שיטה לייצר כדוריות עמידה צריכת אנרגיה נמוכה יותר שימוש סטובר תירס לחות גבוהה קלסר עמילן תירס בטחנת גלולת Die שטוחה
Summary
במחקר זה, פותח פרוטוקול לייצר כדוריות באיכות טובות באמצעות טחנה גלולה למות שטוחת סטובר תירס עתירה לח בדיקות צריכת אנרגיה ספציפית מופחתות קלסר מבוסס עמילן. התוצאות הצביעו על כך הוספת קלסר עמילן תירס שפרה את העמידות הגלולה, מופחת קנסות אחוזים והירידה בצריכת אנרגיה ספציפית.
Abstract
אחד האתגרים הגדולים ביותר לייצור בריקטי היא העלות הגבוהה קשורה ייבוש ביומאסה 30 ל -10% (WB) תכולת הלחות. בשעה איידהו National Laboratory, תהליך pelleting גבוהה לחות פותחה כדי להפחית את העלות ייבוש. בתהליך זה את כדורי ביומסה מיוצרים תוכן לחות זינה גבוהה יותר מאשר בשיטות מקובלות, ואת כדורי לחות הגבוהה המיוצרים מיובשים נוסף מייבשים חסכוניים באנרגיה. תהליך זה מסייע להפחית את תכולת לחות זינה בכ 5-10% במהלך pelleting, אשר נובע בעיקר חום חיכוך שפותח למות. מטרת המחקר הנוכחי הייתה לחקור כיצד בנוסף קלסר משפיע על צריכת האיכות ואנרגיה הגלולות של תהליך pelleting גבוהה לחות בטחנה גלולה למות שטוח. במחקר הנוכחי, Stover תירס גלם היה pelleted ב לחות של 33, 36, ו -39% (WB) על ידי תוספת של 0, 2, ו -4% עמילן תירס טהור. הכדורים המיובשים חלקית מיוצרים יובשו נוסף באלתנור aboratory ב 70 מעלות צלזיוס למשך 3-4 שעות כדי להפחית את הלחות הגלולה פחות מ -9% (WB). הלחות הגבוהה כדורי יבשים הוערכו על התכונות הפיזיות שלהם, כגון צפיפות ועמידות בתפזורת. התוצאות הצביעו על כך להגדיל את אחוז קלסר ל -4% עמידות גלולה משופרת והקטין את צריכת האנרגיה הספציפית על ידי 20-40% לעומת כדורים ללא קלסר. בשעה בנוסף קלסר גבוה (4%), הפחתת לחות זינה במהלך pelleting היה <4%, ואילו הירידה הייתה כ 7-8% ללא קלסר. עם 4% קלסר ו -33% (WB) תכולת לחות זינה, ערכי הצפיפות ועמידות בתפזורת הנצפה של הכדורים המיובשים היו> 510 קילו / מ '3 ו> 98%, בהתאמה, ואת האחוז חלקיקים הקטנים שנוצרו הופחת ל <3 %.
Introduction
ביומסה היא אחד המשאבים האנרגיה הגדולות בעולם והיא נחשבת פחמן ניטרלי 1. צפיפות מרחבית של ביומסה החקלאית baled וטחון והסדוק ביומסה וודי היא נמוכה. צפיפות בצובר נמוכה של ביומסה baled (130-160 ק"ג / מ 3), ביומסה הקרקע (60-80 ק"ג / מ 3) וסדוק ביומסה וודי (200-250 ק"ג / מ 3) ליצור אחסנה, הובלה, ונושאים טיפול 2, 3. Densifying או דחיסת ביומסה הקרקע באמצעות לחץ וטמפרטורה מגדילה את צפיפות בצובר בכ -5 עד 7 פעמים, ומסייע להתגבר על המגבלות תחבורה ואחסנה 4. טחנות גלולות, בתים לבנייה, ו extruders בורג הן מערכות ציפוף משמשות בדרך כלל את ביומסה 4. ניתוח מרחק תחבורת Breakeven על חומרי גלם ביומסה baled ו pelleted ציין כי כדורים יכולים להיות מועברים 1.6 פעמים רחוקות יותר מאשר חבילות באמצעות משאית תמורת אותו המחיר 5. אפי התחבורהciencies של כדורים להגדיל עם מצבים אחרים של תחבורה כגון רכבות, שכן הוא מוגבל נפח לעומת משאיות שמוגבלות על ידי משקל. נכון לעכשיו, באירופה את הכדורים המופקים ביומסה וודי נמצאים בשימוש נרחב עבור דור ביו-כוח. קנדה וארצות הברית הם מפיקים הספקים העיקריים של כדורי עץ לאירופה 6. פלטות המופק הוא וודי ביומסה העשבונית יכולות לשמש הן תרמתי (cofiring, גיזוז, ו פירוליזה) והמרת ביוכימיים (אתנול) יישומים 7-9.
