производить стеблей кукурузы и древесных гранул с различными атрибутами качества (насыпная плотность и прочность) и удельным расходом энергии делает их пригодными для различных транспортных и логистических сценариев.

Большинство исследований по грануляторов биомассы были сделаны с использованием единой системы грануляции. Гранулирование данные по биомассе с использованием системы непрерывного в лабораторном масштабе ограничено. Исследования в области непрерывных систем грануляторов будет полезно понять влияние процесса гранулирование переменных, таких как скорость вращения головки, отношением длины к диаметру и умирают диаметр от атрибутов качества и удельного потребления энергии. В грануляторы данные о непрерывных системах могут быть дополнительно использованы для СБНэля процесс пилотировать и коммерческих систем масштаба. В общем, с плоской матрицей гранулятор используется для проведения исследований по гранулированию древесных и травянистых биомассы в лаборатории ^4. Принцип работы лабораторного масштаба плоской матрицей, пилот, и в коммерческих масштабах кольцевой экструзионной грануляторов одинаковы. Все эти грануляторов имеют перфорированную жесткий стальной кубик с двумя или тремя роликами. При вращении головки экструдера, ролики оказывают усилие на сырье и заставить его через перфорационные отверстия фильеры с образованием уплотненных гранул ^4.

Наши более ранние исследования на высокой влажности грануляции из стеблей кукурузы при влажности исходного сырья 28-38% (ВБ) без какого - либо добавления связующего привело к снижению значений прочности при содержании ^21,28 влаги выше исходного сырья. Повышение долговечности высоких гранул влаги после охлаждения и сушки имеет важное значение, поскольку это помогает предотвратить распад гранул (потери качества пеллет) в процессе обработки, STOярости и транспортировки. Распад гранул обычно приводит к генерации штрафов и потери доходов для производителей пеллет. Связующие обычно используются в процессе грануляции для улучшения качества гранул, особенно прочность и снизить удельный расход энергии. Обычно используемые природные связующие вещества в процессе грануляции являются белки и крахмал ^4,28. Крахмал подвергается желатинизации, в то время как белок подвергается денатурации в присутствии тепла, влаги и давления. Обе эти реакции приводят к улучшению связывания и более прочные гранулы при низком потреблении энергии. Основная цель данного исследования состояла в том, чтобы разработать и продемонстрировать процесс грануляции с высоким содержанием влаги с использованием стеблей кукурузы с добавлением связующего вещества для получения хорошего качества гранул с точки зрения зеленой прочности (после охлаждения) и отверждают прочность (после сушки) при более низком удельный расход энергии. Конкретные цели исследования были 1) проводить с высоким содержанием влаги гранулирование кукурузы улболее при различном содержании сырья влажностью (33, 36 и 39%, Вб) и содержание крахмала связующего вещества (0, 2 и 4%), 2) оценку физических свойств (влажность гранул, диаметр гранул, коэффициент расширения, объемная плотность и долговечность (зеленый и вылечены долговечность), и 3) оценить удельный расход энергии процесса грануляции.

Протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Кукуруза Стовер тюки были закуплены в виде кипы из сельскохозяйственных ферм в штате Айова, США. Закупаемых тюки измельчали ​​последовательно в два этапа. На стадии 1, стеблей кукурузы тюки измельчали ​​с помощью шлифовальной машины, снабженный экраном 50,8-мм. На стадии 2 Измельченный материал со стадии 1 была дополнительно измельчен с помощью молотковой мельницы Bliss, оснащенный экраном 4,8 мм. Материал испытывали на содержание влаги и объемной плотности и хранится в воздухонепроницаемой емкости для дальнейших испытаний грануляторов. Чистый кукурузный крахмал были закуплены у местного рынка и измеряли содержание влаги и объемной плотности. Содержание влаги и объемная плотность грунта стеблей кукурузы и кукурузного крахмала связующего вещества приведены таблице 1.

Таблица 1. Содержание влаги и объемная плотность грунта стеблей кукурузы и кукурузного крахмала связующего вещества.

1. Пелле мельница

1. Используйте лабораторную с плоской матрицей гранулятора , оснащенный 10 л.с. двигатель для проведения испытаний по гранулированию (Рисунок 1) ^21,28,38.

Рисунок 1. Схема лабораторном плоской матрицей гранулятора в Национальной лаборатории Айдахо (адаптировано из Tumuluru ^21). Плоский умереть гранулятора была использована для проведения испытаний по гранулированию высокой влажности кукурузы Стовер с и без добавления связующего. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы просмотреть увеличенная версия этой фигуры.

