Methode om Duurzaam Pellets bij een lager energieverbruik met High Vocht maïsstro en een Corn Starch Binder te produceren in een vlakke matrijs Pellet Mill
Summary
In deze studie werd een protocol ontwikkeld om een goede kwaliteit pellets met behulp van een vlakke matrijs korrelmolen tegen gereduceerde specifieke energieverbruik testen van high-vocht maïsstro en een bindmiddel op basis van zetmeel te produceren. De resultaten gaven aan dat toevoeging van een bindmiddel maïszetmeel verbeterde de pellet duurzaamheid, verminderde procent boetes en minder specifiek energieverbruik.
Abstract
Een belangrijke uitdaging bij de productie van pellets is de hoge kosten in verband met het drogen van biomassa 30-10% (wb) vochtgehalte. Bij Idaho National Laboratory, werd een hoge vochtigheid pelleteringsprocessen ontwikkeld om het drogen kosten te verlagen. Hierbij wordt het biomassa pellets worden geproduceerd bij hogere vochtgehaltes voedingsmateriaal dan conventionele werkwijzen, en de hoge vochtigheid pellets worden verder gedroogd in energiezuinige drogers. Dit proces helpt om de voeding vochtgehalte tijdens pelleteren, die vooral door wrijvingswarmte ontwikkeld in de matrijs verminderen met ongeveer 5-10%. Het doel van dit onderzoek was om te onderzoeken hoe bindmiddel toevoeging van invloed op de kwaliteit en de energie pellet verbruik van de high-vocht pelleteringsprocessen in een vlakke matrijs pellet mill. In deze studie, werd ruw maïsstro gepelleteerd bij vochtige van 33, 36 en 39% (wb) door toevoeging van 0, 2 en 4% zuiver maïszetmeel. De gedeeltelijk gedroogde pellets werden verder gedroogd in alaboratory oven bij 70 ° C gedurende 3-4 uur om de pellet vocht te verlagen tot minder dan 9% (wb). De hoge vochtigheid en gedroogde pellets werden beoordeeld op hun fysische eigenschappen, zoals stortgewicht en duurzaamheid. De resultaten gaven aan dat het verhogen van het percentage bindmiddel 4% verbeterde duurzaamheid pellet verkleinde specifiek energieverbruik met 20-40% in vergelijking met pellets zonder bindmiddel. Bij hogere bindmiddel toevoeging (4%), de verlaging van voedingsmateriaal vocht tijdens het pelleteren was <4%, terwijl de reductie was ongeveer 7-8% zonder bindmiddel. Met 4% bindmiddel en 33% (wb) voedingsmateriaal vochtgehalte, het vulgewicht en duurzaamheid gevonden waarden van de pellets waren> 510 kg / m3 en> 98%, respectievelijk, en het percentage fijne deeltjes gegenereerd werd verlaagd tot <3 %.
Introduction
Biomassa is een van de belangrijkste energiebronnen ter wereld en wordt beschouwd carbon neutraal 1. Bulk dichtheid van verpakte en op de grond agrarische biomassa en gechipt houtachtige biomassa is laag. Lage bulk dichtheden van verpakte biomassa (130-160 kg / m 3), gemalen biomassa (60-80 kg / m 3) en wist de houtachtige biomassa (200-250 kg / m 3) te creëren opslag, transport en handling vraagstukken 2, 3. Verdichten of samenpersen van de gemalen biomassa met behulp van druk en temperatuur verhoogt de bulkdichtheid van ongeveer 5 tot 7 keer, en helpt bij het transport en opslag beperkingen 4 overwinnen. Pellet molens, briketten persen en extruders zijn verdichting systemen meestal gebruikt voor biomassa 4. Break-afstand transport analyse van verpakte en gepelleteerd biomassa aangegeven dat pellets 1,6 keer verder kunnen worden vervoerd dan balen met behulp van een vrachtwagen voor dezelfde prijs 5. Het vervoer effigebreken van pellets te verhogen met andere vormen van vervoer zoals het spoor, omdat het volume beperkt in vergelijking met vrachtwagens die worden beperkt door het gewicht. Op dit moment, in Europa het geproduceerd uit houtachtige biomassa pellets worden veelvuldig gebruikt voor bio-energie-opwekking. Canada en de Verenigde Staten zijn de belangrijkste producenten en leveranciers van houtpellets in Europa 6. Pellets zowel houtachtige en kruidachtige biomassa kan worden gebruikt voor zowel thermochemische (meestoken, vergassing en pyrolyse) en biochemische conversie (ethanol) toepassingen 7-9.