האיכויות של כדוריות (הצפיפות ועמידות) וצריכת אנרגיה ספציפית של תהליך pelleting תלויות משתנה בתהליך הטחנה הגלולה, כגון קוטר למות, למות מהירות אורך היחס בקוטר של משתנה למות זינה, כגון תכולת לחות זינה ורכב 4. השפעה בשני המשתנים תהליך טחנת גלולה ומשתנים זינהאיכות כדורי האנרגיה הספציפית המשמשת בתהליך. הממדים למות (כלומר, אורך יחס קוטר) ישפיעו על לחץ הדחיסה שחול, ואת מהירות הסיבוב למות שולטת בזמן מגוריו של החומר בתוך הקובייה. תכולת לחות הוא משתנה זינה אשר ממלא תפקיד חשוב על ידי אינטראקציה עם רכיבי הרכב ביומסה (כלומר, חלבון, עמילן, ליגנין) בשל טמפרטורה ולחץ גבוהות נתקלה למות. הנוכחות של לחות מגבירה את הכוחות ואן דר ואלס, ובכך להגדיל את המשיכה בין החלקיקים ביומסה 10. באופן כללי, לחות גבוהה ההשפעות ביומסה הצפיפות בצובר של המוצר הדחוס עקב התרחבות גמורה ו לרוחב עם יציאתו הטחנה הגלולה או לחץ לבנייה למות 10. רכב ביומסה, כגון עמילן, חלבון, ליגנין, ופחמימות מסיסים במים אחרות, משפיע על ההתנהגות מחייבת כאשר נתון להפעיל לחצים עלטמפרטורת nd בציוד ציפוף 11. חלק מן התגובות בהרכב המשותפות שמושפעות לחות זינה, טמפרטורה למות, ולחץ הוא עמילן gelatinization, denaturation חלבון, ואת מעבר זכוכית ליגנין. באופן כללי, בטמפרטורות של C ° 100 או יותר תכולה לחות זינה של יותר מ -30%, עמילן שבעדכון מזון מן החי מקבל gelatinized והשפעות נכסים רקמו כמו קשיות 12. בדרך כלל, את התגובות עמילן הם gelatinization, הדבקה, ואת retrogradation. בין התגובות האלה, gelatinization יש את ההשפעה הגדולה ביותר על נכסים גלולים 13. עמילן הוא לעתים קרובות שנכלל מזון יישומים שאינם מזון כמו בקלסר. לדוגמא, ב עמילן ניסוח לוח התרופות משמש כחומר מילוי 4,14. חלבון ביומסה עובר denaturation וצורות אג"ח מורכבים בשל הטמפרטורה והלחץ הגבוה שחוותה בתהליך ציפוף 11. באופן כללי, גבוהטעינות של החלבון ביומסה תגרומנה 15,16 גלולה עמידה יותר. לדוגמא, אספסת, שיש בה כמות גבוהה של חלבון, גורם כדורי עמיד לחות זינה גבוהה. השומן ביומסה מפחית את כוחות החיכוך ואת האנרגיה שחול במהלך pelleting או לבנית 11,17. ביומסה lignocellulosic, בנוכחות ליגנין בתוך חומר צמחי עוזרת ליצירת כדורים מבלי להוסיף קלסרים 18. יש וודי ביומסה תוכן ליגנין גבוה (29-33%) בהשוואה ביומסה עשבוני, אשר בדרך כלל מורכב של 4,19 ליגנין 12-16%. בשעת תוכן לחות זינה הנמוכה של כ 10-12% (WB), טמפרטורת מעבר זכוכית של ליגנין גדול מ -140 מעלות צלזיוס 20; ואילו, הגדלת תכולת הלחות מפחיתה את מעבר זכוכית הטמפרטורה 21. לדברי Lehtikangas 22, מעבר טמפרטורת כוס ליגנין ב 8-15% (WB) תכולת לחות היא כ 100-135 מעלות צלזיוס, but הגדלת תכולת הלחות כדי> 25% (WB) מפחית את מעבר זכוכית הטמפרטורה ל <90 ° C.
