Waiting
Login processing...

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

Environment

Methode om Duurzaam Pellets bij een lager energieverbruik met High Vocht maïsstro en een Corn Starch Binder te produceren in een vlakke matrijs 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

In deze studie werd een protocol ontwikkeld om een ​​goede kwaliteit pellets met behulp van een vlakke matrijs korrelmolen tegen gereduceerde specifieke energieverbruik testen van high-vocht maïsstro en een bindmiddel op basis van zetmeel te produceren. De resultaten gaven aan dat toevoeging van een bindmiddel maïszetmeel verbeterde de pellet duurzaamheid, verminderde procent boetes en minder specifiek energieverbruik.

Abstract

Een belangrijke uitdaging bij de productie van pellets is de hoge kosten in verband met het drogen van biomassa 30-10% (wb) vochtgehalte. Bij Idaho National Laboratory, werd een hoge vochtigheid pelleteringsprocessen ontwikkeld om het drogen kosten te verlagen. Hierbij wordt het biomassa pellets worden geproduceerd bij hogere vochtgehaltes voedingsmateriaal dan conventionele werkwijzen, en de hoge vochtigheid pellets worden verder gedroogd in energiezuinige drogers. Dit proces helpt om de voeding vochtgehalte tijdens pelleteren, die vooral door wrijvingswarmte ontwikkeld in de matrijs verminderen met ongeveer 5-10%. Het doel van dit onderzoek was om te onderzoeken hoe bindmiddel toevoeging van invloed op de kwaliteit en de energie pellet verbruik van de high-vocht pelleteringsprocessen in een vlakke matrijs pellet mill. In deze studie, werd ruw maïsstro gepelleteerd bij vochtige van 33, 36 en 39% (wb) door toevoeging van 0, 2 en 4% zuiver maïszetmeel. De gedeeltelijk gedroogde pellets werden verder gedroogd in alaboratory oven bij 70 ° C gedurende 3-4 uur om de pellet vocht te verlagen tot minder dan 9% (wb). De hoge vochtigheid en gedroogde pellets werden beoordeeld op hun fysische eigenschappen, zoals stortgewicht en duurzaamheid. De resultaten gaven aan dat het verhogen van het percentage bindmiddel 4% verbeterde duurzaamheid pellet verkleinde specifiek energieverbruik met 20-40% in vergelijking met pellets zonder bindmiddel. Bij hogere bindmiddel toevoeging (4%), de verlaging van voedingsmateriaal vocht tijdens het pelleteren was <4%, terwijl de reductie was ongeveer 7-8% zonder bindmiddel. Met 4% bindmiddel en 33% (wb) voedingsmateriaal vochtgehalte, het vulgewicht en duurzaamheid gevonden waarden van de pellets waren> 510 kg / m3 en> 98%, respectievelijk, en het percentage fijne deeltjes gegenereerd werd verlaagd tot <3 %.

Introduction

Biomassa is een van de belangrijkste energiebronnen ter wereld en wordt beschouwd carbon neutraal 1. Bulk dichtheid van verpakte en op de grond agrarische biomassa en gechipt houtachtige biomassa is laag. Lage bulk dichtheden van verpakte biomassa (130-160 kg / m 3), gemalen biomassa (60-80 kg / m 3) en wist de houtachtige biomassa (200-250 kg / m 3) te creëren opslag, transport en handling vraagstukken 2, 3. Verdichten of samenpersen van de gemalen biomassa met behulp van druk en temperatuur verhoogt de bulkdichtheid van ongeveer 5 tot 7 keer, en helpt bij het ​​transport en opslag beperkingen 4 overwinnen. Pellet molens, briketten persen en extruders zijn verdichting systemen meestal gebruikt voor biomassa 4. Break-afstand transport analyse van verpakte en gepelleteerd biomassa aangegeven dat pellets 1,6 keer verder kunnen worden vervoerd dan balen met behulp van een vrachtwagen voor dezelfde prijs 5. Het vervoer effigebreken van pellets te verhogen met andere vormen van vervoer zoals het spoor, omdat het volume beperkt in vergelijking met vrachtwagens die worden beperkt door het gewicht. Op dit moment, in Europa het geproduceerd uit houtachtige biomassa pellets worden veelvuldig gebruikt voor bio-energie-opwekking. Canada en de Verenigde Staten zijn de belangrijkste producenten en leveranciers van houtpellets in Europa 6. Pellets zowel houtachtige en kruidachtige biomassa kan worden gebruikt voor zowel thermochemische (meestoken, vergassing en pyrolyse) en biochemische conversie (ethanol) toepassingen 7-9.

De kwaliteiten van pellets (dichtheid en duurzaamheid) en specifieke energieverbruik van pelleteringsprocessen afhankelijk van de korrelmolen procesvariabelen, zoals matrijs diameter matrijs snelheid en lengte-diameter verhouding van de matrijs en voeding variabelen als grondstof vochtgehalte en samenstelling 4. Beide korrelmolen proces variabelen en grondstoffen variabelen invloedde kwaliteit van de pellets en de specifieke energie die in het proces. De matrijs afmetingen (dat wil zeggen lengte-diameter verhouding) beïnvloedt de compressie en extrusie druk en de matrijs rotatiesnelheid bestuurt de verblijftijd van het materiaal in de matrijs. Vochtgehalte een voedingsmateriaal variabele die een belangrijke rol door interactie met de biomassa preparaatcomponenten (dwz eiwitten, zetmeel, lignine en) als gevolg van hoge temperatuur en druk ondervonden in de matrijs speelt. De aanwezigheid van vocht verhoogt de van der Waals krachten, waardoor de aantrekkingskracht tussen de toenemende biomassadeeltjes 10. In het algemeen hogere vochtigheid in de biomassa invloed op de dichtheid van de samengeperste product door diametrale en laterale expansie bij het ​​verlaten van de korrelmolen of brikettenpers matrijs 10. Biomassa samenstelling, zoals zetmeel, eiwit, lignine en andere in water oplosbare koolhydraten, beïnvloedt de binding gedrag wanneer onderworpen aan een druknd temperatuur in verdichting apparatuur 11. Sommige van de gemeenschappelijke preparaat reacties die worden beïnvloed door vocht grondstof, matrijstemperatuur en druk zijn zetmeel gelatinering eiwitdenaturatie en lignine glasovergang. In het algemeen bij temperaturen van 100 ° C of hoger en een voedingsmateriaal vochtgehalte van meer dan 30% zetmeel in levensmiddelen en diervoeders wordt verstijfseld en invloeden textuureigenschappen zoals hardheid 12. Typisch het zetmeel reacties verstijfseling, plakken en retrogradatie. Onder deze reacties verstijfseling heeft de grootste invloed op eigenschappen pellet 13. Zetmeel wordt vaak opgenomen in food en non-food toepassingen als bindmiddel. Bijvoorbeeld in de farmaceutische tabletformulering zetmeel gebruikt als vulstof 4,14. Eiwit in de biomassa ondergaat denaturatie en vormt complexe bindingen door de hoge temperatuur en druk ervaren in de verdichtingswerkwijze 11. In het algemeen, een hogeremounts eiwit in biomassa zal resulteren in een langere pellet 15,16. Bijvoorbeeld, alfalfa, die een grotere hoeveelheid proteïne, leidt tot duurzame pellets bij hogere grondstofprijzen vochtgehalte. Het vet in de biomassa vermindert de wrijvingskrachten en de energie tijdens extrusie pelletiseren of briketteren 11,17. In lignocellulose, de aanwezigheid van lignine in plantenmateriaal helpt pellets zonder toevoeging van bindmiddelen 18. Houtachtige biomassa hoger lignine gehalte (29-33%) in vergelijking met een kruidachtige biomassa, die typisch bestaat uit 12-16% lignine 4,19. Bij lagere inhoud uitgangsmateriaal vochtigheid van ongeveer 10-12% (wb), glasovergangstemperatuur van het lignine groter is dan 140 ° C 20; dat het verhogen van het vochtgehalte verlaagt de glasovergangstemperatuur 21. Volgens Lehtikangas 22, de glasovergangstemperatuur van lignine bij 8-15% (wb) vochtgehalte ongeveer 100-135 ° C, but verhogen van het vochtgehalte> 25% (wb) verlaagt de glasovergangstemperatuur <90 ° C.

Kruidachtige biomassa is beschikbaar tegen hogere vochtgehalte afhankelijk van de oogst methode en de oogsttijd. Bij enkele doorgang oogstmethode wordt het geoogste materiaal een vochtgehalte> 30% (WB) 23 hebben. Biomassa wordt gewoonlijk gedroogd tot ongeveer 10% (wb) vochtgehalte te aëroob stabiel en drogestof verlies tijdens opslag te voorkomen. Lamers et al. 24 aangegeven dat voor te verwerken biomassa bij 30% vochtgehalte van de totale kosten voor zowel het slijpen (fasen 1 en 2) en drogen is ongeveer $ 43,60 / droge ton, en ongeveer $ 15.00 / droge ton is alleen voor het drogen van de biomassa. Drogen biomassa is ongeveer 65% van de totale energie preprocessing en pelleteren duurt ongeveer 8-9% 24. Yancey et al. 25 heeft bevestigd dat het drogen is de grootste energieverbruiker in biomassa preprocessing. De experimentele data en techno-economische analyse aan dat efficiënt vochtregulatie is van cruciaal belang voor het verminderen van de biomassa voorbewerking kosten. Een manier om het droogproces efficiënter kosten verminderen en beheren het voedingsmateriaal vocht een hoog vochtgehalte pelleteringsprocessen gekoppeld aan een lage temperatuur droogmethode te gebruiken. In de high-vocht pelleteringsprocessen ontwikkeld aan Idaho National Laboratory, wordt de biomassa gepelleteerd bij vochtgehalte van meer dan 28% (wb); De gedeeltelijk gedroogde pellets geproduceerd, die nog steeds hoog in vocht, kan in energie-efficiënte drogers, zoals graan of gordel drogers 21 worden gedroogd. Een groot voordeel van hoge vochtigheid pelletiseren is dat het helpt de kosten droging, wat resulteert in verminderde totale kosten pellet. Technisch-economische analyse gaf aan dat energie en productiekosten worden verminderd met ongeveer 40-50% met de hoge vochtigheid pelleteringsprocessen opzichte van een conventionele methode pelletiseren 24,26. de majof reden voor minder korrelproductie kosten door het vervangen van een roterende droger die werkt bij hoge temperaturen van 160 tot 180 ° C met een graandroger die werkt bij lagere temperaturen van ongeveer 80 ° C of lager 21. De andere voordelen van het vervangen van een droogmolen met een riem of graandroger zijn: 1) een betere aanpak, 2) verminderd brandgevaar, 3) geen hoogwaardige warmte nodig, 4) verminderde vluchtige organische stoffen (VOS), 5) verminderde de uitstoot van deeltjes, en 6) niet agglomeraat hoge klei of plakkerig biomassa 27. De energie-intensieve stoom conditionering gebruikelijke pelleteren, typisch gebruikt om vocht toe te voegen en activeren enkele van de componenten biomassa, wordt vervangen door een korte voorverwarming stap. Deze stap helpt de grondstof vochtgehalte evenals activeren componenten biomassa zoals lignine. De wrijvingswarmte ontwikkeld in de pellet matrijs helpt ook de grondstof vochtgehalte te verminderen met ongeveer 5-8% (wb) 21,28. In high-moisture pelleteringsprocessen de korrelmolen comprimeert niet alleen de biomassa, maar helpt ook om het vochtgehalte tijdens de compressie en extrusie verminderen. Veel onderzoekers hebben experimenten op pilleren van grondstoffen en chemisch voorbehandeld biomassa gedaan op een breed scala van vochtgehalte (7-45%, WB) met behulp van één enkele, laboratorium, pilot-schaal ring sterven en commerciële continue pelleteren systemen 10,25,29-40, (Pace, D. 2015. Pelleteren van vast stedelijk afval en ammoniak vezels explosie (AFEX) voorbehandeld maïsstro in een pilot-schaal ring matrijzenkorrel molen. Biobrandstoffen Department, Chief Engineer, Biomassa Nationaal Gebruiker Facility, Idaho National Laboratory (ongepubliceerde gegevens)) . Deze onderzoekers aangepaste grondstof vochtgehalte van de biomassa om de gewenste niveaus om het effect van vocht op kwaliteitseigenschappen van de pellets te begrijpen.

Pellet kwaliteitskenmerken, bulkdichtheid en duurzaamheid zijn normatieve specificaties volgens de VSA gebaseerd houtpellets Institute (PFI). Echter, volgens het Europees Comité voor Normalisatie (CEN) duurzaamheid is een normatieve en stortgewicht is een informatieve specificatie 41. Pellets met duurzaamheid waarden> 96,5% en stortgewicht> 640 kg / m 3 worden aangeduid als super premium pellets basis van PFI standaarden, terwijl pellets met duurzaamheid waarden> 97,5% worden aangeduid als pellets met de hoogste rang. Zowel de CEN en PFI-normen bevelen pellets met verschillende diameters. Bijvoorbeeld PFI beveelt een diameter in het gebied van 6,35-7,25 mm, terwijl CEN beveelt een diameter 6-25 mm en een pellet lengte kleiner dan of gelijk aan 4 maal de diameter 41. Kleinere diameter pellets (6 mm) de voorkeur voor het transporteren van grotere afstanden gezien zij hogere dichtheden 28. Voor conventionele pelleteringsomstandigheden processen, is het raadzaam om biomassa bij lage vochtgehaltes pellet te voldoen aan deze dichtheid specificaties desirable voor het transporteren van de pellets afstanden 41. Zowel CEN en PFI hebben extra pellet kwaliteiten 41. Tumuluru 28 en Tumuluru en Conner 40 aangegeven dat de hoge vochtigheid pilleren processen ontwikkeld op Idaho National Laboratory helpen om maïsstro en houtpellets met een verschillende kwaliteit attributen (bulk dichtheid en duurzaamheid) en specifieke energieverbruik te produceren waardoor ze geschikt zijn voor verschillende transport en logistieke scenario's.

De meeste studies pelleteren biomassa werd gemaakt van één pelletiseren systeem. Pelleteren gegevens over biomassa met behulp van een continu systeem op laboratoriumschaal is beperkt. Studies over continue omhullingen systemen nuttig zijn om het effect van pelleteringsprocessen variabelen als matrijs rotatiesnelheid, lengte tot diameterverhouding begrijpen en matrijsdiameter de kwaliteitskenmerken en specifieke energieverbruik. Pelleteringsprocessen gegevens betreffende de continue systemen kan verder worden gebruikt voor scale het proces te besturen en commerciële schaal systemen. In het algemeen wordt een vlakke matrijs korrelmolen gebruikt voor het uitvoeren pelleteren studies houtige en kruidachtige biomassa in een laboratorium 4. Het werkingsprincipe van de laboratoriumschaal vlakke matrijs, piloot, en commerciële schaal ring matrijzenkorrel molens zijn vergelijkbaar. Al deze korrelmolens een geperforeerde harde stalen matrijs met twee of drie rollen. Door het roteren van de matrijs, de rollen kracht uitoefenen op de voeding en dwingen door de perforaties van de matrijs tot verdichte tabletten 4 vormen.

Onze eerdere studies op high-vocht pelleteren van maïsstro bij grondstof vochtgehalte van 28-38% (WB), zonder enige bindmiddel toevoeging resulteerde in lagere duurzaamheid waarden bij hogere grondstof vochtgehalte 21,28. Verbetering van de duurzaamheid van zeer vochtige pellets na koelen en drogen is belangrijk omdat het helpt om de desintegratie van de korrels (kwaliteitsverlies korrels) gedurende het hanteren te voorkomen, stowoede en transport. Het uiteenvallen van pellets meestal resulteert in boetes generatie en het verlies van inkomsten voor de producenten pellet. Bindmiddelen worden gewoonlijk gebruikt in de pelleteringsprocessen pelletkwaliteit name de duurzaamheid te verbeteren en om het specifieke energieverbruik. Vaak gebruikt natuurlijke bindmiddelen in pelleteringsprocessen zijn eiwitten en zetmeel 4,28. Zetmeel gelatinering ondergaan, terwijl ondergaat eiwit denaturatie bij aanwezigheid van warmte, vochtigheid en druk. Beide reacties leiden tot betere binding en duurzamer pellets bij een lager energieverbruik. Het algemene doel van deze studie was het werken om een ​​hoog vochtgehalte pelleteringsprocessen behulp maïsstro met de toevoeging van een bindmiddel goede kwaliteit pellets qua groene duurzaamheid (na afkoeling) en uitgehard duurzaamheid (na droging) produceren tegen een lagere specifieke energieverbruik. De specifieke doelstellingen van de studie waren tot 1) uit te voeren met hoge vochtigheid pelleteren van maïs stoverheen op verschillende inhoud voedingsmateriaal vochtigheid (33, 36, en 39%, WB) en inhoud zetmeelbindmiddel (0, 2 en 4%), 2) hoe de fysische eigenschappen (pellet vochtgehalte pelletdiameter, expansieverhouding, massadichtheid en duurzaamheid (groen en genezen duurzaamheid), en 3) te evalueren specifieke energieverbruik van pelleteringsprocessen.

Protocol

LET OP: maïsstro balen werden aangekocht in de vorm van balen van landbouwbedrijven in Iowa, USA. De verkregen balen werden gemalen achtereenvolgens in twee fasen. In fase 1 werden de maïsstro balen gemalen met behulp van een slijpmachine uitgerust met een 50,8-mm scherm. In fase 2, de grond materiaal uit fase 1 werd verder gemalen met behulp van een Bliss hamermolen uitgerust met een 4,8-mm scherm. Het materiaal werd getest vochtgehalte en bulkdichtheid en opgeslagen in een luchtdichte container voor verdere proeven pelleteren. Pure maïszetmeel werd aangekocht bij een lokale markt en werd gemeten voor het vochtgehalte en dichtheid. Het vochtgehalte en het stortgewicht van gemalen maïsstro en maïszetmeel binder gegeven Tabel 1.

tafel 1
Tabel 1. vochtgehalte en de dichtheid van gemalen maïsstro en maïszetmeel bindmiddel.

1. Pellet Mill </ P>

  1. Gebruik een laboratoriumschaal vlakke matrijs korrelmolen uitgerust met een 10 pk motor voor het uitvoeren van de pellets vermelden testen (figuur 1) 21,28,38.

Figuur 1
Figuur 1. Schematische voorstelling van laboratoriumschaal vlakke matrijs korrelmolen in Idaho National Laboratory (overgenomen van Tumuluru 21). Een vlakke matrijzenkorrel molen werd gebruikt om de hoge vochtigheid maïsstro pelleteringsprocessen tests uit te voeren met en zonder bindmiddel toevoeging. Klik hier om te bekijken een grotere versie van deze figuur.

  1. Plaats flexibel verwarmingslint op het oppervlak van de trechter en doseerschroef vervolgens isoleren ze met glaswol om warmteverlies te voorkomen. Sluit de verwarmingsband met een temperatuurregelaar om biomassa te verwarmen tot de gewenste temperatuur in de range van 30-130 ° C.
  2. Voorzie de pellet molen met een frequentieregelaar (VFD). Sluit de VFD van de korrelmolen aan de pellet mill motor. De feeder-motor controller is een gelijkstroom motor controller om het voederen tarief pellet mill variëren.
  3. Sluit een vermogensmeter aan de korrelmolen motor om het stroomverbruik te nemen. Kies handmatig een pellet matrijs met een 8 mm diameter opening en een lengte tot diameter (L / D) verhouding van 2,6.
  4. Voeg een pellet horizontale koeler naar de korrelmolen de warme pellets die uit de matrijs pellet koelen. Sluit de koeler aan een uitlaatsysteem in de frisse lucht te laten circuleren.

2. Grondstof Voorbereiding

  1. Neem 2-3 kg maïsstro grond met behulp van een 4,8 mm-scherm. Meet de maïsstro vochtgehalte (zie stap 4.1) en dichtheid (zie stap 4.3) (zie tabel 2).
  2. Meet vochtgehalte (zie stap 4.1) en dichtheid (zie stap 4.3) van de zuivere (100%) maïszetmeel bindmiddelverkregen van de lokale markt.
  3. Voeg maïszetmeel bindmiddel op de grond maïsstro (zie Tabel 2 voor% bindmiddel toevoeging)
  4. Bereken de hoeveelheid water die moet worden toegevoegd om het vocht voor grondwater maïsstro en maïszetmeel bindmiddelmengsel passen aan 33, 36 en 39% (WB) met vergelijking 1.
    vergelijking 1 = vergelijking 2 (1)
    LET OP: In vergelijking 1, W w is het gewicht van het water (g), W s is het gewicht van biomassa monster (g), m f: procent uiteindelijke vochtgehalte van het monster (wb), en m i: procent initiële vochtgehalte van het monster (wb%).
  5. Voeg de berekende water aan de maïsstro / maïszetmeel bindmiddel mix en mix het in een laboratorium schaal lint blender.
  6. Bewaar het vocht aangepast maïsstro / maïszetmeel mix in een verzegelde container en plaats deze in de koelkast ingesteld op4-5 ° C om vocht equilibreren.

3. Hoge Vocht pelleteringsprocessen

  1. Neem de maïsstro / maïszetmeel mix uit de koelkast en laat het op kamertemperatuur gedurende ongeveer 1-2 uur om op kamertemperatuur te brengen.
  2. Plaats het materiaal in de trechter van de korrelmolen. Voer de korrelmolen bij 60 Hz (380 rpm) sterven snelheid.
  3. Voed de korrelmolen gelijkmatig door het aanpassen van de toevoer snelheid van de korrelmolen om pellets te produceren in een steady state conditie. Koel de pellets in de horizontale pellet koeler.
  4. Afzonderlijke boetes gegenereerd in het pelleteringsprocessen met behulp van een 6,3 mm-scherm.
    OPMERKING: Meet het vochtgehalte en de duurzaamheid van de korrels na afkoeling 21.
  5. Droog de gekoelde hoog vochtgehalte pellets in een laboratorium oven bij 70 ° C gedurende 3-4 uur om het uiteindelijke vochtgehalte van de pellets tot minder dan 9% (wb).
    LET OP: Meet de pellet vochtgehalte, dichtheid en duraheid van de pellets 21.
  6. Meld u de stroom van gegevens in een computer tijdens pelleteringsprocessen.
    OPMERKING: Zie tabel 2 voor pelleteren testomstandigheden en Figuur 2 voor pellets geproduceerd in 33, 36 en 39% vochtgehalte en 4% maïszetmeel bindmiddel toevoeging.

tafel 1
Tabel 2. Experimentele testomstandigheden gebruikt in de onderhavige studie.

Figuur 2
Figuur 2. Foto van de maïsstro pellets gemaakt met 4% maïszetmeel bindmiddel op verschillende inhoud grondstof vocht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. PelletEigenschappen en specifieke energieverbruik

OPMERKING: ASABE standaarden 42 werden gebruikt voor het meten van het vochtgehalte, dichtheid, duurzaamheid en procent boetes ruwe en gepelleteerde materiaal.

  1. Plaats ongeveer 25-50 g gemalen en gekorreld maïsstro monsters in een laboratorium oven ingesteld op 105 ° C gedurende 24 uur. Weeg het monster voor en na drogen. Bereken het vochtgehalte met behulp van vergelijking 2. Voer de experimenten in drievoud.
    vergelijking 3 (2)
  2. Neem één korrel en glad beide uiteinden met Grit Utility Doek. Meet de pellet diameter met behulp van Vernier remklauwen. Bereken de expansieverhouding van de pellet met behulp van vergelijking 3 28. Meet de diameter van de tien pellets.
    Uitbreiding ratio = vergelijking 4 (3)
    Opmerking: In vergelijking 3, D de diameter van de geëxtrudeerde korrel (mm) is en d de diameter van de matrijs (mm).
  3. Gebruik een plexiglas cilinder met een hoogte van 155 mm en een diameter van 120 mm. Giet de pellets in de cilinder totdat het overloopt en het niveau van de bovenste oppervlak met een rechte rand. Weeg de cilinder met het materiaal. Verdeel het gewicht van de cylinder door het volume van de cilinder stortdichtheid berekenen. Herhaal het experiment drie keer.
  4. Hand zeef de gepelleteerde materiaal met behulp van een 6,3 mm-scherm. Weeg het materiaal dat door de zeef is gegaan. Bereken het percentage boetes met behulp van vergelijking 4.
    Percentage boetes = vergelijking 5 × 100 (4)
  5. Plaats ongeveer 500 g van de pellets, zonder boetes in elk compartiment van de pellet duurzaamheid tester. Tuimelen de pellets bij 50 omw / min gedurende 10 min. Zeef de getrommelde materiaal met behulp van een 6,3 mm-scherm. Met formule 5 om het percentage duurzaamheid van de korrels te berekenen.
    duurzaamheid =tp_upload / 54092 / 54092eq6.jpg "/> × 100 (5)
    Opmerking: Green duurzaamheid is de duurzaamheid van de korrels gemeten na afkoeling en uitgehard duurzaamheid is de houdbaarheid gemeten na het drogen van de pellets bij 70 ° C gedurende 3 uur.
  6. Log de korrelmolen energieverbruik met behulp van data logging software. Noteer het onbelast vermogen (kW) gegevens van de korrelmolen door het uitvoeren van de pellet molen lege bij 60-Hz sterven snelheid. Gebruik vergelijking 6 om het specifieke energieverbruik (SEC) te berekenen.
    vergelijking 7 (6)

Representative Results

Pellet vochtgehalte

Het vochtgehalte van de biomassa werd verminderd met ongeveer 5-8% (wb) na pelleteren. Deze vermindering is vooral toegeschreven aan wrijvingswarmte ontwikkeld in de matrijs en voorverwarmingstemperatuur en koeling van de zeer vochtige pellets. Ook, bindmiddelen had een invloed op de hoeveelheid vocht verloren. Bij 0% bindmiddel, het vochtverlies ongeveer 7-8%, hetgeen overeenkomt met onze eerdere studies 21,28; dat op 4% bindmiddel, het vochtverlies in de voeding tijdens pelleteren ongeveer 3-5% (Figuur 3). Het bindmiddel toegevoegd aan de biomassa zou zijn opgetreden als een smeermiddel. Dit kan de wrijvingsweerstanden verkleinen verkleinde verblijftijd van het materiaal in de matrijs kanaal waardoor de afname van vochtverlies. In vorige studies schimmelvorming temperatuur gemeten onmiddellijk na pelleteren een infraroodverbinding dermometer (Fluke, Model 561, Fluke Corporation, Everett, WA, USA) bereikt tot ongeveer 100-110 ° C 21. Uitgebreid bindmiddelpercentage verminderde het vochtverlies als vocht zijn strak kunnen zijn gebonden aan de zetmeelkorrels. De hoge vochtigheid pellets die verder een laboratorium oven bij 70 ° C werden gedurende 3-4 uur had vochtgehalte <9% (wb), en deze pellets werden gebruikt voor andere fysische eigenschappen zoals korreldiameter, expansieverhouding, massadichtheid meten en duurzaamheid. Statistische analyse van de pellet vochtgehalte gegevens blijkt dat er een interactief effect van voeding vochtgehalte en bindmiddel aanvulling op de pellet vochtgehalte (tabel 3) was. Pellet zonder bindmiddel en 2% bindmiddel, een toename voeding vochtgehalte tot een stijging van pellet vochtgehalte (Tukey p <0,05), maar deze trend was niet statistisch significant bij 4% bindmiddel (Tukey p≥0.05 Figuur 3) .


Figuur 3. Effect van voeding vochtgehalte (FMC) en zetmeel bindmiddel op pellet vochtgehalte na afkoeling (gemiddelde ± 1SD; n = 3). Pelleteren proeven uitgevoerd zonder bindmiddel tot hogere grondstof vochtgehalte verlies in vergelijking met tests uitgevoerd met bindmiddel. Verschillende letters geven significante verschillen met behulp van post hoc Tukey HSD testen (p <0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

pellet Diameter

De diameter van de pellets bij 33% vochtgehalte met en zonder bindmiddel toevoeging was in het gebied van 8,4-8,7 mm na koeling (gegevens niet getoond). Uitgebreid feedstock vochtgehalte tot 36 en 39% (wb) met toegevoegde bindmiddel verhoogde de korreldiameter een maximumwaarde van 9,3 mm (gegevens niet getoond). Deze pellets werden verder gedurende 3-4 uur gedroogd in een laboratorium oven bij 70 ° C. Drogen resulteerde in een afname korreldiameter ongeveer 0,3-0,4 mm. De belangrijkste reden voor een afname in diameter na drogen werd veroorzaakt door samentrekking van de pellets. Er was een statistisch significant effect van de interactie tussen voeding vochtgehalte en bindmiddel toevoeging op korreldiameter na drogen (tabel 3). Bij 33% uitgangsmateriaal vochtgehalte de korreldiameter na drogen was in het traject van 8,3 tot 8,5 mm, terwijl het verhogen van de voeding vochtgehalte tot 36% of 39% verhoogde de korreldiameter ongeveer 8,7 mm (figuur 4). Deze toename was alleen statistisch significant tussen 33% en 39% wanneer er geen bindmiddel werd gebruikt (Tukey p <0,05), waarschijnlijk vanwege de hoge afwijkingen in de metingen. figuur 4
Figuur 4. Effect van voeding vochtgehalte (FMC) en maïszetmeel bindmiddel op pelletdiameter na drogen (gemiddelde ± 1SD; n = 10) korreldiameter verhoogd met een toename van grondstof vochtgehalte en zetmeel toevoeging.. Verschillende letters geven significante verschillen met behulp van post hoc Tukey HSD testen (p <0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

uitbreiding Ratio

Expansieverhouding wordt berekend met de korreldiameter (vergelijking 3). De expansieverhouding waarden waren hoger voor de pellets na afkoeling opzichte na drogen (gegevens niet getoond). Bij 33% vochtgehalte zonder en metbindmiddel Daarnaast is de expansieverhouding waarden afgekoelde lagen in het bereik van 1,16-1,20. Verdere verhoging van het vochtgehalte tot 36 en 39% zonder bindmiddel toevoeging steeg de expansieverhouding waarden 1,35. De gedroogde pellets hadden lagere expansieverhoudingen, die hoofdzakelijk diametraal zowel lateraal was door samentrekking van de pellets. Bij 33% uitgangsmateriaal vochtgehalte de expansieverhouding waarden met en zonder toevoeging bindmiddel lagen in het bereik van 1,11-1,07 (figuur 5). Verhogen van de voeding vochtgehalte 36% en 39 verder vergroot de expansieverhouding waarden 1,10-1,18 (figuur 5); Maar dit was slechts significant voor 33% vergeleken met 39% vocht zonder bindmiddel toevoeging (Tukey p <0,05, tabel 3). Bij korreldiameter en expansieverhouding, toevoeging van een zetmeel verhoogde bindmiddel op deze waarden ongeacht de inhoud voedingsmateriaal vocht, maar deze verschillen waren niet statistischsignificant (Tukey's p≥0.05). De expansieverhouding resultaten na het drogen bevestigen de resultaten van eerdere studies, waar de toenemende grondstof vocht verhoogde de expansieverhouding en verder daalde het stortgewicht waarden 28.

figuur 5
Figuur 5. Effect van voeding vochtgehalte (FMC) en zetmeel gebaseerde bindmiddel op de expansieverhouding van korrels na drogen (n = 10). Expansieverhouding pellets verhoogd met een toename van grondstof vochtgehalte en zonder bindmiddel toevoeging. Verschillende letters geven significante verschillen met behulp van post hoc Tukey HSD testen (p <0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

bulk Density

Het stortgewicht van de pellets bereid met een voeding vochtgehalte van 33% met en zonder bindmiddel en gemeten na afkoelen lag in het gebied van 464-514 kg / m 3 (gegevens niet getoond). Op 36 en 39% uitgangsmateriaal vochtgehalte zonder bindmiddel was het stortgewicht waarden in het traject van 437-442 kg / m 3. Het toevoegen van bindmiddel deze voeding vochtgehalte gereduceerd bulk dichtheid <400 kg / m3. Drogen van het hoge vochtgehalte pellets in een laboratorium oven bij 70 ° C gedurende ongeveer 3 uur verminderde het vochtgehalte van de pellets tot minder dan 9% (wb). Er was een lichte toename van het stortgewicht waarden met ongeveer 50 kg / m 3 na droging. De toename massadichtheid na het drogen kan het gevolg zijn minder tussen de deeltjes vloeistofbruggen, waarin de deeltjes dichter bij minder open structuur zou hebben gehouden. Oginni 44 opgemerkt dat de dichtheid van de grond Loblolly pijnbomen degevouwen met een toename van het vochtgehalte. Pellet gemaakt met een voedingsmateriaal vochtgehalte van 33% met en zonder toevoeging bindmiddel, het stortgewicht van de pellets was in het traject van 520-530 kg / m 3 (figuur 6). Bij hogere gehalten voedingsmateriaal vochtigheid van 36 en 39% (wb), het stortgewicht van de pellets aanzienlijk gedaald tot <434 kg / m3 en <437 kg / m 3, respectievelijk. Er was een statistisch significant effect van de interactie tussen voeding vochtgehalte en bindmiddel toevoeging op bulkdichtheid (tabel 3). In het algemeen stortgewicht verlaagd met een toename vanaf grondstof vochtgehalte. Daarnaast is er een indicatie dat stortgewicht verlaagd met een toename in zetmeelgehalte (figuur 6).

figuur 6
Figuur 6. Effect van grondstoffen vochtgehalte (FMC) en zetmeel bindmiddel op het stortgewicht van pellets na drogen (gemiddelde ± 1SD; n = 3) Onderste grondstof vochtgehalte van 33% (wb) en geen bindmiddel resulteerde in de hoogste stortdichtheid.. Het toevoegen van 2 en 4% bindmiddel op verschillende inhoud grondstof vocht resulteerde in lagere dichtheid waarden. Verschillende letters geven significante verschillen met behulp van post hoc Tukey HSD testen (p <0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Duurzaamheid (%)

na afkoeling

Green Duurzaamheid

Figuur 7 toont de duurzaamheid van pellets na afkoeling (groen sterkte) en wordt gedroogd in een oven bij 70 ° C gedurende 3-4 uur (geharde sterkte). Hogere waarden duurzaamheid van zeer vochtige pellets zijn wenselijk omdat het leidt tot minder breuk tijdens hantering en opslag door afschuiving en slagvastheden. Voor de ANOVA, interactie was significant tussen voedingsmateriaal vochtgehalte procent bindmiddel, en het drogen (tabel 3). De duurzaamheid waarden van de pellets na afkoeling verhoogd met een toename van bindmiddel (Tabel 3; Tukey p <0,05). Bij 33% (WB) grondstof vochtgehalte, de duurzaamheid waarden zonder bindmiddel waren ongeveer 87,2%; dat, met de toevoeging van een 2 en 4% zetmeel bindmiddel, de duurzaamheid waarden verhoogd tot 93,2 en 96,1% (figuur 7). De trend was vergelijkbaar voor de andere inhoud grondstof vochtigheid van 36 en 39% (wb). Zonder bindmiddel de duurzaamheid waarden waren ongeveer 80%; echter, het toevoegen van bindmiddel aan de biomassa verhoogde duurzaamheid waarden. De duurzaamheid INCRafgenomen tot ongeveer 90% wanneer pellets werden gemaakt met een voeding vochtgehalte van 36% en 4% zetmeel bindmiddel. Bij nog hogere grondstof vochtgehalte van 39% (wb) trend was vergelijkbaar, maar de algehele duurzaamheid waarden daalde in vergelijking met andere inhoud grondstof vocht.

figuur 7
Figuur 7. Effect van voeding vochtgehalte (FMC) en zetmeel bindmiddel op duurzaamheid na afkoeling en na drogen. (Gemiddelde ± 1SD; n = 3) Duurzaamheid waarden hoog vochtgehalte maïsstro pellets bij 33, 36 en 39% (wb) grondstof vochtgehalte verhoogd bindmiddel toevoeging zowel na afkoeling en na drogen. Verschillende letters geven significante verschillen met behulp van post hoc Tukey HSD testen (p <0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te zien. </ P>

na drogen

genezen Duurzaamheid

Drogen van het hoge vochtgehalte pellets in een laboratorium oven bij 70 ° C gedurende 3-4 uur resulteerde in het genezen van de pellets, waardoor de duurzaamheid van de pellets verhogen. De duurzaamheid van de waarden Pellets van 33, 36 en 39% (wb) voedingsmateriaal vochtgehalte verhoogd tot> 92% (figuur 7). De duurzaamheid waarden 33% grondstof vochtgehalte verhoogd tot ongeveer 98% na drogen (Figuur 7). Deze resultaten komen overeen nauw samen met eerder werk 21,28. De duurzaamheid waarden van de pellets gemaakt met een bindmiddel toe na drogen (p Tukey's <0,05). Bij 33% grondstof vochtgehalte en 4% bindmiddel, de uiteindelijke duurzaamheid geconstateerde waarden waren ongeveer 98%. De trend was gelijk aan 36 en 39% uitgangsmateriaalvochtgehalte, waarbij het bindmiddel had een positief effect op de duurzaamheid waarden (Tukey p <0,05). Bij 39% vochtgehalte voedingsmateriaal met een bindmiddel toevoeging van 2 en 4%, de duurzaamheid waarden verhoogd tot ongeveer 94-95%.

percent Boetes

In de huidige studie, het percentage boetes die tijdens pilleren waren hoger op 36 en 39% (WB) in vergelijking met 33% (WB) grondstof vochtgehalte. Bindmiddelen toevoeging resulteerde in het verlagen van het percentage boetes gegenereerd helemaal voedingsmateriaal vochtgehalten vergelijking tests zonder bindmiddel toevoeging (Figuur 8). Pelleteren tests uitgevoerd zonder bindmiddel toonde de hoogste percentage boetes van ongeveer 11% op 39% (WB) grondstof vochtgehalte. Toevoegen van 2 en 4% bindmiddel de maïsstoppels, daalde het percentage boetes die tijdens het pelletiseren van 33% en 36% (wb) in vergelijking met pellets zonder bindmiddel toegevoegd. THij laagste procent boetes waargenomen in deze studie waren 4% bindmiddel toevoeging en 33% (wb) voedingsmateriaal vochtgehalte (ongeveer 3%).

Figuur 8
Figuur 8. Effect van grondstoffen vochtgehalte en zetmeel bindmiddel op het percentage boetes geproduceerd uit de gepelleteerde materiaal. Op grondstof vocht inhoud van 33, 36 en 39% (WB) toevoeging van bindmiddel verminderde het percentage boetes in het gepelleteerde materiaal. Klik hier voor een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Specifiek energieverbruik

Het specifieke energieverbruik werd beïnvloed door toevoeging binder (figuur 9). Zonder bindmiddel, de specifieke energy op 33, 36, en 39% grondstof vochtgehalte was tussen 118-126 kWhr / ton. Het toevoegen van een 2% bindmiddel verminderde het specifieke energieverbruik tot ongeveer 75-94 kWhr / ton. Verdere verhoging van het bindmiddelpercentage tot 4% het specifieke energieverbruik verder verminderd tot ongeveer 68-75 kWhr / ton voor voeding vochtgehalten die werden getest. het bindmiddel toevoegen van 2 en 4% verminderde het specifieke energieverbruik met ongeveer 20-40%.

figuur 9
Figuur 9. Effect van grondstoffen vochtgehalte en zetmeel bindmiddel op het specifieke energieverbruik van de hoge vochtigheid pelleteringsproces. Specifiek energieverbruik van het hoge vochtgehalte maïsstro pelleteringsprocessen werd verminderd met ongeveer 20-40% met toevoeging van 2 en 4% zetmeel gebaseerde bindmiddel. klik hier om een grotere versio bekijken n van deze figuur.

Statistische analyse

Statistische analyse werd in JMP 10 43 afgesloten. Een twee-weg ANOVA werd gebruikt om de effecten van voeding vochtgehalte (33, 36, 39%) en maïszetmeel binder (0, 2, 4%) op pellet vochtgehalte ervan bepalen (n = 3), korreldiameter (n = 10), expansieverhouding (n = 10), en bulkdichtheid (n = 3). Een drie-way ANOVA werd gebruikt om de effecten van het vochtgehalte (33, 36, 39%), maïszetmeel binder (0, 2, 4%), en drogen bepalen (vóór het drogen, na droging) op duurzaamheid (n = 3 ). Residuen ontmoette de ANOVA aannames voor de normaliteit en homogeniteit van variantie. Om deze veronderstellingen te voldoen, werd pellet vochtgehalte getransformeerd door het verhogen van de data op de 4 de macht. Indien getest in de ANOVA factoren significant bij p <0,05 was, werden Tukey HSD test voor post hoc paarsgewijze vergelijkingen.

tent "fo: keep-together.within-page =" 1 "> tabel 3
Tabel 3. Statistische significantie van de procesvariabelen basis van variantieanalyse (ANOVA).

Discussion

De kritische stappen in het hoge vochtgehalte pelletiseren methode om pellets met de gewenste duurzaamheid produceren lager specifiek energieverbruik zijn: 1) het drogen van het hoge vochtgehalte maïsstro het gewenste vochtgehalte (33-39%, WB), 2) procent bindmiddel aanvulling en 3) het voeden van een hoge vochtigheidsgraad biomassa uniform in de pellet molen. Vocht en voeding procent bindmiddel procesvariabelen die de pellet eigenschappen (dichtheid en duurzaamheid van de korrels te koelen en na droging) beïnvloed en specifieke energieverbruik van pelleteringsprocessen. Aanbevolen wordt het vochtgehalte van het uitgangsmateriaal testen voordat deze wordt gebruikt voor het pelletiseren studies. Het voeden van hoog vochtgehalte maïsstro op 33, 36 en 39% (wb) op uniforme wijze aan de pellet molen heeft een impact op de kwaliteit en het energieverbruik. Het wijzigen van de korrelmolen feeder met een frequentieregelaar is van essentieel belang om de biomassa gelijkmatig te voeren aan de pellet molen.

Resultaten van deDeze studie geeft aan dat het toevoegen van bindmiddel de hoge vochtigheid maïsstro deed iets verminderen de dichtheid van de pellets, maar verbeterde duurzaamheid aanzienlijk. Het toevoegen van een bindmiddel op zetmeelbasis verhoogd vochtgehalte in de pellets na compressie en extrusie, maar de toename was niet statistisch significant gevonden in bijna alle onderzochte gevallen zijn. Het vochtverlies tijdens pelleteren was ongeveer 3 tot 4% op de toevoeging van 4% bindmiddel, dat het hoger (7-8%, WB) zonder bindmiddel. De toevoeging van een bindmiddel aan de maïsstro misschien 1) verminderde de verblijftijd van het materiaal in de matrijs en 2) verminderde de wrijvingsweerstanden in de matrijs, waardoor de matrijstemperatuur, die dreigde te leiden tot minder vochtverlies tijdens het comprimeren verminderen en extrusie in de pellet sterven.

Er was een toename in de pelletdiameter nadat het van de pellet matrijs geëxtrudeerd en gedroogd (figuur 4). Deze stijging was geweldiger bij hogere gehalte grondstoffen vocht en met zetmeel bindmiddel toevoeging. Het stortgewicht van de pellets was in het traject van 510-530 kg / m3 bij 33% (wb) voedingsmateriaal vochtgehalte met en zonder bindmiddel. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat hogere grondstofprijzen vochtgehalte van ongeveer 38% (wb) resulteert in een lagere dichtheid, voornamelijk als gevolg van de uitbreiding van de pellets als het snoer door de matrijs 21,28. Het is een bekend verschijnsel dat bij hoge vochtigheid biomassamateriaal wordt geëxtrudeerd door de matrijs onder druk resulteert in vocht uitdampen 12,21. Het vocht flash-off plaats maakt voor de uitbreiding van de pellet, zowel in de axiale en diametrale richting. In het algemeen is de diametrale expansie opvallender opzichte van axiale expansie. Een andere reden voor het uitzettingsgedrag van biomassa na compressie en extrusie door de matrijs pellet kan zijn dat vezels biomassa ontspannen bij aanwezigheid van vocht. Ndiema et al. 45 enMani et al. 18 aangetoond dat afgifte van de toegepaste druk in een matrijs leidt tot relaxatie van de gecomprimeerde biomassa. De relaxatie eigenschappen zijn afhankelijk van vele factoren, zoals deeltjesgrootte, grondstof vochtgehalte en toegepaste druk. Ook in deze studie hebben we vastgesteld dat de massadichtheid toeneemt na het drogen, die zouden kunnen worden door minder tussen de deeltjes vloeistofbruggen dat de deeltjes dichter zou hebben gehouden en produceerde een minder open structuur. Oginni 45 waargenomen dat het stortgewicht van gemalen Loblolly den verminderd met verhoogd vochtgehalte.

Duurzaamheid van de pellets werd gemeten om de sterkte van de pellets te begrijpen. In het algemeen, pellets worden onderworpen aan afschuiving en invloed weerstanden tijdens opslag, transport en het verwerkingsproces 4,46. Kaliyan en Morey 47 gesuggereerd dat de duurzaamheid van pellets geproduceerd onmiddellijk na de productie (groene sterkte) is anders dan de dubaarheid van de pellets die zijn opgeslagen gedurende enkele dagen na de productie (geharde sterkte). Pellets met lagere duurzaamheid waarden te breken en verhogen het risico van de opslag kwesties, zoals off-gassing en zelfontbranding dat het verlies inkomsten voor fabrikanten pellet kunnen veroorzaken. Volgens het Europees Comité voor Normalisatie (CEN) en de Verenigde Staten Pellet Fuels Institute (PFI) de aanbevolen waarden van de duurzaamheid zijn> 96,5% voor hoge kwaliteit of superbenzine pellets 31. In deze studie, de duurzaamheid waarden verhoogd tot ongeveer 94-95% bij gepelleteerd een zetmeelbindmiddel bij 39% vochtgehalte in vergelijking met pellets die zonder bindmiddel dat duurzaamheid waarden hadden in het bereik van 83-85% na drogen. De pellets geproduceerd in 33% (WB) grondstof vochtgehalte had duurzaamheid waarden> 96,5% en voldoen aan de internationale normen.

Vocht heeft verschillende functies tijdens biomassa pelleteren, inclusief: 1) goed brugvorming tussende biomassadeeltjes gevolg van der Waals krachten, 2) het activeren van natuurlijke bindmiddelen zoals eiwit, zetmeel en lignine aanwezig in de biomassa en 3) het bevorderen van zetmeel en eiwit gebaseerde reacties zoals verstijfseling en denaturatie die een sterke invloed op de textuur eigenschappen, zoals hardheid 4-12. In het geval van lignocellulose biomassa, het belangrijkste bindmiddel lignine (houtafval: 27-33%, kruidachtige biomassa: 12-16%) 4. Lignine-gehalte in maïsstro werd bepaald op gemiddeld rond de 16% op basis van een evaluatie van gegevens over de samenstelling, met inbegrip van de literatuur bronnen en grondstoffen databases 48. Lignine moleculen, die een hogere mobiliteit hoger vochtgehalte hebben, fungeren als kleefstof en resulteert in sterkere binding; echter bij zeer hoge niveaus het vocht zal fungeren meer als smeermiddel resulteert in minder binding. In deze studie, op een zeer hoog vochtgehalte van ongeveer 39% (wb) vocht zou zijn opgetreden meer als een smeermiddel en resulteerde in lage duurzaamheid eennd meer boetes generatie in het productieproces pellet proces. Een hogere duurzaamheid werden waargenomen door de toevoeging van een bindmiddel bij een hogere toevoer vochtgehalte van 36 en 39% (wb), die door verstijfseling van het zetmeel kan worden veroorzaakt in aanwezigheid van matrijstemperatuur en uitgangsmateriaal vochtgehalte. Deze verstijfseling reacties kunnen leiden tot de vorming van verknoping van zetmeel met andere componenten biomassa.

Het percentage boetes die tijdens pelleteringsprocessen is een goede indicatie voor hoe goed biomassa pellets. Generatie van fijne deeltjes tijdens pelleteringsprocessen resultaten in het product en de inkomsten verlies voor de producent pellet. Overmatige fijne generatie tijdens het pelleteren processen kunnen ook een impact hebben op de kwaliteit attributen zoals dichtheid en duurzaamheid. De boetes genereren tijdens het productieproces pellet proces wordt beïnvloed door biomassa samenstelling (dat wil zeggen, zetmeel, eiwitten, lignine, en wassen), korrelmolen procesvariabelen <em> dwz lengte-diameter verhouding (L / D-verhouding), matrijs rotatiesnelheid, stoom toestand voorverwarmen) en voeding (ie, grondstof vochtgehalte, deeltjesgrootte en aanzet) 4. De onderhavige resultaten geven aan dat de toevoeging van bindmiddel niet alleen het percentage fijne deeltjes gegenereerd vermindert, maar helpt ook om de fysische eigenschappen te verbeteren terwijl het verminderen van het specifieke energieverbruik. Lagere procent boetes gegenereerd geven aan dat de biomassa een grotere pelletability.

Tumuluru et al. 4 in hun Beoordeel verdichting systemen geschikt biomassa in een soort basisproduct voorgenoemde dat het toevoegen binder helpt bij de extrusie energie, wat resulteert in vermindering van het specifieke energieverbruik. Gewoonlijk lengte tot diameter (L / D) verhouding bepaalt de verblijftijd van het materiaal in de matrijs en helpt de binding van de biomassa. Ook L / D verhouding regelt de extrusie energie en specific energieverbruik. Hogere L / D-verhouding vergroot de verblijftijd, die de fysische eigenschappen van de pellets verbetert, maar verhoogt de energie die nodig is voor de extrusie. Het toevoegen van een bindmiddel biomassa kan helpen binden de biomassa bij lagere L / D verhouding en vermindering van de extrusie energie. In deze studie, een constante lengte en diameter (L / D) verhouding van (2,6) werd geselecteerd. Toekomstig onderzoek gericht op het begrijpen van het effect van L / D-verhouding van de pellet matrijs en de wisselwerking daarvan met voedingsmateriaal vochtgehalte op pelletkwaliteit attributen.

De experimentele data van biomassa voorbewerking (slijpen, drogen en pelleteren), verkregen uit de biomassa National Gebruiker Facility (https://www.inl.gov/bfnuf/) gevestigd in INL en bijbehorende techno-economische analyse aan dat het drogen van biomassa uit 30- 10% (WB) verbruikt veel energie (ongepubliceerde gegevens). De hoge vochtigheid pelleteringsproces ontwikkeld INL kunnen helpen de korrelproductie kosten in vergelijking met een gebruikelijke pelletproductiemethode 24. Deze studie geeft aan dat het toevoegen van een op zetmeel gebaseerd bindmiddel een hoge vochtigheid pelleteringsprocessen beter de duurzaamheid van de korrels tot> 92% na afkoelen in de voeding vochtgehalte van 36 en 39% (wb), en verminderde ook de specifieke energie verbruik van het pelleteringsprocessen met ongeveer 20-40%. Grotere duurzaamheid waarden van de pellets tegen hogere voedingsmateriaal vocht belangrijk omdat zij efficiënt door transporteurs kunnen worden behandeld. Typisch lage duurzaamheid pellets verkruimelen om boetes tijdens de behandeling en opslag, wat resulteert in verlies van inkomsten voor de producenten pellet. Daarnaast kunnen boetes gegenereerd in het proces leiden tot gevaren zoals zelfontbranding en off-gassing 28,41. De specifieke energiebesparing bij ongeveer 20-40% met een bindmiddel opweegt tegen de kosten van het bindmiddel. Ook op basis van dit onderzoek kunnen we concluderen dat sommige van de bijproducten van de levensmiddelenindustrie kan worden gebruikt voor biomassa omhullingenvoor bio-energie toepassingen. Op dit moment is de high-vocht pelleteringsprocessen aangetoond met behulp van een laboratoriumschaal platte sterven pellet mill. De hier beschreven voor de laboratoriumschaal korrelmolen protocol zullen de basis vormen voor het ontwikkelen van scale-up modellen en voor het testen van het proces in pilot-schaal en op commerciële schaal pellet molens zijn.

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 maïsstro hoge vochtigheid pelleteren procesvariabelen zetmeel bindmiddel pellet eigenschappen specifieke energieverbruik
Methode om Duurzaam Pellets bij een lager energieverbruik met High Vocht maïsstro en een Corn Starch Binder te produceren in een vlakke matrijs 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