De kwaliteiten van pellets (dichtheid en duurzaamheid) en specifieke energieverbruik van pelleteringsprocessen afhankelijk van de korrelmolen procesvariabelen, zoals matrijs diameter matrijs snelheid en lengte-diameter verhouding van de matrijs en voeding variabelen als grondstof vochtgehalte en samenstelling 4. Beide korrelmolen proces variabelen en grondstoffen variabelen invloedde kwaliteit van de pellets en de specifieke energie die in het proces. De matrijs afmetingen (dat wil zeggen lengte-diameter verhouding) beïnvloedt de compressie en extrusie druk en de matrijs rotatiesnelheid bestuurt de verblijftijd van het materiaal in de matrijs. Vochtgehalte een voedingsmateriaal variabele die een belangrijke rol door interactie met de biomassa preparaatcomponenten (dwz eiwitten, zetmeel, lignine en) als gevolg van hoge temperatuur en druk ondervonden in de matrijs speelt. De aanwezigheid van vocht verhoogt de van der Waals krachten, waardoor de aantrekkingskracht tussen de toenemende biomassadeeltjes 10. In het algemeen hogere vochtigheid in de biomassa invloed op de dichtheid van de samengeperste product door diametrale en laterale expansie bij het verlaten van de korrelmolen of brikettenpers matrijs 10. Biomassa samenstelling, zoals zetmeel, eiwit, lignine en andere in water oplosbare koolhydraten, beïnvloedt de binding gedrag wanneer onderworpen aan een druknd temperatuur in verdichting apparatuur 11. Sommige van de gemeenschappelijke preparaat reacties die worden beïnvloed door vocht grondstof, matrijstemperatuur en druk zijn zetmeel gelatinering eiwitdenaturatie en lignine glasovergang. In het algemeen bij temperaturen van 100 ° C of hoger en een voedingsmateriaal vochtgehalte van meer dan 30% zetmeel in levensmiddelen en diervoeders wordt verstijfseld en invloeden textuureigenschappen zoals hardheid 12. Typisch het zetmeel reacties verstijfseling, plakken en retrogradatie. Onder deze reacties verstijfseling heeft de grootste invloed op eigenschappen pellet 13. Zetmeel wordt vaak opgenomen in food en non-food toepassingen als bindmiddel. Bijvoorbeeld in de farmaceutische tabletformulering zetmeel gebruikt als vulstof 4,14. Eiwit in de biomassa ondergaat denaturatie en vormt complexe bindingen door de hoge temperatuur en druk ervaren in de verdichtingswerkwijze 11. In het algemeen, een hogeremounts eiwit in biomassa zal resulteren in een langere pellet 15,16. Bijvoorbeeld, alfalfa, die een grotere hoeveelheid proteïne, leidt tot duurzame pellets bij hogere grondstofprijzen vochtgehalte. Het vet in de biomassa vermindert de wrijvingskrachten en de energie tijdens extrusie pelletiseren of briketteren 11,17. In lignocellulose, de aanwezigheid van lignine in plantenmateriaal helpt pellets zonder toevoeging van bindmiddelen 18. Houtachtige biomassa hoger lignine gehalte (29-33%) in vergelijking met een kruidachtige biomassa, die typisch bestaat uit 12-16% lignine 4,19. Bij lagere inhoud uitgangsmateriaal vochtigheid van ongeveer 10-12% (wb), glasovergangstemperatuur van het lignine groter is dan 140 ° C 20; dat het verhogen van het vochtgehalte verlaagt de glasovergangstemperatuur 21. Volgens Lehtikangas 22, de glasovergangstemperatuur van lignine bij 8-15% (wb) vochtgehalte ongeveer 100-135 ° C, but verhogen van het vochtgehalte> 25% (wb) verlaagt de glasovergangstemperatuur <90 ° C.