ביומסה עשבוני זמין בכתובת תכולה לחות גבוהה תלויים בזמן שיטת וקציר קציר. במקרה של שיטת קצירה יחידה להעביר את החומר שנקטף יהיה תכול לחות> 30% (WB) 23. ביומסה בדרך כלל הוא מיובשת לתוכן לחות 10% (WB) על סף הצלחה יציבה אירובי ולמנוע איבוד חומר יבש במהלך האחסון. Et למרס al. 24 הצביע על כך כדי ביומסה preprocess בבית תכולת לחות 30% מהעלות הכוללת היא השחיקה (שלבים 1 ו -2) וייבוש הוא כ 43.60 $ / טון יבש, וכ 15.00 $ / טון יבש היא רק לייבוש ביומסה. ייבוש ביומסה לוקח בערך 65% מאנרגית העיבוד המקדים המוחלטת, pelleting לוקח בערך 8-9% 24. Et יאנסי al. 25 יש לאמת את עובדת הייבוש הוא צרכן האנרגיה הגדול ביומסה preprocessing. נתוני הניסוי וניתוח כלכלי-טכנו ציינו כי ניהול לחות יעיל הוא קריטי לצמצום עלויות העיבוד המקדים ביומסה. אחת הדרכים להקטין את עלות ייבוש ולנהל את הלחות זינה בצורה יעילה יותר היא להשתמש בתהליך pelleting גבוהה לחות בשילוב עם שיטת ייבוש בטמפרטורה נמוכה. בתהליך pelleting הגבוהה הלחות שפותח במעבדה הלאומית איידהו, ביומסה היא pelleted על תכנים לחים יותר מ -28% (WB); את כדורי מיוצר מיובשים חלקית, אשר עדיין גבוהים לחות, יכולים להיות מיובשים ומייבשים חסכוניים באנרגיה, כגון מכונה לייבוש חיטה או חגורה 21. אחד יתרונות גדולים של pelleting גבוהה לחות הוא שזה עוזר להפחית את עלות הייבוש, שבתורה גוררת בעלויות ייצור גלול הכוללות מופחתות. ניתוח טכנו-כלכלי עולה כי עלויות האנרגיה וייצור מופחתים בכ 40-50% באמצעות תהליך pelleting גבוהה לחות לעומת 24,26 שיטת pelleting קונבנציונאלי. majאו הסיבה עלות גלולה ייצור מופחת בשל החלפת מייבש סיבובית הפועלת בטמפרטורה גבוהה של 160 עד 180 מעלות צלזיוס עם מייבשי חיטה הפועלת בטמפרטורה נמוכה של כ -80 מעלות צלזיוס או פחות 21. היתרונות האחרים של החלפת מייבש סיבובי עם חגורה או מייבשי חיטה הם: 1) התייעלות, 2) מופחת שריפה, 3) לא צריך חום באיכות גבוהה, 4) מופחת תרכובת אורגנית נדיפות (VOC) פליטות, 5) מופחתות פליטת חלקיקים, ו -6) לא מצבר חימר גבוה או ביומסה דביק 27. צעד מיזוג קיטור עתיר אנרגית pelleting הקונבנציונלי, משמש בדרך כלל כדי להוסיף לחות ולהפעיל חלק מהרכיבים ביומסה, מוחלף צעד preheating קצר. פעולה זו מסייעת להפחית את תכולת לחות זינה וכן להפעיל רכיבים ביומסה כמו ליגנין. חום החיכוך שהתפתח למות הגלולה גם עוזר להפחית את תכולת לחות זינה בכ 5-8% (WB) 21,28. ב-מ 'גבוהתהליך pelleting oisture, טחנת גלולה לא רק דוחס את ביומסה, אלא גם מסייעת להפחית את תכולת הלחות במהלך הדחיסה שחול. חוקרים רבים עשו ניסויים על pelleting של ביומסה גלם pretreated הכימי על מגוון רחב של תוכן לחות (7-45%, WB) באמצעות יחיד, מעבדה, טבעת פיילוט בהיקף למות ומערכות pelleting רציפות מסחריות 10,25,29-40, (פייס, ד 2015. Pelleting התפוצצות סיבים פסולת מוצקה עירונית אמוניה (AFEX) pretreated Stover תירס בטחנת גלולה למות טבעת פיילוט בהיקף. Biofuels המחלקה, מהנדס ראשי, מתקן למשתמש הלאומי ביומסה, המעבדה הלאומית איידהו (נתונים שלא פורסמו)) . חוקרים מותאמים תוכן זינת הלחות של ביומסה לרמות רצויות שונות כדי להבין את ההשפעה של תכולת לחות על תכונות איכות של הכדורים.
