Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Metode til at producere Holdbare Pellets på lavere energiforbrug ved hjælp af høj Moisture Corn Stover og en majsstivelse Binder i en flad Die Pellet Mill

Published: June 15, 2016 doi: 10.3791/54092
Automatic Translation
1, 1, 1
1Biofuels and Renewable Energy Technology Department, Idaho National Laboratory

Summary

I denne undersøgelse blev en protokol udviklet til at producere god kvalitet træpiller ved hjælp af en flad die pellet mølle på test reduceret specifikke energiforbrug høj fugtighed majsstængler og en stivelse baseret bindemiddel. Resultaterne indikerede, at tilsætning af en majsstivelse bindemiddel forbedret pelleten holdbarhed, reducerede procent bøder og nedsat specifikke energiforbrug.

Abstract

En stor udfordring i produktionen af ​​pellets er de høje omkostninger forbundet med tørring biomasse fra 30 til 10% (wb) vandindhold. På Idaho National Laboratory, blev en høj fugtighed foderpelleteringsmetoder udviklet til at reducere tørretiden omkostninger. I denne proces biomasse pellets produceres på højere råvare fugtindhold end konventionelle metoder, og de høje fugtighed pellets produceret yderligere tørres i energieffektive tørretumblere. Denne proces hjælper med til at reducere indholdet råmateriale fugt med ca. 5-10% i pelletering, hvilket hovedsagelig skyldes friktionsvarme udviklet i matricen. Formålet med denne undersøgelse var at undersøge, hvordan bindemiddel tilføjelse påvirker pille kvalitet og energiforbrug af high-fugt foderpelleteringsmetoder i en flad die pellet mill. I den foreliggende undersøgelse, blev rå majshalm pelleteret ved moistures af 33, 36, og 39% (WB) ved tilsætning af 0, 2, og 4% ren majsstivelse. De delvist tørrede piller produceret blev yderligere tørret i allaboratorieundersøgelser ovn ved 70 ° C i 3-4 timer for at sænke pellet fugt til under 9% (WB). Den høje fugtighed og tørrede piller blev bedømt for deres fysiske egenskaber, såsom bulkdensitet og holdbarhed. Resultaterne indikerede, at forøgelse af bindemidlet procentdel til 4% forbedret pellet holdbarhed og reducerede specifikke energiforbrug med 20-40% i forhold til pellets uden bindemiddel. Ved højere bindemiddel tilføjelse (4%), reduktionen i råvare fugt under pelletering var <4%, mens reduktionen var omkring 7-8% uden bindemidlet. Med 4% bindemiddel og 33% (WB) råmateriale vandindhold, rumvægten og holdbarhed værdier observeret af de tørrede piller var> 510 kg / m3 og> 98% henholdsvis og procent fine partikler genereret blev reduceret til <3 %.

Introduction

Biomasse er en af de store energiressourcer i verden og betragtes som carbon neutral 1. Rumvægt af baller og jord biomasse fra landbruget og tilhugget træbiomasse er lav. Lav bulk-tætheder af baller biomasse (130-160 kg / m 3), jord biomasse (60-80 kg / m 3) og sendt træbiomasse (200-250 kg / m 3) skaber opbevaring, transport og håndtering spørgsmål 2, 3. Fortætte eller komprimere jorden biomasse ved anvendelse af tryk og temperatur øger rumvægt ved omkring 5 til 7 gange, og hjælper til at overvinde begrænsninger transport og opbevaring 4. Pellet møller, briketfabrikker presser, og ekstrudere er densifikation systemer typisk anvendes til biomasse 4. Breakeven transport afstand analyse på baller og pelleteret biomasse råmateriale viste, at pillerne kan transporteres 1,6 gange længere end baller ved hjælp af en lastbil til samme kostpris fem. Transport efftetsgevinster af pellets stige med andre transportformer såsom jernbane, da det er volumen-begrænsede i forhold til lastbiler, der er begrænset af vægt. I øjeblikket, i Europa pellets fremstillet af træbiomasse er flittigt brugt til bio-elproduktion. Canada og USA er de største producenter og leverandører af træpiller til Europa 6. Pellets fremstillet af både woody og urteagtige biomasse kan anvendes til både termokemisk (cofiring, forgasning og pyrolyse) og biokemisk omdannelse (ethanol) applikationer 7-9.

De kvaliteter af pellets (densitet og holdbarhed) og specifikke energiforbrug pelleteringsprocessen er afhængige pillepresseren procesvariable, såsom die diameter, die hastighed og forhold mellem længde og diameter af matricen og råvarer variabler, såsom råmateriale fugtighedsindhold og sammensætning 4. Både pellet mill procesvariabler og råvare variable indflydelsekvaliteten af ​​pillerne og specifik energi anvendes i processen. Matricen dimensioner (dvs. forhold mellem længde og diameter) vil påvirke kompression og ekstrudering tryk, og matricen rotationshastighed styrer opholdstiden for materialet inde i matricen. Vandindhold er et råmateriale variabel, der spiller en vigtig rolle ved at interagere med biomasse sammensætning komponenter (dvs., protein, stivelse og lignin) på grund af høj temperatur og tryk er stødt på i matricen. Tilstedeværelsen af fugt øger van der Waals-kræfter, og derved øge tiltrækningen mellem biomassepartiklerne 10. Generelt højere fugtighed i biomassen virkninger Rumvægten af den komprimerede produktet efter diametrale og laterale ekspansion, idet den forlader pillepresseren eller briketpresse matricen 10. Biomasse sammensætning, såsom stivelse, protein, lignin, og andre vandopløselige carbohydrater, påvirker bindingen adfærd, når det udsættes for tryk ennd temperatur i fortætning udstyr 11. Nogle af de fælles sammensætning reaktioner der er påvirket af råmateriale fugt, die temperatur, og trykket er stivelse gelatinering, proteindenaturering, og lignin glasovergangstemperatur. Generelt ved temperaturer på 100 ° C eller derover og et indhold på mere end 30% råmateriale fugt, stivelse i fødevarer og dyrefoder bliver gelatiniseret og påvirkninger stoflige egenskaber som hårdhed 12. Typisk er stivelse reaktioner gelatinisering, indsætte, og retrogradation. Blandt disse reaktioner, gelatinisering har den største indflydelse på pellet egenskaber 13. Stivelse indgår ofte i fødevarer og non-food applikationer som et bindemiddel. For eksempel i den farmaceutiske tabletformulering stivelse anvendes som fyldstof 4,14. Protein i biomassen undergår denaturering og danner komplekse bindinger grund af den høje temperatur og tryk med erfaring i fortætning processen 11. Generelt højere enmounts protein i biomasse vil resultere i en mere holdbar pellet 15,16. For eksempel, lucerne, der har en større mængde af protein, resulterer i holdbare piller ved højere råmateriale fugtindhold. Fedtet i biomassen reducerer friktionskræfterne og ekstrudering energi under pelletering eller brikettering 11,17. I lignocellulose biomasse, tilstedeværelsen af lignin i plantematerialet med til at danne pellets uden at tilføje bindemidler 18. Træbiomasse har højere ligninindhold (29-33%) sammenlignet med en urteagtig biomasse, som typisk består af 12-16% lignin 4,19. Ved lavere råmateriale fugtindhold på omkring 10-12% (WB), glasovergangstemperatur af ligninen er større end 140 ° C 20; henviser, forøgelse af vandindholdet reducerer glasovergangstemperaturen 21. Ifølge Lehtikangas 22, glasovergangstemperaturen af lignin ved 8-15% (WB) vandindhold er ca. 100-135 ° C, but øge fugtindholdet til> 25% (WB) reducerer glasovergangstemperaturen til <90 ° C.