Kruidachtige biomassa is beschikbaar tegen hogere vochtgehalte afhankelijk van de oogst methode en de oogsttijd. Bij enkele doorgang oogstmethode wordt het geoogste materiaal een vochtgehalte> 30% (WB) 23 hebben. Biomassa wordt gewoonlijk gedroogd tot ongeveer 10% (wb) vochtgehalte te aëroob stabiel en drogestof verlies tijdens opslag te voorkomen. Lamers et al. 24 aangegeven dat voor te verwerken biomassa bij 30% vochtgehalte van de totale kosten voor zowel het slijpen (fasen 1 en 2) en drogen is ongeveer $ 43,60 / droge ton, en ongeveer $ 15.00 / droge ton is alleen voor het drogen van de biomassa. Drogen biomassa is ongeveer 65% van de totale energie preprocessing en pelleteren duurt ongeveer 8-9% 24. Yancey et al. 25 heeft bevestigd dat het drogen is de grootste energieverbruiker in biomassa preprocessing. De experimentele data en techno-economische analyse aan dat efficiënt vochtregulatie is van cruciaal belang voor het verminderen van de biomassa voorbewerking kosten. Een manier om het droogproces efficiënter kosten verminderen en beheren het voedingsmateriaal vocht een hoog vochtgehalte pelleteringsprocessen gekoppeld aan een lage temperatuur droogmethode te gebruiken. In de high-vocht pelleteringsprocessen ontwikkeld aan Idaho National Laboratory, wordt de biomassa gepelleteerd bij vochtgehalte van meer dan 28% (wb); De gedeeltelijk gedroogde pellets geproduceerd, die nog steeds hoog in vocht, kan in energie-efficiënte drogers, zoals graan of gordel drogers 21 worden gedroogd. Een groot voordeel van hoge vochtigheid pelletiseren is dat het helpt de kosten droging, wat resulteert in verminderde totale kosten pellet. Technisch-economische analyse gaf aan dat energie en productiekosten worden verminderd met ongeveer 40-50% met de hoge vochtigheid pelleteringsprocessen opzichte van een conventionele methode pelletiseren 24,26. de majof reden voor minder korrelproductie kosten door het vervangen van een roterende droger die werkt bij hoge temperaturen van 160 tot 180 ° C met een graandroger die werkt bij lagere temperaturen van ongeveer 80 ° C of lager 21. De andere voordelen van het vervangen van een droogmolen met een riem of graandroger zijn: 1) een betere aanpak, 2) verminderd brandgevaar, 3) geen hoogwaardige warmte nodig, 4) verminderde vluchtige organische stoffen (VOS), 5) verminderde de uitstoot van deeltjes, en 6) niet agglomeraat hoge klei of plakkerig biomassa 27. De energie-intensieve stoom conditionering gebruikelijke pelleteren, typisch gebruikt om vocht toe te voegen en activeren enkele van de componenten biomassa, wordt vervangen door een korte voorverwarming stap. Deze stap helpt de grondstof vochtgehalte evenals activeren componenten biomassa zoals lignine. De wrijvingswarmte ontwikkeld in de pellet matrijs helpt ook de grondstof vochtgehalte te verminderen met ongeveer 5-8% (wb) 21,28. In high-moisture pelleteringsprocessen de korrelmolen comprimeert niet alleen de biomassa, maar helpt ook om het vochtgehalte tijdens de compressie en extrusie verminderen. Veel onderzoekers hebben experimenten op pilleren van grondstoffen en chemisch voorbehandeld biomassa gedaan op een breed scala van vochtgehalte (7-45%, WB) met behulp van één enkele, laboratorium, pilot-schaal ring sterven en commerciële continue pelleteren systemen 10,25,29-40, (Pace, D. 2015. Pelleteren van vast stedelijk afval en ammoniak vezels explosie (AFEX) voorbehandeld maïsstro in een pilot-schaal ring matrijzenkorrel molen. Biobrandstoffen Department, Chief Engineer, Biomassa Nationaal Gebruiker Facility, Idaho National Laboratory (ongepubliceerde gegevens)) . Deze onderzoekers aangepaste grondstof vochtgehalte van de biomassa om de gewenste niveaus om het effect van vocht op kwaliteitseigenschappen van de pellets te begrijpen.
