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Método para la producción de pellets duraderas en un menor consumo de energía Uso de alta humedad Maíz Stover y un almidón de maíz Carpeta en un plano 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

En este estudio, se desarrolló un protocolo para producir pellets de buena calidad utilizando un molino de pellets de matriz plana en reducida pruebas consumo específico de energía rastrojo de maíz de alta humedad y un aglutinante a base de almidón. Los resultados indicaron que la adición de un aglutinante de almidón de maíz mejoró la durabilidad del gránulo, reduce porcentaje de finos y la disminución de consumo de energía específica.

Abstract

Un reto importante en la producción de pellets es el alto costo asociado con el secado de la biomasa de 30 a 10% (wb) contenido de humedad. En el Laboratorio Nacional de Idaho, un proceso de granulación de alta humedad fue desarrollado para reducir el coste de secado. En este proceso, los pellets de biomasa se producen con contenidos de humedad más altos de materia prima que los métodos convencionales, y los sedimentos de alta humedad producidos se secaron adicionalmente en secadores de eficiencia energética. Este proceso ayuda a reducir el contenido de material de alimentación de la humedad en aproximadamente 5 a 10% durante la granulación, que es principalmente debido al calor de fricción desarrollado en la matriz. El objetivo de esta investigación fue explorar cómo ligante Además influye en la calidad de los pellets y el consumo energético del proceso de granulación de alta humedad en una fábrica de pellets de matriz plana. En el presente estudio, el rastrojo de maíz crudo se sedimentaron a humedades de 33, 36, y 39% (BM) por adición de 0, 2, y el almidón de maíz puro 4%. Los gránulos parcialmente secos producidos se secaron adicionalmente en alaboratory horno a 70 ° C durante 3-4 horas para bajar la humedad de pellets a menos del 9% (BM). La alta humedad y gránulos secos fueron evaluados por sus propiedades físicas, como la densidad a granel y durabilidad. Los resultados indicaron que el aumento del porcentaje de aglutinante a 4% mayor durabilidad de pellets y redujo el consumo específico de energía en un 20-40% en comparación con gránulos sin aglutinante. A mayores Además aglutinante (4%), la reducción de la humedad durante la granulación carga de alimentación fue <4%, mientras que la reducción fue de aproximadamente 7-8% sin el aglutinante. Con 4% de aglomerante y 33% (wb) contenido material de alimentación de la humedad, los valores de densidad y durabilidad a granel observados de los gránulos secos fueron> 510 kg / m 3 y> 98%, respectivamente, y el porcentaje de partículas finas generadas se redujo a <3 %.

Introduction

La biomasa es una de las principales fuentes de energía en el mundo y es considerado como neutro en carbono 1. La densidad aparente de la biomasa leñosa embalado, así como la biomasa agrícola del suelo y serrada es baja. Densidades aparentes bajas de biomasa embalado (130-160 kg / m 3), biomasa aérea (60-80 kg / m3) y la biomasa de madera en astillas (200-250 kg / m 3) Crear almacenamiento, transporte y manejo de las cuestiones 2, 3. Densificación o compresión de la biomasa del suelo mediante el uso de presión y temperatura aumenta la densidad aparente en alrededor de 5 a 7 veces, y ayuda a superar las limitaciones de transporte y almacenamiento 4. Fábricas de pellets, briquetas, prensas y extrusoras de tornillo son sistemas de densificación utilizados normalmente para la biomasa 4. El análisis del punto de equilibrio distancia de transporte de materia prima de biomasa embalado y en gránulos indicó que los pellets se pueden transportar 1,6 veces más lejos que las balas utilizando un camión por el mismo costo 5. El transporte eficiencias de los pellets de aumentar con otros medios de transporte como el ferrocarril, ya que es limitado por volumen en comparación con los camiones que están limitados en peso. Actualmente, en Europa los pellets producidos a partir de biomasa de madera son ampliamente utilizados para la generación de bio-poder. Canadá y Estados Unidos son los principales productores y proveedores de pellets de madera a Europa 6. Pellets producidos a partir tanto de la biomasa leñosa y herbáceas se pueden utilizar tanto para termoquímico (cocombustión, gasificación, y pirólisis) y la conversión bioquímica (etanol) aplicaciones 7-9.

Las cualidades de pellets (densidad y durabilidad) y el consumo específico de energía del proceso de granulación son dependientes de las variables de proceso del molino de pellets, tales como diámetro de la matriz, mueren velocidad y relación de longitud a diámetro de las variables de matriz y de materias primas, tales como el contenido de materia prima de humedad y la composición 4. Tanto fábrica de pellets de variables de proceso y variables de materia prima influenciala calidad de los gránulos y la energía específica utilizada en el proceso. Las dimensiones de matriz (es decir, relación de longitud a diámetro) influirán en la compresión y extrusión de presión, y la velocidad de rotación de matriz controla el tiempo de permanencia del material dentro de la matriz. El contenido de humedad es una variable de materia prima que juega un papel importante mediante la interacción con los componentes de la composición de la biomasa (es decir, proteína, almidón, y lignina) debido a la alta temperatura y la presión encontradas en la matriz. La presencia de humedad aumenta las fuerzas de van der Waals, lo que aumenta la atracción entre las partículas de biomasa 10. En general, el aumento de la humedad en los impactos de biomasa, la densidad aparente del producto comprimido debido a la expansión diametral y lateral a medida que sale de la fábrica de pellets o prensa de briquetas mueren 10. composición de la biomasa, tal como almidón, proteínas, lignina, y otros hidratos de carbono solubles en agua, influye en el comportamiento de unión cuando se somete a presión unand temperatura en equipos de densificación 11. Algunas de las reacciones comunes de composición que son influenciados por la humedad material de alimentación, temperatura de la matriz, y la presión son la gelatinización del almidón, desnaturalización de las proteínas y de transición vítrea lignina. En general, a temperaturas de 100 ° C o mayor y un contenido de humedad de la materia prima mayor que 30%, de almidón en la alimentación humana y animal se gelatinizado e influye en las propiedades de textura como dureza 12. Por lo general, las reacciones son almidón de gelatinización, pegar y retrogradación. Entre estas reacciones, la gelatinización tiene la mayor influencia en las propiedades de pellets 13. El almidón se incluye a menudo en aplicaciones alimentarias y no alimentarias como aglutinante. Por ejemplo, en el almidón formulación de comprimido farmacéutica se utiliza como material de carga 4,14. La proteína en la biomasa se ​​somete a la desnaturalización y forma enlaces complejos debido a la alta temperatura y la presión experimentada en el proceso de densificación 11. En general, el aumento de unamontajes de proteína en la biomasa resultará en un 15,16 pellet más duradera. Por ejemplo, alfalfa, que tiene una mayor cantidad de proteínas, resulta en gránulos duraderos con mayor contenido de humedad materia prima. La grasa de la biomasa reduce las fuerzas de fricción y la energía de extrusión durante la granulación o briqueteado 11,17. En la biomasa lignocelulósica, la presencia de lignina en el material vegetal ayuda a formar gránulos sin añadir aglutinantes 18. La biomasa leñosa tiene mayor contenido de lignina (29-33%) en comparación con una biomasa herbácea, que consiste típicamente en 12 a 16% 4,19 lignina. En un menor contenido de humedad de la materia prima de alrededor de 10-12% (BM), temperatura de transición vítrea de la lignina es mayor que 140 ° C 20; mientras que, aumentando el contenido de humedad se reduce la temperatura de transición vítrea 21. De acuerdo con Lehtikangas 22, la temperatura de transición vítrea de lignina a 8-15% (BM) el contenido de humedad es de aproximadamente 100-135 ° C, but aumentar el contenido de humedad a> 25% (wb) reduce la temperatura de transición vítrea a <90 ° C.

biomasa herbácea está disponible a un mayor contenido de humedad en función del tiempo método de cosecha y la cosecha. En el caso del método de cosecha de un solo paso del material cosechado tendrá un contenido de humedad> 30% (BM) 23. La biomasa se seca típicamente a alrededor de 10% (wb) contenido de humedad para que sea aeróbicamente estable y para evitar la pérdida de materia seca durante el almacenamiento. Lamers et al. 24 indicó que la biomasa puede procesar previamente a un contenido de humedad del 30% del costo total de ambos, pulidoras (etapas 1 y 2) y de secado es de aproximadamente $ 43.60 / tonelada seca, y aproximadamente $ 15.00 / tonelada seca es sólo para el secado de la biomasa. El secado de la biomasa toma alrededor de 65% de la energía total pre-procesamiento, y la granulación tarda aproximadamente 8-9% 24. Yancey et al. 25 se ha corroborado el hecho de que el secado es el principal consumidor de energía en biomasa preprocessing. Los datos experimentales y análisis tecno-económico que la gerencia de la humedad eficaz es crucial para reducir los costos de pre-procesamiento de la biomasa. Una forma de disminuir el coste de secado y gestionar la humedad material de alimentación de manera más eficiente es utilizar un proceso de granulación de alta humedad, junto con un método de secado a baja temperatura. En el proceso de granulación de alta humedad desarrollado en el Laboratorio Nacional de Idaho, la biomasa se sedimentaron a contenidos de humedad mayor que 28% (wb); los pellets producidos parcialmente secas, que siguen siendo altos en humedad, se pueden secar en secadoras energéticamente eficientes, tales como granos o cinturón secador 21. Una ventaja importante de la granulación de alta humedad es que ayuda a reducir el coste de secado, que a su vez resulta en una reducción de costo total de producción de pellets. Análisis Techno-económico indicó que los costos de energía y de producción se reducen en aproximadamente un 40 a 50% utilizando el proceso de granulación de alta humedad en comparación con un 24,26 método de granulación convencional. la majo la razón de la reducción de los costes de producción de pellets se debe a la sustitución de un secador rotatorio que opera a altas temperaturas de 160 a 180 ° C con un secador de grano que opera a temperaturas más bajas de alrededor de 80 ° C o menos 21. Las otras ventajas de la sustitución de un secador rotatorio con un cinturón o un secador de grano son: 1) una mayor eficacia, 2) la reducción de riesgo de incendio, 3) no necesita calor de alta calidad, 4) reducción de compuestos orgánicos volátiles (COV), 5) redujo las emisiones de partículas, y 6) no se aglomera alta arcilla o biomasa pegajosa 27. La etapa de acondicionamiento de vapor de alto consumo energético en la granulación convencional, normalmente se utiliza para aumentar la humedad y activar algunos de los componentes de la biomasa, se sustituye por una etapa de precalentamiento corto. Este paso ayuda a reducir el contenido de humedad de materia prima, así como activar componentes de la biomasa como lignina. El calor de fricción desarrollado en la matriz de pellets también ayuda a reducir el contenido de humedad de la materia prima aproximadamente 5-8% (BM) 21,28. En la gama alta mproceso de granulación oisture, la fábrica de pellets no sólo comprime la biomasa, sino que también ayuda a reducir el contenido de humedad durante la compresión y extrusión. Muchos investigadores han realizado experimentos sobre la granulación de la biomasa cruda y tratada previamente químicamente a una amplia gama de contenidos de humedad (7-45%, WB) utilizando una sola, de laboratorio, el anillo de escala piloto mueren y sistemas de revestimiento continuos comerciales 10,25,29-40, (Pace, D. 2015. la granulación de explosión de fibra de residuos sólidos urbanos y amoniaco (AFEX) tratada previamente rastrojo de maíz en una fábrica de pellets anillo de matriz a escala piloto. Departamento de biocombustibles, jefe de máquinas, instalaciones del usuario biomasa Nacional, el Laboratorio Nacional de Idaho (datos no publicados)) . Estos investigadores ajustaron contenido de materia prima de humedad de la biomasa a los diferentes niveles deseados para comprender el efecto del contenido de humedad en los atributos de calidad de los pellets.

atributos de calidad de pellets, densidad aparente y durabilidad, son las especificaciones normativas de acuerdo con los EE.UU.Un Instituto con base de pellets de combustible (PFI). Sin embargo, de acuerdo con el Comité Europeo de Normalización durabilidad (CEN) es una densidad normativa y mayor es una especificación informativa 41. Los comprimidos con valores de durabilidad> 96,5% y la densidad aparente> 640 kg / m 3 se designan en forma de gránulos super premium basados ​​en estándares PFI, mientras pellets con valores de durabilidad> 97,5% son designados en forma de gránulos con el más alto grado. Tanto las normas CEN y PFI recomiendan gránulos con diferentes diámetros. Por ejemplo, PFI recomienda un diámetro en el intervalo de 6,35 a 7,25 mm, mientras que CEN recomienda un diámetro que oscila desde 6 hasta 25 mm y una longitud de pellets de menos de o igual a 4 veces el diámetro 41. Se prefieren los gránulos de menor diámetro (6 mm) para el transporte de largas distancias teniendo en cuenta que tienen mayores densidades de empaquetamiento 28. Para los procesos de granulación convencionales, se recomienda para sedimentar la biomasa a bajos contenidos de humedad para cumplir con estas especificaciones de densidad desirable para transportar los gránulos largas distancias 41. Tanto el CEN y el PFI tienen grados de pellets adicionales 41. Tumuluru 28 y Tumuluru y Conner 40 indican que los procesos de revestimiento de alta humedad desarrolladas en ayuda Laboratorio Nacional de Idaho para producir forraje de maíz y pellets de madera con diferentes atributos de calidad (densidad a granel y durabilidad) y el consumo específico de energía que los hace adecuados para diferentes escenarios de transporte y logística.

La mayoría de los estudios de revestimiento sobre la biomasa se realizaron utilizando un único sistema granulación. Granulación datos de la biomasa mediante un sistema continuo a escala de laboratorio es limitada. Los estudios sobre los sistemas de revestimiento continuos serán útiles para entender el efecto de las variables del proceso de granulación como la velocidad de rotación dado, relación de longitud a diámetro y morir diámetro en los atributos de calidad y el consumo específico de energía. Los datos de granulación en los sistemas continuos se pueden usar más de scale el proceso de poner a prueba y sistemas a escala comercial. En general, un molino de troquel pellet plana se utiliza para la realización de estudios de revestimiento sobre leñosa y biomasa herbácea en un laboratorio 4. El principio de funcionamiento de la matriz plana a escala de laboratorio, piloto, y los molinos de anillo de matrices de pellets a escala comercial son similares. Todas estas fábricas de pellets tienen un troquel de acero duro perforada con dos o tres rodillos. Mediante la rotación de la matriz, los rodillos ejercen fuerza en el material de alimentación y fuerzan a través de las perforaciones de la matriz para formar gránulos densificados 4.

Nuestros estudios anteriores sobre la granulación de alta humedad del forraje de maíz en el contenido de humedad de la materia prima de 28-38% (BM) sin adición de aglutinante dieron como resultado valores de durabilidad más bajos en contenido de humedad más altos de materia prima 21,28. La mejora de la durabilidad de pellets de alta humedad después del enfriamiento y secado es importante ya que ayuda a prevenir la desintegración de las pastillas (pérdida de la calidad del pellet) durante la manipulación, stola rabia y el transporte. La desintegración de los gránulos típicamente resulta en la generación de las multas y la pérdida de ingresos para los productores de pellets. Los aglutinantes se utilizan normalmente en el proceso de granulación para mejorar la calidad de los pellets, especialmente la durabilidad, y para reducir el consumo específico de energía. Aglutinantes naturales utilizados en el proceso de granulación son proteínas y almidón 4,28. El almidón se somete a la gelatinización, mientras que la proteína se somete a la desnaturalización en presencia de calor, la humedad y la presión. Ambas reacciones como resultado una mejor gránulos de unión y más durable a un menor consumo de energía. El objetivo general de este estudio fue desarrollar y demostrar un proceso de granulación de alta humedad con el rastrojo de maíz con la adición de un aglutinante para producir pellets de buena calidad en términos de durabilidad verde (después del enfriamiento) y la durabilidad curado (después del secado) a un menor el consumo específico de energía. Los objetivos específicos para el estudio fueron: 1) llevar a cabo la granulación de alta humedad del maíz stencima en diferentes contenidos de materia prima de humedad (33, 36, y 39%, BM) y el contenido de aglutinante de almidón (0, 2, y 4%), 2) evaluar las propiedades físicas (contenido de humedad de pellets, diámetro de las pastillas, relación de expansión, densidad aparente y durabilidad (verde y durabilidad curado), y 3) evaluar el consumo específico de energía del proceso de granulación.

Protocol

NOTA: Las balas de forraje de maíz se adquirieron en forma de balas procedentes de explotaciones agrícolas en Iowa, EE.UU.. Las balas obtenidos se molieron en secuencia en dos etapas. En el estadio 1, las balas de forraje de maíz se molieron utilizando un molino equipado con un tamiz 50,8 mm. En la etapa 2, el material de planta de la etapa 1 fue más terreno mediante el uso de un molino de martillos de Bliss equipado con una pantalla de 4,8 mm. El material se ensayó para determinar el contenido de humedad y la densidad aparente y se almacena en un recipiente hermético para realizar más pruebas de revestimiento. almidón de maíz puro fue obtenido a partir de un mercado local y se midió el contenido de humedad y densidad aparente. El contenido de humedad y densidad aparente de rastrojo de maíz molido y aglutinante de almidón de maíz se dan la Tabla 1.

tabla 1
Tabla 1. Contenido de humedad y densidad aparente de rastrojo de maíz molido y aglutinante de almidón de maíz.

1. Pellet Mill </ P>

  1. Utilice una fábrica de pellets de matriz plana a escala de laboratorio, equipado con un motor de 10 HP para llevar a cabo las pruebas de granulación (Figura 1) 21,28,38.

Figura 1
Figura 1. Esquema de una fábrica de pellets de matriz plana a escala de laboratorio en el Laboratorio Nacional de Idaho (adaptado de Tumuluru 21). Una fábrica de pellets de matriz plana se utilizó para realizar las pruebas de revestimiento de alta humedad rastrojo de maíz con y sin adición de aglutinante. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Coloque la cinta flexible de la calefacción en la superficie del alimentador de la tolva y el tornillo entonces aislarlos con lana de vidrio para evitar la pérdida de calor. Conectar la cinta de calentamiento para un controlador de temperatura para precalentar la biomasa a la temperatura deseada en el range de 30-130 ° C.
  2. Dotar a la fábrica de pellets con una unidad de frecuencia variable (VFD). Conectar el variador de frecuencia de la fábrica de pellets al motor fábrica de pellets. El controlador de motor del alimentador es un controlador de motor de corriente continua para variar la velocidad de alimentación a la fábrica de pellets.
  3. Conectar un medidor de potencia al motor fábrica de pellets para registrar el consumo de energía. elegir manualmente un pellet morir con una abertura de diámetro 8 mm y una longitud a diámetro (L / D) de 2,6.
  4. Añadir un enfriador de pellet horizontal a la fábrica de pellets para enfriar los gránulos calientes que salen de la matriz de pellets. Conectar el refrigerador a un sistema de escape para hacer circular el aire fresco.

2. Preparación de materia prima

  1. Tome 2-3 kg de suelo rastrojo de maíz utilizando una pantalla de 4,8 mm. Medir el contenido de humedad rastrojo de maíz (véase el paso 4.1) y la densidad aparente (véase el paso 4.3) (véase la Tabla 2).
  2. Mida el contenido de humedad (véase el paso 4.1) y la densidad aparente (véase el paso 4.3) del (100%) aglutinante de almidón de maíz puroadquirido en el mercado local.
  3. Añadir el almidón de maíz aglutinante a la rastrojo de maíz molido (véase Tabla 2 para la adición% de aglutinante)
  4. Calcular la cantidad de agua a añadir para ajustar los niveles de humedad de rastrojo de maíz molido y almidón de maíz mezcla aglutinante a 33, 36, y 39% (wb) utilizando la ecuación 1.
    Ecuación 1 = Ecuación 2 (1)
    NOTA: En la ecuación 1, W w es el peso de agua (g), W s es el peso de la muestra de la biomasa (g), m f: por ciento de contenido de humedad final de la muestra (BM), y m i: por ciento de contenido de humedad inicial de la muestra (wb%).
  5. Añadir el agua calculada para la / el almidón de maíz mezcla aglutinante de rastrojo de maíz y se mezcla en un mezclador de cinta a escala de laboratorio.
  6. Almacenar el maíz rastrojo de maíz / mezcla de almidón ajustada a la humedad en un recipiente sellado y colocarlo en un refrigerador cuya temperatura4-5 ° C para permitir que la humedad se equilibre.

3. Proceso de alta humedad peletización

  1. Tome la mezcla de almidón de rastrojo de maíz / maíz de la nevera y se deja a temperatura ambiente durante aproximadamente 1-2 horas para llevarlo a temperatura ambiente.
  2. Cargar el material en la tolva de alimentación de la fábrica de pellets. Ejecutar la fábrica de pellets a 60 Hz (380 rpm) mueren velocidad.
  3. Alimentar a la fábrica de pellets de manera uniforme mediante el ajuste de la velocidad de alimentación de la fábrica de pellets para producir gránulos en una condición de estado estable. Enfriar los gránulos en el enfriador de pellets horizontal.
  4. multas separadas generan en el proceso de granulación usando un tamiz de 6,3 mm.
    NOTA: Medir el contenido de humedad y la durabilidad de los pellets después del enfriamiento 21.
  5. Se secan los gránulos de alta humedad se enfrió en un horno de laboratorio a 70 ° C durante 3-4 horas para reducir el contenido final de humedad de los pellets a menos del 9% (wb).
    NOTA: Mida el contenido de pellet de humedad, densidad aparente, y durabilidad de los gránulos secos 21.
  6. Registro de los datos de potencia en una computadora durante el proceso de granulación.
    NOTA: Véase la Tabla 2 para las condiciones de ensayo de granulación y la Figura 2 para pellets producidos a los 33, 36 y 39% de humedad y un 4% de almidón de maíz, además de aglutinante.

tabla 1
Tabla 2. condiciones de ensayo experimental utilizado en el presente estudio.

Figura 2
Figura 2. Fotografía de los pellets de rastrojo de maíz producidas con 4% de aglutinante de almidón de maíz con diferentes contenidos de materia prima de humedad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. PelletPropiedades y consumo específico de energía

NOTA: Los sistemas ASABE 42 se utilizaron para la medición de las multas de contenido de humedad, densidad, durabilidad y porcentaje de materias primas y granulados.

  1. Poner alrededor de 25-50 g de las muestras de suelo y el rastrojo de maíz granulado en un laboratorio horno a 105 ° C durante 24 horas. Pesar la muestra antes y después del secado. Calcular el contenido de humedad utilizando la ecuación 2. Llevar a cabo los experimentos por triplicado.
    Ecuación 3 (2)
  2. Permite tomar una sola pastilla y suavizar los dos extremos con Grit Utilidad de tela. Medir el diámetro de las pastillas usando calibradores Vernier. Calcular la relación de expansión de la pastilla utilizando la ecuación 3 28. Medir el diámetro de los diez pellets.
    Relación de expansión = Ecuación 4 (3)
    NOTA: En la ecuación 3, D es el diámetro del extruido pellet (mm) y d es la diámetro de la boquilla (mm).
  3. Utilice un cilindro de vidrio plexi con una altura de 155 mm y un diámetro de 120 mm. Verter los gránulos en el cilindro hasta que rebose y nivelar la superficie superior con un borde recto. Pesar el cilindro con el material. Divida el peso del cilindro por el volumen del cilindro para calcular la densidad aparente. Repetir el experimento tres veces.
  4. Mano tamiz del material sedimentado utilizando una pantalla de 6,3 mm. Pesar el material que ha pasado a través de la pantalla. Calcular las multas por ciento utilizando la ecuación 4.
    = porcentaje de finos Ecuación 5 × 100 (4)
  5. Coloque aproximadamente 500 g de los gránulos sin finos en cada compartimiento del probador pellet durabilidad. Tumble los gránulos a 50 rev / min durante 10 min. Tamizar el material envejecido usando una pantalla de 6,3 mm. Utilizar la ecuación 5 para calcular el porcentaje de durabilidad de los gránulos.
    durabilidad =tp_upload / 54092 / 54092eq6.jpg "/> × 100 (5)
    Nota: durabilidad verde es la durabilidad de los gránulos medidos después del enfriamiento, y la durabilidad curado es la durabilidad medida después de secado de los gránulos a 70 ° C durante 3 hr.
  6. Registrar el consumo de energía fábrica de pellets utilizando software de registro de datos. Registrar los datos ninguna potencia de carga (kW) de la fábrica de pellets mediante la ejecución de la fábrica de pellets de vacío a una velocidad de troquel 60 Hz. Utilizar la ecuación 6 para calcular el consumo de energía específica (SEC).
    Ecuación 7 (6)

Representative Results

Contenido de humedad de pellets

El contenido de humedad de la biomasa se redujo en aproximadamente 5-8% (wb) después de la granulación. Esta reducción se atribuye principalmente al calor de fricción desarrollado en la matriz, y la temperatura de precalentamiento y enfriamiento de los altos gránulos de humedad. Además, aglutinantes tuvieron un impacto en la cantidad de humedad perdida. Al 0% de aglutinante, la pérdida de humedad fue aproximadamente 7-8%, lo que está de acuerdo con nuestros estudios anteriores 21,28; mientras que, en% de aglomerante 4, la pérdida de humedad en la materia prima durante la granulación era aproximadamente 3-5% (Figura 3). El aglutinante añadido a la biomasa podría haber actuado como un agente lubricante. Esto puede haber reducido las resistencias de fricción y reducido el tiempo de residencia del material en el canal de matriz que causa la disminución de la pérdida de humedad. En estudios previos morir temperatura medida inmediatamente después de la granulación usando un puerto de infrarrojos delrmometer (Fluke, Modelo 561, Fluke Corporation, Everett, WA, EE.UU.) llegó a alrededor de 100-110 ° C 21. Aumentar el porcentaje de aglutinante redujo la pérdida de humedad ya que la humedad podría haber sido fuertemente unido a los gránulos de almidón. Los gránulos de alta humedad que se secó adicionalmente en un horno de laboratorio a 70 ° C durante 3-4 hr tenía contenidos de humedad <9% (BM), y estos gránulos se utilizan para medir otras propiedades físicas tales como diámetro de las pastillas, relación de expansión, la densidad aparente y durabilidad. El análisis estadístico de los datos de contenido de humedad pellet indicó que no había un efecto interactivo de contenido de material de alimentación de la humedad y la adición de aglutinante en el contenido de humedad de pellets (Tabla 3). Para precipitados con no aglomerante y 2% de aglutinante, un aumento en el contenido de materia prima de humedad provocó un aumento en el contenido de pellets de humedad (p de Tukey <0,05), pero esta tendencia no fue estadísticamente significativa a 4% de aglutinante (p≥0.05 de Tukey; Figura 3) .


Figura 3. Efecto del contenido de material de alimentación de la humedad (FMC) y aglutinante de almidón en el contenido de humedad de pellets después del enfriamiento (media ± 1SD; n = 3). Pruebas granuladoras realizadas sin aglutinante resultó en la pérdida de material de alimentación de mayor contenido de humedad en comparación con las pruebas realizadas con aglutinante. Letras diferentes indican diferencias significativas usando pruebas post hoc de Tukey HSD (p <0,05). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Diámetro de pellets

El diámetro de los gránulos en el contenido de humedad 33% con y sin adición de aglutinante estaba en el rango de 8.4-8.7 mm después del enfriamiento (datos no mostrados). El aumento de las alimentacionescontenido de humedad tac a 36 y 39% (wb) con aglutinante añadido aumentó el diámetro de las pastillas a un valor máximo de 9,3 mm (datos no mostrados). Estos gránulos se secaron adicionalmente en un horno de laboratorio a 70 ° C durante aproximadamente 3-4 horas. El secado dio lugar a una disminución de diámetro de las pastillas de aproximadamente 0,3 hasta 0,4 mm. La principal razón para que una disminución en el diámetro después del secado era debido a la contracción de los gránulos. No hubo un efecto estadísticamente significativo de la interacción entre el contenido de material de alimentación de la humedad y la adición de aglutinante sobre el diámetro de pellet después de secar (Tabla 3). Al contenido de materia prima de humedad 33% del diámetro de las pastillas después del secado estaba en el rango de 8.3 a 8.5 mm, mientras que el aumento del contenido de humedad de materia prima a 36% o 39% de aumento del diámetro de pellets a aproximadamente 8,7 mm (Figura 4). Este incremento sólo fue estadísticamente significativa entre 33% y 39% cuando se utilizó (p de Tukey <0,05), probablemente no aglutinante debido a las altas desviaciones en las mediciones. Figura 4
Figura 4. Efecto del contenido de material de alimentación de la humedad (FMC) y aglutinante de almidón de maíz en diámetro de las pastillas después de secar (media ± 1SD; n = 10) de diámetro incrementado de pellets con un aumento en el contenido de humedad de materia prima y la adición de almidón.. Letras diferentes indican diferencias significativas usando pruebas post hoc de Tukey HSD (p <0,05). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

relación de expansión

Relación de expansión se calcula utilizando el diámetro de las pastillas (ecuación 3). Los valores de la relación de expansión fueron más altos para los gránulos después de enfriar en comparación con después de secar (datos no mostrados). Al contenido de humedad 33% con y sinAdemás aglutinante, los valores de la relación de expansión Después de enfriar estaban en el rango de 1.16 a 1.20. aumentando aún más el contenido de humedad a 36 y 39% sin adición de aglutinante aumento de los valores de la relación de expansión de 1,35. Los gránulos secos tenían relaciones de expansión inferiores, que se debió principalmente a la contracción de los pellets tanto diametralmente y lateralmente. Al contenido de materia prima de humedad 33% los valores de la relación de expansión con y sin adición de aglutinante estaban en el rango de 1.11 a 1.7 (Figura 5). El aumento del contenido de humedad de materia prima a 36 y 39% aumentado aún más los valores de la relación de expansión de 01/10 a 01/18 (Figura 5); sin embargo, esto fue sólo estadísticamente significativa para 33% con respecto al contenido de humedad 39% sin adición de aglutinante (p de Tukey <0,05; Tabla 3). En el caso de diámetro de las pastillas y la relación de expansión, la adición de un aglutinante a base de almidón aumentó estos valores a todos los contenidos de humedad de materia prima, pero estas diferencias no fueron estadísticamentesignificativo (p≥0.05 de Tukey). La relación de ampliación resultados después de secado corroboran los hallazgos de estudios anteriores, en los que el aumento de la humedad materia prima aumentó la relación de expansión y disminuyeron aún más los valores de la densidad aparente 28.

Figura 5
Figura 5. Efecto del contenido de material de alimentación de la humedad (FMC) y el aglutinante a base de almidón en la relación de expansión de los gránulos después del secado (n = 10). Relación de expansión de los gránulos aumentó con un aumento en el contenido de material de alimentación de la humedad sin y con adición de aglutinante. Letras diferentes indican diferencias significativas usando pruebas post hoc de Tukey HSD (p <0,05). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Den a granelsidad

La densidad aparente de los gránulos hechos con un contenido de materia prima de humedad de 33% con y sin aglutinante y medidos después del enfriamiento estaba en el intervalo de 464 a 514 kg / m 3 (datos no mostrados). Al contenido de material de alimentación de la humedad 36 y 39% sin aglutinante los valores de densidad a granel estaban en el rango de 437 a 442 kg / m 3. La adición de aglutinante en el material de alimentación de estos contenidos de humedad reducción de la densidad a granel a <400 kg / m 3. El secado de las pastillas de alto contenido de humedad en un horno de laboratorio a 70 ° C durante aproximadamente 3 horas reduce el contenido de humedad de las pastillas a menos del 9% (BM). Hubo un ligero aumento en los valores de densidad aparente de aproximadamente 50 kg / m 3 después del secado. El aumento de la densidad aparente después del secado podría ser debido a un menor número de puentes líquidos entre las partículas, que podrían haber mantenido las partículas más estrecha con estructura menos abierta. Oginni 44 observó que la densidad aparente del suelo de Loblolly pinoarrugado con un aumento en contenido de humedad. Para precipitados hechos con un contenido de materia prima de humedad de 33% con y sin la adición de aglutinante, la densidad aparente de los gránulos estaba en el intervalo de 520 a 530 kg / m 3 (Figura 6). A contenidos de humedad más altos de materia prima de 36 y 39% (BM), la densidad aparente de los gránulos secos se redujo de manera significativa a <434 kg / m 3 y <437 kg / m 3, respectivamente. No hubo un efecto estadísticamente significativo de la interacción entre el contenido de material de alimentación de la humedad y la adición de aglutinante sobre la densidad aparente (Tabla 3). En general, la densidad aparente disminuyó con un aumento en el inicio de contenido de material de alimentación de la humedad. Además, hay algunos indicios de que la densidad aparente disminuyó con un aumento en el contenido de almidón (Figura 6).

Figura 6
Figura 6. Effect de contenido de material de alimentación de la humedad (FMC) y aglutinante de almidón en la densidad aparente de los gránulos después del secado (media ± 1SD; n = 3) Bajo contenido de humedad material de alimentación de 33% (BM) y no aglutinante resultó en la densidad aparente más alta.. Adición de 2 y 4% de aglutinante con diferentes contenidos de materia prima de humedad resultó en valores de densidad aparente más baja. Letras diferentes indican diferencias significativas usando pruebas post hoc de Tukey HSD (p <0,05). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Durabilidad (%)

después de enfriar

Durabilidad verde

La Figura 7 muestra la durabilidad de los pellets después del enfriamiento (gfuerza reen) y después de secar en un horno a 70 ° C durante 3-4 horas (fuerza curado). Los valores más altos de durabilidad de pellets de alta humedad son deseables, ya que dará lugar a menos roturas durante la manipulación y almacenamiento debido a las resistencias de cizallamiento y de impacto. Para el ANOVA, la interacción fue significativa entre el contenido de material de alimentación de la humedad, el por ciento de aglutinante, y el secado (Tabla 3). Los valores de durabilidad de los gránulos después del enfriamiento aumentó con un aumento en contenido de aglutinante (Tabla 3; de Tukey p <0,05). En el 33% (BM) como materia prima el contenido de humedad, los valores de durabilidad sin aglutinante eran aproximadamente el 87,2%; mientras que, con la adición de un aglutinante de almidón 2 y 4%, los valores de durabilidad aumentaron a 93,2 y 96,1% (Figura 7). La tendencia fue similar para el resto del contenido de humedad del material de alimentación de 36 y 39% (BM). Sin aglutinante los valores de durabilidad eran alrededor del 80%; sin embargo, la adición de aglutinante a la biomasa aumentó los valores de durabilidad. La durabilidad incrdisminuido a alrededor de 90% cuando gránulos se hicieron con un contenido de materia prima de humedad de 36% y el aglutinante de almidón 4%. En incluso mayor contenido de humedad material de alimentación de 39% (wb) la tendencia fue similar, pero los valores globales de durabilidad disminuyó en comparación con el resto del contenido de materia prima de humedad.

Figura 7
Figura 7. Efecto del contenido de humedad de la materia prima (FMC) y aglutinante de almidón en la durabilidad después del enfriamiento y después de secar. (Media ± 1SD; n = 3) los valores de durabilidad de pellets de rastrojo de maíz con alto contenido de humedad producidos a los 33, 36 y 39% (BM) contenido de materia prima de humedad aumentó con la adición de aglutinante tanto después del enfriamiento y después del secado. Letras diferentes indican diferencias significativas usando pruebas post hoc de Tukey HSD (p <0,05). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. </ P>

después de secar

Durabilidad curado

El secado de los gránulos de alta humedad en un horno de laboratorio a 70 ° C durante 3-4 horas resultó en la curación de las pastillas, lo que aumenta la durabilidad de los gránulos. Los valores de durabilidad de los pellets obtenidos a los 33, 36 y 39% (BM) el contenido de humedad de materias primas aumentaron a> 92% (Figura 7). Los valores de durabilidad en el contenido de materia prima de humedad 33% aumentó a alrededor de 98% después de secarse (Figura 7). Estos resultados coinciden estrechamente con los trabajos anteriores 21,28. Los valores de durabilidad de los gránulos hechos usando un aglutinante aumentaron después del secado (p de Tukey <0,05). Al contenido de materia prima de humedad 33% y 4% de aglutinante, los valores de durabilidad finales observados fueron aproximadamente 98%. La tendencia fue similar al 36 y 39% de materia primacontenido de humedad, donde el aglutinante tuvo un impacto positivo en los valores de durabilidad (de Tukey p <0,05). Al contenido de humedad material de alimentación de 39% con una adición de aglutinante de 2 y 4%, los valores de durabilidad aumentaron a aproximadamente 94-95%.

Las multas por ciento

En el presente estudio, las multas por ciento generados durante la granulación fueron superiores a los 36 años y el 39% (BM) en comparación con 33% de humedad (BM) como materia prima. Adición de aglutinantes dieron como resultado la reducción de las multas por ciento generados en todos los contenidos de humedad de materia prima en comparación con las pruebas con sin adición de aglutinante (Figura 8). Pruebas de peletización realizadas sin ligante mostraron los más altos ciento multas de alrededor del 11% al 39% (BM) como materia prima el contenido de humedad. Adición de 2 y 4% de aglutinante al rastrojo de maíz, disminución de las multas por ciento generados durante la granulación para 33% y 36% (wb) en comparación con gránulos sin aglutinante añadido. Tél multas por ciento más bajos observados en este estudio fueron en el 4%, además de aglutinante y el 33% (BM) el contenido de humedad de materia prima (aproximadamente 3%).

Figura 8
Figura 8. Efecto del contenido de material de alimentación de la humedad y el ligante de almidón en las multas por ciento producidos a partir del material sedimentado. En contenidos de humedad de materia prima de 33, 36 y 39% (wb) la adición de aglutinante redujo las multas por ciento en el material sedimentado. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El consumo de energía específica

El consumo de energía específica fue influenciado por la adición de aglutinante (Figura 9). Sin aglutinante, la específica enener- en el contenido de humedad del material de alimentación 33, 36, y 39% fue entre 118-126 kWh / tonelada. La adición de un aglutinante 2% redujo el consumo específico de energía a alrededor de 75 a 94 kWh / tonelada. Además el aumento del porcentaje de aglutinante a 4% reduce aún más el consumo específico de energía a alrededor de 68 a 75 kWh / tonelada para todos los contenidos de humedad de materia prima que se probaron. La adición del aglutinante a las 2 y 4% redujo el consumo de energía específico en aproximadamente un 20-40%.

Figura 9
Figura 9. Efecto del contenido de material de alimentación de la humedad y el ligante de almidón en el consumo específico de energía del proceso de granulación de alta humedad. Consumo específico de energía del proceso de granulación rastrojo de maíz de alta humedad se redujo en aproximadamente un 20 a 40% con la adición de 2 y 4% de almidón aglutinante a base. Haga clic aquí para ver una versio más grande n de esta figura.

Análisis estadístico

El análisis estadístico se completó en JMP 10 43. Un ANOVA de dos vías se utilizó para determinar los efectos del contenido de materia prima de humedad (33, 36, 39%) y el aglutinante de almidón de maíz (0, 2, 4%) en el contenido de humedad de pellets (n = 3), diámetro de las pastillas (n = 10), relación de expansión (n = 10), y la densidad aparente (n = 3). A tres vías ANOVA se utilizó para determinar los efectos del contenido de humedad (33, 36, 39%), aglutinante de almidón de maíz (0, 2, 4%), y secado (antes del secado, después del secado) en la durabilidad (n = 3 ). Los residuos se reunieron los supuestos de ANOVA para la normalidad y la homogeneidad de la varianza. Para cumplir con estos supuestos, el contenido de humedad pellet fue transformado por el aumento de los datos a la potencia 4 TH. Si los factores analizados en el ANOVA fueron significativos valores de p <0,05, se utilizaron pruebas de Tukey HSD para comparaciones pareadas post hoc.

tienda "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Tabla 3
Tabla 3. La significación estadística de las variables de proceso basados ​​en el análisis de la varianza (ANOVA).

Discussion

Los pasos críticos en el método de granulación de alta humedad para producir pellets con la durabilidad deseada en el consumo de energía específica más baja son: 1) secar el rastrojo de maíz de alta humedad a los niveles deseados de humedad (33-39%, BM), 2) adición ciento de aglutinante y 3) la alimentación de biomasa alta humedad uniformemente en la fábrica de pellets. la humedad de materia prima y el porcentaje de aglutinante son variables de proceso que influyen en las propiedades de pellets (densidad y durabilidad de los gránulos antes de enfriar y después del secado) y el consumo específico de energía del proceso de granulación. Se recomienda probar el contenido de humedad de la materia prima antes de que se utiliza para los estudios de la granulación. La alimentación de rastrojo de maíz de alta humedad a los 33, 36 y 39% (BM) de manera uniforme a la fábrica de pellets tiene un impacto en la calidad y el consumo energético. La modificación de la fábrica de pellets de alimentación con un variador de frecuencia era esencial para alimentar la biomasa de manera uniforme a la fábrica de pellets.

Los resultados de lapresente estudio indica que la adición de aglutinante a la rastrojo de maíz de alta humedad hizo reducir la densidad aparente de los gránulos marginalmente, pero mejoró significativamente la durabilidad. La adición de un aglutinante a base de almidón aumentó el contenido de humedad en los gránulos después de la compresión y extrusión, pero se encontró que el aumento no estadísticamente significativo en casi todos los casos estudiados. La pérdida de humedad durante la granulación era de aproximadamente 3 a 4% a la adición de 4% de aglutinante, mientras que fue más alta (7-8%, wb) sin el aglutinante. La adición de un aglutinante a la rastrojo de maíz puede tener 1) redujo el tiempo de residencia del material en el troquel y 2) reduce las resistencias de fricción en la matriz, reduciendo así la temperatura de la matriz, que podría haber dado lugar a una menor pérdida de humedad durante la compresión y extrusión en el sedimento morir.

Hubo un aumento en el diámetro de las pastillas después de que se extruye de la matriz de pellets y se secó (Figura 4). Este aumento fue genialer a un contenido de humedad más alto de materia prima y con adición aglutinante de almidón. La densidad aparente de los gránulos estaba en el intervalo de 510 a 530 kg / m 3 a 33% (wb) contenido de humedad de materia prima con y sin un aglutinante. La investigación anterior ha indicado que un mayor contenido de materia prima de humedad de aproximadamente 38% (wb) resulta en la densidad aparente más baja, debido principalmente a la expansión de los gránulos cuando salen de a través del troquel 21,28. Es un fenómeno común que cuando el material de biomasa de alta humedad se extruye a través del troquel a presión da lugar a la humedad de evaporación 12,21. La humedad de evaporación da lugar a la expansión de la pastilla, tanto en la dirección axial y diametral. En general, la expansión diametral es más prominente en comparación con la expansión axial. Otra razón para el comportamiento de expansión de la biomasa después de la compresión y la extrusión a través del troquel de pellets podría ser que las fibras de biomasa relajarse en la presencia de contenido de humedad. Ndiema et al. 45 yMani et al. 18 indica que la liberación de la presión aplicada en una matriz, produce la relajación de la biomasa comprimido. Las características de relajación dependen de muchos factores como tamaño de partícula, el contenido de humedad de materia prima y la presión aplicada. Además, en este estudio hemos observado que la densidad aparente aumenta después de secado, lo que podría deberse a un menor número de puentes líquidos entre las partículas que podrían haber mantenido las partículas producidas más cerca y una estructura menos abierta. Oginni 45 observó que la densidad aparente del suelo Loblolly pino disminuyó con el aumento de contenido de humedad.

Durabilidad de los gránulos se midió de entender la fuerza de los gránulos. En general, los pellets están sujetos a la cizalla y el impacto de las resistencias durante el almacenamiento, el transporte y el proceso de manipulación 4,46. Kaliyan y Morey 47 sugirieron que la durabilidad de pellets producidos inmediatamente después de la producción (resistencia en verde) es diferente de durabilidad de los gránulos que se almacenan durante unos pocos días después de la producción (fuerza curado). Los pellets con valores más bajos de durabilidad se rompen y aumentan el riesgo de problemas de almacenamiento, tales como la liberación de gases y combustión espontánea que podría causar la pérdida de ingresos para los fabricantes de gránulos. De acuerdo con el Comité Europeo de Normalización (CEN) y los Estados Unidos de pellets combustibles Instituto (PFI) los valores recomendados de la durabilidad son> 96,5% para la alta calidad o gránulos 31 de primera calidad. En este estudio, los valores de durabilidad aumentaron a aproximadamente 94 a 95% cuando se sedimentaron con un aglutinante de almidón a un contenido de humedad 39% en comparación con pastillas hechas sin aglomerante que tenía valores de durabilidad en el rango de 83 a 85% después del secado. Los pellets producidos en el 33% (BM) el contenido de humedad de materias primas tenían valores de durabilidad> 96,5% y cumplen con los estándares internacionales.

La humedad tiene diferentes funciones durante la granulación de la biomasa, incluyendo: 1) la formación de puentes sólidos entrelas fuerzas de partículas de biomasa debido de van der Waals, 2) la activación de los aglutinantes naturales como proteínas, almidón y lignina presente en la biomasa, y 3) la promoción de almidón y proteína reacciones basadas como gelatinización y desnaturalización que tienen un fuerte impacto en las propiedades texturales, tales como dureza 4-12. En el caso de la biomasa lignocelulósica, el agente de unión principal es lignina (la biomasa leñosa: 27-33%, la biomasa herbácea: 12-16%) 4. El contenido de lignina en el rastrojo de maíz se determinó en un promedio de alrededor del 16% sobre la base de una revisión de los datos de composición, incluidas las fuentes bibliográficas y bases de datos de materias primas 48. moléculas de lignina, que tienen una mayor movilidad al mayor contenido de humedad, actúan como un adhesivo y dan lugar a la unión más fuerte; Sin embargo, a niveles muy altos de la humedad actuará más como un lubricante dando por resultado menos vinculante. En el presente estudio, en un muy alto contenido de humedad de alrededor del 39% (BM) la humedad podría haber actuado más como un lubricante y dio lugar a una baja durabilidadnd más generación de finos en el proceso de producción de pellets. los valores más altos de durabilidad se observaron mediante la adición de un aglutinante en un contenido de humedad más alto de material de alimentación 36 y 39% (wb), lo que podría ser causado por gelatinización del almidón en presencia de temperatura de la boquilla y el contenido de material de alimentación de la humedad. Estas reacciones de gelatinización puede dar lugar a la formación de reticulación de almidón con los otros componentes de la biomasa.

Las multas por ciento generados durante el proceso de granulación es un buen indicador de que tan bien la biomasa se formará pellets. Generación de partículas finas durante los resultados del proceso de granulación en el producto y la pérdida de ingresos para el productor de pellets. generación de multa excesiva durante los procesos de granulación también puede tener un impacto en la calidad de atributos como la densidad y durabilidad. La generación de finos durante el proceso de producción de pellets es influenciada por la composición de la biomasa (es decir, almidón, proteínas, lignina, y ceras), variables de proceso molino de pellet <em> es decir, relación de longitud a diámetro (relación L / D), morir velocidad de rotación, el estado de vapor, precalentamiento), y las variables de materia prima (es decir, contenido de humedad material de alimentación, tamaño de partícula y la velocidad de alimentación) 4. Los presentes resultados indican que la adición de aglutinante no sólo reduce el porcentaje de partículas finas generadas, sino que también ayuda a mejorar las propiedades físicas, mientras que la reducción del consumo específico de energía. Bajar porcentaje de finos generados indicar que la biomasa tiene una mayor pelletability.

Tumuluru et al. 4 en su revisión sobre los sistemas de densificación adecuados para hacer la biomasa en un producto de tipo de producto indica que la adición de aglutinante ayuda a reducir la energía de extrusión, lo que resulta en la reducción del consumo específico de energía. Típicamente, longitud a diámetro (L / D) controla el tiempo de permanencia del material en el troquel y ayuda a la unión de la biomasa. También, la relación L / D controla la energía de extrusión y la especificidadel consumo de energía FIC. Mayor relación de L / D aumenta el tiempo de residencia, lo que mejora las propiedades físicas de las pastillas, pero aumenta la energía necesaria para la extrusión. La adición de un aglutinante a la biomasa puede ayudar a obligar a la biomasa a menor relación de L / D y reducir la energía de extrusión. En este estudio, se seleccionó una longitud constante a diámetro (L / D) de (2.6). La investigación futura está dirigido a comprender el efecto de la relación L / D de la matriz de pellets y su interacción con el contenido de humedad en la materia prima de los atributos de calidad de pellets.

Los datos experimentales de pre-procesamiento de la biomasa (molienda, secado y granulación) obtenido del Fondo Nacional de Usuarios de Biomasa (https://www.inl.gov/bfnuf/) situado en la INL y asociado análisis tecno-económico indicaron que el secado de biomasa a partir de 30- 10% (BM) consume una gran cantidad de energía (datos no publicados). El proceso de granulación de alta humedad desarrollado en INL puede ayudar a reducir el costo de producción de pellets en comparación con una pastilla convencionalmétodo de producción 24. El presente estudio indica que la adición de un aglutinante a base de almidón a un proceso de granulación de alta humedad mejora la durabilidad de los gránulos a> 92% después de enfriar a los contenidos de materia prima de humedad de 36 y 39% (BM), y también reduce la energía específica consumo del proceso de granulación por alrededor de 20-40%. valores de una mayor durabilidad de los gránulos hechos en mayor humedad material de alimentación es importante, ya que pueden ser manejados de manera eficiente por los transportadores. Típicamente pellets de baja durabilidad desmoronan a multas durante la manipulación y el almacenamiento, lo que resulta en la pérdida de ingresos para los productores de pellets. Además, las multas generadas en el proceso pueden causar riesgos de seguridad, como la combustión espontánea y la liberación de gases 28,41. La reducción de energía específico en aproximadamente un 20 a 40% utilizando un aglutinante mayor que el costo del aglutinante. Además, sobre la base de este estudio se puede concluir que algunos de los subproductos de las industrias de procesamiento de alimentos podría ser utilizado para la granulación de la biomasapara aplicaciones de bioenergía. En la actualidad, el proceso de granulación de alta humedad se demostró utilizando un molino de pellets de matriz plana a escala de laboratorio. El protocolo descrito aquí para la fábrica de pellets a escala de laboratorio será la base para el desarrollo de modelos a escala, y para probar el proceso en molinos a escala piloto y de pellets a escala comercial.

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

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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).

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Ciencias del Medio Ambiente No. 112 rastrojo de maíz de revestimiento de alta humedad variables de proceso aglutinante de almidón propiedades de pellets consumo específico de energía
Método para la producción de pellets duraderas en un menor consumo de energía Uso de alta humedad Maíz Stover y un almidón de maíz Carpeta en un plano Die Pellet Mill
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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).

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