Urteagtige biomasse fås til højere fugtindhold afhængigt af høstmetode og høst tid. I tilfælde af enkelt passage høst metode vil det høstede materiale har et fugtighedsindhold> 30% (WB) 23. Biomasse tørres typisk til ca. 10% (WB) vandindhold for at gøre det aerobt stabil og forhindre tørstof tab under opbevaring. Lamers et al. 24 viste, at til preprocess biomasse på 30% fugtindhold de samlede omkostninger for både slibning (trin 1 & 2) og tørring er omkring $ 43,60 / tør ton, og omkring $ 15,00 / tør ton er lige til tørring af biomasse. Tørring biomasse tager omkring 65% af den samlede forbehandling energi og pelletering tager omkring 8-9% 24. Yancey et al. 25 har bekræftet, at tørringen er den største energiforbruger i biomasse preprocessing. Den eksperimentelle data og teknisk-økonomiske analyse viste, at en effektiv fugt ledelse er afgørende for at reducere biomassen til forbehandling omkostninger. En måde at reducere tørretiden omkostninger og styre råmaterialet fugt mere effektivt er at bruge en høj fugtighed pelleteringsprocessen kombineret med en lav tørretemperatur metode. I high-fugt pelletering proces udviklet på Idaho National Laboratory, er biomassen pelleteret ved fugtindhold større end 28% (wb); de delvist tørrede pellets produceret, som stadig højt i fugt, kan tørres i energieffektive tørretumblere, såsom korn eller bælte tørretumblere 21. En væsentlig fordel ved høj fugtighed pelletering er, at det hjælper med at reducere tørring kostpris, hvilket igen resulterer i reduceret totale pelletvægt produktionsomkostninger. Techno-økonomiske analyse viste, at energi- og produktionsomkostninger reduceres med ca. 40-50% ved hjælp af high-fugt foderpelleteringsmetoder sammenlignet med en konventionel pelletering metode 24,26. Den majeller årsag til reduceret pellet produktionsomkostninger skyldes udskiftning af en roterende tørrer, der fungerer ved høje temperaturer på 160 til 180 ° C med et gran tørretumbler, der fungerer ved lavere temperaturer på ca. 80 ° C eller mindre 21. De andre fordele ved at erstatte en roterende tørretumbler med et bælte eller korn tørretumbler er: 1) større effektivitet, 2) reduceret brandfare, 3) ikke har brug for høj varme kvalitet, 4) reducerede flygtige organiske forbindelser (VOC), 5) reduceres partikelemissioner, og 6) ikke klumpe høj ler eller klistret biomasse 27. Den energi-intensive dampkonditionering trin på konventionel pelletering, typisk til at tilføre fugt og aktiverer nogle af biomasser, er erstattet med en kort forvarmningstrin. Hermed reduceres råmaterialet vandindhold samt aktivere biomassekomponenter som lignin. Friktionsvarmen udviklet i pelleten matricen hjælper også reducere indholdet råmateriale fugt med ca. 5-8% (WB) 21,28. I high-moisture pelleteringsprocessen, pillepresseren ikke blot komprimerer biomassen, men også hjælper til at reducere fugtindholdet under kompression og ekstrudering. Mange forskere har gjort forsøg på pelletering af rå og kemisk forbehandlet biomasse på en bred vifte af fugtindhold (7-45%, wb) anvendes enkelt, laboratorium, pilotskala ring dø og kommercielle kontinuerlige foderpelleteringsforhold systemer 10,25,29-40, (Pace, D. 2015. Pelletering af kommunalt fast affald og ammoniak fiber eksplosion (AFEX) forbehandlet majsstængler i et pilotskala ring die pellet mill. Biobrændstoffer Department, Chief Engineer, biomasse National User Facility, Idaho National Laboratory (Ikke offentliggjorte data)) . Disse forskere justeret indhold af biomassen til forskellige ønskede niveauer råmateriale fugt at forstå virkningen af ​​fugt indhold på kvalitetsegenskaber af pillerne.

Pillekvalitet attributter, vægtfylde og holdbarhed, er normative specifikationer ifølge det amerikanskeA baseret Pellet Fuel Institute (PFI). Men i henhold til den Europæiske Standardiseringsorganisation (CEN) holdbarhed er, er en normativ og rumvægt er en informativ specifikation 41. Pellets med holdbarhed værdier> 96,5% og rumvægt> 640 kg / m 3 er udpeget som super premium pellets baseret på PFI standarder, mens piller med holdbarhed værdier> 97,5% er udpeget som piller med den højeste karakter. Både CEN og PFI standarder anbefale piller med forskellige diametre. For eksempel PFI anbefaler en diameter i intervallet fra 6,35 til 7,25 mm, hvorimod CEN anbefaler en diameter i området fra 6-25 mm og en pellet længde på mindre end eller lig med 4 gange diameteren 41. Pellets med mindre diameter (6 mm) er foretrukne til transport længere afstande overvejer de har højere emballering densiteter 28. For konventionelle pelleteringsforsøg processer, anbefales det at bundfælde biomasse ved lave fugtindhold til at opfylde disse specifikationer densitet desirable til transport af pellets lange afstande 41. Både CEN og PFI har yderligere pellet kvaliteter 41. Tumuluru 28 og Tumuluru og Conner 40 viste, at høj fugtighed pilleringsmidler processer udviklet på Idaho National Laboratory hjælp til at producere majsstængler og træpiller med forskellige kvalitet attributter (bulk-tæthed og holdbarhed) og specifikke energiforbrug, hvilket gør dem egnet til forskellige transport og logistik scenarier.

De fleste af de pelletering undersøgelser af biomasse blev udført under anvendelse af et enkelt pelletering system. Pelletering data på biomasse ved hjælp af et kontinuerligt system i laboratorieskala er begrænset. Undersøgelser af kontinuerlige foderpelleteringsforhold systemer vil være nyttigt at forstå virkningen af ​​pelleteringsprocessen variabler som die rotationshastighed, forhold mellem længde og diameter og dø diameter på kvalitetsattributter og specifikke energiforbrug. kan yderligere anvendes pelleteringen data om de kontinuerlige systemer til scale processen at pilot og skala systemer kommercielle. Generelt er en flad die pellet mill bruges til at udføre pilleringsmidler undersøgelser af woody og urteagtige biomasse i et laboratorium 4. Arbejdsgruppen princip i laboratorieskala flad dør, pilot, og kommercielle skala ring die pellet møller er ens. Alle disse pellets møller har en perforeret hårdt stål matrice med to eller tre valser. Ved at dreje dysen, rullerne udøver kraft på råvare og tvinge det gennem perforeringerne i matricen for at danne komprimerede pellets 4.

Vores tidligere undersøgelser om høj fugtighed pelletering af majsstængler på råvare fugtindhold på 28-38% (wb) uden bindemiddel tilføjelse resulteret i lavere holdbarhed værdier ved højere råvare fugtindhold 21,28. Forbedring af holdbarheden af ​​høj fugtighed pellets efter afkøling og tørring er vigtigt, da det hjælper til at forhindre opløsningen af ​​pillerne (tab af pellet kvalitet) under håndtering, stovrede og transport. Opløsningen af ​​pellets typisk resulterer i bøder generation og tab af indtægter for pelletproducenter. Bindemidler anvendes typisk i pelleteringsprocessen at forbedre pellet kvalitet, især holdbarhed, og at nedsætte det specifikke energiforbrug. Almindeligt anvendte naturlige bindemidler i pelleteringsprocessen er proteiner og stivelse 4,28. Stivelse undergår gelatinering, hvorimod protein undergår denaturering i nærvær af varme, fugtighed og tryk. Begge disse reaktioner resulterer i bedre bindings- og mere holdbare piller ved lavere energiforbrug. Det overordnede formål med denne undersøgelse var at udvikle og demonstrere en høj fugtighed foderpelleteringsmetoder hjælp majsstængler med tilføjelse af et bindemiddel til at producere god kvalitet træpiller i form af grønne holdbarhed (efter afkøling) og hærdet holdbarhed (efter tørring) på et lavere specifikke energiforbrug. De specifikke mål for undersøgelsen var at 1) udføre høj fugtighed pelletering af majs stover på forskellige råmateriale fugtighedsindhold (33, 36, og 39%, WB) og stivelse bindemiddel indhold (0, 2, og 4%), 2) vurdere de fysiske egenskaber (pellet vandindhold pellet diameter, ekspansionsforhold, rumvægt og holdbarhed (grøn og saltede holdbarhed), og 3) at evaluere specifikke energiforbrug pelleteringsprocessen.