Pellet kwaliteitskenmerken, bulkdichtheid en duurzaamheid zijn normatieve specificaties volgens de VSA gebaseerd houtpellets Institute (PFI). Echter, volgens het Europees Comité voor Normalisatie (CEN) duurzaamheid is een normatieve en stortgewicht is een informatieve specificatie 41. Pellets met duurzaamheid waarden> 96,5% en stortgewicht> 640 kg / m 3 worden aangeduid als super premium pellets basis van PFI standaarden, terwijl pellets met duurzaamheid waarden> 97,5% worden aangeduid als pellets met de hoogste rang. Zowel de CEN en PFI-normen bevelen pellets met verschillende diameters. Bijvoorbeeld PFI beveelt een diameter in het gebied van 6,35-7,25 mm, terwijl CEN beveelt een diameter 6-25 mm en een pellet lengte kleiner dan of gelijk aan 4 maal de diameter 41. Kleinere diameter pellets (6 mm) de voorkeur voor het transporteren van grotere afstanden gezien zij hogere dichtheden 28. Voor conventionele pelleteringsomstandigheden processen, is het raadzaam om biomassa bij lage vochtgehaltes pellet te voldoen aan deze dichtheid specificaties desirable voor het transporteren van de pellets afstanden 41. Zowel CEN en PFI hebben extra pellet kwaliteiten 41. Tumuluru 28 en Tumuluru en Conner 40 aangegeven dat de hoge vochtigheid pilleren processen ontwikkeld op Idaho National Laboratory helpen om maïsstro en houtpellets met een verschillende kwaliteit attributen (bulk dichtheid en duurzaamheid) en specifieke energieverbruik te produceren waardoor ze geschikt zijn voor verschillende transport en logistieke scenario's.
De meeste studies pelleteren biomassa werd gemaakt van één pelletiseren systeem. Pelleteren gegevens over biomassa met behulp van een continu systeem op laboratoriumschaal is beperkt. Studies over continue omhullingen systemen nuttig zijn om het effect van pelleteringsprocessen variabelen als matrijs rotatiesnelheid, lengte tot diameterverhouding begrijpen en matrijsdiameter de kwaliteitskenmerken en specifieke energieverbruik. Pelleteringsprocessen gegevens betreffende de continue systemen kan verder worden gebruikt voor scale het proces te besturen en commerciële schaal systemen. In het algemeen wordt een vlakke matrijs korrelmolen gebruikt voor het uitvoeren pelleteren studies houtige en kruidachtige biomassa in een laboratorium 4. Het werkingsprincipe van de laboratoriumschaal vlakke matrijs, piloot, en commerciële schaal ring matrijzenkorrel molens zijn vergelijkbaar. Al deze korrelmolens een geperforeerde harde stalen matrijs met twee of drie rollen. Door het roteren van de matrijs, de rollen kracht uitoefenen op de voeding en dwingen door de perforaties van de matrijs tot verdichte tabletten 4 vormen.