2. Поместите гибкий нагревательный кабель на поверхности бункера и шнековый питатель затем изолируют их стекловатой, чтобы предотвратить потерю тепла. Подключите нагревательный кабель к контроллеру температуры для предварительного нагрева биомассы до желаемой температуры в звенеле 30-130 ° С.
3. Оборудуйте гранулятора с частотно-регулируемого привода (VFD). Подключите VFD гранулятора к двигателю гранулятора. Контроллер фидер двигателя постоянного тока контроллера двигателя для изменения скорости подачи в гранулятор.
4. Подключите измеритель мощности к двигателю гранулятора для записи потребляемой мощности. Вручную выбрать дробина умереть с отверстием диаметром 8 мм и длиной до диаметра (L / D) отношение 2,6.
5. Добавить горизонтальный охладитель гранул к гранулятора для охлаждения теплых гранул, поступающих из гранул умирают. Подключите кулер к выхлопной системе для циркуляции свежего воздуха.

2. Сырьем Подготовка

1. Возьмите 2-3 кг кукурузы Стовер грунта с использованием сита 4,8 мм. Измерьте содержание влаги кукурузы Стовер (см шаг 4.1) и объемную плотность (см шаг 4.3) (смотри Таблицу 2).
2. Измерение содержания влаги (этап 4.1) и объемную плотность (этап 4.3) чистого (100%), кукурузный крахмал связующегозакуплены у местного рынка.
3. Добавить кукурузный крахмал связующего вещества к земле стеблей кукурузы (см Таблица 2 для% связующего дополнение)
4. Рассчитать количество добавляемой воды, чтобы регулировать уровни влаги в земле стеблей кукурузы и кукурузный крахмал смесь связующего вещества к 33, 36 и 39% (Вб) с помощью уравнения 1.
   знак равно (1)
   Примечание: В уравнении 1, W _ш вес воды (г), W _s является вес образца биомассы (г), м _е: процент конечное содержание влаги в образце (ВБ), а т _я: процентное содержание исходной влажности образец (термометру%).
5. Добавьте вычисленное воду в стеблей кукурузы / кукурузный крахмал смесь связующего вещества и смешивают его в лабораторном ленточно-винтовом смесителе.
6. Храните влаги скорректированные кукурузы Стовер / кукурузный крахмал смесь в запечатанном контейнере и поместить его в холодильник установлен на4-5 ° C, чтобы влага уравновешиваться.

3. Высокое содержание влаги Гранулирование Процесс

1. Возьмите кукурузу Стовер / кукурузный крахмал смесь из холодильника и оставить при комнатной температуре в течение приблизительно 1-2 ч, чтобы довести его до комнатной температуры.
2. Загрузите материал в подающий бункер гранулятора. Запуск гранулятора при 60 Гц (380 оборотов в минуту) умирают скорость.
3. Поток гранулятора равномерно путем регулирования скорости подачи гранулятора для производства гранул в устойчивом состоянии. Охлаждают гранул в горизонтальном окатышей охладителем.
4. Отдельные мелких фракций в процессе грануляции с использованием сита с 6,3 мм.
   Примечание: измерения содержания влаги и прочность гранул после охлаждения ^21.
5. Сухие охлажденные гранулы с высоким содержанием влаги в лабораторной печи при 70 ° С в течение 3-4 ч, чтобы снизить конечную содержание влаги в гранулах до менее чем 9% (Вб).
   Примечание: измерения содержания влаги гранул, объемную плотность, и твердую мозговую оболочкучивости высушенных гранул ^21.
6. Вход питания данные в компьютер во время процесса грануляции.
   Примечание: В таблице 2 условия испытаний гранулирование и рисунке 2 для окатышей на 33, 36 и 39% влажности и 4% кукурузного крахмала добавления связующего.

Таблица 2. Экспериментальные условия проведения испытаний , используемые в настоящем исследовании.

Рисунок 2. Фотография из кукурузы Стовер окатышей с 4% кукурузного крахмала связующего при различном содержании влаги сырье. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

4. ГранулаСвойства и удельный расход энергии

Примечание: стандарты ASABE ⁴² были использованы для измерения содержания влаги, плотность, прочность и процент мелких частиц сырья и гранулированных материалов.

