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 for å produsere Durable Pellets på lavere energiforbruk ved hjelp av høy fuktighet Corn Stover og en maisstivelse Binder i en Flat 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 studien ble en protokoll utviklet for å produsere gode pellets ved hjelp av en flat dyse pelletmølle ved redusert spesifikt energiforbruk testing med høy fuktighet halmstrå fra korn og et stivelsesbasert bindemiddel. Resultatene viste at tilsetning av en maisstivelse bindemiddel forbedret pellet holdbarhet, redusert prosent bøter og redusert spesifikt energiforbruk.

Abstract

En stor utfordring ved fremstilling av pellets er de høye kostnadene forbundet med tørking av biomasse 30-10% (WB) fuktighetsinnhold. Ved Idaho National Laboratory, ble en høy fuktighet pelleteringsprosessen utviklet for å redusere tørke kostnadene. I denne prosessen biomasse pelletene produsert ved høyere råstofffuktighetsinnhold enn konvensjonelle metoder, og den høye fuktighet pelletene som produseres ytterligere tørket i energieffektive tørkere. Denne fremgangsmåten bidrar til å redusere utgangsmaterialet fuktighetsinnhold ved ca. 5-10% i løpet av pelletering, som er hovedsakelig på grunn av friksjonsvarme som utvikles i dysen. Målet med denne forskningen var å utforske hvordan bindemiddel tillegg påvirker pelletskvalitet og energiforbruk høy fuktighet pelletering prosess i en flat dør pellet mill. I den foreliggende undersøkelse, ble rå korn Stover pelletert ved fuktighet av 33, 36, og 39% (IM) ved tilsetning av 0, 2, og 4% ren maisstivelse. Den delvis tørkede pellets produsert ble tørket videre i alaboratory ovn ved 70 ° C i 3-4 timer for å redusere pelleten fuktighet til mindre enn 9% (IM). Den høye fuktighet og tørkede pellets ble evaluert med hensyn til deres fysiske egenskaper, så som bulktetthet og holdbarhet. Resultatene indikerte at ved å øke prosentandelen bindemiddel til 4% forbedret pellet slitestyrke og redusert spesifikt energiforbruk med 20-40% sammenlignet med pellets uten bindemiddel. Ved høyere bindemiddeltilsetning (4%), reduksjon i råstoffet fuktighet under pelletering var <4%, mens reduksjonen var omtrent 7-8%, uten at bindemiddel. Med 4% bindemiddel og 33% (WB) råmateriale fuktighetsinnhold, Bulktettheten og holdbarhet målte verdiene av de tørkede pelletene var> 510 kg / m 3 og> 98%, henholdsvis, og den prosentvise fine partikler som genereres ble redusert til <3 %.

Introduction

Biomasse er en av de store energiressursene i verden og regnes som karbonnøytralt en. Bulk tetthet av øste og malt landbruket biomasse og lobbet trevirke er lav. Lave egenvekter øste biomasse (130-160 kg / m 3), malt biomasse (60-80 kg / m 3) og lobbet trevirke (200-250 kg / m 3) skaper lagring, transport og håndtering spørsmål 2, 3. Fortetting eller sammenpressing i første biomassen ved hjelp av trykk og temperatur øker volumtettheten ved omtrent 5 til 7 ganger, og bidrar til å overvinne begrensninger transport- og lagrings 4. Pelletmøller, briquette presse og skrue ekstrudere er fortetting systemer som vanligvis brukes for biomasse fire. Breakeven transport avstand analyse på øste og pelletert biomasseråstoff indikerte at pellets kan transporteres 1,6 ganger lenger enn ballene ved hjelp av en lastebil for samme kostnad 5. Transporten effciencies av pellets øker med andre former for transport som tog, siden det er volum-begrenset i forhold til lastebiler som er begrenset av vekt. Foreløpig i Europa pellets produsert fra trevirke er mye brukt for bio-kraftproduksjon. Canada og USA er de store produsenter og leverandører av pellets til Europa seks. Pellets produseres fra både woody og urteaktige biomasse kan brukes til både termo (cofiring, gassifisering og pyrolyse) og biokjemisk konvertering (etanol) applikasjoner 7-9.

Kvaliteter av pellets (densitet og holdbarhet) og spesifikt energiforbruk i pelleteringsprosessen er avhengig pelletmøllen prosessvariable, såsom dør diameter dø hastighet og lengde til diameterforhold på bakke og råstoff variabler, slik som råmateriale fuktighetsinnhold og sammensetning 4. Både pellet mill prosessvariabler og råstoff variabler innflytelsekvaliteten av pelletene og den spesifikke energien som brukes i prosessen. Terningen dimensjoner (dvs. forhold mellom lengde og diameter) vil påvirke den kompresjon og ekstruderingstrykket, og dysen rotasjonshastigheten kontrollerer oppholdstiden for materialet inne i dysen. Fuktighetsinnholdet er et råstoff variabel som spiller en viktig rolle ved å samhandle med komponenter i biomassen sammensetning (dvs. protein, stivelse og lignin) på grunn av høy temperatur og trykk oppstått i formen. Tilstedeværelsen av fuktighet øker van der Waals krefter, for derved å øke tiltrekningen mellom biomassepartiklene 10. Generelt er høyere fuktighets i biomassen virkninger bulktettheten av det sammenpressede produktet på grunn av diametrale og sideveis utvidelse som de kommer ut av pellet eller brikett mølle trykk på dø 10. Biomasse sammensetning, slik som stivelse, protein, lignin, og andre vannoppløselige karbohydrater, påvirker bindingen oppførsel når den utsettes for en pressend temperatur i fortetting utstyr 11. Noen av de vanligste reaksjonene sammensetning som er påvirket av råstoff fuktighet, die temperatur og trykk er stivelse gelatinization, protein denaturering, og lignin glass overgang. Vanligvis, ved temperaturer på 100 ° C eller høyere og et råstoff fuktighetsinnhold på mer enn 30%, stivelse i mat og dyrefor blir gelatinert og påvirker teksturelle egenskaper som hardhet 12. Vanligvis stivelses reaksjonene er gelatinization, lime, og retrogradation. Blant disse reaksjonene, har gelatinization størst innflytelse på pellets eiendommer 13. Stivelse er ofte inkludert i mat og non-food applikasjoner som bindemiddel. For eksempel, i den farmasøytiske tablettformuleringen stivelse blir benyttet som fyllstoff 4,14. Protein i biomassen gjennomgår denaturering og danner komplekse obligasjoner på grunn av høy temperatur og trykk opplevd i fortetting prosessen 11. Generelt, en høyerefestene på protein i biomasse vil resultere i en mer holdbar pellet 15,16. For eksempel, alfalfa, som har en høyere mengde av protein, resulterer i holdbare pellets ved høyere utgangsmateriale fuktighetsinnhold. Fettet i biomassen reduserer friksjonskrefter og ekstrudering energi under pelletering eller brikettering 11,17. I lignocelluloseholdig biomasse, nærværet av lignin innenfor plantemateriale bidrar til å danne pellets uten tilsetning av bindemidler 18. Trevirke har høyere lignininnhold (29-33%) sammenlignet med en urteaktig biomasse, som typisk består av 12-16% lignin 4,19. Ved lavere råstoff fuktighetsinnhold på omtrent 10-12% (IM), glassovergangstemperaturen for ligninet er større enn 140 ° C 20; mens økning av fuktighetsinnholdet reduserer glasstemperaturen 21. Ifølge Lehtikangas 22, er glassovergangstemperaturen for lignin ved 8-15% (WB) fuktighetsinnhold omtrent 100-135 ° C, mt å øke fuktighetsinnholdet til> 25% (WB) reduserer glasstemperaturen til <90 ° C.

Urteaktig biomasse er tilgjengelig på høyere fuktinnhold avhengig av høsting metode og høsting tid. I tilfelle av enkel passering høstemetode det høstede materialet vil ha et fuktighetsinnhold> 30% (IM) 23. Biomasse blir typisk tørket til omtrent 10% (WB) fuktighetsinnhold for å gjøre det aerobt stabil og for å forhindre tap av tørrstoff i løpet av lagring. Lamers et al. 24 indikerte at å preprocess biomasse på 30% fuktighet den totale kostnaden for både slipe (trinn 1 og 2) og tørking er ca $ 43,60 / selskaps tonn, og ca $ 15.00 / tørr tonn er bare for tørking av biomasse. Tørking av biomasse tar omtrent 65% av den totale preprosessering energi, og pelletering tar omtrent 8-9% 24. Yancey et al. 25 har bekreftet at tørking er det stor forbruker av energi i biomasse preprocessing. Den eksperimentelle data og techno-økonomisk analyse indikerte at effektiv fuktighetskontroll er avgjørende for å redusere biomassen forbehandlingsteknikker kostnader. En måte å redusere tørkekostnader og styre råstoffet fuktighet mer effektiv måte er å bruke en høy fuktighet pelleteringsprosessen kombinert med en lav temperatur tørkemetode. I høy fuktighet pelletering prosessen utviklet ved Idaho National Laboratory, er biomasse pelletert ved fuktighetsinnhold større enn 28% (WB); de delvis tørkede pellets produsert, som fortsatt er høy i fuktighet, kan tørkes i energieffektive tørketromler, for eksempel korn eller belte tørketromler 21. En stor fordel med høy fuktighet pelle er at det bidrar til å redusere tørke kostnader, som igjen resulterer i redusert total pellet produksjonskostnader. Techno-økonomisk analyse indikerte at energi- og produksjonskostnadene er redusert med 40-50% ved bruk av høy fuktighet pelletering prosess sammenlignet med en konvensjonell pelletering metode 24,26. den majeller årsak til redusert pellet produksjonskostnadene skyldes erstatte en roterende tørketrommel som drives ved høye temperaturer på 160 til 180 ° C med en korn tørketrommel som drives ved lavere temperaturer på ca. 80 ° C eller mindre 21. De andre fordeler ved å erstatte en rotasjonstørker med et belte eller korntørkere er: 1) høyere effektivitet, 2) redusert brannfare, 3) ikke trenger høy kvalitet varme, 4) reduserte flyktige organiske forbindelser (VOC), 5) redusert partikkelutslipp, og 6) ikke agglomererer høy leire eller klebrig biomasse 27. Den energikrevende dampkondisjoneringstrinnet i konvensjonelle pelletering, som vanligvis brukes for å legge til fuktighet og aktivere noen av biomassekomponenter, er erstattet med en kort forvarming trinn. Dette trinnet bidrar til å redusere råstoff fuktinnhold samt aktivere biomasse komponenter som lignin. Friksjonsvarmen utviklet i pellet die hjelper også redusere råstoff fuktighetsinnhold med ca 5-8% (WB) 21,28. I høy-mog fukt pelleteringsprosessen, pelletmøllen ikke bare komprimerer biomassen, men også bidrar til å redusere fuktighetsinnholdet under kompresjon og ekstrudering. Mange forskere har gjort forsøk på pelletering av rå og kjemisk forbehandlet biomasse på et bredt spekter av fuktinnhold (7-45%, WB) ved hjelp av enkle, laboratorium, pilot skala ring dø og kommersielle kontinuerlige granulatorer systemer 10,25,29-40, (Pace, D. 2015. Pelle av kommunalt avfall og ammoniakk fiber eksplosjon (AFEX) forbehandlet mais Stover i pilotskala ring dø pellet mill. Biodrivstoff Department, Chief Engineer, Biomasse National User Facility, Idaho National Laboratory (upubliserte data)) . Disse forskere justert råmateriale fuktighetsinnholdet av biomassen til forskjellige ønskede nivåer for å forstå virkningen av fuktighetsinnholdet på kvalitetsegenskaper av pelletene.

Pellet kvalitetsegenskaper, bulktetthet og holdbarhet, er normative spesifikasjoner i henhold til den amerikanskeEn basert Pellet Fuel Institute (PFI). Men ifølge den europeiske standardiseringsorganisasjon (CEN) holdbarhet er en normativ og bulktetthet er en informativ spesifikasjon 41. Pellets med holdbarhet verdier> 96,5% og bulktetthet> 640 kg / m 3 er utpekt som super premium pellets basert på PFI standarder, mens pellets med holdbarhet verdier> 97,5% er utpekt som pellets med høyeste karakter. Både CEN og PFI-standarder anbefale pellets med forskjellige diametre. For eksempel, PFI anbefaler en diameter i området fra 6,35 til 7,25 mm, mens CEN anbefaler en diameter i området 6-25 mm og en pellet lengde mindre enn eller lik 4 ganger diameteren 41. Pellets med mindre diameter (6 mm) er foretrukket for transport over lengre avstander vurderer de har høyere pakketetthet 28. For konvensjonelle granulatorer prosesser, er det anbefalt å pellet biomasse ved lave fuktighetsinnhold for å møte disse spesifikasjonene tetthet desirable for transport av pellets lange avstander 41. Både CEN og PFI har flere pellets karakterer 41. Tumuluru 28 og Tumuluru og Conner 40 indikerte at høy fuktighet granulatorer prosesser utviklet i Idaho National Laboratory hjelp til å produsere korn Stover og trepellets med ulike kvalitetsegenskaper (bulk tetthet og holdbarhet) og spesifikt energiforbruk gjør dem egnet for ulike transport og logistikk scenarier.

De fleste av de granulatorer av studier på biomasse ble gjort ved hjelp av et enkelt system pelletering. Pelletering data på biomasse ved hjelp av et kontinuerlig system i laboratorieskala er begrenset. Studier av kontinuerlige granulatorer systemer vil være nyttig for å forstå virkningen av pelleprosessvariablene som dysen rotasjonshastighet, forhold mellom lengde og diameter og dø diameter på kvalitetsegenskaper og spesifikt energiforbruk. De granulatorer av data på de kontinuerlige systemer kan videre brukes til å scale opp prosessen til pilot og kommersielle skala systemer. Generelt er en flat dyse pellet Møllen benyttet for å drive granulatorer studier av treaktige og urteaktige biomasse i et laboratorium 4. Den virkemåte av laboratorieskala flat dø, pilot, og kommersiell skala ring die pelletsfabrikker er like. Alle disse pelletmøller har en perforert hardt stålform med to eller tre valser. Ved å dreie dysen, rullene utøve kraft på råstoffet og tvinge den gjennom perforeringene i formen for å danne fortettede pellets 4.

Våre tidligere studier på høy fuktighet pelletering av korn Stover på råstoff fuktighetsinnhold på 28-38% (WB) uten bindemiddel tillegg resultert i lavere holdbarhet verdier ved høyere råstoff fuktighetsinnhold 21,28. Økt holdbarhet av høy fuktighet pellets etter avkjøling og tørking er viktig fordi det bidrar til å hindre oppløsningen av pellets (tap av pelletskvalitet) under håndtering, storaseri og transport. Oppløsningen av pellets vanligvis resulterer i bøter generasjon og tap av inntekter for pelletsprodusenter. Bindemidler blir vanligvis brukt i pelleteringsprosessen for å forbedre kvaliteten på pellets, særlig holdbarhet, og for å redusere det spesifikke energiforbruk. Vanlig brukte naturlige bindemidler i pelle prosessen er proteiner og stivelse 4,28. Stivelse gjennomgår gelatinering, mens proteinet undergår denaturering i nærvær av varme, fuktighet og trykk. Begge disse reaksjoner resulterer i bedre binding og mer holdbare pellets ved lavere energiforbruk. Det overordnede målet med denne studien var å utvikle og demonstrere en høy fuktighet pelletering prosessen ved hjelp av mais Stover med tillegg av et bindemiddel for å produsere gode pellets i form av grønne holdbarhet (etter avkjøling) og herdet holdbarhet (etter tørking) på et lavere spesifikke energiforbruket. De spesifikke mål for studien var å 1) gjennomføre høy fuktighet pelletering av mais stover på forskjellige råstoff fuktighetsinnhold (33, 36 og 39%, IM) og stivelse bindemiddelinnhold (0, 2, og 4%), 2) å evaluere de fysikalske egenskaper (pellet fuktighetsinnhold, pellet diameter, ekspansjonsforhold, bulktetthet og holdbarhet (grønn og herdet holdbarhet), og 3) å vurdere spesifikt energiforbruk i pelleteringsprosessen.

Protocol

MERK: korn Stover baller ble anskaffet i form av baller fra landbruket gårder i Iowa, USA. De anskaffet baller ble malt sekvensielt i to etapper. I fase 1 ble korn Stover ballene jord med en jeksel utstyrt med en 50,8-mm-skjermen. I trinn 2, det malte materialet fra trinn 1 ble ytterligere bakken ved hjelp av en Bliss hammermølle utstyrt med en 4,8-mm sikt. Materialet ble testet med hensyn til fuktighetsinnhold og bulktetthet og lagret i en lufttett beholder for videre granulatorer tester. Ren maisstivelse ble anskaffet fra en lokal marked og ble målt for fuktighetsinnholdet og bulktetthet. Fuktighetsinnholdet og bulktetthet på bakken halmstrå fra korn og maisstivelse bindemiddel er gitt Tabell 1.

Tabell 1
Tabell 1. Fuktighetsinnhold og bulktetthet på bakken halmstrå fra korn og maisstivelse bindemiddel.

1. Pellet Mill </ P>

  1. Bruke en laboratorieskala flat dyse pellet mølle utstyrt med en 10 HK motor for å utføre de granulatorer av testene (figur 1) 21,28,38.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk av en laboratorieskala flat die pellet mill ved Idaho National Laboratory (tilpasset fra Tumuluru 21). En flat dør pellet mill ble brukt til å gjennomføre høy fuktighet mais Stover granulatorer tester med og uten bindemiddel tillegg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Plassere fleksible oppvarming tape på overflaten av beholderen, og skruemateren deretter isolere dem med glassull for å hindre varmetap. Koble varmekabel til en temperaturregulator å forvarme biomasse til ønsket temperatur i range av 30-130 ° C.
  2. Utstyre pellet mill med en frekvensomformer (VFD). Koble VFD av pelletmøllen til pelletmøllen motor. Materen motorstyreren er en likestrømsmotor kontrolleren for å variere matehastigheten til pelletmøllen.
  3. Koble en strømmåleren til pellet mill motor for å registrere strømforbruk. manuelt velge en pellet dør med en åpning 8 mm diameter og en lengde til diameter (L / D) -forhold på 2,6.
  4. Legg til en horisontal pellet kjøler til pelletmøllen å avkjøle de varme pellets som kommer ut av dysen pellet. Koble kjøleren til et eksosanlegg å sirkulere frisk luft.

2. Råstoff Forberedelse

  1. Ta 2-3 kg av mais Stover bakken ved hjelp av en 4,8 mm sikt. Mål halmstrå fra korn fuktighetsinnhold (se trinn 4.1), bulktetthet (se trinn 4.3) (se tabell 2).
  2. Måle fuktighetsinnholdet (se trinn 4.1), bulktetthet (se trinn 4.3) av den rene (100%) maisstivelse bindemiddelanskaffet fra det lokale markedet.
  3. Legg maisstivelse bindemiddel til bakken halmstrå fra korn (se Tabell 2% for bindemiddeltilsetning)
  4. Beregne mengden av vann som skal tilsettes for å justere fuktighetsnivået i bakken halmstrå fra korn og maisstivelse bindemiddelblanding til 33, 36, og 39% (IM) ved bruk av ligning 1.
    ligning 1 = ligning 2 (1)
    MERK: I ligning 1, W w er vekten av vann (g), er W s vekten av biomasse prøve (g), m f: prosent endelig fuktighetsinnholdet i prøven (IM), og m i: prosent opprinnelige fuktighetsinnhold i prøven (WB%).
  5. Tilsett beregnet vannet til halmstrå fra korn / mais-stivelse bindemiddel blanding og blande den i en laboratorieskala båndblander.
  6. Oppbevar fuktighet justert mais Stover / maisstivelse blanding i en lukket beholder og sett den i kjøleskap satt til4-5 ° C for å tillate fuktighet å stabilisere seg.

3. Høy fuktighet Pelle Process

  1. Ta mais Stover / maisstivelse blanding av kjøleskapet og la den i romtemperatur i ca 1-2 timer for å bringe den til romtemperatur.
  2. Laste materialet inn i matetrakten av pelletmøllen. Kjør pellet mill ved 60 Hz (380 rpm) dø hastighet.
  3. Strøm pelletmøllen jevnt ved å justere matehastigheten til pelletmøllen for å fremstille pellets i en stabil tilstand. Avkjøle pelletene i den horisontale pellet kjøleren.
  4. Separate finstoff som genereres i pelleteringsprosessen ved hjelp av en 6,3 mm sikt.
    MERK: måle fuktighetsinnholdet og holdbarhet av pelletene etter avkjøling 21.
  5. Tørk de avkjølte høy fuktighet pellets i en laboratorie-ovn ved 70 ° C i 3-4 timer for å redusere det endelige fuktighetsinnholdet i pelletene til mindre enn 9% (IM).
    MERK: Mål pellet fuktighetsinnhold, tetthet, og duraheten av tørkede pellets 21.
  6. Logg kraft data til en datamaskin i løpet av pelle prosessen.
    NB: Se tabell 2 for pelletisering testbetingelser og figur 2 for pellets fremstilt ved 33, 36 og 39% fuktighetsinnhold og 4% maisstivelse bindemiddeltilsetning.

Tabell 1
Tabell 2. Eksperimentelle testbetingelser som anvendes i den foreliggende undersøkelsen.

Figur 2
Figur 2. Fotografi av korn Stover pellets produsert med 4% maisstivelse bindemiddel på ulike råstoff fuktighetsinnhold. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

4. PelletEgenskaper og spesifikke energiforbruket

MERK: ASABE standarder 42 ble brukt for å måle fuktinnhold, tetthet, holdbarhet og prosent bøter på rå og pelle materialer.

  1. Plasser omtrent 25-50 g av bakken og pelletert korn Stover sampler i et laboratorium ovn innstilt på 105 ° C i 24 timer. Veie prøven før og etter tørking. Beregn fuktighetsinnhold ved hjelp av ligning 2. Gjennomføre eksperimenter i tre eksemplarer.
    ligning 3 (2)
  2. Ta en eneste pellet og glatt begge endene med Grit Utility Cloth. Mål pellet diameter ved hjelp av Vernier calipers. Beregn ekspansjonsforholdet av pelleten ved hjelp av ligning 3 28. Mål diameteren av de ti pellets.
    Utvidelse ratio = ligning 4 (3)
    MERK: I ligning 3, D er diameteren av pelleten ekstrudert (mm), og d er Diameteren på dysen (mm).
  3. Bruke et plexiglass sylinder med en høyde på 155 mm og en diameter på 120 mm. Hell pellets inn i sylinderen til det renner over og jevne ut overflaten med en rett kant. Veie sylinder med materialet. Dele vekten av sylinderen av volumet av sylinderen for å beregne massetetthet. Gjenta eksperimentet tre ganger.
  4. Hånd sil pelletert materialet ved hjelp av en 6,3 mm sikt. Vei det materiale som har passert gjennom sikten. Beregn prosent bøter ved hjelp av ligning 4.
    Prosent bøter = ligning 5 X 100 (4)
  5. Plasser ca 500 g av pelletene uten bøter inn i hver brønn i pelleten holdbarhet testeren. Tørkes i pelletene ved 50 omdr / min i 10 min. Sil tumlet materialet ved hjelp av en 6,3 mm sikt. Bruk ligning 5 for å beregne den prosentvise holdbarhet av pelletene.
    holdbarhet =tp_upload / 54092 / 54092eq6.jpg "/> × 100 (5)
    Merk: Grønn holdbarhet er holdbarheten av pelletene målt etter avkjøling og herdet holdbarhet er det holdbarhet målt etter tørking av pelletene ved 70 ° C i 3 timer.
  6. Logg pellet mill strømforbruket ved hjelp av data logging programvare. Noter uten last effekt (kW) data av pellet mill ved å kjøre pellet mill tom ved 60-Hz die hastighet. Bruk ligning 6 for å beregne den spesifikke energiforbruket (SEC).
    ligning 7 (6)

Representative Results

Pellet Fuktighetsinnhold

Fuktighetsinnholdet av biomasse ble redusert med omtrent 5-8% (WB) etter pelletering. Denne reduksjonen skyldes i hovedsak friksjonsvarme utviklet i formen, og forvarming temperatur og kjøling av høy fuktighet pellets. Også bindemidler hadde en innvirkning på mengden av fuktighet tapt. Ved 0% bindemiddel, tap av fuktighet var omtrent 7-8%, noe som stemmer overens med vår tidligere studier 21,28; mens, ved 4% bindemiddel, tap av fuktighet i råstoffet i løpet av pelle var omtrent 3-5% (figur 3). Bindemidlet tilsettes til biomassen kan ha opptrådt som et smøremiddel. Dette kan ha reduserte friksjonsmotstander og reduserte oppholdstiden for materialet i formen kanalen forårsaker reduksjon i tap av fuktighet. I tidligere studier dø temperatur målt umiddelbart etter pelletering hjelp av en infrarød denrmometer (Fluke, modell 561, Fluke Corporation, Everett, WA, USA) nådde til ca 100-110 ° C 21. Økning av bindemidlet prosentvise reduserte tap av fuktighet som fuktigheten kan ha blitt tett bundet til stivelsesgranulene. Den høye fuktighet pellets som ble ytterligere tørket i en laboratorieovn ved 70 ° C i 3-4 timer hadde fuktighetsinnhold <9% (IM), og disse pellets ble anvendt for å måle andre fysiske egenskaper som pellet diameter, ekspansjonsforhold, bulktetthet og holdbarhet. Statistisk analyse av innholdsdata pellet fuktighet indikerte at det var en interaktiv effekt av råstoff fuktighetsinnhold og bindemiddeltilsetning på pelleten fuktighetsinnhold (tabell 3). For pellets uten bindemiddel og 2% bindemiddel, en økning av råstoff fuktighetsinnholdet forårsaket en økning i pellet fuktighetsinnhold (Tukey s p <0,05), men denne utviklingen var ikke statistisk signifikant ved 4% bindemiddel (Tukey største p≥0.05 Figur 3) .


Figur 3. Effekt av råmateriale fuktighetsinnhold (FMC) og stivelse bindemiddel på pellet fuktighetsinnhold etter avkjøling (gjennomsnitt ± 1SD; n = 3). Pelletering forsøk som ble utført uten bindemiddel resulterte i høyere råstoffet fuktighetsinnhold tap sammenlignet med tester utført med bindemiddel. Ulike bokstaver indikerer signifikante forskjeller ved hjelp av post hoc Tukey HSD-undersøkelser (p <0,05). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

pellet Diameter

Diameteren av pelletene ved 33% fuktighetsinnhold med og uten bindemiddeltilsetning var i størrelsesorden 8.4-8.7 mm etter avkjøling (data ikke vist). Økende feedstakk fuktighetsinnhold på 36 og 39% (IM) med tilsatt bindemiddel øket pelletsdiameteren til en maksimal verdi på 9,3 mm (data ikke vist). Disse pellets ble ytterligere tørket i en laboratorieovn ved 70 ° C i omtrent 3-4 timer. Tørking resulterte i en reduksjon i pellet diameter på omtrent 0,3-0,4 mm. Den viktigste årsak til en reduksjon i diameter etter tørking var grunnet sammentrekning av pelletene. Det var en statistisk signifikant effekt av interaksjonen mellom råstoffet fuktighetsinnhold og bindemiddeltilsetning på pellet diameter etter tørking (tabell 3). Ved 33% råmateriale fuktighetsinnhold pelletsdiameteren etter tørking var i området fra 8.3 til 8.5 mm, mens en økning i utgangsmaterialet fuktighetsinnholdet til 36% eller 39% øket pelletsdiameteren til omkring 8,7 mm (figur 4). Denne økningen var bare statistisk signifikant mellom 33% og 39% når det ikke ble anvendt bindemiddel (Tukey s p <0,05), sannsynligvis på grunn av de høye avvik i målingene. Figur 4
Figur 4. Effekt av råmateriale fuktighetsinnhold (FMC) og maisstivelse bindemiddel på pellet diameter etter tørking (gjennomsnitt ± 1SD; n = 10) Pellet diameter øket med en økning i råstoff fuktighetsinnhold og stivelse tilsetning.. Ulike bokstaver indikerer signifikante forskjeller ved hjelp av post hoc Tukey HSD-undersøkelser (p <0,05). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

utvidelse Ratio

Ekspansjon ratio beregnes ved hjelp av pellet diameter (ligning 3). Ekspansjonsforholdet verdier var høyere for pelletene etter avkjøling sammenlignet med etter tørking (data ikke vist). Ved 33% fuktighetsinnhold uten og medbindemiddeltilsetning, ekspansjonsforholdet verdier etter avkjøling var i området fra 01/16 til 01/20. Ytterligere økning av fuktighetsinnholdet til 36 og 39% uten bindemiddeltilsetning øket ekspansjonsforholdet verdier til 1,35. De tørkede pelleter hadde lavere ekspansjonsforhold, som var hovedsakelig på grunn av sammentrekning av pelletene både diametralt og i sideretning. Ved 33% råmateriale fuktighetsinnhold ekspansjonsforholdet verdier med og uten bindemiddeltilsetning var i området fra 1.11 til 1.7 (figur 5). Økning av råstoffet fuktighetsinnholdet til 36 og 39% ytterligere øket ekspansjonsforholdet verdiene til 1.10 til 1.18 (Figur 5); men dette var statistisk signifikant bare for 33% sammenlignet med 39% fuktighetsinnhold uten bindemiddeltilsetning (Tukey s p <0,05; tabell 3). I tilfelle av pellet diameter og ekspansjonsforholdet, tilsetning av et stivelsesbasert bindemiddel økes disse verdiene ved alle de råstoff fuktighetsinnhold, men disse forskjellene var ikke statistisksignifikant (Tukey sin p≥0.05). Ekspansjonsforholdet resultater etter tørking bekrefte funnene i tidligere studier, der økende råstoff fuktighet økte ekspansjonsforholdet, og ytterligere redusert bulktetthet verds 28.

Figur 5
Figur 5. Effekt av råmateriale fuktighetsinnhold (FMC) og stivelsesbasert bindemiddel på ekspansjonsforholdet av pellets etter tørking (n = 10). Ekspansjonsforhold på pelletene økte med en økning i utgangsmaterialet fuktighetsinnhold uten og med bindemiddeltilsetning. Ulike bokstaver indikerer signifikante forskjeller ved hjelp av post hoc Tukey HSD-undersøkelser (p <0,05). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Bulk Density

Egenvekten for de pellets laget med et råstoff fuktighetsinnhold på 33% med og uten bindemiddel, og målt etter avkjøling var i området fra 464-514 kg / m 3 (data ikke vist). Ved 36 og 39% utgangsmateriale fuktighetsinnhold uten bindemiddel tetthetsverdier bulk var i området fra 437-442 kg / m3. Tilsetning av bindemiddel på følgende råmateriale fuktighetsinnhold lavere bulktetthet til <400 kg / m 3. Tørking av høy fuktighet pellets i en laboratorie-ovn ved 70 ° C i ca. 3 timer reduserte fuktighetsinnhold i pelletene til mindre enn 9% (IM). Det var en liten økning i verdier bulk tetthet av ca 50 kg / m 3 etter tørking. Økningen i massetetthet etter tørkingen kan være på grunn av færre inter-partikkel flytende broer, som kan ha holdt partiklene nærmere med mindre åpen struktur. Oginni 44 observert at romdensiteten av malt Loblolly furu deøkt med en økning i fuktighetsinnholdet. For pelleter laget med et råstoff fuktighetsinnhold på 33%, med og uten den bindemiddeltilsetning, bulktettheten av pelletene var i området fra 520-530 kg / m 3 (figur 6). Ved høyere råstoff fuktighetsinnhold på 36 og 39% (WB), massedensiteten av de tørkede pelletene signifikant redusert til <434 kg / m 3 og <437 kg / m 3, henholdsvis. Det var en statistisk signifikant effekt av interaksjonen mellom råstoffet fuktighetsinnhold og bindemiddeltilsetning på bulktetthet (tabell 3). Generelt er redusert bulktetthet med en økning i utgangsråstoff fuktighetsinnhold. I tillegg er det en indikasjon på at bulktettheten redusert med en økning i stivelsesinnhold (figur 6).

Figur 6
Figur 6. Effekt av råstoff fuktighetsinnhold (FMC) og stivelse bindemiddel på bulktetthet på pellets etter tørking (gjennomsnitt ± 1SD; n = 3) Nedre råmateriale fuktighetsinnhold på 33% (WB) og ikke noe bindemiddel resulterte i de høyeste bulktetthet.. Tilsetning av 2 og 4% bindemiddel ved forskjellige råstoff fuktighetsinnhold resultert i lavere verdier bulkdensitet. Ulike bokstaver indikerer signifikante forskjeller ved hjelp av post hoc Tukey HSD-undersøkelser (p <0,05). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Holdbarhet (%)

etter avkjøling

grønn Holdbarhet

Figur 7 viser holdbarheten av pellets etter avkjøling (grønn styrke) og etter tørking i en ovn ved 70 ° C i 3-4 timer (herdet styrke). Høyere holdbarhet verdier av høy fuktighet pellets er ønskelig fordi det vil føre til mindre brudd under håndtering og lagring på grunn av skjær og slagseighet. For ANOVA, samspillet var signifikante mellom råstoffet fuktighetsinnhold, bindemiddel prosent, og tørking (tabell 3). Holdbarhet verdier av pelletene etter avkjøling økes med en økning av bindemiddelinnhold (tabell 3; Tukey s p <0,05). At 33% (WB) råstoff fuktighetsinnhold, holdbarhet verdier uten bindemiddel var ca 87,2%; mens, med tillegg av en 2 og 4% stivelse bindemiddel, holdbarhet verdiene økte til 93,2 og 96,1% (figur 7). Trenden var lik for de andre råstoff fuktighetsinnhold på 36 og 39% (WB). Uten bindemiddel holdbarhet verdiene var ca 80%; imidlertid å tilsette bindemidlet til biomassen økte holdbarhet verdier. Holdbarheten INCRlettet til omtrent 90% når pelletene ble tatt opp med et råstoff fuktighetsinnhold på 36% og 4% stivelse bindemiddel. Ved enda høyere råstoff fuktighetsinnhold på 39% (WB) trenden var lik, men den samlede holdbarhet verdiene redusert sammenlignet med de andre råstoff fuktighetsinnhold.

Figur 7
Figur 7. Virkning av råmateriale fuktighetsinnhold (FMC) og stivelse bindemiddel på holdbarhet etter avkjøling og etter tørking. (Gjennomsnitt ± 1SD; n = 3) Holdbarhet verdier av høy fuktighet halmstrå fra korn pellets produsert ved 33, 36 og 39% (WB) råmaterialet fuktighetsinnholdet økes med bindemiddeltilsetning både etter avkjøling og etter tørking. Ulike bokstaver indikerer signifikante forskjeller ved hjelp av legg hoc Tukey HSD-undersøkelser (p <0,05). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. </ P>

etter tørking

Herdet Holdbarhet

Tørking av høy fuktighet pellets i en laboratorie-ovn ved 70 ° C i 3-4 timer resulterte i herding av pelletene, for derved å øke holdbarheten av pelletene. Holdbarhet verdiene av pellets ved 33, 36 og 39% (WB) råmateriale fuktighetsinnholdet økte til> 92% (figur 7). Holdbarhet verdier ved 33% råmateriale fuktighetsinnhold øket til 98% etter tørking (figur 7). Disse resultatene sams tett med tidligere arbeid 21,28. Holdbarhet Verdiene av pelleter laget ved hjelp av et bindemiddel øket etter tørking (Tukey s p <0,05). At 33% råstoff fuktighetsinnhold og 4% bindemiddel, de endelige holdbarhet målte verdiene var ca 98%. Trenden var lik på 36 og 39% råstofffuktighetsinnhold, hvor binde hatt en positiv innvirkning på holdbarhet verdier (Tukey sin p <0,05). Ved 39% råmateriale fuktighetsinnhold med et bindemiddel tilsetning av 2 og 4%, holdbarhet verdiene økes til ca. 94-95%.

prosent Bøter

I den foreliggende undersøkelse, de prosentvise bøter genereres under pelletering var høyere ved 36 og 39% (WB) sammenlignet med 33% (WB) råstoff fuktighetsinnhold. Legge bindemidler resulterte i å senke de prosentvise bøter generert ved alle råstofffuktighetsinnhold sammenlignet med prøver uten bindemiddeltilsetning (figur 8). Pelletering tester utført uten bindemiddel viste den høyeste prosent bøter på ca 11% ved 39% (WB) råstoff fuktighetsinnhold. Tilsetning av 2 og 4% bindemiddel til halmstrå fra korn, reduserte de prosentvise finstoff som genereres under pelletering for 33% og 36% (WB) sammenlignet med pellets med noe bindemiddel tilsatt. Than laveste prosent bøter observert i denne studien var på 4% bindemiddeltilsetning og 33% (WB) råmateriale fuktighetsinnhold (ca. 3%).

Figur 8
Figur 8. Effekt av råstoff fuktighetsinnhold og stivelse bindemiddel på prosent bøter produsert fra pelletert materialet. På råvarefuktighetsinnhold på 33, 36 og 39% (WB) tilsetning av bindemiddel reduserte prosent bøter i pelletert materialet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Spesifikke energiforbruket

Det spesifikke energiforbruket ble påvirket av bindemiddeltilsetning (figur 9). Uten bindemiddel, den spesifikke noERGY ved 33, 36, og 39% utgangsmateriale fuktighetsinnhold var mellom 118-126 kWhr / tonn. Legge til en 2% bindemiddel redusert det spesifikke energiforbruket til ca 75-94 kWhr / tonn. Ytterligere økning av innblandingsprosenten til 4% ytterligere redusert spesifikt energiforbruk til omkring 68-75 kWhr / tonn for alle råstoff fuktighetsinnhold som ble testet. Legge bindemiddel på 2 og 4% redusert det spesifikke energiforbruket med ca 20-40%.

Figur 9
Figur 9. Effekt av råstoff fuktighetsinnhold og stivelse bindemiddel på det spesifikke energiforbruket for høy fuktighet pelleteringsprosessen. Spesifikt energiforbruk for høy fuktighet halmstrå fra korn pelleteringsprosessen ble redusert med omtrent 20-40% ved tilsetning av 2 og 4% stivelse basert bindemiddel. klikk her for å se et større versjo n av dette tallet.

Statistisk analyse

Statistisk analyse ble gjennomført i JMP 10 43. En to-veis ANOVA ble anvendt for å bestemme effektene av råstoff fuktighetsinnhold (33, 36, 39%) og maisstivelse bindemiddel (0, 2, 4%) for pellet fuktighetsinnhold (n = 3), pellet diameter (n = 10), ekspansjonsforhold (n = 10), og romvekt (n = 3). En tre-veis ANOVA ble anvendt for å bestemme effekten av vanninnhold (33, 36, 39%), maisstivelse bindemiddel (0, 2, 4%), og tørking (før tørking, etter tørking) på holdbarhet (n = 3 ). Rester møtte ANOVA forutsetninger for normalitet og homogenitet av varians. For å oppfylle disse forutsetninger, ble pelleten fuktighetsinnhold transformert ved å heve data til 4 te potens. Hvis de faktorene som ble testet i ANOVA var signifikant på p <0,05, ble Tukey HSD tester brukes for post hoc parvise sammenligninger.

telt "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Tabell 3
Tabell 3. Statistisk signifikans av prosessvariablene basert på analyse av varians (ANOVA).

Discussion

De kritiske trinn i høy fuktighet pelle metode for å fremstille pellets med den ønskede holdbarhet ved lavere spesifikt energiforbruk er: 1) tørking av høy fuktighet halmstrå fra korn til de ønskede fuktighetsnivået (33-39%, wb), 2) prosent bindemiddeltilsetning og 3) som mater høy fuktighet biomasse jevnt inn i pelletmøllen. Råstoff fuktighet og prosent bindemiddel er prosessvariabler som påvirket pellet egenskaper (tetthet og holdbarhet av pelletene før avkjøling og etter tørking) og spesifikt energiforbruk i pelleteringsprosessen. Det anbefales å teste fuktighetsinnholdet i råstoffet før den brukes til granulatorer studier. Fôring av høy fuktighet mais Stover på 33, 36 og 39% (WB) jevnt til pellet møllen har en innvirkning på kvalitet og energiforbruk. Endring av pellet mill materen med en frekvensomformer var viktig å mate biomasse jevnt til pellet mill.

Resultater fraDenne studien viste at tilsetning av bindemiddel og høy fuktighet halmstrå fra korn gjorde redusere bulktettheten av pelletene marginalt, men forbedret holdbarhet betydelig. Tilsetning av et stivelsesbasert bindemiddel økes fuktighetsinnholdet i pelletene etter komprimering og ekstrudering, men økningen ble ikke funnet å være statistisk signifikant på nesten alle de studerte tilfeller. Tapet av fuktighet under pelletering var omtrent 3 til 4% ved tilsetning av 4% bindemiddel, mens det var høyere (7-8%, wb) uten bindemidlet. Tilsetningen av et bindemiddel til halmstrå fra korn kan ha 1) reduserte oppholdstiden for materialet i dysen og 2) reduserte friksjonsmotstander i formen, for derved å redusere dysen temperatur, noe som kunne ført til mindre tap av fuktighet under kompresjonen og ekstrudering i pelleten dø.

Det var en økning i pelletsdiameteren etter at den ble ekstrudert fra pelleten dysen og tørket (figur 4). Økningen var storer høyere råstoff fuktighetsinnhold og med stivelse bindemiddel tillegg. Bulktettheten av pelletene var i området fra 510-530 kg / m3 ved 33% (WB) råmateriale fuktighetsinnhold med og uten et bindemiddel. Tidligere forskning har indikert at høyere råmateriale fuktighetsinnhold på ca. 38% (WB) resulterer i lavere bulktetthet, hovedsakelig på grunn av ekspansjon av pelletene når de kommer ut gjennom dysen 21,28. Det er et vanlig fenomen at når høy fuktighet biomasse materiale ekstruderes gjennom dysen under trykk det resulterer i fukt avdunsting 12,21. Fuktigheten flash-off gir måte til utvidelse av pelleten, både i aksial og diametral retning. Generelt er den diametrale utvidelse mer fremtredende i forhold til aksial ekspansjon. En annen grunn for utvidelse oppførselen til biomassen etter kompresjon og ekstrudering gjennom pelleten dysen kan være at biomasse fibre slappe av i nærvær av fuktighetsinnhold. Ndiema et al. 45 ogMani et al. 18 indikerte at frigjøring av det påførte trykk i en dyse fører til avslapping av komprimert biomasse. Avspenningsegenskaper er avhengig av mange faktorer som partikkelstørrelse, råstoff fuktighetsinnhold og påført trykk. Også i denne studien har vi observert at øker egenvekt etter tørking, som kan være på grunn av færre inter-partikkel flytende broer som kan ha holdt partiklene nærmere og produsert en mindre åpen struktur. Oginni 45 observert at romdensiteten av malt Loblolly furu ble redusert med økende fuktighetsinnhold.

Holdbarhet av pelletene ble målt for å forstå styrken av pelletene. Vanligvis pellets er underlagt klippe og slagmotstander under lagring, transport og håndtering prosessen 4,46. Kaliyan og Morey 47 antydet at holdbarheten av pellets produsert umiddelbart etter produksjon (grønn styrke) er annerledes enn durability av pellets som er lagret i noen dager etter produksjon (herdet styrke). Pellets med lavere holdbarhet verdier bryte og øke risikoen for oppbevaring, slik som off-gassing og selvantennelse som kan føre til tap av inntekter for pelletsprodusenter. Ifølge European Committee for Standardization (CEN) og USA Pellet Fuels Institute (PFI) de anbefalte verdiene av holdbarhet er> 96,5% for høy kvalitet eller premium grade pellets 31. I denne studien holdbarhet verdiene økte til omtrent 94-95% når pelletert med et stivelsesbindemiddel ved 39% fuktighetsinnhold sammenlignet med pelleter laget med noe bindemiddel som hadde slitestyrke-verdier i området fra 83 til 85% etter tørking. Pellets produseres på 33% (WB) råstoff fuktighetsinnhold hadde holdbarhet verdier> 96,5% og møte internasjonale standarder.

Fuktighet har ulike funksjoner under biomasse pelletering, inkludert: 1) solid bro dannelse mellombiomassepartiklene på grunn av van der Waals krefter, 2) aktivering av naturlige bindemidler som proteiner, stivelse og lignin tilstede i biomassen, og 3) å fremme stivelse og proteinbaserte reaksjoner som gelatinering og denaturering som har en sterk innflytelse på de teksturelle egenskaper, såsom hardhet 4-12. I tilfelle av lignocellulose biomasse, er det viktigste bindemidlet lignin (trevirke: 27-33%, urteaktige biomasse: 12-16%) 4. Lignin innhold i korn Stover var fast bestemt på å gjennomsnitt rundt 16% basert på en gjennomgang av data komposisjon, herunder litteraturkilder og råstoff databaser 48. Lignin molekyler, som har høyere mobilitet ved høyere fuktinnhold, fungerer som et lim og resultere i sterkere binding; imidlertid, ved svært høye nivåer av fuktighet vil virke mer som et smøremiddel som resulterer i mindre binding. I den foreliggende undersøkelse, ved et meget høyt fuktighetsinnhold på ca. 39% (WB) fuktighet kan ha fungert mer som et smøremiddel, og resulterte i lav holdbarhet ennd mer bøter generasjon i pellet produksjonsprosessen. Høyere holdbarhet verdier ble observert ved tilsetning av et bindemiddel til en høyere utgangsmateriale fuktighetsinnhold på 36 og 39% (IM), som kan være forårsaket av gelatinering av stivelse i nærvær av pres temperatur og råstoff fuktighetsinnhold. Disse gelatine reaksjoner kan føre til dannelse av tverrbinding av stivelse med de andre biomassekomponenter.

De prosentvise bøter generert under pelleteringsprosessen er en god indikator for hvor godt biomasse vil danne pellets. Generering av fine partikler i løpet av pelle prosessen resulterer i produkt og provenytapet til pelletsprodusent. Overdreven fin generasjon under granulatorer prosesser kan også ha en innvirkning på kvalitetsegenskaper som tetthet og holdbarhet. Den bøter generasjonen under pelletsproduksjon prosessen påvirkes av biomasse sammensetning (dvs. stivelse, protein, lignin, og voks), pellet mill prosessvariabler <em> dvs. lengde til diameterforhold (L / D-forhold), die rotasjonshastighet, damp tilstand, forvarming), og råstoff variable (dvs. råmateriale fuktighetsinnhold, partikkelstørrelse og matehastighet) 4. De foreliggende resultater indikerer at tilsetningen av bindemidlet ikke bare reduserer den prosent av fine partikler som genereres, men også bidrar til å forbedre de fysikalske egenskaper og samtidig redusere det spesifikke energiforbruk. Lavere prosent bøter generert tyder på at biomassen har en større pelletability.

Tumuluru et al. 4 i sin omtale av fortetting systemer som er egnet for å lage biomasse til en handelsvare typen produkt indikerte at tilsetning av bindemidlet bidrar til å redusere ekstrudering energi, noe som resulterer i reduksjon av det spesifikke energiforbruk. Typisk lengde til diameter (L / D) -forhold styrer oppholdstiden for materialet i formen, og bidrar til bindingen av biomassen. Dessuten styrer L / D-forhold ekstruderingen energi og den spesific energiforbruk. Høyere L / D-forholdet øker oppholdstiden, som forbedrer de fysikalske egenskaper av pelletene, men øker den energi som er nødvendig for ekstrudering. Å tilsette et bindemiddel til biomasse kan bidra til å binde biomassen ved laveste L / D-forhold og redusere ekstrudering energi. I denne studien ble en konstant lengde og diameter (L / D) -forhold på (2,6) som er valgt. Videre forskning er rettet mot å forstå virkningen av L / D-forhold av pelleten dysen og dens interaksjon med råmaterialet fuktighetsinnhold på pellet kvalitetsegenskaper.

De eksperimentelle data på biomasse forbehandling (sliping, tørking og pelletering) hentet fra biomasse National User Facility (https://www.inl.gov/bfnuf/) plassert ved INL og tilhørende techno-økonomisk analyse indikerte at tørking av biomasse fra 30- 10% (wB) forbruker en stor energimengde (upubliserte data). Den høye fuktigheten pelletering prosessen utviklet ved INL kan bidra til å redusere pellet produksjonskostnader sammenlignet med en konvensjonell pelletproduksjonsmetode 24. Denne studien viste at tilsetning av et stivelsesbasert bindemiddel til en høy fuktighets pelleteringsprosessen forbedret holdbarhet av pelletene til> 92% etter avkjøling på råstoff fuktighetsinnhold på 36 og 39% (IM), og det også redusert spesifikk energi forbruket av pelleteringsprosessen med omtrent 20-40%. Større holdbarhet verdiene av pelleter laget ved høyere råmateriale fuktighet er viktig fordi de kan håndteres effektivt av transportbånd. Vanligvis lav holdbarhet pellets smuldre til bøter under håndtering og lagring, noe som resulterer i tap av inntekter for pelletsprodusenter. I tillegg kan finstoff som dannes i prosessen føre til sikkerhetsproblemer som spontan forbrenning og av-gassing 28,41. Den spesifikke energireduksjon på 20-40% ved bruk av et bindemiddel oppveier prisen på bindemidlet. Også, basert på denne undersøkelsen kan vi konkludere at noen av biproduktene fra næringsmiddelindustri kan brukes for biomasse pellefor bioenergi applikasjoner. For tiden, er den høye fuktighet pelleteringsprosessen vist ved bruk av en laboratorie-skala flat dyse pellet møllen. Protokollen er beskrevet her for laboratorieskala pellet mill vil være grunnlaget for å utvikle oppskalering modeller og for å teste prosessen i pilotskala og kommersiell skala pelletsfabrikker.

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 korn Stover høy fuktighet granulatorer prosessvariabler stivelse bindemiddel pellets egenskaper spesifikt energiforbruk
Metode for å produsere Durable Pellets på lavere energiforbruk ved hjelp av høy fuktighet Corn Stover og en maisstivelse Binder i en Flat 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