Protocol

BEMÆRK: majsstængler baller blev indkøbt i form af baller fra landbruget gårde i Iowa, USA. De indkøbte baller blev formalet sekventielt i to etaper. I fase 1 blev majsstængler baller stel ved hjælp af en mølle udstyret med en 50,8-mm-skærm. I fase 2, det formalede materiale fra trin 1 blev yderligere formalet ved anvendelse af en Bliss hammermølle udstyret med en 4,8-mm sigte. Materialet blev testet for fugtindhold og rumvægt og opbevares i en lufttæt beholder til yderligere foderpelleteringsforhold tests. Pure majsstivelse blev indkøbt fra et lokalt marked og blev målt for vandindholdet og rumvægt. Vandindholdet og rumvægt af jorden majsstængler og majsstivelse bindemiddel er givet tabel 1.

tabel 1
Tabel 1. Vandindhold og rumvægt af jorden majsstængler og majsstivelse bindemiddel.

1. Pellet Mill </ P>

  1. Brug et laboratorium skala flad die pellet mølle udstyret med en HP motor 10 for at udføre de pilleringsmidler tests (figur 1) 21,28,38.

figur 1
Figur 1. Skematisk af laboratorieskala flad die pellet mølle på Idaho National Laboratory (tilpasset fra Tumuluru 21). En flad die pellet mølle blev brugt til at gennemføre høj fugtighed majsstængler pilleringsmidler test med og uden bindemiddel tilføjelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

  1. Placer fleksibel varmebændel på overfladen af ​​tragten og skruetransportøren derefter isolere dem med glasuld for at forhindre varmetab. Slut opvarmning tape til en temperatur controller til at forvarme biomasse til den ønskede temperatur i ringedee af 30-130 ° C.
  2. Udstyr pillen mølle med en variabel frekvens drev (VFD). Tilslut VFD af pillepresseren til pillepresseren motor. Den feeder motorstyring er en jævnstrømsmotor controller til at variere fodring sats på pellet mill.
  3. Tilslut en power meter til pillepresseren motor til at registrere strømforbruget. vælger Manuelt en pellet dø med en åbning 8 mm i diameter og en længde til diameter (L / D) forhold på 2,6.
  4. Tilføj en vandret pellet køler til pillepresseren at afkøle de varme pellets, der kommer ud af pelleten matricen. Slut køleren til et udstødningssystem til at cirkulere frisk luft.

2. Råvare Forberedelse

  1. Tage 2-3 kg af majsstængler jorden under anvendelse af en 4,8 mm sigte. Mål majsstængler vandindhold (se trin 4.1) og rumvægt (se trin 4.3) (se tabel 2).
  2. Måle fugtindhold (se trin 4.1) og rumvægt (se trin 4.3) af det rene (100%) majsstivelse bindemiddelindkøbt fra det lokale marked.
  3. Tilføj majsstivelse bindemiddel til jorden majsstængler (se Tabel 2 for% bindemiddel tilsætning)
  4. Beregne mængden af ​​vand, der skal tilsættes for at justere fugt for grund- majsstængler og majsstivelse bindemiddelblanding til 33, 36, og 39% (WB) ved anvendelse af ligning 1.
    ligning 1 = ligning 2 (1)
    BEMÆRK: I ligning 1, W w er vægten af vand (g), W s er vægten af biomasse prøve (g), m f: procent endelige indhold af prøven (wb) fugt, og m i: procent indhold af oprindelig fugtighed prøven (wb%).
  5. Tilsæt beregnede vand til majsstængler / majsstivelse bindemiddel mix og blande det i et laboratorium skala bånd blender.
  6. Opbevar fugt-justeret majshalm / majsstivelse blanding i en lukket beholder og placere den i et køleskab indstillet til4-5 ° C for at tillade fugt at ækvilibrere.

3. Høj Moisture foderpelleteringsmetoder

  1. Tag majsstængler / majsstivelse blanding ud af køleskabet og lade det blive ved stuetemperatur i ca. 1-2 timer at bringe det til stuetemperatur.
  2. Indlæse materialet ind i fødetragten af ​​pillepresseren. Kør pellet mølle ved 60 Hz (380 rpm) die hastighed.
  3. Feed pillepresseren ensartet ved at justere tilførselshastigheden af ​​pillepresseren at fremstille pellets i en stabil tilstand. Cool pillerne i den vandrette pellet køligere.
  4. Særskilte bøder genereres i pelleteringsprocessen anvendelse af en 6,3 mm sigte.
    BEMÆRK: Mål vandindholdet og holdbarhed af pillerne efter afkøling 21.
  5. Tør de afkølede høj fugtighed pellets i et laboratorium ovn ved 70 ° C i 3-4 timer for at reducere det endelige indhold af pellets fugt til under 9% (WB).
    BEMÆRK: Mål pellet vandindhold, rumvægt, og duraheden for de tørrede piller 21.
  6. Log magt data i en computer under pelleteringsprocessen.
    BEMÆRK: Se tabel 2 for pelletering testbetingelser og Figur 2 for piller produceret på 33, 36 og 39% fugtindhold og 4% majsstivelse bindemiddel tilføjelse.

tabel 1
Tabel 2. Eksperimentelle testbetingelser, der anvendes i den foreliggende undersøgelse.

Figur 2
Figur 2. Fotografi af de majsstængler piller fremstillet med 4% majsstivelse bindemiddel ved forskellige råvare fugtindhold. Klik her for at se en større version af dette tal.

4. PelletEgenskaber og specifikke energiforbrug

BEMÆRK: ASABE standarder 42 blev anvendt til måling af vandindhold, densitet, holdbarhed og procent bøder på rå og pelleteret materialer.

  1. Placer ca. 25-50 g af de formalede og pelleteret majsstængler prøver i et laboratorium ovn indstillet til 105 ° C i 24 timer. Prøven vejes før og efter tørring. Beregn vandindholdet ved anvendelse af ligning 2. Conduct forsøgene i tre eksemplarer.
    ligning 3 (2)
  2. Tag en enkelt pille og glatte begge ender med Grit Utility Cloth. Mål pellet diameter hjælp Vernier skydelære. Beregn ekspansionsforholdet af pelleten ved anvendelse af ligning 3 28. Diameter måles de ti pellets.
    Ekspansionsforhold = ligning 4 (3)
    BEMÆRK: I ligning 3, D er diameteren af ​​pelleten ekstruderet (mm), og d er den diameter af matricen (mm).
  3. Brug en plexi glascylinder med en højde på 155 mm og en diameter på 120 mm. Hæld pillerne ind i cylinderen, indtil det løber og niveau topoverfladen med en lige kant. Afvej cylinderen med materialet. Divider vægten af ​​cylinderen med volumenet af cylinderen for at beregne rumvægt. Gentage eksperimentet tre gange.
  4. Hand si det pelleterede materiale under anvendelse af en 6,3 mm sigte. Afvej det materiale, der har passeret gennem sigten. Beregn procent bøder hjælp ligning 4.
    Procent fines = ligning 5 × 100 (4)
  5. Placer ca. 500 g af de pellets uden bøder i hvert rum på pelleten holdbarhed tester. Tumble pellets ved 50 omdr / min i 10 min. Si tumlede materiale under anvendelse af en 6,3 mm sigte. Brug ligning 5 til at beregne procent holdbarhed af pillerne.
    Holdbarhed =tp_upload / 54.092 / 54092eq6.jpg "/> × 100 (5)
    Bemærk: Grøn holdbarhed er holdbarheden af ​​pellets målt efter afkøling, og hærdet holdbarhed er holdbarheden målt efter tørring af pellets ved 70 ° C i 3 timer.
  6. Log pillepresseren strømforbrug ved hjælp af data logging software. Optag uden belastning (kW) data pillepresseren ved at køre pillepresseren tom ved 60-Hz die hastighed. Brug ligning 6 for at beregne den specifikke energiforbrug (SEC).
    ligning 7 (6)