1. Место примерно 25-50 г измельченного и осаждали кукурузы Стовер образцов в лаборатории печь при температуре 105 ° С в течение 24 ч. Взвесьте образец до и после сушки. Рассчитывают содержание влаги с помощью уравнения 2. Проведение экспериментов в трех экземплярах.
   (2)
2. Возьмите одну таблетку и гладкой оба конца с тканью Grit Utility. Измерьте диаметр гранул с помощью штангенциркуля. Рассчитывают коэффициент расширения гранул с использованием уравнения 3 ^28. Измерьте диаметр десяти гранул.
   Коэффициент расширения = (3)
   Примечание: В уравнении 3, D является диаметр гранул экструдированного (мм) и d является диаметр фильеры (мм).
3. Используйте плексивского стеклянный цилиндр с высотой 155 мм и диаметром 120 мм. Налейте гранул в цилиндр, пока она не переполняется и выровнять верхнюю поверхность с прямым краем. Взвесить цилиндр с материалом. Разделить веса баллона объемом цилиндра, чтобы вычислить объемную плотность. Повторите эксперимент три раза.
4. Рука сито Осажденный материал с использованием сита 6,3 мм. Взвесить материал, который прошел через экран. Рассчитать процент штрафов, используя уравнение 4.
   Процент пени = × 100 (4)
5. Поместите примерно 500 г гранул без штрафа в каждый отсек гранула прочность тестера. Сушильные пеллеты при 50 об / мин в течение 10 мин. Просеять Tumbled материал, используя экран 6,3 мм. С помощью уравнения 5, чтобы вычислить процентную прочность гранул.
   Прочность =tp_upload / 54092 / 54092eq6.jpg "/> × 100 (5)
   Примечание: Зеленый долговечность прочность гранул, измеренных после охлаждения, и отверждают прочность долговечность измеряется после сушки гранул при 70 ° С в течение 3 часов.
6. Войти потребление энергии гранулятора с помощью программного обеспечения регистрации данных. Запишите данные не мощность нагрузки (кВт) гранулятора, запустив гранулятора пустой при скорости головки 60 Гц. С помощью уравнения 6, чтобы вычислить удельный расход энергии (SEC).
   (6)

Результаты

Пелле Содержание влаги

Содержание влаги в биомассе была снижена примерно на 5-8% (ВБ) после того, как гранулирование. Это снижение в основном связано с фрикционного тепла, разработанной в штампе, и предварительного нагрева температуры и охлаждения высоких гранул влаги. Кроме того, связующие вещества оказывают влияние на количество влаги теряется. При 0% связующего вещества, потеря влаги составляла около 7-8%, что согласуется с нашими более ранними исследованиями ^21,28; в то время как, в количестве 4% связующего вещества, потеря влаги в сырье во время грануляции составляла около 3-5% (рисунок 3). Связующее добавляют к биомассе, возможно, действовал в качестве смазывающего агента. Это, возможно, уменьшило фрикционных сопротивлений и уменьшается время пребывания материала в штампе канале вызывает уменьшение потери влаги. В предыдущих исследованиях температура, измеренная сразу же после того, как умереть гранулирование используя Инфракрасныйrmometer (Fluke, модель 561, Fluke Corporation, Эверетт, штат Вашингтон, США) достиг примерно 100-110 ° С ^21. Увеличение процента связующего уменьшило потери влаги, поскольку влага, возможно, были тесно связаны с гранул крахмала. Высокие гранулы влаги, которые были дополнительно сушат в лабораторной печи при температуре 70 ° С в течение 3-4 ч имел содержание влаги <9% (Wb), и эти гранулы были использованы для измерения других физических свойств, таких как диаметра гранул, степени расширения, объемная плотность и долговечность. Статистический анализ данных содержания влаги гранул показали , что существует интерактивный влияние содержания влаги исходного сырья и добавления связующего на содержание влаги гранул (таблица 3). Для получения гранул, не имеющих связующего вещества и 2% связующего вещества, увеличение содержания сырья влаги привело к увеличению содержания гранул влаги (Тьюки р <0,05), но эта тенденция не была статистически значимой на 4% связующего вещества (p≥0.05 Тьюки; Рисунок 3) ,

Рисунок 3. Влияние содержания влаги исходного сырья (FMC) и крахмального связующего на содержание влаги гранул после охлаждения (среднее значение ± 1SD; п = 3). Грануляторы тесты , проведенные без связующего вещества приводит к более высокой потере содержания влаги исходного сырья по сравнению с испытаниями , проведенными со связующим. Различные буквы указывают на значительные различия , используя постфактум Таки HSD тестов (р <0,05). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Пелле Диаметр

Диаметр гранул при 33% влажности с использованием и без добавления связующего была в диапазоне 8.4-8.7 мм после охлаждения (данные не показаны). Увеличение кормовTock содержание влаги до 36 и 39% (Вб) с добавлением связующего вещества увеличили диаметр гранул до максимального значения 9,3 мм (данные не показаны). Эти гранулы дополнительно сушат в лабораторной печи при температуре 70 ° С в течение приблизительно 3-4 ч. Высушивание приводит к уменьшению диаметра гранул около 0,3-0,4 мм. Основной причиной для уменьшения диаметра после сушки было связано с сокращением гранул. Был статистически значимый эффект взаимодействия между содержанием исходного сырья влаги и добавления связующего на гранулы диаметром после сушки (таблица 3). На 33% содержание влаги сырья диаметр гранул после сушки была в диапазоне от 8,3 до 8,5 мм, в то время как увеличение содержания влаги сырья до 36% или 39% увеличили диаметр гранул около 8,7 мм (рисунок 4). Это увеличение было статистически значимым только между 33% и 39%, если нет связующего вещества не использовался (Тьюки р <0,05), вероятно, из-за высоких отклонений в измерениях.