Onze eerdere studies op high-vocht pelleteren van maïsstro bij grondstof vochtgehalte van 28-38% (WB), zonder enige bindmiddel toevoeging resulteerde in lagere duurzaamheid waarden bij hogere grondstof vochtgehalte 21,28. Verbetering van de duurzaamheid van zeer vochtige pellets na koelen en drogen is belangrijk omdat het helpt om de desintegratie van de korrels (kwaliteitsverlies korrels) gedurende het hanteren te voorkomen, stowoede en transport. Het uiteenvallen van pellets meestal resulteert in boetes generatie en het verlies van inkomsten voor de producenten pellet. Bindmiddelen worden gewoonlijk gebruikt in de pelleteringsprocessen pelletkwaliteit name de duurzaamheid te verbeteren en om het specifieke energieverbruik. Vaak gebruikt natuurlijke bindmiddelen in pelleteringsprocessen zijn eiwitten en zetmeel 4,28. Zetmeel gelatinering ondergaan, terwijl ondergaat eiwit denaturatie bij aanwezigheid van warmte, vochtigheid en druk. Beide reacties leiden tot betere binding en duurzamer pellets bij een lager energieverbruik. Het algemene doel van deze studie was het werken om een hoog vochtgehalte pelleteringsprocessen behulp maïsstro met de toevoeging van een bindmiddel goede kwaliteit pellets qua groene duurzaamheid (na afkoeling) en uitgehard duurzaamheid (na droging) produceren tegen een lagere specifieke energieverbruik. De specifieke doelstellingen van de studie waren tot 1) uit te voeren met hoge vochtigheid pelleteren van maïs stoverheen op verschillende inhoud voedingsmateriaal vochtigheid (33, 36, en 39%, WB) en inhoud zetmeelbindmiddel (0, 2 en 4%), 2) hoe de fysische eigenschappen (pellet vochtgehalte pelletdiameter, expansieverhouding, massadichtheid en duurzaamheid (groen en genezen duurzaamheid), en 3) te evalueren specifieke energieverbruik van pelleteringsprocessen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritische stappen in het hoge vochtgehalte pelletiseren methode om pellets met de gewenste duurzaamheid produceren lager specifiek energieverbruik zijn: 1) het drogen van het hoge vochtgehalte maïsstro het gewenste vochtgehalte (33-39%, WB), 2) procent bindmiddel aanvulling en 3) het voeden van een hoge vochtigheidsgraad biomassa uniform in de pellet molen. Vocht en voeding procent bindmiddel procesvariabelen die de pellet eigenschappen (dichtheid en duurzaamheid van de korrels te koelen en na droging) beïnvloed en specifieke energieverbruik van pelleteringsprocessen. Aanbevolen wordt het vochtgehalte van het uitgangsmateriaal testen voordat deze wordt gebruikt voor het pelletiseren studies. Het voeden van hoog vochtgehalte maïsstro op 33, 36 en 39% (wb) op uniforme wijze aan de pellet molen heeft een impact op de kwaliteit en het energieverbruik. Het wijzigen van de korrelmolen feeder met een frequentieregelaar is van essentieel belang om de biomassa gelijkmatig te voeren aan de pellet molen.
Resultaten van deDeze studie geeft aan dat het toevoegen van bindmiddel de hoge vochtigheid maïsstro deed iets verminderen de dichtheid van de pellets, maar verbeterde duurzaamheid aanzienlijk. Het toevoegen van een bindmiddel op zetmeelbasis verhoogd vochtgehalte in de pellets na compressie en extrusie, maar de toename was niet statistisch significant gevonden in bijna alle onderzochte gevallen zijn. Het vochtverlies tijdens pelleteren was ongeveer 3 tot 4% op de toevoeging van 4% bindmiddel, dat het hoger (7-8%, WB) zonder bindmiddel. De toevoeging van een bindmiddel aan de maïsstro misschien 1) verminderde de verblijftijd van het materiaal in de matrijs en 2) verminderde de wrijvingsweerstanden in de matrijs, waardoor de matrijstemperatuur, die dreigde te leiden tot minder vochtverlies tijdens het comprimeren verminderen en extrusie in de pellet sterven.
Er was een toename in de pelletdiameter nadat het van de pellet matrijs geëxtrudeerd en gedroogd (figuur 4). Deze stijging was geweldiger bij hogere gehalte grondstoffen vocht en met zetmeel bindmiddel toevoeging. Het stortgewicht van de pellets was in het traject van 510-530 kg / m3 bij 33% (wb) voedingsmateriaal vochtgehalte met en zonder bindmiddel. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat hogere grondstofprijzen vochtgehalte van ongeveer 38% (wb) resulteert in een lagere dichtheid, voornamelijk als gevolg van de uitbreiding van de pellets als het snoer door de matrijs 21,28. Het is een bekend verschijnsel dat bij hoge vochtigheid biomassamateriaal wordt geëxtrudeerd door de matrijs onder druk resulteert in vocht uitdampen 12,21. Het vocht flash-off plaats maakt voor de uitbreiding van de pellet, zowel in de axiale en diametrale richting. In het algemeen is de diametrale expansie opvallender opzichte van axiale expansie. Een andere reden voor het uitzettingsgedrag van biomassa na compressie en extrusie door de matrijs pellet kan zijn dat vezels biomassa ontspannen bij aanwezigheid van vocht. Ndiema et al. 45 enMani et al. 18 aangetoond dat afgifte van de toegepaste druk in een matrijs leidt tot relaxatie van de gecomprimeerde biomassa. De relaxatie eigenschappen zijn afhankelijk van vele factoren, zoals deeltjesgrootte, grondstof vochtgehalte en toegepaste druk. Ook in deze studie hebben we vastgesteld dat de massadichtheid toeneemt na het drogen, die zouden kunnen worden door minder tussen de deeltjes vloeistofbruggen dat de deeltjes dichter zou hebben gehouden en produceerde een minder open structuur. Oginni 45 waargenomen dat het stortgewicht van gemalen Loblolly den verminderd met verhoogd vochtgehalte.
Duurzaamheid van de pellets werd gemeten om de sterkte van de pellets te begrijpen. In het algemeen, pellets worden onderworpen aan afschuiving en invloed weerstanden tijdens opslag, transport en het verwerkingsproces 4,46. Kaliyan en Morey 47 gesuggereerd dat de duurzaamheid van pellets geproduceerd onmiddellijk na de productie (groene sterkte) is anders dan de dubaarheid van de pellets die zijn opgeslagen gedurende enkele dagen na de productie (geharde sterkte). Pellets met lagere duurzaamheid waarden te breken en verhogen het risico van de opslag kwesties, zoals off-gassing en zelfontbranding dat het verlies inkomsten voor fabrikanten pellet kunnen veroorzaken. Volgens het Europees Comité voor Normalisatie (CEN) en de Verenigde Staten Pellet Fuels Institute (PFI) de aanbevolen waarden van de duurzaamheid zijn> 96,5% voor hoge kwaliteit of superbenzine pellets 31. In deze studie, de duurzaamheid waarden verhoogd tot ongeveer 94-95% bij gepelleteerd een zetmeelbindmiddel bij 39% vochtgehalte in vergelijking met pellets die zonder bindmiddel dat duurzaamheid waarden hadden in het bereik van 83-85% na drogen. De pellets geproduceerd in 33% (WB) grondstof vochtgehalte had duurzaamheid waarden> 96,5% en voldoen aan de internationale normen.
Vocht heeft verschillende functies tijdens biomassa pelleteren, inclusief: 1) goed brugvorming tussende biomassadeeltjes gevolg van der Waals krachten, 2) het activeren van natuurlijke bindmiddelen zoals eiwit, zetmeel en lignine aanwezig in de biomassa en 3) het bevorderen van zetmeel en eiwit gebaseerde reacties zoals verstijfseling en denaturatie die een sterke invloed op de textuur eigenschappen, zoals hardheid 4-12. In het geval van lignocellulose biomassa, het belangrijkste bindmiddel lignine (houtafval: 27-33%, kruidachtige biomassa: 12-16%) 4. Lignine-gehalte in maïsstro werd bepaald op gemiddeld rond de 16% op basis van een evaluatie van gegevens over de samenstelling, met inbegrip van de literatuur bronnen en grondstoffen databases 48. Lignine moleculen, die een hogere mobiliteit hoger vochtgehalte hebben, fungeren als kleefstof en resulteert in sterkere binding; echter bij zeer hoge niveaus het vocht zal fungeren meer als smeermiddel resulteert in minder binding. In deze studie, op een zeer hoog vochtgehalte van ongeveer 39% (wb) vocht zou zijn opgetreden meer als een smeermiddel en resulteerde in lage duurzaamheid eennd meer boetes generatie in het productieproces pellet proces. Een hogere duurzaamheid werden waargenomen door de toevoeging van een bindmiddel bij een hogere toevoer vochtgehalte van 36 en 39% (wb), die door verstijfseling van het zetmeel kan worden veroorzaakt in aanwezigheid van matrijstemperatuur en uitgangsmateriaal vochtgehalte. Deze verstijfseling reacties kunnen leiden tot de vorming van verknoping van zetmeel met andere componenten biomassa.
Het percentage boetes die tijdens pelleteringsprocessen is een goede indicatie voor hoe goed biomassa pellets. Generatie van fijne deeltjes tijdens pelleteringsprocessen resultaten in het product en de inkomsten verlies voor de producent pellet. Overmatige fijne generatie tijdens het pelleteren processen kunnen ook een impact hebben op de kwaliteit attributen zoals dichtheid en duurzaamheid. De boetes genereren tijdens het productieproces pellet proces wordt beïnvloed door biomassa samenstelling (dat wil zeggen, zetmeel, eiwitten, lignine, en wassen), korrelmolen procesvariabelen <em> dwz lengte-diameter verhouding (L / D-verhouding), matrijs rotatiesnelheid, stoom toestand voorverwarmen) en voeding (ie, grondstof vochtgehalte, deeltjesgrootte en aanzet) 4. De onderhavige resultaten geven aan dat de toevoeging van bindmiddel niet alleen het percentage fijne deeltjes gegenereerd vermindert, maar helpt ook om de fysische eigenschappen te verbeteren terwijl het verminderen van het specifieke energieverbruik. Lagere procent boetes gegenereerd geven aan dat de biomassa een grotere pelletability.
Tumuluru et al. 4 in hun Beoordeel verdichting systemen geschikt biomassa in een soort basisproduct voorgenoemde dat het toevoegen binder helpt bij de extrusie energie, wat resulteert in vermindering van het specifieke energieverbruik. Gewoonlijk lengte tot diameter (L / D) verhouding bepaalt de verblijftijd van het materiaal in de matrijs en helpt de binding van de biomassa. Ook L / D verhouding regelt de extrusie energie en specific energieverbruik. Hogere L / D-verhouding vergroot de verblijftijd, die de fysische eigenschappen van de pellets verbetert, maar verhoogt de energie die nodig is voor de extrusie. Het toevoegen van een bindmiddel biomassa kan helpen binden de biomassa bij lagere L / D verhouding en vermindering van de extrusie energie. In deze studie, een constante lengte en diameter (L / D) verhouding van (2,6) werd geselecteerd. Toekomstig onderzoek gericht op het begrijpen van het effect van L / D-verhouding van de pellet matrijs en de wisselwerking daarvan met voedingsmateriaal vochtgehalte op pelletkwaliteit attributen.
De experimentele data van biomassa voorbewerking (slijpen, drogen en pelleteren), verkregen uit de biomassa National Gebruiker Facility (https://www.inl.gov/bfnuf/) gevestigd in INL en bijbehorende techno-economische analyse aan dat het drogen van biomassa uit 30- 10% (WB) verbruikt veel energie (ongepubliceerde gegevens). De hoge vochtigheid pelleteringsproces ontwikkeld INL kunnen helpen de korrelproductie kosten in vergelijking met een gebruikelijke pelletproductiemethode 24. Deze studie geeft aan dat het toevoegen van een op zetmeel gebaseerd bindmiddel een hoge vochtigheid pelleteringsprocessen beter de duurzaamheid van de korrels tot> 92% na afkoelen in de voeding vochtgehalte van 36 en 39% (wb), en verminderde ook de specifieke energie verbruik van het pelleteringsprocessen met ongeveer 20-40%. Grotere duurzaamheid waarden van de pellets tegen hogere voedingsmateriaal vocht belangrijk omdat zij efficiënt door transporteurs kunnen worden behandeld. Typisch lage duurzaamheid pellets verkruimelen om boetes tijdens de behandeling en opslag, wat resulteert in verlies van inkomsten voor de producenten pellet. Daarnaast kunnen boetes gegenereerd in het proces leiden tot gevaren zoals zelfontbranding en off-gassing 28,41. De specifieke energiebesparing bij ongeveer 20-40% met een bindmiddel opweegt tegen de kosten van het bindmiddel. Ook op basis van dit onderzoek kunnen we concluderen dat sommige van de bijproducten van de levensmiddelenindustrie kan worden gebruikt voor biomassa omhullingenvoor bio-energie toepassingen. Op dit moment is de high-vocht pelleteringsprocessen aangetoond met behulp van een laboratoriumschaal platte sterven pellet mill. De hier beschreven voor de laboratoriumschaal korrelmolen protocol zullen de basis vormen voor het ontwikkelen van scale-up modellen en voor het testen van het proces in pilot-schaal en op commerciële schaal pellet molens zijn.
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).