Representative Results

Pellet Moisture Content

Indholdet af biomassen fugt blev reduceret med ca. 5-8% (WB) efter pelletering. Denne reduktion skyldes primært friktionsvarme udviklet i matricen, og forvarmning temperatur og afkøling af høj fugtighed pellets. Også, bindemidler haft en indvirkning på den mængde fugt tabt. Ved 0% bindemiddel, tabet af fugt var omkring 7-8%, hvilket er enig med vores tidligere undersøgelser 21,28; henviser til 4% bindemiddel, tab af fugtighed i råmaterialet under pelletering var omkring 3-5% (figur 3). Det tilføjes biomassen bindemiddel kunne have fungeret som en smøremiddel. Dette kan have reduceret friktion modstande og reducerede opholdstid af materialet i matricen kanal forårsager faldet i fugttab. I tidligere undersøgelser die temperatur målt umiddelbart efter pelletering hjælp af en infrarød denrmometer (Fluke, Model 561, Fluke Corporation, Everett, WA, USA) nåede til omkring 100-110 ° C 21. Forøgelse af bindemiddel procentdel reducerede tabet fugt fugten kunne have været stramt bundet til stivelseskornene. De høje fugtighed pellets, der blev yderligere tørret i et laboratorium ovn ved 70 ° C i 3-4 timer havde fugtighedsindhold <9% (WB), og disse pellets blev anvendt til at måle andre fysiske egenskaber som pellet diameter, ekspansionsforhold, rumvægt og holdbarhed. Statistisk analyse af dataindhold pelleten fugt indikerede, at der var en interaktiv virkning af råmateriale fugtindhold og bindemiddel tilsætning af indholdet pellet fugt (tabel 3). For pellets med nogen bindemiddel og 2% bindemiddel, en stigning i råmateriale fugtindhold forårsagede en stigning i pellet vandindhold (Tukeys p <0,05), men denne tendens var ikke statistisk signifikant på 4% bindemiddel (Tukeys p≥0.05, figur 3) .


Figur 3. Virkning af råmateriale vandindhold (FMC) og stivelse bindemiddel på pellet vandindhold efter afkøling (middelværdi ± 1SD; n = 3). Granulering tests udført uden bindemiddel medførte højere råmateriale vandindhold tab sammenlignet med forsøg udført med bindemiddel. Forskellige bogstaver angiver signifikante forskelle ved hjælp af post-hoc Tukey HSD test (p <0,05). Klik her for at se en større version af dette tal.

pellet Diameter

Diameteren af ​​pillerne ved 33% fugtindhold med og uden bindemiddel tilsætningen var i intervallet 8.4-8.7 mm efter afkøling (data ikke vist). Forøgelse feedstock vandindhold til 36 og 39% (WB) med tilsat bindemiddel øget pelleten diameter til en maksimal værdi på 9,3 mm (data ikke vist). Disse pellets blev yderligere tørret i et laboratorium ovn ved 70 ° C i ca. 3-4 timer. Tørring resulterede i et fald i pellet diameter på ca. 0,3-0,4 mm. Den største årsag til et fald i diameter efter tørring skyldtes sammentrækning af pellets. Der var en statistisk signifikant effekt af interaktionen mellem råmateriale fugtindhold og bindemiddel tilføjelse på pellet diameter efter tørring (tabel 3). Ved 33% råmateriale vandindhold pellet diameter efter tørring var i området fra 8.3 til 8.5, mm, hvorimod forøgelse af råmaterialet vandindhold til 36% eller 39% øget pelleten diameter til ca. 8,7 mm (figur 4). Denne stigning var kun statistisk signifikant mellem 33% og 39%, når der ikke bindemiddel blev anvendt (Tukeys p <0,05), sandsynligvis på grund af de høje afvigelser i målingerne. Figur 4
Figur 4. Virkning af råmateriale vandindhold (FMC) og majsstivelse bindemiddel på pellet diameter efter tørring (middelværdi ± 1SD; n = 10) Pellet diameter forøges med en stigning i råmateriale fugtindhold og tilsætning af stivelse.. Forskellige bogstaver angiver signifikante forskelle ved hjælp af post-hoc Tukey HSD test (p <0,05). Klik her for at se en større version af dette tal.

Expansion Ratio

Ekspansionsforhold beregnes under anvendelse af pellet diameter (ligning 3). Ekspansionsforholdet værdierne var højere for pellets efter afkøling sammenlignet med efter tørring (data ikke vist). Ved 33% fugtindhold uden og medbindemiddel Desuden ekspansionsforholdet værdier efter afkøling var i området fra 1,16 til 1,20. Yderligere forøgelse af fugtindholdet til 36 og 39% uden bindemiddel tilsætning steg ekspansionsforholdet værdier til 1,35. De tørrede pellets havde lavere ekspansion nøgletal, som primært skyldtes sammentrækning af pillerne både diametralt og sideværts. Ved 33% råmateriale vandindhold ekspansionsforholdet værdier med og uden bindemiddel tilsætning var i området fra 1,11 til 1,07 (figur 5). Forøgelse af indholdet råmateriale fugt til 36 og 39% yderligere forøget ekspansionsforholdet værdier til 1,10-1,18 (figur 5); men dette var kun statistisk signifikant for 33% sammenlignet med 39% fugtindhold uden bindemiddel tilsætning (Tukeys p <0,05; tabel 3). I tilfælde af pellet diameter og ekspansionsforhold, tilsætning af et stivelsesbaseret bindemiddel steg disse værdier på alle de råmateriale fugtighedsindhold, men disse forskelle var ikke statistisksignifikant (Tukeys p≥0.05). Udvidelsen forholdet resultater efter tørring bekræfter resultaterne af tidligere undersøgelser, hvor stigende råvare fugt øget ekspansion forholdet og yderligere faldt bulkdensiteten værdier 28.

Figur 5
Figur 5. Virkning af råmateriale vandindhold (FMC) og stivelse baseret bindemiddel på ekspansionsforholdet af pellets efter tørring (n = 10). Ekspansionsforhold af pellets steg med en stigning i råmateriale vandindhold uden og med bindemiddel tilsætning. Forskellige bogstaver angiver signifikante forskelle ved hjælp af post-hoc Tukey HSD test (p <0,05). Klik her for at se en større version af dette tal.

Bulk Density

Rumvægten af pellets fremstillet med et fødemateriale vandindhold på 33% med og uden bindemiddel og måles efter afkøling var i området fra 464 til 514 kg / m 3 (data ikke vist). Ved 36 og 39% råmateriale vandindhold uden bindemiddel var rumvægten værdier i området fra 437 til 442 kg / m 3. Tilføjelse bindemiddel på disse råvare fugtindhold reduceret rumvægt til <400 kg / m 3. Tørring af de høje fugtighedsindhold pellets i et laboratorium ovn ved 70 ° C i ca. 3 timer reducerede fugtindhold på pelletene til mindre end 9% (WB). Der var en lille stigning i rumvægten værdier ved omkring 50 kg / m3 efter tørring. Stigningen i bulkdensitet efter tørring kan skyldes færre inter-partikel flydende broer, som kan have holdt partiklerne tættere med mindre åben struktur. Oginni 44 observeret, at rumvægten af jorden Loblolly fyrretræ deøget med en stigning i fugtindhold. Efter pellets fremstillet med et fødemateriale vandindhold på 33% med og uden bindemiddel Desuden rumvægt pillerne var i området fra 520-530 kg / m 3 (figur 6). Ved højere råmateriale fugtindhold på 36 og 39% (WB), rumvægt de tørrede pellets faldt betydeligt til <434 kg / m3 og <437 kg / m3 henholdsvis. Der var en statistisk signifikant effekt af interaktionen mellem råmateriale fugtindhold og bindemiddel tilføjelse på rumvægt (tabel 3). Generelt rumvægt faldt med en stigning i start råmateriale fugtindhold. Desuden er der en vis indikation af, at rumvægt faldt med en stigning i stivelsesindhold (figur 6).

