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Environment

Verfahren zur Produktion von Durable Pellets bei geringerem Energieverbrauch Mit Feuchtmais Stover und Maisstärke Binder in einer Wohnung Die Pellet Mill

Published: June 15, 2016
doi:
10.3791/54092
, ,
1Biofuels and Renewable Energy Technology Department,Idaho National Laboratory

Summary

In dieser Studie wurde ein Protokoll zur Herstellung von Qualitätspellets mit einer Flachdüse Pellet-Mühle bei reduzierten spezifischen Energieverbrauch Test mit hohem Feuchtigkeitsgehalt Maisstroh entwickelt und eine auf Stärke basierende Bindemittel. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Maisstärke Bindemittel Zugabe der Pelletfestigkeit verbessert, reduzierte Prozent Bußgelder und verringert den spezifischen Energieverbrauch.

Abstract

Eine große Herausforderung bei der Herstellung von Pellets sind die hohen Kosten, die mit Biomasse 30-10% (wb) Feuchtigkeitsgehalt getrocknet wird. Bei Idaho National Laboratory, einem Hochfeuchtigkeitspelletierverfahren wurde entwickelt, um die Trocknungskosten zu reduzieren. In diesem Prozess die Biomasse-Pellets werden bei höheren Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt als herkömmliche Verfahren und die hohe Feuchtigkeits hergestellten Pellets werden getrocknet weiter in energieeffizienten Trockner hergestellt. Dieses Verfahren hilft dem Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt von etwa 5-10% während der Pelletierung zu reduzieren, die in der Düse entwickelte Reibungswärme hauptsächlich zurückzuführen ist. Das Ziel dieser Untersuchung war es zu untersuchen, wie Bindemittel zusätzlich beeinflusst die Pelletqualität und Energieverbrauch des Hoch Feuchtigkeit Pelletierung in einer flachen Form Pellet-Mühle. In der vorliegenden Studie, rohe Maisstroh wurde bei Feuchtigkeiten von 33, 36 und 39% (wb) durch Zugabe von 0, 2 und 4% reiner Maisstärke pelletiert. Die teilweise getrockneten Pellets hergestellt wurden weiter in al getrocknetabor Ofen bei 70 ° C für 3-4 h des Pellets Feuchtigkeit auf weniger als 9% (wb) zu senken. Die hohe Feuchtigkeit und getrockneten Pellets wurden auf ihre physikalischen Eigenschaften, wie Schüttdichte und Haltbarkeit bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass das Bindemittel Prozentsatz auf 4% verbesserte Pelletfestigkeit zu erhöhen und den spezifischen Energieverbrauch um 20-40% im Vergleich zu Pellets ohne Bindemittel reduziert. Bei höheren Bindemittelzugabe (4%), die Reduktion der Einsatzmaterial Feuchtigkeit während der Pelletierung war <4%, während die Reduktion etwa 7-8% ohne Bindemittel war. Mit 4% Bindemittel und 33% (wb) Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt, die Schüttdichte und Haltbarkeit beobachteten Werte der getrockneten Pellets wurden> 510 kg / m 3 und> 98% sind, und die prozentuale Feinpartikel erzeugt wurde reduziert auf <3 %.

Introduction

Biomasse ist eine der wichtigsten Energiequellen der Welt und wird klimaneutral 1 betrachtet. Schüttdichte von Ballen gepresst und Boden landwirtschaftlicher Biomasse und gechipt holziger Biomasse ist gering. Niedrige Rohdichten von baled Biomasse (130-160 kg / m 3), irdischer Biomasse (60-80 kg / m 3) und gechipt holziger Biomasse (200-250 kg / m 3) schaffen Lagerung, Transport und Handhabung Probleme 2, 3. Verdichten oder Grund Biomasse Verdichten durch Druck und Temperatur unter Verwendung erhöht die Schüttdichte um etwa 5 bis 7 – fache, und hilft 4 Einschränkungen Transport und Lagerung zu überwinden. Pelletpressen, Brikettpressen und Schneckenextruder sind Verdichtungssysteme typischerweise für Biomasse 4. Break – even – Transportentfernung Analyse auf Ballen gepresst und pelletiert Biomasse – Rohstoffe angegeben , dass Pellets 1,6 mal transportiert werden können weiter als Ballen einen LKW für die gleichen Kosten 5 verwenden. Der Transport effizienz von Pellets mit anderen Verkehrsmitteln wie der Bahn zu erhöhen, da sie volumenbegrenzten im Vergleich zu Lkw ist die Gewichts begrenzt sind. Derzeit werden in Europa die von holziger Biomasse hergestellten Pellets werden in großem Umfang für Bio-Stromerzeugung eingesetzt. Kanada und die Vereinigten Staaten sind die wichtigsten Hersteller und Lieferanten von Holzpellets in Europa 6. Pellets aus beiden holzig hergestellt und krautige Biomasse kann sowohl für thermo (cofiring, Vergasung und Pyrolyse) und biochemische Umwandlung (Ethanol) Anwendungen 7-9 verwendet werden.

Die Qualitäten von Pellets (Dichte und Haltbarkeit) und der spezifische Energieverbrauch des Pelletierprozesses sind auf den Pelletmühle Prozessvariablen abhängig, wie Düsendurchmesser, Druckgeschwindigkeit und Verhältnis Länge zu Durchmesser der Düse und Beschickungsmaterial Größen, wie Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt und Zusammensetzung 4. Sowohl Pellet-Mühle Prozessvariablen und rohstoffliche Variablen Einflussdie Qualität der Pellets und die spezifische Energie, die in dem Verfahren verwendet. Die Düsendimensionen (dh Verhältnis Länge zu Durchmesser) wird die Kompression und Extrusionsdruck beeinflussen, und die Düse Drehgeschwindigkeit steuert , die Verweilzeit des Materials innerhalb der Düse. Der Feuchtigkeitsgehalt ist ein Einsatzmaterial Variable , die eine wichtige Rolle spielt , indem es mit der Biomasse Zusammensetzungskomponenten interagieren (dh Protein, Stärke und Lignin) aufgrund der hohen Temperatur und der Druck in der Düse gestoßen. Die Anwesenheit von Feuchtigkeit erhöht die van der Waals – Kräfte, wodurch die Anziehungskraft zu erhöhen zwischen den Biomassepartikel 10. Im allgemeinen höhere Feuchtigkeits in der Biomasse wirkt sich auf die Schüttdichte des komprimierten Produkts durch diametrale und laterale Ausdehnung wie es verlßt das Pelletmühle oder Brikettpresse 10 sterben. Biomassezusammensetzung, wie Stärke, Protein, Lignin und anderen wasserlöslichen Kohlehydraten, das Bindungsverhalten beeinflusst, wenn eine Druckbeaufschlagungnd Temperatur in Verdichtungsausrüstung 11. Einige der allgemeinen Zusammensetzung Reaktionen, die durch Einsatzmaterial Feuchtigkeit, Düsentemperatur beeinflusst werden, und Druck sind Stärkegelatinierung, Proteindenaturierung und Lignin Glasübergang. Im allgemeinen bei Temperaturen von 100 ° C oder mehr und einem Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt von mehr als 30%, Stärke in Lebens- und Futtermitteln wird verkleistert und Einflüsse Textureigenschaften wie Härte 12. Typischerweise sind die Stärke Reaktionen Verkleisterung, Einfügen und Retrogradation. Unter diesen Reaktionen hat Gelatinierung den größten Einfluss auf die Pelleteigenschaften 13. Stärke wird häufig in Lebensmitteln und Non-Food-Anwendungen als Bindemittel enthalten. Zum Beispiel wird in der pharmazeutischen Tablettenformulierung Stärke als Füllstoff 4,14 verwendet. Protein in der Biomasse unterzieht Denaturierung und bildet Komplexbindungen aufgrund der hohen Temperatur und dem Druck erfahren in dem Verdichtungsprozess 11. Im Allgemeinen höher aHalterungen von Protein in Biomasse wird in einem haltbareren Pellet 15,16 führen. Beispielsweise, Luzerne, die eine höhere Menge an Protein hat, führt zu haltbaren Pellets bei höheren Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt. Das Fett in der Biomasse reduziert die Reibungskräfte und die Extrusionsenergie während der Pelletierung oder Brikettierung 11,17. In Lignocellulose – Biomasse, hilft das Vorhandensein von Lignin in Pflanzenmaterial zur Bildung von Pellets ohne Bindemittel Zugabe von 18. Woody Biomasse hat eine höhere Ligningehalt (29-33%) , wenn auf eine krautige Biomasse verglichen, die in der Regel aus 12 bis 16% Lignin 4,19. Bei niedrigeren Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt von etwa 10-12% (wb), Glasübergangstemperatur des Lignins größer als 140 ° C 20; wohingegen, reduziert den Feuchtigkeitsgehalt die Erhöhung der Glasübergangstemperatur 21. Gemäß Lehtikangas 22, die Glasübergangstemperatur von Lignin bei 8-15% (wb) Feuchtigkeitsgehalt etwa 100-135 ° C, but Erhöhung der Feuchtigkeitsgehalt> 25% (wb) verringert die Glasübergangstemperatur <90 ° C.

Herbaceous Biomasse ist bei höheren Feuchtigkeitsgehalt je nach Erntemethode und Erntezeit zur Verfügung. Im Fall von Single – Pass Erntemethode wird das Erntegut mit einem Feuchtigkeitsgehalt> 30% (wb) 23. Biomasse wird in der Regel auf etwa 10% (wb) Feuchtigkeitsgehalt getrocknet, um sie aerob stabil und Trockensubstanzverlust während der Lagerung zu verhindern. Lamers et al. 24 angedeutet , dass die Gesamtkosten für beide Schleifen (Stufen 1 & 2) bei 30% Feuchtigkeitsgehalt auf Vorprozess Biomasse und Trocknen etwa 43.60 / trocken Tonne $ ist, und etwa 15,00 $ / trocken Tonne ist nur für die Biomasse getrocknet wird . Biomasse – Trocknung dauert etwa 65% der gesamten Vorverarbeitung Energie und Pelletierung dauert etwa 8-9% 24. Yancey et al. 25 hat bestätigt die Tatsache , dass das Trocknen der größte Energieverbraucher in Biomasse preproce istssing. Die experimentellen Daten und technisch-ökonomische Analyse zeigte, dass eine effiziente Feuchtigkeitsmanagement zur Reduzierung der Biomasse Vorverarbeitung Kosten entscheidend ist. Eine Möglichkeit, die Trocknungskosten und Verwalten des Einsatzmaterials Feuchtigkeits effizienter zu verringern, ist eine hochfeuchtigkeits Pelletierung mit einem Niedertemperatur-Trocknungsverfahren gekoppelt zu verwenden. Im Hoch Feuchtigkeit Pelletierung in Idaho National Laboratory entwickelt, wird die Biomasse bei einem Feuchtigkeitsgehalt von mehr als 28% (wb) pelletiert; die teilweise getrockneten Pellets hergestellt, die in der Feuchtigkeit immer noch hoch sind, können 21 in energieeffiziente Trocknungsanlagen, wie Getreide oder Bandtrockner getrocknet werden. Ein wesentlicher Vorteil der Hoch Feuchtigkeit Pelletierung ist, dass es die Trocknungskosten reduzieren hilft, was wiederum zu einer verringerten Gesamtpelletproduktionskosten. Techno-ökonomische Analyse ergab , dass die Energie- und Produktionskosten um ca. 40-50% reduziert werden mit dem Hoch Feuchtigkeit Pelletierung im Vergleich zu einem herkömmlichen Pelletier Methode 24,26. Die majoder den Grund für reduzierten Pellets Herstellungskosten aufgrund einer Rotationstrockner ersetzt, der mit einem Korntrockner bei hohen Temperaturen von 160 bis 180 ° C arbeitet , die bei niedrigeren Temperaturen von etwa 80 ° C oder weniger 21 arbeitet. Die weiteren Vorteile der Verwendung eines Drehrohrtrockner mit einem Gürtel oder Getreidetrockner zu ersetzen sind: 1) eine höhere Effizienz, 2) reduziert Brandgefahr, 3) Wärme nicht hohe Qualität braucht, 4) reduziert Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC-Emissionen), 5) reduziert Partikelemissionen und 6) nicht agglomerieren nicht hoch Ton oder klebrige Biomasse 27. Die energieintensiven Dampfkonditionierungsschritt in herkömmlichen Pelletierung, normalerweise verwendet, Feuchtigkeit hinzuzufügen und einige der Biomasse-Komponenten aktivieren, wird mit einer kurzen Vorheizzeit Schritt ersetzt. Dieser Schritt hilft, um das Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt sowie aktivieren Biomassekomponenten wie Lignin zu reduzieren. Die Reibungswärme in der Pellet – Form entwickelt hilft auch , um etwa 5-8% (wb) 21,28 des Ausgangsmaterials Feuchtigkeitsgehalt zu reduzieren. In der Hoch moisture Pelletierung, komprimiert die Pellet-Mühle nicht nur die Biomasse, sondern auch hilft, den Feuchtigkeitsgehalt während der Kompression und Extrusion zu verringern. Viele Forscher Experimente an Pelletierung von Roh- und chemisch vorbehandelte Biomasse in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsgehalten getan haben (7-45%, wb) mit Einzel-, Labor-, Pilot- Skalenring sterben und kommerzielle kontinuierliche Pelletieranlagen 10,25,29-40, (Pace, D. 2015. Die Pelletierung der festen Siedlungsabfälle und Ammoniak Faserexplosion (AFEX) vorbehandelt Maisstroh in einem Pilotmaßstab Ringdüse Pelletpresse. Biofuels Abteilung, Chefingenieur, Biomasse Nationale Nutzereinrichtung, Idaho National Laboratory (Nicht veröffentlichte Daten)) . Diese Forscher eingestellt Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt der Biomasse auf unterschiedliche gewünschte Werte, die Wirkung des Feuchtigkeitsgehalts auf Qualitätseigenschaften der Pellets zu verstehen.

Pelletqualitätsmerkmale, die Schüttdichte und Haltbarkeit, sind normative Vorgaben nach dem USEine Basis Pellet Brennstoffinstitut (PFI). Allerdings ist nach dem Europäischen Komitee für Normung (CEN) Dauerhaftigkeit eine normative und Schüttdichte ist eine informative Beschreibung 41. Pellets mit Haltbarkeit Werten> 96,5% und die Schüttdichte> 640 kg / m 3 werden als Super – Premium – Pellets auf Basis von PFI – Standards bezeichnet, während Pellets mit Haltbarkeit – Werten> 97,5% werden als Pellets mit dem höchsten Grad bezeichnet. Sowohl die CEN und PFI-Standards empfehlen Pellets mit unterschiedlichen Durchmessern. Beispielsweise empfiehlt PFI einen Durchmesser im Bereich von 6,35 bis 7,25 mm, während CEN einen Durchmesser im Bereich von 6 bis 25 mm und einer Pelletlänge von weniger als oder gleich 4 mal der Durchmesser 41 empfiehlt. Kleinere Pellets mit einem Durchmesser (6 mm) sind für den Transport von längeren Strecken bevorzugt sie eine höhere Packungsdichten 28 haben unter Berücksichtigung. Für herkömmliche Pelletierverfahren wird empfohlen, Biomasse bei niedrigen Feuchtigkeitsgehalten zu pelletieren diese Dichte Spezifikationen d zu erfüllenesirable für den Transport der Pellets 41 lange Distanzen. Sowohl CEN und PFI haben zusätzliche Pellet – Typen 41. Tumuluru 28 und Tumuluru und Conner 40 darauf hin , dass hohe Prozesse Feuchtigkeit Pelletierung bei Idaho National Laboratory Hilfe entwickelt , um Maisstroh und Holz – Pellets mit unterschiedlichen Qualitätsmerkmalen (Schüttdichte und Lebensdauer) und der spezifische Energieverbrauch macht sie geeignet für verschiedene Transport- und Logistikszenarien erzeugen.

Die meisten der Pelletierung Studien über Biomasse wurden durchgeführt, ein einziges Pelletierung System. Pelletierung Daten auf Biomasse ein kontinuierliches System im Labormaßstab unter Verwendung begrenzt. Studien zur kontinuierlichen Pelletieranlagen wird nützlich sein, um die Wirkung der Pelletierung Prozessvariablen wie Die Drehzahl, Länge-Durchmesser-Verhältnis und Düsendurchmesser auf die Qualitätsmerkmale und der spezifische Energieverbrauch zu verstehen. Die Pelletierung Daten auf den kontinuierlichen Systemen weiter zu sc verwendet werdenden Prozess ale bis zu Piloten und kommerziellen Maßstab Systeme. In der Regel wird eine Flachdüse Pellet – Mühle für die Durchführung von Studien über Pelletierung holzigen und krautigen Biomasse in einem Labor 4 verwendet. Das Arbeitsprinzip des Labormaßstab Flachmatrizen, pilot, und im kommerziellen Maßstab sind Ringdüse Pelletpressen ähnlich. Alle diese Pelletmühlen haben einen perforierten Hartstahlform mit zwei oder drei Walzen. Durch Drehen der Düse üben die Rollen Kraft auf das Einsatzmaterial und zwingen es durch die Perforierungen der Matrize verdichteten Pellets 4 zu bilden.

Unsere früheren Studien auf hoher Feuchtigkeit Pelletierung von Maisstroh bei Beschickung Feuchtigkeitsgehalt von 28-38% (wb) ohne Bindemittel zusätzlich führte zu geringeren Haltbarkeit Werte bei höheren Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt 21,28. Die Verbesserung der Haltbarkeit der hohen Feuchtigkeits Pellets nach dem Abkühlen und Trocknen ist wichtig, da es den Zerfall der Pellets (Verlust der Pelletqualität) zu verhindern hilft, während der Handhabung, stoWut und Transport. Der Zerfall der Pellets führt in der Regel Bußgelder Erzeugung und den Verlust von Einnahmen für die Pelletproduzenten. Bindemittel werden normalerweise in der Pelletierung verwendet Pelletqualität zu verbessern, insbesondere Dauerhaftigkeit und den spezifischen Energieverbrauch zu reduzieren. Häufig verwendete natürliche Bindemittel in der Pelletierung sind Proteine ​​und 4,28 Stärke. Stärke-Gelatinierung durchläuft, während die Protein-Denaturierung in Gegenwart von Wärme erfährt, Feuchtigkeit und Druck. Beide Reaktionen führen zu einer besseren Bindung und haltbarer Pellets bei geringerem Energieverbrauch. Das übergeordnete Ziel dieser Studie war es zu entwickeln und ein hoher Feuchtigkeit Pelletierung mit Maisstroh mit der Zugabe eines Bindemittels demonstrieren zu Pellets guter Qualität in Bezug auf die grüne Haltbarkeit erzeugen (nach dem Abkühlen) und gehärtet Haltbarkeit (nach dem Trocknen) bei einer niedrigeren spezifische Energieverbrauch. Die spezifischen Ziele für die Studie waren 1) mit hoher Feuchtigkeit Pelletierung von Mais st zu leitenüber an unterschiedlichen Einsatzmaterial Feuchten (33, 36 und 39%, wb) und Stärkebindemittelgehalten (0, 2 und 4%), 2) die physikalischen Eigenschaften (Pellet Feuchtigkeitsgehalt, Pelletdurchmesser, Expansionsverhältnis, Schüttdichte zu bewerten und Haltbarkeit (grün und gehärtet Haltbarkeit) und 3) bewerten den spezifischen Energieverbrauch des Pelletierprozesses.

Protocol

HINWEIS: Corn Stover Ballen wurden in Form von Ballen aus landwirtschaftlichen Betrieben in Iowa, USA beschafft. Die beschafften Ballen wurden nacheinander in zwei Stufen gemahlen. In Stufe 1 wurden die Maisstroh Ballen Boden mit einem 50,8-mm-Sieb ausgestattet mit einer Schleifmaschine. In Stufe 2 wurde das Mahlgut aus der Stufe 1 weiter an Boden durch eine Bliss Hammermühle mit einem 4,8-mm-Sieb ausgestattet werden. Das Material wurde für den Feuchtigkeitsgehalt und die Schüttdichte geprüft und in einem luftdichten Behälter zur weiteren Pelletiertests gespeichert. Reine Maisstärke wurde von einem lokalen Markt beschafft und wurde für den Feuchtigkeitsgehalt und die Schüttdichte gemessen. Der Feuchtigkeitsgehalt und die Schüttdichte des gemahlenen Maisstroh und Maisstärkebindemittel gegeben sind Tabelle 1. Tabelle 1. Der Feuchtigkeitsgehalt und die Schüttdichte des gemahlenen Maisstroh und Maisstärke ein Bindemittel. 1. Pellet Mill </ P> Verwenden Sie eine Labormaßstab Flachdüse Pellet – Mühle mit einem Motor mit 10 PS ausgestattet für die Durchführung der Pelletierung Tests (Abbildung 1) 21,28,38. Abbildung 1. Schematische Darstellung eines Labormaßstab Flachdüse Pellet – Mühle in Idaho National Laboratory (angepasst von Tumuluru 21). Eine flache sterben Tablettenmühle verwendet wurde , um die hohe Feuchtigkeit Maisstroh Pelletierung Tests mit und ohne Bindemittel zusätzlich zu führen. Klicken Sie hier um zu sehen eine größere Version dieser Figur. Legen Sie flexible Heizband auf der Oberfläche des Trichters und Förderschnecke dann isolieren sie mit Glaswolle, um den Wärmeverlust zu verhindern. Verbinden des Heizbandes an einen Temperaturregler zur Vorwärmung Biomasse auf die gewünschte Temperatur in der range von 30-130 ° C. Bestücken Sie die Pellet-Mühle mit einem Antrieb mit variabler Frequenz (VFD). Schließen Sie den VFD der Pellet-Mühle zur Pellet-Mühle Motor. Die Vorschubmotor-Controller ist ein Gleichstrommotor-Controller die Vorschubgeschwindigkeit zu Pelletmühle zu variieren. Schließen Sie ein Strommessgerät an den Pellet-Mühle Motor, um den Stromverbrauch aufzeichnen. Manuell wählen mit einem Durchmesser von 8 mm Öffnung und einer Länge zu Durchmesser (L / D-Verhältnis) von 2,6 ein Pellet sterben. Fügen Sie eine horizontale Pelletkühler zum Pellet-Mühle die warmen Pellets abkühlen aus dem Pellet Die kommen. Schließen Sie den Kühler zu einem Abgassystem an die frische Luft zirkulieren kann. 2. Rohstoffliche Vorbereitung Nehmen Sie 2-3 kg Maisstroh gemahlen, um ein 4,8-mm-Sieb verwenden. Messen Sie die Maisstroh Feuchtigkeitsgehalt (siehe Schritt 4.1) und die Schüttdichte (siehe Schritt 4.3) (siehe Tabelle 2). Messen Sie Feuchtigkeitsgehalt (siehe Schritt 4.1) und die Schüttdichte (siehe Schritt 4.3) des reinen (100%) Maisstärke Bindemittelaus dem lokalen Markt beschafft. In Maisstärke Bindemittel auf den Boden Maisstroh (siehe Tabelle 2% Bindemittelzusatz) Berechnen der Menge an Wasser werden zugegeben, um die Feuchtigkeitsgehalte von gemahlenem Maisstroh und Maisstärke Bindemittelmischung auf 33, 36 und 39% (wb) unter Verwendung von Gleichung 1 einzustellen. = (1) HINWEIS: In der Gleichung 1, W w Gewicht von Wasser (g), W s ist , Gewicht der Biomasse – Probe (g), m f: Prozent Endfeuchtigkeitsgehalt der Probe (wb) und m i: Prozent anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt von die Probe (wb%). Die berechnete Wasser auf die Maisstroh / Maisstärke Bindemittelmischung und mischen Sie sie in einem Bandmischer im Labormaßstab. Lagern Sie die feuchtigkeits eingestellt Maisstroh / Maisstärke Mischung in einem verschlossenen Behälter und legen Sie sie in einem Kühlschrank setzen bei4-5 ° C, damit Feuchtigkeit äquilibrieren. 3. Hohe Feuchtigkeit Pelletierung Nehmen Sie die Maisstroh / Maisstärke Mischung aus Kühlschrank und lassen Sie es für etwa 1-2 Stunden bei Raumtemperatur auf Raumtemperatur zu bringen. Legen Sie das Material in den Einfülltrichter des Pellet-Mühle. Führen Sie die Pellet-Mühle bei 60 Hz (380 Umdrehungen pro Minute) sterben Geschwindigkeit. Führen Sie das Pellet-Mühle gleichmäßig durch die Zuführungsrate des Pelletmühle Einstellung Pellets in einem stabilen Zustand zu erzeugen. Kühlen Sie die Pellets in der horizontalen Pelletkühler. Separate Bußgelder erzeugt im Pelletierung ein 6,3-mm-Bildschirm. HINWEIS: Messen Sie den Feuchtigkeitsgehalt und die Haltbarkeit der Pellets nach 21 Kühlung. Trocknen der abgekühlten Hochfeuchtigkeits Pellets in einem Laborofen bei 70 ° C für 3-4 h den endgültigen Feuchtigkeitsgehalt der Pellets auf weniger als 9% (wb) zu reduzieren. HINWEIS: Messen Sie den Pelletfeuchtigkeitsgehalt, Schüttdichte und durabarkeit der getrockneten Pellets 21. Melden Sie die Netz Daten in einen Computer während der Pelletierung. HINWEIS: Siehe Tabelle 2 für Pelletierung Testbedingungen und 2 für Pellets bei 33, 36 erzeugt und 39% Feuchtigkeitsgehalt und 4% Maisstärke Bindemittelzugabe. Tabelle 2. Experimentelle Testbedingungen in der vorliegenden Studie verwendet. Abbildung 2. Foto von der Maisstroh Pellets mit 4% Maisstärkebinder in unterschiedlichen Einsatzmaterial Feuchten produziert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 4. PelletEigenschaften und spezifische Energieverbrauch, HINWEIS: ASABE Normen 42 wurden für die Messung der Feuchtigkeitsgehalt, Dichte, Haltbarkeit und Prozent Bußgelder von Roh- und pelletierten Materialien verwendet. Jeweils etwa 25 bis 50 g der gemahlenen und pelletiert Maisstroh Proben in einem Laborofen eingestellt bei 105 ° C für 24 Stunden. Wiegen der Probe vor und nach dem Trocknen. Berechnen Sie den Feuchtigkeitsgehalt Gleichung 2. Durchführung der Versuche in dreifacher Ausfertigung mit. (2) Nehmen Sie ein einzelnes Pellet und glätten beide Enden mit Grit Utility-Tuch. Messen Sie den Pelletdurchmesser mit Messschieber. Berechnen des Expansionsverhältnisses des Pellets unter Verwendung von Gleichung 3 28. Den Durchmesser der zehn Pellets. Expansionsverhältnis = (3) HINWEIS: In der Gleichung 3 ist, D der Durchmesser des Pellets extrudiert (mm) ist und d der Durchmesser der Düse (mm). Verwenden Sie eine Plexiglas- Zylinder mit einer Höhe von 155 mm und einem Durchmesser von 120 mm. Die Pellets in den Zylinder, bis er die obere Fläche mit einer geraden Kante überläuft und das Niveau. Wiegen Sie den Zylinder mit dem Material. Dividieren, das Gewicht des Zylinders durch das Volumen des Zylinders Schüttdichte zu berechnen. Wiederholen Sie das Experiment dreimal. Hand Sieb das pelletierte Material ein 6,3-mm-Sieb verwenden. Wiegen Sie das Material, das durch das Sieb passiert hat. Berechnen Sie die Prozent Geldbußen unter Verwendung von Gleichung 4. Percent Bußgelder = × 100 (4) Es werden ca. 500 g der Pellets ohne Fein in jedes Fach des Pelletfestigkeitstesters. Trockner der Pellets bei 50 U / min für 10 min. Das Sieb des getrommelt Material mit einem 6,3-mm-Sieb. Verwenden Gleichung 5 die prozentuale Beständigkeit der Pellets zu berechnen. Haltbarkeit =tp_upload / 54092 / 54092eq6.jpg "/> × 100 (5) Anmerkung: Grün Haltbarkeit ist die Haltbarkeit der gemessenen Pellets nach dem Abkühlen und gehärtet Haltbarkeit ist die Haltbarkeit gemessen, nachdem die Pellets bei 70 ° C für 3 h getrocknet. Melden Sie den Pellet-Mühle Energieverbrauch unter Verwendung von Daten-Logging-Software. Notieren Sie die Leerlaufleistung (kW) Daten der Pellet-Mühle durch die Pellet-Mühle leer bei 60-Hz sterben Geschwindigkeit läuft. Verwenden der Gleichung 6, um die spezifische Energieverbrauch (SEC) zu berechnen. (6)

Representative Results

Pellet Feuchtigkeitsgehalt Der Feuchtigkeitsgehalt der Biomasse wurde von etwa 5-8% (wb) reduziert nach Pelletierung. Diese Reduktion wird in erster Linie auf Reibungswärme in der Matrize entwickelt zugeschrieben und Vorheiztemperatur und Kühlung der hohen Feuchtigkeits Pellets. Auch Bindemittel hatte einen Einfluss auf die Menge an Feuchtigkeit verloren. Bei 0% Bindemittel, war der Verlust von Feuchtigkeit etwa 7-8%, was 21,28 mit unseren früheren Studien übereinstimmt; wohingegen bei 4% Bindemittel, den Verlust von Feuchtigkeit in dem Beschickungsmaterial während der Pelletierung betrug etwa 3-5% (Abbildung 3). Das Bindemittel zur Biomasse hinzugefügt könnte als ein Schmiermittel gehandelt haben. Dies könnte die Reibungswiderstände reduziert und reduziert die Verweilzeit des Materials in dem Formkanal die Abnahme der Feuchtigkeitsverlust zu verursachen. In früheren Studien sterben Temperatur gemessen unmittelbar nach der Pelletierung eine Infrarot die Verwendung vonrmometer (Fluke, Modell 561, Fluke Corporation, Everett, WA, USA) erreicht etwa 100-110 ° C 21. das Bindemittelprozent Erhöhung reduziert den Feuchtigkeitsverlust als die Feuchtigkeit fest wurden an die Stärkekörner gebunden könnten. Die hohen Feuchtigkeits Pellets, die weiter in einem Laborofen bei 70 ° C getrocknet wurden für 3-4 h Feuchten <9% (wb) hatten, und diese Pellets wurden verwendet, andere physikalische Eigenschaften wie Pelletdurchmesser zu messen, Expansionsverhältnis, Schüttdichte und Haltbarkeit. Die statistische Analyse der Inhaltsdaten Pellet Feuchtigkeit zeigten , dass es eine interaktive Wirkung der Beschickung Feuchtigkeitsgehalt und die Bindemittelzugabe auf dem Pellet Feuchtigkeitsgehalt (Tabelle 3) war. Pellets ohne Bindemittel und 2% Bindemittel, ein Anstieg der Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt verursacht eine Erhöhung in Pelletfeuchtigkeitsgehalt (Tukey-p <0,05), aber dieser Trend nicht statistisch signifikant war bei 4% Bindemittel (Tukey p≥0.05; Figur 3) . <pclass = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Figur 3. Wirkung von Ausgangsfeuchtigkeitsgehalt (FMC) und Stärke – Bindemittel auf Pelletfeuchtigkeitsgehalt nach dem Abkühlen (Mittelwert ± 1 SD; n = 3). Pelletierung Tests ohne Bindemittel durchgeführt führte zu höheren Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt Verlust im Vergleich zu Tests mit Bindemittel durchgeführt. Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Unterschiede mit post hoc Tukey HSD – Tests (p <0,05). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Pelletdurchmesser Der Durchmesser der Pellets bei 33% Feuchtigkeitsgehalt mit und ohne war Bindemittelzugabe im Bereich von 8,4 bis 8,7 mm nach dem Abkühlen (Daten nicht gezeigt). Eine Erhöhung der Feedstack Feuchtigkeitsgehalt auf 36 und 39% (wb) mit zugesetztem Bindemittel das Pelletdurchmesser auf einen Maximalwert von 9,3 mm erhöht (Daten nicht gezeigt). Diese Pellets wurden weiter getrocknet in einem Laborofen bei 70 ° C für etwa 3-4 Stunden. Trocknen führte zu einer Abnahme der Pelletdurchmesser von etwa 0,3-0,4 mm. Der Hauptgrund für eine Abnahme des Durchmessers nach dem Trocknen zu einer Kontraktion der Pellets durch. Es gab einen statistisch signifikanten Effekt der Wechselwirkung zwischen Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt und Bindemittelzugabe auf Pelletdurchmesser nach dem Trocknen (Tabelle 3). Bei 33% Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt der Pelletdurchmesser betrug nach dem Trocknen im Bereich von 8,3 bis 8,5 mm, wohingegen die Erhöhung der Beschickung Feuchtigkeitsgehalt auf 36% oder 39% des Pelletdurchmesser etwa 8,7 mm (Figur 4). Dieser Anstieg war nur statistisch signifikant zwischen 33% und 39%, wenn wurde kein Bindemittel (Tukey-p <0,05) verwendet wird, wahrscheinlich aufgrund der hohen Abweichungen in den Messungen. </p> Abbildung 4. Auswirkung des Ausgangsmaterials Feuchtigkeitsgehalt (FMC) und Maisstärke ein Bindemittel auf Pelletdurchmesser nach dem Trocknen (Mittelwert ± 1 SD; n = 10) Pelletdurchmesser vergrößert mit einem Anstieg der Rohstofffeuchtigkeitsgehalt und Stärkezusatz.. Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Unterschiede mit post hoc Tukey HSD – Tests (p <0,05). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Expansionsverhältnis Expansionsverhältnis wird unter Verwendung des Pelletdurchmesser (Gleichung 3) berechnet. Die Expansionsverhältniswerte für die Pellets höher waren nach dem Vergleich des Abkühlens nach dem Trocknen (Daten nicht gezeigt). Bei 33% Feuchtigkeitsgehalt ohne und mitBindemittel Außerdem waren die Expansionsverhältnis Werte nach dem Abkühlen im Bereich von 1,16 bis 1,20. Weitere Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts auf 36 und 39% ohne Bindemittel zusätzlich erhöht 1.35 das Expansionsverhältnis Werte. Die getrockneten Pellets hatten niedrigere Expansionsverhältnisse, die im Wesentlichen diametral sowohl aufgrund der Kontraktion der Pellets betrug und lateral. Bei 33% Gehalt Einsatzmaterial Feuchtigkeit die Expansionsverhältniswerte mit und ohne Bindemittel zusätzlich lagen im Bereich von 1,11 bis 1,07 (Abbildung 5). Erhöhen des Ausgangsmaterials Feuchtigkeitsgehalt auf 36 und 39% erhöht weiter das Expansionsverhältnis Werte 1,10-1,18 (Abbildung 5); Jedoch war dies nur statistisch signifikant für 33% im Vergleich zu 39% Feuchtigkeitsgehalt ohne Bindemittelzugabe (Tukey-p <0,05; Tabelle 3). Im Fall der Pelletdurchmesser und Expansionsverhältnis, Zugabe einer Stärke erhöht Bindemittel auf der Basis dieser Werte bei allen der Beschickung Feuchtigkeitsgehalte, aber diese Unterschiede waren nicht statistischsignifikant (Tukey p≥0.05). Die Expansionsverhältnis ergibt sich nach dem Trocknen untermauern die Ergebnisse früherer Studien, in denen steigende Einsatzmaterial Feuchtigkeit in das Expansionsverhältnis erhöht und verringert weiter die Rohdichte 28 Werte. Figur 5. Wirkung von Ausgangsfeuchtigkeitsgehalt (FMC) , und auf Stärke basierende Bindemittel auf der Expansionsverhältnis von Pellets nach dem Trocknen (n = 10). Expansionsverhältnis von Pellets mit einer Erhöhung der Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt erhöht wird, ohne und mit Bindemittelzugabe. Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Unterschiede mit post hoc Tukey HSD – Tests (p <0,05). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Groß Densität Die Schüttdichte der Pellets mit einem Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt von 33% , hergestellt mit und ohne Bindemittel und gemessen nach der im Bereich von 464 bis 514 kg war Kühl / m 3 (Daten nicht gezeigt). Bei 36 und 39% Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt ohne Bindemittel die Schüttdichte – Werte lagen im Bereich von 437-442 kg / m 3. Hinzufügen von Bindemittel an diesen Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalten reduzierte Rohdichte <400 kg / m 3. Trocknen der Hochfeuchtigkeits Pellets in einem Laborofen bei 70 ° C für etwa 3 Stunden reduziert, um die Feuchtigkeitsgehalte der Pellets auf weniger als 9% (wb). Es gab einen leichten Anstieg in der Schüttdichte – Werte von etwa 50 kg / m 3 nach dem Trocknen. Der Anstieg der Schüttdichte nach dem Trocknen durch weniger zwischen den Teilchen sein könnte Flüssigkeitsbrücken, die die Teilchen näher mit weniger offene Struktur gehalten haben könnte. Oginni 44 festgestellt , daß die Schüttdichte des Boden Loblolly pine demit einer Zunahme der Feuchtigkeitsgehalt erhöht. Für Pellets mit einem Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt von 33% mit und ohne die Bindemittelzugabe hergestellt war die Schüttdichte der Pellets im Bereich von 520-530 kg / m 3 (Abbildung 6). Bei höheren Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt von 36 und 39% (wb), die Schüttdichte der getrockneten Pellets verringert signifikant <434 kg / m 3 und <437 kg / m 3. Es gab einen statistisch signifikanten Effekt der Wechselwirkung zwischen Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt und Bindemittelzugabe auf Schüttdichte (Tabelle 3). Im allgemeinen verringerte Schüttdichte mit einer Zunahme der Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt beginnen. Außerdem gibt es einige Anzeichen dafür , dass Schüttdichte mit einer Zunahme der Stärkegehalt erniedrigt (Abbildung 6). Abbildung 6. Effekt des Ausgangsmaterials Feuchtigkeitsgehalt (FMC) und Stärke – Bindemittel auf die Schüttdichte des Pellets nach dem Trocknen (Mittelwert ± 1 SD; n = 3) Untere Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt von 33% (wb) und ohne Bindemittel in der höchsten Schüttdichte geführt.. Zugabe von 2 bis 4% Bindemittel bei verschiedenen Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalten führten zu niedrigeren Schüttdichtewerte. Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Unterschiede mit post hoc Tukey HSD – Tests (p <0,05). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Haltbarkeit (%) Nach dem Abkühlen Grün Haltbarkeit Figur 7 zeigt die Festigkeit von Pellets nach dem Abkühlen (green Festigkeit) und nach 3-4 Stunden (ausgehärteten -ig) bei 70 ° C in einem Ofen getrocknet wird. Höhere Haltbarkeit Werte von hoher Feuchtigkeit Pellets sind wünschenswert, da es in weniger Bruch während der Handhabung und Lagerung durch Scher- und Schlagzähigkeit führen. Für die ANOVA war die Wechselwirkung zwischen signifikanten Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt, Bindemittel Prozent und Trocknen (Tabelle 3). Die Haltbarkeitswerte der Pellets nach dem mit einer Zunahme der Bindergehalt erhöhte Kühl (Tabelle 3; Tukey-p <0,05). Mit 33% (wb) Beschickung Feuchtigkeitsgehalt waren die Haltbarkeit Werte ohne Bindemittel etwa 87,2%; wohingegen bei der Zugabe einer 2 und 4% Stärkebinder, erhöht die Haltbarkeit Werte 93,2 und 96,1% (Abbildung 7). Der Trend war ähnlich für die anderen Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalte von 36 und 39% (wb). Ohne Bindemittel waren die Haltbarkeit Werte über 80%; aber das Hinzufügen Bindemittel auf die Biomasse erhöht die Haltbarkeit Werte. Die Haltbarkeit incrbis etwa 90% entspannt, wenn Pellets mit einem Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt von 36% und 4% Stärke Bindemittel hergestellt wurden. Bei noch höheren Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt von 39% (wb) war der Trend ähnlich, aber die Gesamthaltbarkeit Werte sank im Vergleich zu den anderen Einsatzmaterial Feuchten. Abbildung 7. Wirkung des Ausgangsmaterials Feuchtigkeitsgehalt (FMC) und Stärkebindemittel auf Haltbarkeit nach dem Abkühlen und nach dem Trocknen. (Mittelwert ± 1 SD, n = 3) Haltbarkeit Werte von hoher Feuchtigkeit Maisstroh Pellets erzeugt bei 33, 36 und 39% (wb) Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt mit Bindemittel zusätzlich erhöht sowohl nach dem Abkühlen und nach dem Trocknen. Unterschiedliche Buchstaben zeigen signifikante Unterschiede mit post hoc Tukey HSD – Tests (p <0,05). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. </ P> Nach dem Trocknen Gehärtete Haltbarkeit Trocknen der Hochfeuchtigkeits Pellets in einem Laborofen bei 70 ° C für 3-4 Stunden resultierte in der Pellets Aushärten, wodurch die Haltbarkeit der Pellets erhöht. Die Lebensdauer – Werte der Pellets bei 33, 36 und 39% (wb) Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt erhöht gemacht> 92% (Abbildung 7). Die Haltbarkeitswerte bei 33% Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt erhöhte sich auf etwa 98% nach dem Trocknen (Abbildung 7). Diese Ergebnisse entsprechen eng mit früheren Arbeiten 21,28. Die Lebensdauer-Werte der Pellets unter Verwendung eines Binders hergestellt stieg nach (Tukey-p <0,05) Trocknen. Bei 33% Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt und 4% Bindemittel, die endgültigen beobachtet Haltbarkeitswerte waren etwa 98%. Der Trend war ähnlich bei 36 und 39% BeschickungFeuchtigkeitsgehalt, wobei das Bindemittel eine positive Auswirkung auf die Haltbarkeit Werte (Tukey-p <0,05) hatte. Bei 39% Feuchtigkeitsgehalt Einsatzmaterial mit einem Bindemittel Zusatz von 2 und 4%, erhöht die Haltbarkeit Werte auf etwa 94-95%. Percent Fines In der vorliegenden Studie wurden die prozentualen Fein während Pelletierung erzeugt waren höher bei 36 und 39% (wb) im Vergleich zu 33% (wb) Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt. Hinzufügen von Bindemittel führte die Prozent Geldbußen bei der Senkung bei allen Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalten erzeugt werden, wenn ohne Bindemittelzugabe (Abbildung 8) zu Tests verglichen. Pelletierung Tests ohne Bindemittel zeigte, die höchsten Prozent Geldbußen in Höhe von etwa 11% auf 39% (wb) Beschickung Feuchtigkeitsgehalt. Zugabe von 2 bis 4% Bindemittel auf die Mais Stover verringerte sich die Prozent Fein erzeugt während 33% pelletiert und 36% (wb) im Vergleich zu Pellets kein Bindemittel zugegeben. Ter niedrigste prozentuale Fein in dieser Studie beobachtet wurden bei 4% Bindemittel Additions- und 33% (wb) Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt (ca. 3%). Figur 8. Wirkung von Ausgangsfeuchtigkeitsgehalt und Stärkebindemittel auf die prozentuale Feingut aus dem pelletierten Material hergestellt. Bei Beschickung Feuchtigkeitsgehalte von 33, 36 und 39% (wb) Zusatz von Bindemittel , um die Prozent Fein im pelletierten Material reduziert. Hier klicken eine größere Version dieser Figur zu sehen. Spezifischer Energieverbrauch Der spezifische Energieverbrauch wurde durch Bindemittelzugabe (Figur 9) beeinflusst. Ohne Bindemittel, die spezifische enEnergie bei 33, 36 und 39% Gehalt Beschickungsmaterial Feuchtigkeit betrug zwischen 118-126 kWh / ton. 2% Bindemittel Zugabe reduziert auf etwa 75-94 kWh / Tonne, den spezifischen Energieverbrauch. Weiteres Erhöhen der Bindemittelprozent weiter auf 4% des spezifischen Energieverbrauchs auf etwa 68-75 kWh / t für alle Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalte reduziert, die getestet wurden. Hinzufügen des Bindemittels bei 2 und 4% verringert den spezifischen Energieverbrauch um etwa 20-40%. Figur 9. Wirkung von Ausgangsfeuchtigkeitsgehalt und Stärkebindemittel auf den spezifischen Energieverbrauch des hohen Feuchtigkeits Pelletierung. Spezifischer Energieverbrauch des hohen Feuchtigkeits Mais Stover Pelletierung wurde um etwa 20-40% unter Zusatz von 2 und 4% Stärke reduzierte Bindemittel auf. Bitte klicken Sie hier , um eine größere versio zu sehen n dieser Figur. Statistische Analyse Die statistische Analyse wurde in JMP fertiggestellt 10 43 a . Zweiwege – ANOVA wurde verwendet , um die Auswirkungen von Ausgangsfeuchtigkeitsgehalt (33, 36, 39%) und Maisstärke – Bindemittel (0, 2, 4%) auf Pelletfeuchtigkeitsgehalt zu bestimmen (n = 3), Pelletdurchmesser (n = 10), Expansionsverhältnis (n = 10), und die Schüttdichte (n = 3). Ein Drei-Wege-ANOVA wurde verwendet, um die Auswirkungen des Feuchtigkeitsgehalts zu bestimmen (33, 36, 39%), Maisstärke-Bindemittel (0, 2, 4%) und Trocknen (vor dem Trocknen nach dem Trocknen) auf Haltbarkeit (n = 3 ). Residuen erfüllt die ANOVA Annahmen für Normalität und Homogenität der Varianz. Um diese Annahmen, Pellet- Feuchtigkeitsgehalt erfüllen wurde durch eine Anhebung der Daten in die 4. Macht verwandelt. Wenn die in der ANOVA getestet Faktoren bei p signifikant waren <0,05 wurden Tukey HSD Tests für post hoc paarweise Vergleiche verwendet. Zelt "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Tabelle 3 Die statistische Signifikanz der Prozessvariablen basierend auf der Analyse der Varianz (ANOVA).

Discussion

Die kritischen Schritte in dem hohen Feuchtigkeitspelletierverfahren Pellets mit der gewünschten Haltbarkeit herzustellen bei niedrigeren spezifischen Energieverbrauch sind: 1) die hohe Feuchtigkeitsmaisstroh auf den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt getrocknet (33-39%, wb), 2) Prozent Bindemittel zusätzlich und 3) Zuführen hoher Feuchtigkeit Biomasse gleichmäßig in die Pellet-Mühle. Beschickungsmaterial Feuchtigkeit und Prozent Bindemittel sind Prozessvariablen, die das Pellet-Eigenschaften (Dichte und Haltbarkeit der Pellets vor dem Abkühlen und nach dem Trocknen) beeinflußt und den spezifischen Energieverbrauch des Pelletierprozesses. Es wird empfohlen, den Feuchtigkeitsgehalt des Beschickungsmaterials zu testen, bevor sie für die Pelletierung Studien verwendet. Füttern von hoher Feuchtigkeit Maisstroh bei 33, 36 und 39% (wb) gleichmäßig auf die Pellet-Mühle hat einen Einfluss auf die Qualität und Energieverbrauch. Ändern der Pellet-Mühle Zubringer mit einem Antrieb mit variabler Frequenz war wichtig, die Biomasse gleichmäßig auf die Pellet-Mühle zu füttern.

Die Ergebnisse dervorliegende Studie zeigte, dass die Zugabe von Binder mit dem hohen Feuchtigkeitsmaisstroh hat die Schüttdichte der Pellets reduzieren geringfügig, aber die Haltbarkeit deutlich verbessert. eine auf Stärke basierende Bindemittel Zugabe erhöht den Feuchtigkeitsgehalt in den Pellets nach der Kompression und der Extrusion, jedoch war der Anstieg gefunden statistisch nicht signifikant ist in fast allen Fällen untersucht. Der Feuchtigkeitsverlust während der Pelletierung betrug etwa 3 bis 4% bei der Zugabe von 4% Bindemittel, während sie höher war (7-8%, wb) ohne Bindemittel. Die Zugabe eines Bindemittels zu dem Mais Stover könnte 1 haben) reduziert, um die Verweilzeit des Materials in der Düse und 2) reduziert, um die Reibungswiderstände in der Düse, wodurch die Düsentemperatur zu reduzieren, die während der Kompression in weniger Feuchtigkeitsverlust zur Folge hätte und Extrusion im Pellet sterben.

Es gab in der Pelletdurchmesser ein Anstieg , nachdem es aus dem Pellet Matrize und getrocknet (Abbildung 4) extrudiert. Dieser Anstieg war großer bei höheren Einsatzmaterial Feuchtigkeitsgehalt und mit Stärke Bindemittelzugabe. Die Schüttdichte der Pellets lag im Bereich von 510-530 kg / m 3 bei 33% (wb) Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt mit und ohne Bindemittel. Die bisherige Forschung hat gezeigt , dass eine höhere stoffliche Feuchtigkeitsgehalt von etwa 38% (wb) führt zu einer geringeren Schüttdichte, vor allem aufgrund der Expansion der Pellets wie diese von der durch die 21,28 sterben. Es ist ein bekanntes Phänomen , dass bei hoher Feuchtigkeit Biomassenmaterial durch die Düse unter Druck extrudiert wird , führt dies zu Feuchtigkeits Ablüften 12,21. Der Feuchtigkeits Ablüften weicht der Expansion des Pellets, sowohl in der axialen und diametralen Richtung. Im Allgemeinen ist die diametrale Expansion prominenteren Vergleich zur axialen Ausdehnung. Ein weiterer Grund für das Ausdehnungsverhalten der Biomasse nach der Kompression und Extrusion durch die Düse Pellet könnte sein, dass Biomasse Fasern in Gegenwart von Feuchtigkeit zu entspannen. Ndiema et al. 45 undMani et al. 18 angedeutet , dass die Freisetzung der aufgebrachten Druck in einer Matrize ergibt Entspannung der komprimierten Biomasse. Die Entspannungseigenschaften sind abhängig von vielen Faktoren wie Teilchengrße, Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt und die aufgebrachte Druck. Auch in dieser Studie haben wir festgestellt, daß die Schüttdichte erhöht sich nach dem Trocknen, die durch weniger Interpartikelflüssigkeitsbrücken sein könnte, die die Teilchen näher und erzeugt eine weniger offene Struktur gehalten haben könnte. Oginni 45 festgestellt , daß die Schüttdichte des Boden Loblolly pine mit einem erhöhten Feuchtigkeitsgehalt verringert wird .

Haltbarkeit der Pellets wurde gemessen, um die Festigkeit der Pellets zu verstehen. Im Allgemeinen Pellets unterliegen Scher- und Schlagzähigkeit während der Lagerung, des Transports und der Handhabung Prozess 4,46. 47 Kaliyan und Morey vorgeschlagen , dass die Haltbarkeit der hergestellten Pellets unmittelbar nach der Herstellung (Grünfestigkeit) ist anders als dugleichbarkeit der Pellets, die für ein paar Tage nach ihrer Produktion (gehärtet Stärke) gespeichert sind. Pellets mit einer geringeren Haltbarkeit Werte brechen und das Risiko von Speicherprobleme, wie Ausgasen und spontane Verbrennung zu erhöhen, die Umsatzeinbußen für die Pellethersteller führen könnten. Laut dem Europäischen Komitee für Normung (CEN) und den Vereinigten Staaten Pellet Fuels Institute (PFI) die empfohlenen Werte der Haltbarkeit sind> 96,5% für hohe Qualität oder Premium – Klasse Pellets 31. In dieser Studie erhöhte die Haltbarkeit Werte auf etwa 94-95%, wenn sie mit einem Stärkebinder bei 39% Feuchtigkeitsgehalt im Vergleich zu Pellets hergestellt ohne Bindemittel pelletiert, die Haltbarkeit Werte im Bereich von 83-85% nach dem Trocknen hatte. Die Pellets bei 33% hergestellt (wb) Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt hatte Haltbarkeit Werte> 96,5% und die internationalen Standards entsprechen.

Feuchtigkeit hat verschiedene Funktionen bei der Pelletierung von Biomasse, einschließlich: 1) feste Brückenbildung zwischendie Biomassepartikel durch van der Waals-Kräfte, 2) natürliche Bindemittel wie Eiweiß, Stärke und Lignin in der Biomasse zu aktivieren, und 3) die Förderung der Stärke und Protein zu Reaktionen, wie Verkleisterung und Denaturierung, die einen starken Einfluss auf die strukturelle Eigenschaften aufweisen, wie Härte 4-12. Im Falle von Lignocellulose, das Haupt Bindemittel ist Lignin (Holzbiomasse: 27-33%, krautige Biomasse: 12-16%) 4. Der Ligningehalt in Maisstroh wurde um 16% , basierend auf einer Überprüfung der Zusammensetzungsdaten zu mitteln bestimmt, einschließlich der Literaturquellen und rohstoffliche Datenbanken 48. Ligninmoleküle, die bei höheren Feuchtigkeitsgehalt höhere Beweglichkeit haben, wirken als Klebstoff und führen zu einer stärkeren Bindung; jedoch auf sehr hohem Niveau wird die Feuchtigkeit eher wie ein Schmiermittel in weniger Bindungs ​​resultierende wirken. In der vorliegenden Studie wurde auf einem sehr hohen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 39% (wb) Feuchtigkeit könnte eher wie ein Schmiermittel gehandelt haben und führte zu einer geringen Haltbarkeit einnd mehr Bußgelder Generation in der Pellet-Produktionsprozess. Höhere Haltbarkeit Werte wurden bei einer höheren Beschickung Feuchtigkeitsgehalt von 36 und 39% (wb) durch die Zugabe eines Bindemittels beobachtet, die in Anwesenheit von Düsentemperatur und rohstoffliche Feuchtigkeitsgehalt durch Gelatinierung von Stärke verursacht werden könnten. Diese Verkleisterung Reaktionen können mit den anderen Biomassekomponenten zur Bildung von Vernetzung von Stärke führen.

Die prozentualen Bußgelder während des Pelletierprozesses erzeugt wird, ist ein guter Indikator dafür, wie gut Biomasse-Pellets bilden. Die Erzeugung von feinen Teilchen während der Pelletierung Ergebnisse in der Produkt- und Ertragsverlust, der Pelletproduzent. Übermäßige feine Generation während der Pelletierung Prozesse können auch Auswirkungen auf die Qualität Attribute wie Dichte und Haltbarkeit. Die Bußgelder Generation während der Pelletproduktionsprozess wird durch Biomassezusammensetzung (dh Stärke, Eiweiß, Lignin und Wachse), Pellet – Mühle Prozessvariablen beeinflusst <em> dh Länge zu Durchmesser – Verhältnis (L / D – Verhältnis), sterben Drehzahl, Dampfzustand, Vorwärmung) und rohstoffliche Variablen (dh Ausgangsmaterial Feuchtigkeitsgehalt, Partikelgröße und Vorschubgeschwindigkeit) 4. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass der Zusatz von Bindemittel nicht nur der Prozentsatz der feinen Teilchen verringert erzeugt, sondern hilft auch, um die physikalischen Eigenschaften zu verbessern und gleichzeitig den spezifischen Energieverbrauch zu reduzieren. Untere Prozent Fein erzeugt anzuzeigen, dass der Biomasse eine größere pelletability hat.

Tumuluru et al. 4 in ihrer Überprüfung auf Verdichtungssystemen geeignet Biomasse in eine Ware Typ Produkt machen darauf hingewiesen , dass Bindemittel Zugabe hilft , die Extrusionsenergie zu reduzieren, die den spezifischen Energieverbrauch führt zu reduzieren. Typischerweise Länge zu Durchmesser (L / D) -Verhältnis kontrolliert die Verweilzeit des Materials in der Düse und hilft der Biomasse die Bindung. Auch L / D-Verhältnis steuert die Extrusions Energie und die spezifischenFic Energieverbrauch. Höhere L / D-Verhältnis erhöht sich die Verweilzeit, die die physikalischen Eigenschaften der Pellets verbessert, erhöht aber die erforderliche Energie für die Extrusion. kann ein Bindemittel zu Biomasse Hinzufügen helfen, die Biomasse zu niedrigeren L / D-Verhältnis binden und die Extrusionsenergie reduzieren. In dieser Studie wird eine konstante Länge zu Durchmesser (L / D) Verhältnis von (2.6) gewählt. Zukünftige Forschung ist auf das Verständnis der Wirkung von L / D-Verhältnis des Pellets Gesenk und seine Wechselwirkung mit Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalt auf Pelletqualitätsmerkmale richtet.

Die experimentellen Daten auf Biomasse Vorverarbeitung (Mahlen, Trocknen und Pelletieren) von der Nutzereinrichtung Biomasse Nationale erhalten (https://www.inl.gov/bfnuf/) bei INL und in technisch-ökonomischen Analyse im Zusammenhang darauf hin, dass Biomasse, die aus 30- Trocknen 10% (wb) verbraucht eine große Menge an Energie (nicht veröffentlichte Daten). Der hohe Feuchtigkeits Pelletierung bei INL entwickelt wurden, können die Pelletproduktionskosten reduzieren im Vergleich zu einem herkömmlichen PelletHerstellungsverfahren 24. Die vorliegende Studie zeigte, dass das Hinzufügen eines Binders auf Stärkebasis zu einem hohen Feuchtigkeits Pelletierung die Haltbarkeit der Pellets zu> 92% nach dem Abkühlen auf das Beschickungsmaterial Feuchtigkeitsgehalte von 36 und 39% (wb) verbessert, und es reduziert auch die spezifische Energie Verbrauch des Pelletierung von etwa 20-40%. Größere Haltbarkeit Werte der Pellets bei höheren Einsatzmaterial hergestellt Feuchtigkeits ist wichtig, da sie effizient durch Förderer gehandhabt werden kann. Typischerweise Pellets geringe Haltbarkeit zu Geldbußen bröckeln bei der Handhabung und Lagerung, die für die Pelletproduzenten in Umsatzeinbußen zur Folge hat. Darüber hinaus wird in dem Verfahren erzeugte Bußgelder können Sicherheitsrisiken wie Selbstentzündung führen und ausgasendes 28,41. Der spezifische Energiereduktion um ca. 20-40% eines Bindemittels überwiegt die Kosten für das Bindemittel verwendet wird. Auch auf der Grundlage dieser Untersuchung kann man schließen, dass ein Teil der Nebenprodukte aus der Nahrungsmittelindustrie für die Pelletierung von Biomasse verwendet werden könnenfür Bioenergie-Anwendungen aus. Derzeit wurde die Hoch Feuchtigkeit Pelletierung zeigte eine Labormaßstab Flachmatrizen-Pelletmühle. Das hier beschriebene Protokoll für die Pellet-Mühle im Labormaßstab wird die Grundlage für die Entwicklung von Scale-up-Modelle und für die Prüfung der Verfahren in Pilotmaßstab und im kommerziellen Maßstab Pelletmühlen.

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
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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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