תכונות איכות גלולות, צפיפות ועמידות בתפזורת, הם מפרטים נורמטיביים על פי בארה"במכון דלק גלול מבוסס (PFI). עם זאת, על פי הוועדה האירופית לתקינה (CEN) עמידות היא צפיפות נורמטיבית וצובר הוא מפרט אינפורמטיבי 41. פלטות עם ערכים עמידים> 96.5% וצפיפות בתפזורת> 640 קילו / מ '3 מיועדי כדורי סופר פרימיום על בסיס סטנדרטי PFI, ואילו כדורים עם ערכים עמידים> 97.5% מיועדים כדוריים עם הציון הגבוה ביותר. שני סטנדרטי CEN ו- PFI ממליצים כדוריים עם קטרים שונים. לדוגמא, PFI ממליצה בקוטר בטווח של 6.35-7.25 מ"מ, ואילו CEN ממליצה בקוטר החל 6-25 מ"מ ובאורך גלול פחות או שווה ל 4 פעמים הקוטר 41. קטן הכדוריים בקוטר (6 מ"מ) עדיפים להובלה למרחקים ארוכים בהתחשב יש להם צפיפות אריזה גבוהה 28. עבור תהליכי pelleting קונבנציונליים, מומלץ עד גלולה ביומסה על תכני לחות נמוכים לפגוש מפרט צפיפות אלה דesirable להובלת כדורי מרחקים ארוכים 41. שני CEN ו- PFI ציונים גלולה נוספת 41. Tumuluru 28 ו Tumuluru ו -40 קונר עולים כי תהליכי pelleting לחות גבוהה שפותחו עזרת המעבדה הלאומית איידהו לייצר סטובר תירס כדורי עץ עם תכונות איכות שונות (צפיפות ועמידות בתפזורת) וצריכת אנרגיה ספציפית מה שהופך אותם למתאימים לתרחישי תחבורה ולוגיסטיקה שונים.
רוב המחקרים pelleting על ביומסה נעשו באמצעות מערכת pelleting יחיד. Pelleting נתונים על ביומסה באמצעות מערכת רציפה בקנה מידה מעבדתי מוגבל. מחקרים על מערכות pelleting רציפות יהיו שימושיים כדי להבין את ההשפעה של משתני תהליך pelleting כמו מהירות סיבוב למות, אורך יחס בקוטר למות קוטר על תכונות האיכות וצריכת אנרגיה ספציפית. נתוני pelleting על המערכות הרציפות ניתן להשתמש כדי להמשיך SCצודק את תהליך טייס ומערכות בקנה מידה מסחריות. באופן כללי, טחנה גלולה למות שטוח משמשת לביצוע מחקרי pelleting על וודי ביומסה העשבונית במעבדה 4. עיקרון העבודה של קובייה השטוחה בקנה המידה מעבדתי, טייס, וטחנות גלולות למות טבעת בקנה מידה המסחרית דומה. כל טחנות הגלולות אלה יש קוביית פלדה קשה מחוררת עם שניים או שלושה גלילים. על ידי החלפה של למות, הגלילים להפעיל כוח על הזינה ולאלץ אותו דרך הנקבים של הקובייה כדי ליצור כדורי densified 4.
המחקרים הקודמים שלנו על pelleting גבוהה הלחות של Stover התירס ב תכול לחות זינה של 28-38% (WB) ללא כל תוספת קלסר הביאו ערכים עמידים נמוכים יותר תכול לחות זינה גבוהה 21,28. שיפור העמידות של כדורי לחות גבוהים לאחר קירור וייבוש חשוב כמו זה עוזר למנוע את התפוררותה של הכדוריות (איבוד האיכות גלולה) במהלך טיפול, STOזעם ותחבורה. ההתפוררות כדורית בדרך כלל תוצאות בדור קנסות אובדן ההכנסות עבור המפיקים הגלולים. קלסרים משמשים בדרך כלל בתהליך pelleting כדי לשפר את איכות גלולה, במיוחד עמידות, וכדי להקטין את צריכת האנרגיה הספציפית. נפוץ קלסרים טבעי המשמשים בתהליך pelleting הם חלבונים ועמילן 4,28. עמילן עובר gelatinization, ואילו חלבון עובר denaturation בנוכחות חום, לחות, ולחצים. שתי התגובות האלה לגרום יותר כדוריים מחייבות ויותר עמידים צריכת אנרגיה נמוכה יותר. המטרה הכללית של המחקר הייתה לפתח ולהפגין תהליך pelleting גבוהה לחות תוך שימוש Stover תירס בתוספת קלסר לייצר כדוריות באיכות טובות מבחינת עמידות ירוקה (לאחר הקירור) ועמידות נרפאה (לאחר ייבוש) במחיר נמוך יותר צריכת אנרגיה ספציפית. המטרות הספציפיות המחקר היו 1) לנהל pelleting גבוהה לחות של התירס stלעבר תוכן לחות זינה שונה (33, 36, ו -39%, WB) ותכני קלסר עמילן (0, 2, ו -4%), 2) להעריך את התכונות הפיסיקליות (תכולת לחות גלולה, בקוטר גלול, יחס רחב, צפיפות בצובר עמידות (ירוק ועמידות נרפא), ו -3) להעריך את צריכת האנרגיה הספציפית של תהליך pelleting.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלבים הקריטיים בשיטת pelleting לחות הגבוהה כדי לייצר כדורים עם העמידות הרצויה צריכת אנרגיה נמוכה מסוימת הם: 1) ייבוש Stover תירס הלחות הגבוהה לרמות הלחות הרצויות (33-39%, WB), 2) בנוסף קלסר אחוזים ו -3) האכלה ביומסה לחות גבוהה ואחידה לתוך טחנת גלולה. לחות זינת קלסר אחוזים הם משתני תהליך שהשפיעו על מאפייני הגלולה (צפיפות ועמידות של הכדורים לפני הקירור ולאחר הייבוש) וצריכת אנרגיה ספציפית של תהליך pelleting. מומלץ לבדוק את תכולת הלחות של הזינה לפני שהוא משמש ללימודי pelleting. האכלת Stover תירס לחות גבוהה ב 33, 36 ו -39% (WB) באופן אחיד לטחנה הגלולה יש השפעה על צריכת איכות ואנרגיה. שינוי מזין טחנת גלולה עם כונן משתנה בתדירות היה חיוני כדי להאכיל את ביומסה אחידה לטחנה הגלולה.
תוצאות ממחקר נוכחי הראה כי הוספת קלסר כדי Stover תירס הלחות הגבוהה עשתה להפחית את הצפיפות בצובר של הכדורים שוליים, אך שפר את העמידות משמעותית. הוספת עמילן המבוסס קלסר הגדילה את תכולת הלחות הכדורית לאחר דחיסה שחול, אך העלייה לא נמצאה מובהק סטטיסטי כמעט בכל המקרים שנחקרו. ההפסד של לחות במהלך pelleting היה כ -3 עד 4% על תוספת של קלסר 4%, ואילו זה היה גבוה יותר (7-8%, WB) ללא קלסר. התוספת של קלסר כדי Stover התירס אולי 1) הפחיתה את זמן מגוריו של החומר למות 2) הקטינה את התנגדויות חיכוך בתוך למות, ובכך להפחית את הטמפרטורה למות, אשר יכולה היה לגרום אובדן לח פחות במהלך דחיסה שחול ב גלול למות.