Рисунок 4. Влияние содержания влаги исходного сырья (FMC) и кукурузный крахмал связующего на диаметра гранул после сушки (среднее значение ± 1SD; п = 10) Диаметр гранул увеличивается с увеличением содержания влаги в качестве исходного сырья и добавления крахмала.. Различные буквы указывают на значительные различия , используя постфактум Таки HSD тестов (р <0,05). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

коэффициент расширения

Коэффициент расширения рассчитывается с использованием диаметра гранул (уравнение 3). Значения степени расширения были выше для гранул после охлаждения по сравнению с после сушки (данные не показаны). При 33% влажности без и сСвязующее Кроме того, значения степени расширения после охлаждения находились в диапазоне 1.16-1.20. Дальнейшее увеличение содержания влаги до 36 и 39% без добавления связующего увеличилась значения степени расширения до 1,35. Высушенные гранулы имели более низкие коэффициенты расширения, что в основном из-за сокращения гранул как диаметрально и в поперечном направлении. На 33% содержание влаги сырья значения расширения соотношение с и без добавления связующего находились в диапазоне 1.11-1.07 (рисунок 5). Увеличение содержания влаги сырья до 36 и 39% дополнительно увеличена значения степень расширения до 1.10-1.18 (рисунок 5); Тем не менее, это было только статистически значимым для 33% по сравнению с 39% влажности, без добавления связующего (р Тьюки <0,05; таблица 3). В случае диаметра гранул и степени расширения, добавление крахмала связующего на основе этих значений увеличилось на все содержание влаги сырья, но эти различия не были статистическизначительное (p≥0.05 Тьюки). Результаты Коэффициент расширения после сушки подтверждают результаты предыдущих исследований, в которых увеличение влажности сырья увеличилась степень расширения и понижали насыпная плотность значения ^28.

Рисунок 5. Влияние содержания влаги исходного сырья (FMC) и крахмального св зующего на коэффициент расширения гранул после сушки (п = 10). Коэффициент расширения гранул увеличивается с увеличением содержания влаги исходного сырья без и с добавлением связующего вещества. Различные буквы указывают на значительные различия , используя постфактум Таки HSD тестов (р <0,05). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Bulk Denплотность

Насыпная плотность гранул , изготовленных с содержанием исходного сырья влажностью 33% с использованием и без связующего вещества и измеренным после охлаждения находится в интервале от 464-514 кг / м ³ (данные не показаны). На 36 и 39% содержание влаги сырья без связующего значения плотности сыпучие находились в диапазоне 437-442 кг / м ^3. Добавление связующего вещества в этих содержание влаги сырья уменьшенных насыпную плотность до <400 кг / м ^3. Сушка гранул с высоким содержанием влаги в лабораторной печи при 70 ° С в течение примерно 3 часов, снижается содержание влаги в гранулах до менее чем 9% (Вб). Был небольшое увеличение значений объемной плотности около 50 кг / м ³ после сушки. Увеличение объемной плотности после сушки может быть связано с меньшим количеством межчастичных жидких мостов, которые могли бы держали частицы ближе с менее открытой структурой. Oginni ⁴⁴ отметил , что объемная плотность грунта Лоблолли сосны деувеличилась с увеличением содержания влаги. Для получения гранул , изготовленных с содержанием исходного сырья влажностью 33% при использовании и без добавления связующего, объемная плотность гранул была в диапазоне 520-530 кг / м ³ (рисунок 6). При более высоком содержании влаги в сырье 36 и 39% (ВБ), объемная плотность высушенных гранул значительно снизилась до <434 кг / м ³ и <437 кг / м ^3, соответственно. Был статистически значимый эффект взаимодействия между содержанием влаги сырья и добавлением связующего по насыпной плотности (таблица 3). В общем, насыпная плотность уменьшается с увеличением содержания начиная сырья влаги. Кроме того, есть некоторые признаки того, что объемная плотность уменьшается с увеличением содержания крахмала (рисунок 6).