Figur 6
Figur 6. Effekt af råmateriale vandindhold (FMC) og stivelse bindemiddel på rumvægten af pellets efter tørring (middelværdi ± 1SD; n = 3) Nederste råmateriale indhold på 33% (WB) og ingen bindemiddel fugt resulterede i den højeste rumvægt.. Tilføjelse 2 og 4% bindemiddel ved forskellige råvare fugtindhold medført lavere bulk-densitetsværdier. Forskellige bogstaver angiver signifikante forskelle ved hjælp af post-hoc Tukey HSD test (p <0,05). Klik her for at se en større version af dette tal.

Holdbarhed (%)

efter afkøling

Grøn Holdbarhed

Figur 7 viser holdbarheden af pellets efter afkøling (gReen styrke) og efter tørring i en ovn ved 70 ° C i 3-4 timer (hærdet styrke). Større holdbarhed værdier af høj fugtighed pellets er ønskelige, da det vil resultere i mindre brud under håndtering og opbevaring på grund af forskydning og effekt modstande. På ANOVA, interaktionen var signifikant mellem råmateriale vandindhold bindemiddel procent, og tørring (tabel 3). Holdbarhedsspecifikationer værdier af pellets efter afkøling steg med en stigning i indholdet af bindemiddel (tabel 3; Tukeys p <0,05). Ved 33% (wb) råvare fugtindhold, de holdbarhed værdier uden bindemiddel var omkring 87,2%; henviser, med tilføjelse af en 2 og 4% stivelse bindemiddel, holdbarhedsspecifikationer værdierne steg til 93,2 og 96,1% (figur 7). Tendensen var den samme for de andre råvare fugtindhold på 36 og 39% (wb). Uden bindemiddel holdbarhedsspecifikationer værdier var omkring 80%; dog tilsætte bindemiddel til biomassen øgede holdbarhed værdier. Holdbarheden incrfaldt til ca. 90%, når pellets blev foretaget med et fødemateriale fugtighedsindhold på 36% og 4% stivelse bindemiddel. Ved endnu højere råmateriale indhold på 39% fugt (WB) tendensen var ens, men de generelle holdbarhed værdier faldt i forhold til de andre råmateriale fugtighedsindhold.

Figur 7
Figur 7. Virkning af råmateriale vandindhold (FMC) og stivelse bindemiddel på holdbarhed efter afkøling og efter tørring. (Middelværdi ± 1SD; n = 3) Holdbarhed værdier af høj fugtighed majsstængler pellets fremstillet ved 33, 36 og 39% (WB) råmateriale vandindhold steg med bindemiddel tilsætning både efter afkøling og efter tørring. Forskellige bogstaver angiver signifikante forskelle ved hjælp af post-hoc Tukey HSD test (p <0,05). Klik her for at se en større version af dette tal. </ P>

efter tørring

Hærdet Holdbarhed

Tørring af høj fugtighed pellets i et laboratorium ovn ved 70 ° C i 3-4 timer resulterede i hærdning af pillerne, hvilket øger holdbarheden af ​​pillerne. Holdbarhedsspecifikationer værdier af pellets fremstillet ved 33, 36 og 39% (WB) råmateriale fugtindhold forøget til> 92% (figur 7). Holdbarhedsspecifikationer værdierne ved 33% råmateriale vandindhold forøges til ca. 98% efter tørring (figur 7). Disse resultater passer tæt sammen med tidligere arbejde 21,28. Holdbarhedsspecifikationer værdier af pellets fremstillet ved anvendelse af et bindemiddel forøget efter tørring (Tukeys p <0,05). Ved 33% råmateriale fugtindhold og 4% bindemiddel, de endelige holdbarhed fundne værdier var omkring 98%. Tendensen var den samme på 36 og 39% råvarefugtindhold, hvor bindemidlet haft en positiv indvirkning på holdbarhed værdier (Tukeys p <0,05). Ved 39% råmateriale vandindhold med et bindemiddel tilsætning af 2 og 4%, holdbarhedsspecifikationer værdier forøges til ca. 94-95%.

procent bøder

I den foreliggende undersøgelse, de procentvise bøder genereret under pelletering var højere ved 36 og 39% (WB) sammenlignet med 33% (WB) råmateriale fugtindhold. Tilføjelse bindemidler resulterede i sænkning af procent bøder genereres på alle råvare fugtindhold sammenlignet med prøver uden bindemiddel tilsætning (figur 8). Pilleringsmidler forsøg udført uden bindemiddel viste de højeste procent bøder på omkring 11% ved 39% (WB) råvare fugtindhold. Tilsætning af 2 og 4% bindemiddel og den majsstængler, faldt de procentvise bøder genereret under pelletering for 33% og 36% (WB) sammenlignet med pellets uden bindemiddel tilsat. The laveste procent bøder observeret i denne undersøgelse var på 4% bindemiddel tilsætning og 33% (WB) råmateriale vandindhold (ca. 3%).

Figur 8
Figur 8. Effekt af råvare fugtindhold og stivelse bindemiddel på procent bøder fremstillet af pelleteret materiale. Ved råvare fugtindhold på 33, 36 og 39% (wb) tilsætning af bindemiddel reduceret procent bøder i pelleteret materiale. Klik her for at se en større version af dette tal.

Specifikt energiforbrug

Det specifikke energiforbrug blev påvirket af bindemiddel tilsætning (figur 9). Med ingen bindemiddel, den specifikke daEnergy på 33, 36, og 39% råvare fugtindhold var mellem 118-126 kW timer / ton. Tilføjelse af en 2% bindemiddel reducerede specifikke energiforbrug til omkring 75-94 kW timer / ton. Yderligere øger bindemiddel procent til 4% yderligere reduceret det specifikke energiforbrug til omkring 68-75 kW timer / ton for alle råvare fugtindhold, der blev testet. Tilføjelse bindemidlet på 2 og 4% reducerede specifikke energiforbrug med omkring 20-40%.

Figur 9
Figur 9. Virkning af råmateriale vandindhold og stivelse bindemiddel på det specifikke energiforbrug for højt fugtindhold pelleteringsprocessen. Specifikt energiforbrug af den høje fugtighed majsstængler pelleteringsprocessen blev reduceret med ca. 20-40% med tilsætning af 2 og 4% stivelse bindemiddel. klik her for at se et større versio n af dette tal.

Statistisk analyse

Statistisk analyse blev gennemført i JMP 10 43. En to-vejs ANOVA blev anvendt til bestemmelse af virkningerne af råmateriale vandindhold (33, 36, 39%) og majsstivelse bindemiddel (0, 2, 4%) hos pellet vandindhold (n = 3), pellet diameter (n = 10), ekspansionsforhold (n = 10), og rumvægt (n = 3). En tre-vejs ANOVA blev anvendt til bestemmelse af virkningerne af vandindhold (33, 36, 39%), majsstivelse bindemiddel (0, 2, 4%), og tørring (før tørring, efter tørring) på holdbarhed (n = 3 ). Rester mødte ANOVA antagelser for normalitet og varianshomogenitet. For at imødekomme disse antagelser blev pellet vandindhold transformeret ved at hæve dataene til 4 th magt. Hvis de testede i ANOVA faktorer var signifikant på p <0,05 blev Tukey HSD tests anvendt til post-hoc parvise sammenligninger.

telt "fo: holde-together.within-side =" 1 "> tabel 3
Tabel 3. Statistisk signifikans af de procesvariable baseret på analyse af varians (ANOVA).

Discussion

De kritiske trin i høj fugtighed pelletering metode til at producere pellets med den ønskede holdbarhed ved lavere specifikke energiforbrug er: 1) tørring af høj fugtighed majsstængler til de ønskede fugtniveauer (33-39%, WB), 2) procent bindemiddel tilsætning og 3) tilførsel høj fugtighed biomasse ensartet ind pillepresseren. Råvare fugt og procent bindemiddel er procesvariabler, der påvirkede de pellet egenskaber (tæthed og holdbarhed af pillerne før køling og efter tørring) og specifikke energiforbrug pelleteringsprocessen. Det anbefales at teste indholdet af råmaterialet fugt før det anvendes til pelletering studier. Fodring af høj fugtighed majsstængler på 33, 36 og 39% (wb) jævnt til pillepresseren har en indvirkning på kvalitet og energiforbrug. Ændring af pellet mølle feeder med en variabel frekvens drev var afgørende for at fodre biomassen ensartet på pillepresseren.

Resultater fraforeliggende undersøgelse viste, at tilsætning af bindemiddel og den høje fugtighed majsstængler gjorde reducere rumvægt pellets marginalt, men forbedret holdbarhed betydeligt. Tilføjelse af en stivelse bindemiddel øget fugtindholdet i pillerne efter kompression og ekstrudering, men stigningen blev fundet ikke at være statistisk signifikant i næsten alle de undersøgte tilfælde. Tabet af fugt under pelletering var omkring 3 til 4% ved tilsætning af 4% bindemiddel, mens det var højere (7-8%, WB) uden bindemidlet. Tilsætning af et bindemiddel til majsstængler kan have 1) reducerede opholdstid af materialet i matricen og 2) reducerede friktion modstande i matricen, derved reducere matricen temperatur, der kunne have resulteret i mindre fugttab under kompression og ekstrudering i pelleten dø.

Der var en stigning i pelleten diameter efter den blev ekstruderet fra pelleten matricen og tørret (figur 4). Denne stigning var storis to højere indhold råmateriale fugt og med stivelse bindemiddel tilsætning. Rumvægten af pillerne var i området fra 510-530 kg / m 3 ved 33% (WB) råmateriale fugtindhold med og uden et bindemiddel. Tidligere forskning har vist, at højere indhold råvare fugtighed på omkring 38% (wb) resulterer i lavere rumvægt, primært som følge af udvidelse af pillerne, da de ud gennem dør 21,28. Det er et almindeligt fænomen, at når høj fugtighed biomasse ekstruderes gennem matricen under tryk det resulterer i fugt afluftning 12,21. Fugten flash-off giver vej til en udvidelse af pillen, både i aksial og diametrale retning. Generelt er den diametrale ekspansion er mere fremtrædende i forhold til aksial ekspansion. En anden grund til udvidelse opførsel af biomasse efter kompression og ekstrudering gennem pelleten matrice kan være, at biomasse fibre slappe i nærvær af fugtindhold. Ndiema et al. 45 ogMani et al. 18 viste, at frigivelsen af det anvendte tryk i en dør resulterer i afslapning af den komprimerede biomasse. De afslapning egenskaber er afhængig af mange faktorer som partikelstørrelsen, råmateriale fugtindhold og påført tryk. Også i denne undersøgelse har vi observeret, at bulk-massefylde forøges efter tørring, som kunne skyldes færre inter-partikel flydende broer, der kunne have holdt partiklerne tættere og producerede en mindre åben struktur. Oginni 45 observeret, at rumvægten af jorden Loblolly fyrretræ faldt med forøget vandindhold.

Holdbarhed af pillerne blev målt til at forstå styrken af ​​pelleterne. Generelt pellets er underlagt forskydning og påvirke modstande under opbevaring, transport og håndtering proces 4,46. Kaliyan og Morey 47 foreslog, at holdbarheden af piller produceret umiddelbart efter produktion (grøn styrke) er anderledes end duoperabilitet af pillerne, der er gemt i et par dage efter produktion (hærdet styrke). Pellets med lavere holdbarhed værdier bryde og øge risikoen for opbevaring spørgsmål, såsom off-gasning og selvantændelse som kan forårsage indtægtstab for pellet fabrikanter. Ifølge Den Europæiske Standardiseringsorganisation (CEN) og USA Pellet Fuels Institute (BFI) de anbefalede værdier for holdbarhed er> 96,5% for høj kvalitet eller premium kvalitet pellets 31. I denne undersøgelse holdbarhedsspecifikationer værdier steg til ca. 94-95%, når pelleteret med en stivelsesbinder ved 39% vandindhold i forhold til pellets fremstillet uden bindemiddel, der havde holdbarhed værdier i området fra 83-85% efter tørring. Pillerne produceres på 33% (wb) råvare fugtindhold havde holdbarhed værdier> 96,5% og opfylde de internationale standarder.

Fugt har forskellige funktioner under biomasse pelletering, herunder: 1) god brodannelse mellembiomassepartiklerne grund van der Waals kræfter, 2) aktivering naturlige bindemidler, såsom protein, stivelse og lignin til stede i biomassen, og 3) fremme af stivelse og protein baserede reaktioner som gelatinering og denaturering der har en stærk indflydelse på de stoflige egenskaber, såsom hårdhed 4-12. I tilfælde af lignocelluloseholdige biomasse, det vigtigste bindemiddel er lignin (træbiomasse: 27-33%, urteagtige biomasse: 12-16%) 4. Lignin indhold i majsstængler blev bestemt til i gennemsnit omkring 16% baseret på en gennemgang af sammensætningsdata, herunder litteratur kilder og råvare-databaser 48. Lignin molekyler, som har højere mobilitet ved højere vandindhold, fungerer som et klæbemiddel og resultere i stærkere binding; imidlertid ved meget høje niveauer fugten vil fungere mere som et smøremiddel resulterer i mindre binding. I den foreliggende undersøgelse på et meget højt indhold af ca. 39% fugt (WB) fugt kunne have handlet mere som et smøremiddel og resulterede i lav holdbarhed and mere bøder generation i pillen produktionsprocessen. Større holdbarhed værdier blev observeret ved tilsætning af et bindemiddel ved en højere råmateriale indhold af 36 og 39% (WB) fugt, som kunne være forårsaget af gelatinering af stivelse i nærvær af matricen temperatur og råmateriale vandindhold. Disse gelatinering reaktioner kan føre til dannelsen af ​​tværbinding af stivelse med de andre biomassekomponenter.

Procenten bøder genereres under pelleteringsprocessen er en god indikator for, hvor godt biomasse vil danne pellets. Generation af fine partikler i løbet af pelletering resulterer i produkt og provenutab til pellet producent. Overdreven fine generation under pilleringsmidler processer kan også have en indvirkning på kvaliteten attributter såsom tæthed og holdbarhed. Den bøder generation under pellet produktionsprocessen påvirkes af biomasse sammensætning (dvs., stivelse, protein, lignin, og voks), pellet mill procesvariabler <em> dvs. forhold mellem længde og diameter (L / D-forhold), die rotationshastighed, damp tilstand, forvarmning), og råvarer variable (dvs. råmateriale vandindhold partikelstørrelse og tilspænding) 4. De foreliggende resultater viser, at tilsætningen af ​​bindemidlet ikke kun reducerer procentdelen af ​​fine partikler genereret, men også bidrager til at forbedre de fysiske egenskaber og samtidig reducere det specifikke energiforbrug. Lavere procent bøder genererede viser, at biomassen har en større pelletability.

Tumuluru et al. 4 i deres gennemgang på fortætning systemer er egnede til at gøre biomasse til en råvare produkt indikerede, at tilføje bindemiddel bidrager til at reducere ekstrudering energi, hvilket resulterer i at reducere det specifikke energiforbrug. Typisk længde til diameter (L / D) -forhold styrer opholdstiden af ​​materialet i matricen og hjælper bindingen af ​​biomassen. Også, L / D-forhold styrer ekstrudering energi og specific energiforbrug. Højere L / D-forhold forøger opholdstiden, som forbedrer de fysiske egenskaber af pillerne, men øger den nødvendige energi til ekstrudering. Tilføjelse af et bindemiddel til biomasse kan hjælpe binde biomassen ved lavere L / D-forhold og reducere ekstrudering energi. I denne undersøgelse blev en konstant længde til diameter (L / D) -forhold (2.6) valgt. Fremtidig forskning er rettet mod at forstå effekten af ​​L / D-forhold på pillen dør og dens interaktion med råvare fugtindhold på attributter pellet kvalitet.

De eksperimentelle data om biomasse forbehandling (slibning, tørring og pelletering) opnået ved de Biomasse National User Facility (https://www.inl.gov/bfnuf/) placeret ved INL og tilhørende teknisk-økonomiske analyse viste, at tørring af biomasse fra 30- 10% (WB) forbruger en stor mængde energi (upublicerede data). Den høje fugtighed foderpelleteringsmetoder udviklet på INL kan reducere pellet produktionsomkostninger i forhold til en konventionel pelletproduktionsmetode 24. Den foreliggende undersøgelse viste, at tilføje en stivelsesbaseret binder til en høj fugtighed foderpelleteringsmetoder forbedret holdbarheden af ​​pillerne til> 92% efter afkøling på råvare fugtindhold på 36 og 39% (wb), og det reducerede også den særlige energi forbrug af pelleteringsprocessen med omkring 20-40%. Større holdbarhed værdier af pellets fremstillet ved højere råmateriale fugtighed er vigtig, da de kan håndteres effektivt ved transportører. Typisk lave holdbarhed pellets smuldre bøder under håndtering og opbevaring, hvilket resulterer i indtægtstab for pelletproducenter. Desuden kan bøder genereret i processen opstå sikkerhedsmæssige problemer som selvantændelse og off-gasning 28,41. Den specifikke energi reduktion med ca. 20-40% under anvendelse af et bindemiddel overstiger omkostningerne ved at bindemidlet. Også, er baseret på denne undersøgelse kan vi konkludere, at nogle af biprodukter fra fødevareindustrien kunne bruges til biomasse pelleteringfor bioenergi applikationer. Øjeblikket, så er der høj fugtighed pelleteringsprocessen demonstreret under anvendelse laboratorieskala flad matrice pillepresseren. Den her beskrevne for laboratoriet skala pellet mølle-protokol vil være grundlaget for udviklingen af ​​skala-up modeller og til test af processen i pilotskala og kommerciel skala pellet møller.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Flat die pellet mill Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA ECO-10 pellet mill
Heating tapes BriskHeat, Columbus, OH, USA Silicon Rubber Heater, Etched foil elements
Thermocouples Watlow, Burnaby, BC, Canada J-type
Variable frequency drive Schneider Electric, Palatine, IL, USA Altivar 71
Pellet cooler Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA CME ECO-HC6 
Data logging software National Instruments Corporation, Austin, TX, USA Labview software
Durability tester Seedburo Equipment Co., Des Plaines, IL, USA Pellet durability tester
Hammer mill  Bliss Industries  CME ECO-HC6 
Grinder Vermeer HG200
Horizontal mixer Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA ECO-RB 500
Blue grit utilty cloth 3M Part No.05107-150J grade
Insulation materail McMaster Carr Flexible fiberglass insulation
Feeder controller KB Electornics, INC KBIC-DC-MTR direct current motor controller
Dust exhaust system Delta Model No: 50-763, Serial No: 2010 11OI1415
Vernier calipers VWR® Digital Calipers Part Number: 12777-830
Binder ACH Food Companies Inc., Memphis, TN, USA ARGO 100% pure corn starch
Corn stover Harvested in Iowa and procurred in bale form