חל גידול בקוטר הגלול לאחר נמתח מן למות הגלולה מיובשת (איור 4). גידול זה היה נהדראה ב תכול לחות זינה גבוהות ועם בנוסף קלסר העמילן. הצפיפות בצובר של הכדורים הייתה בטווח של 510-530 קילו / מ '3 ב 33% (WB) תכולת לחות זינה עם ובלי בקלסר. המחקר קודם שנעשה בתחום הראה כי תכולת לחות זינה גבוהה של כ -38% (WB) תוצאות צפיפות בצובר נמוכה, בעיקר עקב התרחבות של הכדורים עם יציאתם דרך למות 21,28. זוהי תופעה נפוצה שכאשר חומר ביומסה לחות גבוהה הנמתח דרך למות בלחץ כזה יגרור פלאש פעמי לחות 12,21. The-off פלאש הלחות מפנה את מקומה ההרחבה הגלולה, הוא לכיוון הצירי גמור. באופן כללי, ההרחבה הגמורה בולטת יותר לעומת התרחבות צירית. סיבה נוספת להתנהגות ההרחבה ביומסה לאחר דחיסת שחול דרך למות הגלולה יכולה להיות כי סיבי ביומסה להירגע בנוכחות תכולה לחות. נדיימה et al. 45מאני et al. 18 הצביע שחרור של הלחץ המופעל בתוך תוצאות תמות הרפיה של ביומסה הדחוסה. מאפייני ההרפיה תלויים בגורמים רבים כמו גודל חלקיקים, תכולת לחות זינת לחץ מופעל. כמו כן, במחקר זה ראינו כי עליות צפיפות בצובר לאחר ייבוש, אשר יכול להיות בגלל גשרים נוזלים בין-חלקיק פחות שהיה נשמרו החלקיקים קרובים ופיק מבנה פחות פתוח. Oginni 45 ציינו כי וצפיפותו אורן קרקע Loblolly ירד עם תכולת לחות מוגברת.
עמידות של הכדורים נמדדה כדי להבין את העצמה של הכדורים. באופן כללי, כדורים כפופים גזירה להשפיע התנגדויות במהלך אחסון, תחבורה, הטיפול בתהליך 4,46. 47 Kaliyan ואת מורי הציע כדורי העמידות של המיוצר מיד לאחר הייצור (כוח ירוק) שונה durability של הכדורים המאוחסנים במשך כמה ימים לאחר הייצור (כוח לרפא). פלטות עם ערכים עמידים נמוכים לשבור ולהגדיל את הסיכון של בעיות אחסון, כגון מחוץ בגז בעירה ספונטנית שעלולה לגרום לאובדן הכנסות עבור יצרנים גלולים. לדברי הוועדה האירופית לתקינה (CEN) והמכון דלקים גלולה ארצות הברית (PFI) הערכים המומלצים של עמידות הם> 96.5% עבור באיכות גבוהה או כדורי כיתה פרמיה 31. במחקר זה, ערכי העמידות מוגברים בכ 94-95% כאשר pelleted עם קלסר עמילן בבית תכולת לחות 39% לעומת פלטות ללא קלסר שהיו ערכים עמידים בטווח של 83-85% לאחר ייבוש. הכדורים מיוצרים ב 33% (WB) תכולת לחות זינה היו ערכי עמידות> 96.5% ועומדים בסטנדרטים הבינלאומיים.
יש רטיבות פונקציות שונות במהלך pelleting ביומסה, כולל: 1) היווצרות גשר מוצק ביןהכוחות ואן דר ואלס בשל החלקיקים ביומסה, 2) הפעלת קלסרים טבעי כמו חלבון, עמילן ובהווה ליגנין ביומסה, ו -3) קידום תגובות מבוססות עמילן וחלבון כמו gelatinization ו denaturation שיש להם השפעה חזקה על הנכסים רקמתי, כגון קשיות 4-12. במקרה של ביומסה lignocellulosic, הסוכן המחייב העיקרי היא ליגנין (ביומסה וודי: 27-33%, ביומסה עשבונית: 12-16%) 4. ליגנין תוכן Stover תירס נקבע סכום ממוצע של כ -16% על בסיס סקירה של נתוני רכב, כולל מקורות בספרות ומאגרי מידע זינה 48. מולקולות ליגנין, אשר יש ניידות גבוהה יותר תכולת לחות גבוהה, לשמש דבק לגרום מחייב חזק; עם זאת, ברמות גבוהות מאוד את הלחות תפעל יותר כמו סיכה וכתוצאה מכך פחות מחייב. במחקר הנוכחי, על תכולת מים גבוהה מאוד של כ -39% (WB) לחות שאולי פעלו יותר כמו סיכה הביאו עמידות נמוכהnd יותר הדור קנסות בתהליך הייצור גלולה. ערכים עמידים גבוהים נצפו על ידי התוספת של קלסר בכל תכולת לחות זינה גבוהה יותר של 36 ו -39% (WB), אשר יכול להיגרם על ידי gelatinization של עמילן בנוכחות הטמפרטורה למות ותכולת לחות זינה. תגובות gelatinization אלה יכולים להוביל להיווצרות של לחצות קישור של עמילן עם רכיבים ביומסה האחרים.
הקנסות האחוזים שנוצרו במהלך תהליך pelleting הוא אינדיקטור טוב עבור כמה טוב ביומסה יהווה כדורים. הדור של חלקיקים זעירים במהלך תוצאות תהליך pelleting במוצר ואובדן הכנסות למפיק גלולה. דור קנס מופרז במהלך תהליכי pelleting יכול גם להשפיע על איכות תכונות כגון צפיפות ועמידות. דור הקנסות במהלך תהליך הייצור הגלול מושפע הרכב ביומסה (כלומר, עמילן, חלבונים, ליגנין, ושעוות), משתני תהליך טחנת גלולה <em> כלומר, אורך יחס קוטר (L / יחס D), למות מהירויות סיבוב, מצב קיטור, חימום מוקדם), ומשתנה זינה (כלומר, תכולת לחות זינה, גודל חלקיקים ולהאכיל שיעור) 4. התוצאות הנוכחיות מצביעות על כך התוספת של קלסר לא רק מפחיתה את אחוז החלקיקים הקטנים שנוצרו, אלא גם מסייעות לשפר את התכונות הפיסיקליות תוך צמצום צריכת האנרגיה הסגולית. קנסות אחוז נמוכים שנוצרו עולים כי ביומסה יש pelletability יותר.
Tumuluru et al. 4 בסקירה שלהם על מערכות ציפוף מתאים לעשות ביומסה לתוך מוצר סוג הסחורות עולה כי הוספת קלסר עוזר להפחית את האנרגיה שחול, שתוצאתה בהפחתת צריכת האנרגיה הספציפית. בדרך כלל, אורך לקוטר (L / D) יחס שולט בזמן מגוריו של החומר למות ומסייע את הכריכה של ביומסה. כמו כן, L / יחס D שולט אנרגיה שחול ואת במפרטצריכת האנרגיה FIC. יחס L / D גבוהה מגדיל את זמן המגורים, אשר משפר את התכונות הפיסיקליות של הכדורים, אך מגדיל את האנרגיה דרושה עבור שחול. הוספת קלסר כדי ביומסה יכול לעזור לאגד את ביומסה ב יחס L / D ולהקטין את האנרגיה שחול. במחקר זה, באורך קבוע לקוטר (D / L) יחס של (2.6) נבחר. מחקר עתידי נועד להבנת השפעת יחס L / D של הקובייה גלולה ואת האינטראקציה שלה עם תכולת לחות זינה על תכונות איכות גלולה.
נתוני הניסוי על העיבוד המקדים ביומסה (שחיקה, ייבוש pelleting) המתקבל מתקן למשתמש הלאומי ביומסה (https://www.inl.gov/bfnuf/) הממוקם INL הקשורים ניתוח טכנו-כלכלי עולה כי ייבוש ביומאסה 30 10% (WB) צורכים כמות גדולה של אנרגיה (נתונים שלא פורסמו). תהליך pelleting הלחות הגבוהה שפותח INL יכול לעזור להפחית את עלויות ייצור גלול לעומת גלולה קונבנציונליתשיטת ייצור 24. המחקר הנוכחי הראה כי הוספת קלסר מבוסס-עמילן לתהליך pelleting לחות גבוהה שפרה את העמידות של הכדורים כדי> 92% לאחר קירור על התוכן לחות זינה של 36 ו -39% (WB), וזה גם הקטין את האנרגיה הספציפית צריכת תהליך pelleting בכ 20-40%. ערכים עמידים רב יותר של הכדורים שנעשו לחות זינה גבוהות חשובים כפי שהם יכולים להיות מטופלים ביעילות על ידי מסועים. בדרך כלל כדורי עמידות נמוכים להתפורר לקנסות במהלך טיפול ואחסון, אשר גורם להפסד הכנסות עבור המפיקים הגלולים. בנוסף, קנסות שנוצרו בתהליך יכולים לגרום לסכנת בטיחות כמו בעירה ספונטנית מחוץ בגז 28,41. הפחתת האנרגיה הספציפית בכ 20-40% באמצעות קלסר עולה על העלות של קלסר. כמו כן, בהתבסס על מחקר זה אנו יכולים להסיק כי חלק מהמוצרים-ידי מתעשיות עיבוד מזון יוכל לשמש עבור pelleting ביומסהעבור יישומים ביו-אנרגיה. בשלב זה, תהליך pelleting גבוהה הלחות הודגם באמצעות טחנה גלולה למות שטוח בקנה מידה מעבדתי. הפרוטוקול המתואר כאן טחנת גלולת מעבדה בקנה המידה יהיה הבסיס לפיתוח מודלים בקנה מידה מעלה לבדיקת תהליך פיילוט בקנה מידת טחנות מסחרית בקנה מידה גלולה.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge Matt Dee for supporting the experimental work, Matthew Anderson and Rod Shurtliff for instrumenting the pellet mill. This work was supported by the Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy under the Department of Energy Idaho Operations Office Contract DE-AC07-05ID14517. Accordingly, the publisher, by accepting the article for publication, acknowledges that the U.S. government retains a nonexclusive, paid-up, irrevocable, worldwide license to publish or reproduce the published form of this manuscript, or allow others to do so, for U.S. government purposes.
Materials
| Flat 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 |
| Power meter | NK Technology, USA | Model No: APT‑48T‑MV‑220‑420 |
| 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 60018, 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 |
References
- Bapat, D. W., Kulkarni, S. V., Bhandarkar, V. P. Design and operating experience on fluidized bed boiler burning biomass fuels with high alkali ash. , 165-174 (1997).
- Sokhansanj, S., Fenton, J. . Cost benefit of biomass supply and preprocessing: BIOCAP (Canada) research integration program synthesis paper. , (2011).
- 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. , (2007).
- 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).
- 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. , (2015).
- Searcy, E. M., Hess, J. R., Tumuluru, J. S., Ovard, L., Muth, D. J., Jacobson, J., Goh, M., Sheng, C., Andre, F., et al. Optimization of biomass transport and logistics. International Bioenergy Trade. , 103-123 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mani, S., Tabil, L. G., Sokhansanj, S. An overview of compaction of biomass grinds. Powder Handling Process. 15 (3), 160-168 (2003).
- 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).
- 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).
- Collado, L. S., Corke, H., Kaletun, G., Breslauer, K. J. Starch properties and functionalities. Characterization of cereals and flours: properties, analysis,and applications. , 473-506 (2003).
- 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).
- Sokhansanj, S., Mani, S., Bi, X., Zaini, P., Tabil, L. G. Binderless pelletization of biomass. ASAE Paper No. 056061. , (2005).
- 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).
- Tabil, L. G. . Binding and pelleting characteristics of alfalfa. , (1996).
- Mani, S., Tabil, L. G., Sokhansanj, S. Specific energy requirement for compacting corn stover. Bioresource Technol. 97, 1420-1426 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lehtikangas, P. . Quality properties of fuel pellets from forest biomass. Licentiate Thesis. Report number 4. , (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tumuluru, J. S., Cafferty, K. G., Kenney, K. L. Techno-economic analysis of conventional, high moisture pelletization and briquetting process. Paper No. 141911360. , (2014).
- McCoy, G. Improving energy efficiency through biomass drying. , (2014).
- 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).
- Brackley, A. M., Parrent, D. J. Production of wood pellets from Alaska-grown white spruce and hemlock. General Technical Report PNW-GTR-845. , (2011).
- Demirbas, A., Sahin-Demirbas, A. Briquetting properties of biomass waste materials. Energy Sources. 26, 83-91 (2004).
- Kaliyan, N., Morey, R. V. Densification characteristics of corn stover and switchgrass. Transactions of ASABE. 52 (3), 907-920 (2009).
- 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).
- Li, Y., Liu, H. High-pressure densification of wood residues to form an upgraded fuel. Biomass and Bioenergy. 19, 177-186 (2000).
- 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).
- 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).
- Zafari, A., Kianmehr, M. H. Factors affecting mechanical properties of biomass pellets from compost. Environ. Technol. 35, 478-486 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tumuluru, J. S., Conner, C. Specific energy consumption and quality of wood pellets producing using high moisture lodgepole pine. , (2005).
- 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).
- ASABE Standards. . S269.4 Cubes, pellets, and crumbles – definitions and methods for determining density, durability, and moisture content. , (2007).
- Oginni, O. J. . Contribution of particle size and moisture content to flowability of fractioned ground loblolly pine. , (2014).
- 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).
- 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).
- Kaliyan, N., Morey, R. V. Factors affecting the strength and durability of densified products. , (2006).
- Gresham, G., Emerson, R., Hoover, A., Miller, A., Kenney, K., Bauer, W. . Evolution and development of effective feedstock specifications. , INL/EXT-14-31510 (2013).