Рисунок 6. Эффект содержания влаги сырья (FMC) и крахмального связующего вещества на объемную плотность гранул после сушки (среднее значение ± 1SD; п = 3) более низкое содержание влаги исходное сырье 33% (Вб) и без связующего вещества приводило к самой высокой объемной плотностью.. Добавление 2 и 4% связующего при различном содержании влаги сырья привело к снижению значений объемной плотности. Различные буквы указывают на значительные различия , используя постфактум Таки HSD тестов (р <0,05). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Прочность (%)

После охлаждения

Зеленый Долговечность

На рисунке 7 показана прочность гранул после охлаждения (гReen прочность) и после сушки в печи при температуре 70 ° С в течение 3-4 часов (вылечены прочность). Более высокие значения долговечности высоких гранул влаги желательно, поскольку это приведет к снижению повреждения во время транспортировки и хранения из-за сдвига и ударным сопротивлениями. Для дисперсионного анализа, взаимодействие было значительным между содержанием влаги сырья, связующего процента и сушки (таблица 3). Долговечность значения гранул после охлаждения увеличивается с увеличением содержания связующего (табл.3; Тьюки р <0,05). В 33% (по мокрому термометру) содержание влаги сырья, значения долговечность без связующего вещества было около 87,2%; в то время как, с добавлением 2 и 4% крахмала связующего вещества, разделительными значения долговечности увеличилась до 93,2 и 96,1% (рисунок 7). Тенденция была похожа на другие содержание влаги в сырье 36 и 39% (ВБ). Без связующего значения долговечности были около 80%; Тем не менее, добавление связующего вещества в биомассе увеличилась значения долговечности. Долговечность инкрснизился до примерно 90%, когда гранулы были сделаны с содержанием исходного сырья влажностью 36% и 4% крахмала связующего вещества. При еще более высоком содержании влаги в качестве исходного сырья в 39% (по мокрому термометру) тенденция была сходной, но общие значения долговечности уменьшилась по сравнению с другими содержанием влаги сырья.

Рисунок 7. Влияние содержания влаги исходного сырья (FMC) и крахмального связующего на прочность после охлаждения и после сушки. (Среднее значение ± 1SD; п = 3) значения долговечности с высоким содержанием влаги стеблей кукурузы окатышей при температуре 33, 36 и 39% (ВБ) содержание влаги сырья увеличилось с добавлением связующего и после охлаждения и после сушки. Различные буквы указывают на значительные различия , используя постфактум тесты Таки HSD (р <0,05). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть большую версию этого рисунка.

После сушки

Обработанная Прочность

Сушка гранул с высоким содержанием влаги в лабораторной печи при 70 ° С в течение 3-4 ч приводит к затвердеванию гранул, тем самым увеличивая прочность гранул. Значения долговечности гранул , сделанных на 33, 36 и 39% ( по мокрому термометру) содержание влаги в качестве исходного сырья увеличилась до> 92% (рисунок 7). Значения прочность при 33% содержание влаги сырья увеличилась до примерно 98% после сушки (рисунок 7). Эти результаты совпадают с ранее тесно работой ^21,28. Значения прочности гранул, сделанных с использованием связующего увеличилось после сушки (р Тьюки <0,05). На 33% содержание влаги сырья и 4% связующего вещества, конечные значения долговечности, наблюдаемые было около 98%. Тенденция была похожа на 36 и 39% сырьясодержание влаги, где связующее вещество оказало положительное влияние на значения прочности (Тьюки р <0,05). При 39% влажности сырья со связующим добавлением 2 и 4%, значения долговечности увеличивают до примерно 94-95%.

Процент Штрафы

В настоящем исследовании, процент штрафов, полученные в ходе грануляции были выше на 36 и 39% (ВБ) по сравнению с 33% содержанием влаги (термометру) в качестве исходного сырья. Добавление связующих веществ привело к снижению процента штрафов , сгенерированные на всех содержание влаги в качестве исходного сырья по сравнению с тестами, не имеющих добавления связующего (рисунок 8). Грануляторы тесты, проведенные без каких-либо связующего вещества показали высокий процент штрафы примерно на 11% на 39% (ВБ) в качестве исходного сырья содержание влаги. Добавление 2 и 4% связующего вещества к стеблей кукурузы, снижение штрафов процентов, образующихся при гранулировании на 33% и 36% (Вб) по сравнению с гранулами без добавления связующего вещества. Tон низкий процент штрафов, наблюдаемые в этом исследовании, были на 4% добавлением связующего вещества и 33% (ВБ) содержание влаги сырья (приблизительно 3%).

Рисунок 8. Влияние содержания сырья влаги и крахмала связующего на процент мелких частиц , полученных из осажденной материала. При содержании влаги в качестве исходного сырья 33, 36 и 39% (ВБ) добавлением связующего вещества уменьшается процент мелких частиц в осажденной материала. Пожалуйста , нажмите здесь для просмотра увеличенной версии этой фигуры.

Удельный расход энергии

Удельный расход энергии под влиянием добавления связующего (рисунок 9). При отсутствии связующего вещества, удельное ENгия на 33, 36 и 39% содержание влаги сырья составляет от 118-126 кВт · ч / т. Добавление 2% связующего вещества снижается удельный расход энергии до 75-94 кВт · ч / т. Дальнейшее увеличение связующий процент до 4% дополнительно снижается удельный расход энергии до 68-75 кВт · ч / т для всех содержание влаги сырья, которые были протестированы. Добавления связующего вещества в 2 и 4% снизили удельный расход энергии приблизительно на 20-40%.

Рисунок 9. Влияние содержания влаги исходного сырья и крахмального связующего вещества на удельное потребление энергии высокого процесса грануляции влаги. Удельный расход энергии в процессе грануляции стеблей кукурузы с высоким содержанием влаги была снижена примерно на 20-40% , с добавлением 2 и 4% крахмала связующее на основе. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенное Versio п этой фигуры.

Статистический анализ

Статистический анализ был завершен в СПМ 10 ^43. Двусторонний ANOVA использовали для определения влияния содержания сырья влаги (33, 36, 39%) и кукурузный крахмал связующего вещества (0, 2, 4%) по влажности гранул (п = 3), диаметр гранул (п = 10), коэффициент расширения (п = 10), и объемную плотность (п = 3). Трехходовой дисперсионный анализ был использован для определения влияния содержания влаги (33, 36, 39%), кукурузный крахмал связующего вещества (0, 2, 4%) и сушки (перед сушкой, после сушки) на прочность (п = 3 ). Остаточные встретил предположения ANOVA нормальности и однородности дисперсии. Для удовлетворения этих предположений, содержание влаги гранул трансформировали путем увеличения данных на 4 - ^й степени. Если коэффициенты испытанные в ANOVA были значимыми при р <0,05, Таки HSD тесты были использованы для постфактум парных сравнений.

палатка "ВОК: Keep-together.within-странице =" 1 ">
Таблица 3. Статистическая значимость переменных процесса на основе дисперсионного анализа (ANOVA).

Обсуждение

Критические шаги в высокой влажности методом грануляции для получения гранул с желаемой прочности при более низких удельных затрат энергии являются: 1) высушивание высокой влажности стеблей кукурузы до желаемого уровня влажности (33-39%, ВБ), 2) процентов добавления связующего и 3) подачи высокой биомассы влаги равномерно в гранулятор. Сырьем влаги и процент связующего вещества представляют собой технологические переменные, которые повлияли на свойства гранул (плотность и прочность гранул перед охлаждением и после сушки) и удельный расход энергии процесса грануляции. Рекомендуется, чтобы проверить содержание влаги в сырье до его использования для исследований грануляторов. Кормление с высоким содержанием влаги стеблей кукурузы на 33, 36 и 39% (ВБ) равномерно на гранулятора оказывает влияние на качество и потребление энергии. Модификация питатель гранулятора с приводом переменной частоты имеет важное значение, чтобы накормить биомассу равномерно гранулятора.

Результаты отданное исследование показало, что добавление связующего к высоким содержанием влаги стеблей кукурузы, снижалось объемную плотность гранул незначительно, но значительно улучшили долговечность. Добавление крахмала связующего на основе увеличилось содержание влаги в гранулах после сжатия и экструзии, но увеличение было установлено, не статистически значимыми почти во всех исследованных случаев. Потеря влаги во время грануляции было примерно от 3 до 4% при добавлении 4% связующего вещества, в то время как она была выше (7-8%, термометру) без связующего вещества. Добавление связующего вещества к стеблей кукурузы может иметь 1) снижение времени пребывания материала в штампе и 2) снижение фрикционных сопротивлений в матрице, тем самым снижая температуру кристалла, что, возможно, привело к уменьшению потери влаги при сжатии и экструзии в осадке умирают.

