Tóm tắt:
Các nhà sản xuất viên gỗ quy mô nhỏ thường sử dụng phương pháp thử để xác định sự pha trộn các loại nguyên liệu gỗ có sẵn và các thông số tạo viên. Phát triển các hướng dẫn chung để tối ưu hóa chất lượng viên gỗ và đáp ứng các tiêu chuẩn thị trường sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc thâm nhập thị trường và lợi nhuận của họ. Có bốn loại nguyên liệu gỗ, bao gồm dăm gỗ tươi, dăm khô, mùn cưa gỗ cứng và mùn cưa gỗ kỹ thuật, đã được nghiên cứu để xác định hỗn hợp tối ưu của nguyên liệu và điều kiện tạo viên để tạo ra các viên với lực ma sát thấp, mật độ cao và độ bền cơ học cao. Các tính chất nguyên liệu được báo cáo trong nghiên cứu này bao gồm phân bố kích thước hạt, độ ẩm của gỗ, mật độ khối, hàm lượng tro, giá trị nhiệt lượng, hemiaelluloses, lignin, cellulose, chất chiết xuất, tro chính và các yếu tố phụ, và carbon, nitơ và lưu huỳnh. Tất cả các dư lượng được thử nghiệm có khả năng có thể được sử dụng để sản xuất viên gỗ. Tuy nhiên, nồng độ cao của kim loại, chẳng hạn như nhôm, có thể hạn chế sử dụng để tiếp cận thị trường cho các viên chất lượng cao. Thành phần và độ ẩm của nguyên liệu (được kiểm soát bởi tỷ lệ của các loại nguồn nguyên liệu khác nhau trong hỗn hợp) là các thông số quan trọng nhất quyết định chất lượng viên, với các thông số quá trình tạo hạt có ảnh hưởng tổng thể ít hơn. Cặn bã pha trộn với độ ẩm 9% 13,5% (cơ sở khô), bao gồm 25% 50% 50% mùn cưa được tạo ra bằng cách cưa các mảnh gỗ và một phần dăm xanh được tạo ra bằng cách cắt tỉa gỗ xanh, khi kết hợp với nén lực từ 2000 N trở lên trong quá trình tạo hạt, cung cấp kết quả tối ưu về mặt giảm thiểu ma sát và tăng mật độ viên và độ bền cơ học. Phát triển mối quan hệ chính thức giữa loại quy trình tạo ra các loại nguyên liệu, tính chất của nguyên liệu do đó tạo ra và chất lượng của viên gỗ có thể góp phần tối ưu hóa phương pháp sản xuất viên.
1. Giới thiệu
Năng lượng sinh học (tức là năng lượng có nguồn gốc từ sinh khối) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất hiện nay. Dự kiến sẽ đóng vai trò chính trong việc thay thế nhiên liệu hóa thạch trong các hệ thống năng lượng toàn cầu và giảm phát thải khí nhà kính (GHG) trong những thập kỷ tới [1]. Đến năm 2035, sinh khối có thể cung cấp 120 exajoules (EJ) (50% nhu cầu năng lượng của thế giới) cho nhiệt, 15% EJ cho vận chuyển và 18 EJ (7%) cho điện [2,3]. Ở các nước ôn đới và phương bắc, sinh khối rừng, dưới dạng dăm gỗ và viên gỗ, được sử dụng để sản xuất điện và / hoặc nhiệt, với các nồi hơi có công suất khác nhau, từ hệ thống sưởi ấm cộng đồng nhỏ cho đến các nhà máy điện lớn. Liên quan đến dăm gỗ, viên có mật độ năng lượng cao hơn trên một đơn vị khối lượng và thể tích, dễ dàng lưu trữ và xử lý với khối lượng lớn và thể hiện tính không đồng nhất về tính chất vật lý và hóa học [4,5]. Trong khi gỗ dăm thường được ưa thích cho các cơ sở quy mô nhỏ mà nguyên liệu có thể được lấy từ khoảng cách ngắn, viên gỗ có thể được sử dụng trong các cơ sở quy mô lớn hơn và / hoặc để vận chuyển và buôn bán trên một khoảng cách dài (ví dụ, thương mại xuyên Đại Tây Dương và xuyên Thái Bình Dương) [ 6].
Tại tỉnh Quebec (Canada), các ngành chế biến gỗ sơ cấp và thứ cấp tạo ra lượng lớn dư lượng gỗ hàng năm. Trong năm 2013, ngành công nghiệp sàn gỗ cứng đã tạo ra khoảng 400 × 103 tấn dư lượng gỗ bao gồm mùn cưa, dăm gỗ tươi và dăm gỗ khô[7].
Một phần của những dư lượng đó được giao dịch với các cơ sở khác để sản xuất bột giấy và giấy hoặc ván sợi; một phần cũng được sử dụng nội bộ trong các cơ sở để sản xuất nhiệt hoặc năng lượng [8]. Tuy nhiên, sự xuất hiện của một thị trường lớn hơn cho năng lượng sinh học, đặc biệt là xuất khẩu, đang hướng sự quan tâm đến đặc tính và định lượng của các dư lượng này như là nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất viên gỗ. Dư lượng gỗ cứng thường được coi là ít phù hợp cho sản xuất viên gỗ hơn so với dư lượng gỗ mềm do ma sát lớn hơn được tạo ra trong quá trình ép viên gỗ cứng và độ bền cơ học thấp hơn của viên gỗ cứng. Các lực ma sát cao trong các kênh của khuôn khi sử dụng gỗ cứng làm cho việc tạo viên trở nên khó khăn hơn, có khả năng gây ra tắc nghẽn tại nhà máy viên [9,10]. Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy rằng với điều kiện đủ điều kiện và tạo viên, dư lượng gỗ cứng vẫn có thể được xử lý thành dạng viên [11].
Yêu cầu chất lượng cho viên gỗ khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào người dùng cuối; như vậy, các tiêu chuẩn viên gỗ khác nhau đang được phát triển cho các thị trường khác nhau (ví dụ, tiêu chuẩn của Viện Pellet Fuels (PFI), Tiêu chuẩn quốc tế Áo (ÖNORM) M 7135, Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) 17225, Viện tiêu chuẩn hóa Đức (DIN) 51731 , Vân vân.). Các tính chất vật lý và hóa học của nguyên liệu chủ yếu xác định các đặc tính của viên gỗ [12,13]. Tuy nhiên, tính chất của dư lượng được tạo ra bởi các ngành công nghiệp chế biến gỗ được định lượng kém. Sự không chắc chắn về tác động của sự thay đổi tính chất nguyên liệu đến chất lượng của viên gỗ và tác động của khả năng của viên gỗ để đáp ứng các tiêu chuẩn thị trường là những trở ngại quan trọng đối với sự thâm nhập thị trường của viên gỗ [14,15]. Các nhà sản xuất quy mô nhỏ thường sử dụng các phương pháp thử và sai để xác định các thông số tạo viên đầy đủ (nghĩa là, nhiệt độ và lực nén) và trộn lẫn các cặn gỗ có sẵn được tạo ra dọc theo chuỗi xử lý gỗ của họ. Phát triển các hướng dẫn chung để tối ưu hóa chất lượng viên, bằng cách dự đoán các thuộc tính của dư lượng là chức năng của các quy trình tạo ra chúng trong dây chuyền sản xuất và chọn thành phần nguyên liệu và các thông số viên cho đáp ứng tiêu chuẩn, sẽ tạo điều kiện cho người chơi mới tham gia.
Mục đích của nghiên cứu này là phát triển mối quan hệ giữa các đặc tính của các loại dư lượng khác nhau được tạo ra dọc theo chuỗi sản xuất sản phẩm gỗ và chất lượng của viên gỗ, để xác định nguyên liệu tối ưu và điều kiện tạo viên cho sản xuất viên. Dư lượng gỗ từ hai chuỗi sản xuất sàn gỗ cứng đã được sử dụng như một trường hợp nghiên cứu. Các mục tiêu cụ thể là: (i) mô tả các tính chất hóa học và vật lý của tàn dư gỗ như là một chức năng của nguồn gốc của chúng trong chuỗi sản xuất sàn gỗ cứng, (ii) đặc trưng cho sự pha trộn của dư lượng (trộn lẫn dư lượng của các nguồn gốc khác nhau) và (iii ) nghiên cứu ảnh hưởng kết hợp của các đặc tính dư lượng và các thông số tạo viên lên chất lượng của viên gỗ.
2. Vật liệu và phương pháp
2.1. Thu thập và chuẩn bị mẫu
Vào mùa thu năm 2015, bốn loại dư lượng gỗ đã được thu thập từ một nhà sản xuất ván sàn ở miền đông Canada. Những tàn dư này bao gồm dăm gỗ xanh thu được từ máy băm gỗ có trụ sở tại sân của nhà sản xuất ván sàn, dăm khô và mùn cưa từ sàn gỗ cứng và mùn cưa khô từ sàn gỗ kỹ thuật. Các dây chuyền sản xuất cho hai loại sàn được trình bày trong Hình 1, với chỉ dẫn về nguồn gốc của dư lượng.
Bốn mẫu khoảng 0,2 m3 của mỗi loại dư lượng gỗ đã được thu thập riêng trong các cơ sở của nhà sản xuất. Các mẫu được chọn được giữ trong thùng 55 gallon (208 L) kín và được vận chuyển đến phòng thí nghiệm, trong đó chúng được giữ trong tủ đông lạnh trong phòng thí nghiệm ở −4 C để tránh mất độ ