1. Investigation of torrefaction and addition of alternative raw materials in biomass pelleting
- Author
-
Mišljenović, Nevena, Salas-Bringas, Carlos, Mosbye, John, Lekang, Odd-Ivar, and Schüller, Reidar
- Abstract
The interest in renewable energy sources is growing continuously owing to climate change and the limited amount of fossil fuels. Biomass is the most popular renewable energy source, and it will continue to play a key role in further reduction of the consumption of fossil fuels. Extensive usage of wood worldwide for generating energy is making this resource scarcer. From the perspective of ensuring sufficient supply of biomass for future needs, the application of inexpensive alternative raw materials, such as agricultural and industrial residues, has gained great interest. The typically poor fuel properties of alternative biomasses can be upgraded through different technologies such as pelleting and torrefaction. The main objective of the present PhD thesis is to develop pelletized solid biofuels by adding alternative raw materials and applying the torrefaction process. Additionally, the thesis also contributes to the development and application of novel, non-conventional methods for testing pellet quality. The thesis is based on four scientific papers that investigated different aspects of biomass pelleting, the application of new raw materials, a thermal pretreatment process, and the development of novel methodologies for pellets analysis. The initial activity in the present PhD project involved screening and selecting the alternative raw materials that could be used for pellet production. Through the rheological examination of five liquid and semi-solid materials, an attempt was made to anticipate their behavior during different stages of biofuel production, when they were added to powder biomass for densification (Paper I). Based on the rheological properties, availability, and price, waste vegetable oil and molasses were selected for further examination of their effects on biomass pelletability and physical pellet quality. Waste vegetable oil exhibits Newtonian behavior; its viscosity decreased sharply when heated in the temperature range that occurs during pellet production, and this allowed easy application of the oil in the production process. Molasses was chosen because of its ability to harden and form solid bridges between particles. This indicated that molasses could be a good binder in the pelleting process. The second approach to upgrade biomass fuel properties was biomass torrefaction. The effects of torrefaction on Norwegian spruce and birch branches are examined in Paper II. Torrefaction improved the properties of wood by realizing higher energy density, better grindability, and hydrophobicity. It was demonstrated that the effects of torrefaction depend on the tree species. Torrefaction had a positive impact on the strength of birch pellets, while the strength of spruce pellets was reduced. However, results indicated that the densification of torrefied biomass requires more energy than the densification of raw wood. In Paper III, the pelleting of spruce sawdust with added waste vegetable oil is described. This work presented a novel method for testing the surface hydration properties of pellets; this method is based on measurements of the contact angle of a water drop on the pellet surface. Surface hydration properties were assessed on the basis of the initial contact angle and apparent water absorption rate. Addition of waste vegetable oil reduced inter-particle binding, resulting in poor pellet physical quality in terms of pellet density, strength, and surface hydration properties. Addition of oil was beneficial because it increased the energy content of pellets and lowered the energy requirement for pellets production. Molasses, as a potential binder, was added to wheat straw before pelleting (Paper IV). Pellets were produced in a single pellet press and in a roller-die pellet press. Molasses made the pellets stronger, and this effect was particularly pronounced at low pelleting temperatures (60°C). Comparison of the two pelleting methods showed that the single pellet press is a useful tool for examining pelletability and material-compacting properties. The information obtained by this method can serve as a basis for material and process modification before large-scale production. Interessen for fornybare energikilder er stadig økende på grunn av klimaendringer og begrensede mengder av fossilt brensel. Biomasse er en av de mest populære fornybare energikildene. Biomasse vil fortsette å spille en sentral rolle i ytterligere reduksjon av fossilt brenselforbruk. Omfattende bruk av trevirke til energiproduksjon gjør det enda knappere på et globalt nivå. For å kunne forsyne nok biomasse slik at det møter fremtidige behov, har det derfor blitt en økende interesse for anvendelse av billige, alternative råmaterialer samt landbruks- og industriavfall. Vanligvis kan dårlige egenskaper av alternative biomasser bli oppgradert med ulik teknologi slik som pelletering og torrifisering (forkulling). Det viktigste målet for den presenterte doktorgradsavhandlingen er å utvikle pelleterisert biodrivstoff ved inkludering av nye råvarer og anvendelse av torrifiseringsprosessen. Et viktig bidrag for denne doktorgradsavhandlingen er å utvikle og anvende nye og ukonvensjonelle metoder for kvalitetstesting av pellets. Doktorgradsavhandlingen er basert på fire vitenskapelige artikler som undersøker ulike aspekter av pelletering av biomasse, bruk av nye råvarer, prosess av termisk forbehandling og etablering av nye metoder for analysering av pellets. Den innledende aktiviteten i dette doktorgradsprosjektet var søking og valg av alternative råvarer som kan brukes til produksjon av pellets. Reologisk undersøkelse av fem væske- og halvfaste (myke) råvarer ble utført med formål å forutse deres oppførsel under ulike stadier av biodrivstoffproduksjon, særlig når de er tilsatt biomasse i pulverform for å øke tettheten (artikkel I). Basert på reologiske egenskaper, tilgjengelighet og pris, ble vegetabilske oljerester og melasse valgt for videre undersøkelse av deres effekter på pelletabilitet av biomasse og fysisk kvalitet av pellets. Vegetabilske oljerester hadde Newtonsk-atferd. Viskositeten av vegetabilske oljerester var redusert etter oppvarming i et temperaturområde som er standard under produksjon av pellets. Dette tillot lett tilsetting av olje i produksjonsprosessen. Melasse ble valgt ettersom den kunne stivne raskt og danne faste broer mellom partiklene. Dette indikerte at melasse kunne være et godt bindemiddel i pelleteringsprosessen. En annen tilnærming for oppgradering av egenskaper av biobrensel var torrifisering av biomasse. Effektene av torrifisering av norske gran og bjørk ble undersøkt i artikkel II. Torrifisering oppgraderte egenskaper til tre-biomasse ved høy energitetthet, bedre formalingsmuligheter og hydrofobisitet. Det ble demonstrert at effekt av torrifisening avhenger av arten av biomasse. Torrifisering hadde positiv innvirkning i forbindelse med styrken av bjørkepellets. Styrken av gran pellets ble på den annen side redusert. Resultatene indikerte at fortetting av torrefiserte biomasse er mer energikrevende enn ubehandlet trevirke. I artikkel III, ble pelletering av sagflis fra gran med tilsetning av vegetabilsk oljerester beskrevet. Innenfor denne studien ble det utviklet en ny metode for testing av hydrering av overflatevæskeegenskaper av pellets. Metoden er basert på kontaktvinkelmåling av en vanndråpe på overflaten av trepellets. Til slutt ble materialet vurdert ved første kontaktvinkel og tilsynelatende absorberingsgrad av vann. Tilsetting av vegetabilske oljerester reduserte binding av inter-partikkeler, og som endelig resultat ble derfor fysisk kvalitet (hardhet) av pellets lav; samtidig ble egenskaper for hydrering av pelletsoverflaten dårlige. Tilsetting av olje viste seg derfor å være gunstig ettersom det førte til lavere energikrav for pelletsproduksjon samtidig som det økte innholdet i pellets. Melasse som er et potensielt bindemiddel, ble tilsatt til hvetehalm før pelletering (artikkel IV). Pellets ble produsert med en enkeltmatrise pelletpresse og i en flat-matrise pelletpresse. Melasse førte til sterkere og mer faste pellets, denne effekten var spesielt tydelig ved lave pelleteringstemperaturer (60 °C). Sammenligning av metoder viste derfor at laboratorieutstyr kan være et nyttig verktøy for analysering av pelletering og komprimeringsegenskaper av forskjellige materialer. Opplysninger innhentet med disse metodene kan brukes som grunnlag for modifisering av materialer og prosesser før kommersiell produksjon.
- Published
- 2023