Был увеличение диаметра гранул после того, как он был экструдирован из осадка штампа и сушат (рисунок 4). Это увеличение было здоровоэр при повышенном содержании влаги сырья и с крахмалом добавления связующего. Насыпная плотность гранул была в диапазоне 510-530 кг / м ³ при 33% (ВБ) содержание влаги исходного сырья с использованием и без связующего вещества. Предыдущие исследования показали , что более высокое содержание влаги в сырье около 38% (Wb) приводит к более низкой объемной плотности, в основном за счет расширения гранул , как они выходят через головку ^21,28. Это обычное явление, когда биомасса с высоким содержанием влаги выдавливается через головку экструдера под давлением это приводит к влажности подсушки ^12,21. Влага оплавление уступает расширение гранул, как в осевом, так и диаметральном направлении. В общем случае, диаметральный расширение является более заметным по сравнению с осевым расширением. Другой причиной расширение материала биомассы после сжатия и экструзии через таблетку штампа может быть, что биомасса волокна расслабить в присутствии влажности. Ндьема и др. ⁴⁵ иМани и др. ¹⁸ показали , что высвобождение приложенного давления в результатах умирают в релаксации сжатой биомассы. Характеристики релаксации зависят от многих факторов, таких как размер частиц, содержание влаги в качестве исходного сырья и приложенного давления. Кроме того, в данном исследовании мы наблюдали, что увеличение объемной плотности после сушки, что может быть связано с меньшим количеством межчастичных жидких мостов, которые, возможно, сохранили частицы ближе и произвели менее открытую структуру. Oginni ⁴⁵ отмечено , что объемная плотность грунта Loblolly сосны уменьшилась с повышенным содержанием влаги.

Прочность гранул измеряли, чтобы понять прочность гранул. Как правило, гранулы подвергаются сдвигу и ударного сопротивления при хранении, транспортировке, и процесс обработки ^4,46. Kaliyan и Мори ⁴⁷ предположил , что прочность гранул , полученных сразу после производства (зеленая сила) отличается от дюrability гранул, которые хранятся в течение нескольких дней после изготовления (отвержденной прочности). Пеллеты с более низкими значениями прочности сломать и увеличить риск проблем хранения, таких как от отравления газами и самовозгоранию, что может привести к потере доходов для производителей пеллет. По данным Европейского комитета по стандартизации (CEN) и государств - Пелле Fuels Объединенного института (ПФП) рекомендуемые значения прочности являются> 96,5% для высокого качества или гранул премиум класса ^31. В этом исследовании значения долговечности увеличилась примерно до 94-95%, когда осаждали с крахмалом связующего при содержании влаги 39% по сравнению с гранулами был произведен без связующего вещества, которые имели значения прочности в диапазоне 83-85% после сушки. Гранулы, полученные на 33% (термометру) содержание влаги сырья имела прочность значения> 96,5% и соответствует международным стандартам.

Влага имеет различные функции в процессе гранулирования биомассы, в том числе: 1) твердого образования мостика междучастиц биомассы из-за ван-дер-ваальсовых сил, 2) активирование природных связующих веществ, таких как белок, крахмал и лигнина, присутствующего в биомассе, и 3) содействие крахмала и белка реакций, основанных как желатинизации и денатурации, которые оказывают сильное влияние на текстурные свойства, такие как твердость ^4-12. В случае биомассы лигноцеллюлозы, главным связующим агентом является лигнин (древесную биомассу: 27-33%, травянистое биомасса: 12-16%) ^4. Содержание лигнина в кукурузном Стовер было определено в среднем около 16% на основе анализа данных состава, в том числе литературных источников и баз данных в качестве исходного сырья ^48. молекулы лигнина, которые имеют более высокую подвижность при более высоком содержании влаги, действуют в качестве клея и привести к более сильным связывания; Тем не менее, при очень высоком уровне влага будет действовать больше как смазки, что приводит к менее связывания. В настоящем исследовании, при очень высоком содержании влаги около 39% (по мокрому термометру) влага, возможно, действовали больше как смазочный материал и привело к низкой прочности ай более мелкие частицы генерации в процессе производства гранул. Более высокие значения износостойкости наблюдалось при добавлении связующего вещества при более высоком содержании влаги в качестве исходного сырья 36 и 39% (Wb), которое может быть вызвано клейстеризации крахмала в присутствии фильеры температуры и содержания влаги исходного сырья. Эти реакции желатинизации может привести к образованию поперечных связей крахмала с другими компонентами биомассы.

В процентов штрафы, полученные в ходе процесса грануляции является хорошим показателем того, насколько хорошо биомасса будет формировать гранулы. Генерация мелких частиц в ходе процесса приводит гранулирование в продукте и потери доходов для производителя пеллет. Чрезмерное прекрасное поколение во время грануляторов процессов также может оказать влияние на качество атрибутов, таких как плотность и долговечность. Поколение штрафы во время производства гранул процесса зависит от состава биомассы (т.е., крахмал, белок, лигнин и восков), технологические мельницы гранулы переменных то есть отношение длины к диаметру (L / D) отношение, умирают частота вращения, пара состояние, предварительный нагрев), и исходное сырье переменные (то есть, содержание влаги сырья, размера частиц и скорости подачи) ^4. Представленные результаты показывают, что добавление связующего не только снижает процент мелких частиц, генерируемых, но также способствует улучшению физических свойств при одновременном снижении удельного расхода энергии. Более низкие штрафы процентов сгенерированные показывают, что биомасса имеет большую pelletability.

В своем обзоре уплотнения систем , пригодных , чтобы сделать биомассу в тип товарного продукта Tumuluru и др. ⁴ показано , что добавление связующего помогает уменьшить энергию экструзии, что приводит к снижению удельного расхода энергии. Как правило, длина к диаметру (L / D) Отношение контролирует время пребывания материала в пресс-формы и помогает связывание биомассы. Кроме того, отношение L / D, управляет энергией экструзии и КонкретнаяFIC потребление энергии. Более высокое отношение L / D, увеличивает время пребывания, что улучшает физические свойства гранул, но увеличивает энергию, необходимую для экструзии. Добавление связующего вещества биомассы может помочь связать биомассу при более низком соотношении L / D, и уменьшить количество энергии экструзии. В данном исследовании была выбрана константа длины к диаметру (L / D), соотношение (2.6). Будущие исследования, направленные на понимание влияния соотношения L / D гранулы матрицы и ее взаимодействия с содержанием влаги на сырье атрибутов качества гранул.

Экспериментальные данные по биомассы предварительной обработки (измельчения, сушки и брикетирования), полученного из биомассы Национального фонда пользователя (https://www.inl.gov/bfnuf/), расположенного по адресу INL и связанного технико-экономического анализа показали, что сушка биомассы из 30- 10% (термометру) потребляет большое количество энергии (неопубликованные данные). Процесс гранулирование с высоким содержанием влаги разработан в INL может помочь снизить себестоимость производства пеллет по сравнению с обычным окатышейСпособ производства ^24. Данное исследование показало, что добавление крахмального св зующего в процессе грануляции с высоким содержанием влаги улучшается прочность гранул до> 92% после охлаждения при содержании сырья влаги в 36 и 39% (Wb), и это также снижает удельную энергию потребление процесса грануляции примерно на 20-40%. Долговечность значения пеллет при более высоком качестве сырья влаги имеет важное значение, поскольку они могут быть эффективно обработаны с помощью конвейеров. Обычно низкие гранулы долговечность рассыплется штрафов при обработке и хранении, что приводит к потере доходов для производителей пеллет. Кроме того, штрафы , генерируемые в процессе может привести к угрозе безопасности , как самовозгорание и вне отравления газами ^28,41. Специфическое уменьшение энергии примерно на 20-40%, с использованием связующего перевешивают затраты связующего. Кроме того, на основе данного исследования можно сделать вывод о том, что некоторые из побочных продуктов пищевой промышленности может быть использовано для гранулирования биомассыдля биоэнергетических приложений. В настоящее время процесс гранулятор высокой влажности была продемонстрирована с использованием лабораторного масштаба, с плоской матрицей гранулятора. Протокол, описанный здесь для лабораторного масштаба гранулятора станет основой для разработки масштабируемых до моделей и для тестирования процесса в пилотных масштабах и в промышленных масштабах грануляторов.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Гранулятор с плоской матрицей	Colorado Mill Equipment, Кэнон-Сити, Колорадо, США	Гранулятор
Нагревательные ленты	BriskHeat, Колумбус, Огайо, США	Нагреватель из силиконовой резины, Элементы из травленой фольги
Термопары	Watlow, Burnaby, BC, Канада	J-типа
Частотно-регулируемый привод	Schneider Electric, Палатин, Иллинойс, США	Altivar 71
Охладитель пеллет	Colorado Mill Equipment, Кэнон-Сити, Колорадо, США	CME ECO-HC6
Программное обеспечение для регистрации данных	National Instruments Corporation, Остин, Техас, США	Программное обеспечение Labview Тестер
прочности	Seedburo Equipment Co., Дес-Плейнс, Иллинойс, США	Тестер
Молотковая мельница	Блисс Индастриз	CME ECO-HC6
Кофемолка	Vermeer	HG200
Горизонтальный смеситель	Colorado Mill Equipment, Кэнон-Сити, Колорадо, США	ECO-RB 500
Синяя зернистая салфетка	3M	Артикул No.05107-150J Изоляционный
материал	McMaster Carr	Гибкая изоляция
Контроллер питателя	KB Electornics, INC	KBIC-DC-MTR Контроллер
Система удаления пыли	Delta	Модель: 50-763, Серийный номер: 2010 11OI1415
Штангенциркуль	VWR® Номер детали цифровых суппортов	:   12777-830
Binder	ACH Food Companies Inc., Мемфис, Теннесси, США	ARGO 100% чистый кукурузный крахмал
Кукурузный стовер	Собран в Айове и закуплен в виде