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bapat, D. W., Kulkarni, S. V., Bhandarkar, V. P. Design and operating experience on fluidized bed boiler burning biomass fuels with high alkali ash. Proceedings of the 14th International Conference on Fluidized Bed Combustion, , ASME Publishers. New York, NY. 165-174 (1997).
  2. Sokhansanj, S., Fenton, J. Cost benefit of biomass supply and preprocessing: BIOCAP (Canada) research integration program synthesis paper. , http://www.biocap.ca/rif/reprt/Sokhansanj_S.pdf (2011).
  3. Mitchell, P., Kiel, J., Livingston, B., Dupont-Roc, G. Torrefied biomass: A foresighting study into the business case for pellets from torrefied biomass as a new solid fuel. All Energy 2007. , University of Aberdeen, ECN, Doosan Babcock, and ITI Energy. (2007).
  4. Tumuluru, J. S., Wright, C. T., Hess, J. R., Kenney, K. L. A review of biomass densification systems to develop uniform feedstock commodities for bioenergy application. Biofuels, Bioprod. Biorefin. 5, 683-707 (2011).
  5. Tumuluru, J. S., Igathinathane, C., Archer, D. Energy analysis and break-even distance of transportation for biofuels in comparison to fossil fuels. ASABE Paper No. 152188618. ASABE Annual International Meeting, New Orleans, Louisiana, USA, , (2015).
  6. Searcy, E. M., Hess, J. R., Tumuluru, J. S., Ovard, L., Muth, D. J., Jacobson, J., et al. Optimization of biomass transport and logistics. International Bioenergy Trade. Goh, M., Sheng, C., Andre, F. , Springer Publications. 103-123 (2013).
  7. Ray, A., Hoover, A. N., Nagle, N., Chen, X., Gresham, G. Effect of pelleting on the recalcitrance and bioconversion of dilute-acid pretreated corn stover under low - and high - solids conditions. Biofuels. 4 (3), 271-284 (2013).
  8. Sarkar, M., Kumar, A., Tumuluru, J. S., Patil, K. N., Bellmer, D. D. Gasification performance of switchgrass pretreated with torrefaction and densification. Appl. Energ. 127, 194-201 (2014).
  9. Yang, Z., Sarkar, M., Kumar, A., Tumuluru, J. S., Huhnke, R. L. Effects of torrefaction and densification on switchgrass pyrolysis products. Bioresource Technol. 174, 266-273 (2014).
  10. Mani, S., Tabil, L. G., Sokhansanj, S. An overview of compaction of biomass grinds. Powder Handling Process. 15 (3), 160-168 (2003).
  11. Thomas, M., van Vliet, T., van der Poel, A. F. B. Physical quality of pelleted animal feed, part 3: Contribution of feedstuff components. Anim. Feed Sci. Technol. 70, 59-78 (1998).
  12. Shankar, T. J., Bandyopadhyay, S. Process variables during single-screw extrusion of fish and rice-flour blends. J. Food Process. Pres. 29, 151-164 (2004).
  13. Collado, L. S., Corke, H. Starch properties and functionalities. Characterization of cereals and flours: properties, analysis,and applications. Kaletun, G., Breslauer, K. J. , Marcel Dekker, Inc. 473-506 (2003).
  14. Alebiowu, G., Itiola, O. A. Compression characteristics of native and pregelatinized forms of sorghum, plantain, and corn starches and the mechanical properties of their tablets. Drug Dev. Ind. Pharm. 28 (6), 663-672 (2002).
  15. Sokhansanj, S., Mani, S., Bi, X., Zaini, P., Tabil, L. G. Binderless pelletization of biomass. ASAE Paper No. 056061. ASAE Annual International Meeting, Tampa, FL, USA, , ASAE. St Joseph, Michigan, USA. (2005).
  16. Briggs, J. L., Maier, D. E., Watkins, B. A., Behnke, K. C. Effects of ingredients and processing parameters on pellet quality. Poult. Sci. 78, 1464-1471 (1999).
  17. Tabil, L. G. Binding and pelleting characteristics of alfalfa. , Department of Agricultural and Bioresource Engineering, University of Saskatchewan. Canada. (1996).
  18. Mani, S., Tabil, L. G., Sokhansanj, S. Specific energy requirement for compacting corn stover. Bioresource Technol. 97, 1420-1426 (2006).
  19. Tumuluru, J. S., Tabil, L. G., Song, Y., Iroba, K. L., Meda, V. Impact of process conditions on the density and durability of wheat, oat, canola and barley straw briquettes. BioEnergy Res. 8 (1), 388-401 (2015).
  20. van Dam, J. E. G., van den Oever, M. J. A., Teunissen, W., Keijsers, E. R. P., Peralta, A. G. Process for production of high density/high performance binderless boards from whole coconut husk, part 1: Lignin as intrinsic thermosetting binder resin. Ind. Crops Prod. 19 (3), 207-216 (2004).
  21. Tumuluru, J. S. Effect of process variables on the density and durability of the pellets made from high moisture corn stover. Biosystems Eng. 119, 44-57 (2014).
  22. Lehtikangas, P. Quality properties of fuel pellets from forest biomass. Licentiate Thesis. Report number 4. , Department of Forest Management and Products. Uppsala, Sweden. (1999).
  23. Shinners, K. J., Boettcher, G. C., Hoffman, D. S., Munk, J. T., Muck, R. E., Weimer, P. J. Single-pass harvesting of corn grain and stover: Performance of three harvester configurations. Transactions of the ASABE. 52 (1), 51-60 (2009).
  24. Lamers, P., Roni, M. S., Tumuluru, J. S., Jacobson, J. J., Cafferty, K. G., Hansen, J. K., et al. Technoeconomic analysis of decentralized biomass processing depots. Bioresource Technol. 194, 205-213 (2015).
  25. Yancey, N. A., Tumuluru, J. S., Wright, C. T. Drying grinding and pelletization studies on raw and formulated biomass feedstock's for bioenergy applications. J. Biobased Mater. Bioenergy. 7, 549-558 (2013).
  26. Tumuluru, J. S., Cafferty, K. G., Kenney, K. L. Techno-economic analysis of conventional, high moisture pelletization and briquetting process. Paper No. 141911360. American Society of Agricultural and Biological Engineer Annual Meeting, July 13-16, Montreal, Quebec Canada, , (2014).
  27. McCoy, G. Improving energy efficiency through biomass drying. International District Energy Association Woody Biomass CHP & District Energy Workshop, June 11th, 2014, Seattle, Washington, , page accessed on December 3rd, 2015 http://www.districtenergy.org/assets/pdfs/2014-Annual-Seattle/Wednesday/5McCOYGIL-LATESTWoody-Biomass-Drying-and-Dewatering-IDEA-06-2014.pdf (2014).
  28. Tumuluru, J. S. High moisture corn stover pelleting in a flat die pellet mill fitted with a 6 mm die: physical properties and specific energy consumption. Energy Sci. Eng. 3 (4), 327-341 (2015).
  29. Brackley, A. M., Parrent, D. J. Production of wood pellets from Alaska-grown white spruce and hemlock. General Technical Report PNW-GTR-845. , U.S Department of Agriculture, Forest Service Department. Pacific Northwest Research Station, Portland, OR, U.S.A. (2011).
  30. Demirbas, A., Sahin-Demirbas, A. Briquetting properties of biomass waste materials. Energy Sources. 26, 83-91 (2004).
  31. Kaliyan, N., Morey, R. V. Densification characteristics of corn stover and switchgrass. Transactions of ASABE. 52 (3), 907-920 (2009).
  32. Larsson, S. H., Thyrel, M., Geladi, P., Lestander, T. A. High quality biofuel pellet production from pre-compacted low density raw materials. Bioresource Technol. 99, 7176-7182 (2008).
  33. Li, Y., Liu, H. High-pressure densification of wood residues to form an upgraded fuel. Biomass and Bioenergy. 19, 177-186 (2000).
  34. Nielsen, N. P. K., Gardner, D. J., Poulsen, T., Felby, C. Importance of temperature, moisture content, and species for the conversion process of wood residues into pellets. Wood and Fiber Science. 41 (4), 414-425 (2009).
  35. Serrano, C., Monedero, E., Laupuerta, M., Portero, H. Effect of moisture content, particle size and pine addition on quality parameters of barley straw pellets. Fuel Processing Technology. 92, 699-706 (2011).
  36. Zafari, A., Kianmehr, M. H. Factors affecting mechanical properties of biomass pellets from compost. Environ. Technol. 35, 478-486 (2013).
  37. Poddar, S., Kamruzzaman, M., Sujan, S. M. A., Hossain, M., Jamal, M. S., Gafur, M. A., Khanam, M. Effect of compression pressure on lignocellulosic biomass pellet to improve fuel properties: Higher heating value. Fuel. 131, 43-48 (2014).
  38. Hoover, A. N., Tumuluru, J. S., Teymouri, F., Moore, J., Gresham, G. Effect of pelleting process variables on physical properties and sugar yields of ammonia fiber expansion (AFEX) pretreated corn stover. Bioresource Technol. 164, 128-135 (2014).
  39. Tumuluru, J. S., Tabil, L., Opoku, A., Mosqueda, M. R., Fadeyi, O. Effect of process variables on the quality characteristics of pelleted wheat distiller's dried grains with solubles. Biosystems Engineering. 105, 466-475 (2010).
  40. Tumuluru, J. S., Conner, C. Specific energy consumption and quality of wood pellets producing using high moisture lodgepole pine. 7th International Granulation Workshop, 1st - 3rd July, 2015, University of Sheffield, Sheffield, UK, , https://www.sheffield.ac.uk/polopoly_fs/1.472578!/file/2015_abstract_list_granulation_workshop.pdf (2005).
  41. Tumuluru, J. S., Sokhansanj, S., Lim, C. J., Bi, X. T., Lau, A. K., Melin, S., et al. Quality of wood pellets produced in British Columbia for export. Appl. Eng. Agric. 26, 1013-1020 (2010).
  42. ASABE Standards. S269.4 Cubes, pellets, and crumbles - definitions and methods for determining density, durability, and moisture content. , St. Joseph, Missouri. ASABE. (2007).
  43. JMP 10.0.0. , SAS Institute, Inc. Cary, North Carolina, USA. www.jmp.com (2016).
  44. Oginni, O. J. Contribution of particle size and moisture content to flowability of fractioned ground loblolly pine. , Auburn University. (2014).
  45. Ndiema, C. K. W., Manga, P. N., Ruttoh, C. R. Influence of die pressure on relaxation characteristics of briquetted biomass. Energy Conversion and Management. 43, 2157-2161 (2002).
  46. Al-Widyan, M. I., Al-Jalil, H. F., Abu-Zreig, M. M., Abu-Handeh, N. H. Physical durability and stability of olive cake briquettes. Can. Biosyst. Eng. 44, 341-345 (2002).
  47. Kaliyan, N., Morey, R. V. Factors affecting the strength and durability of densified products. ASABE Annual International Meeting, Portland, OR, USA, , (2006).
  48. Gresham, G., Emerson, R., Hoover, A., Miller, A., Kenney, K., Bauer, W. Evolution and development of effective feedstock specifications. , INL/EXT-14-31510 (2013).

Tags

Environmental Sciences majsstængler høj fugtighed pilleringsmidler proces variabler stivelse bindemiddel pellet egenskaber specifikke energiforbrug
Metode til at producere Holdbare Pellets på lavere energiforbrug ved hjælp af høj Moisture Corn Stover og en majsstivelse Binder i en flad Die Pellet Mill
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Tumuluru, J. S., Conner, C. C.,… More

Tumuluru, J. S., Conner, C. C., Hoover, A. N. Method to Produce Durable Pellets at Lower Energy Consumption Using High Moisture Corn Stover and a Corn Starch Binder in a Flat Die Pellet Mill. J. Vis. Exp. (112), e54092, doi:10.3791/54092 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter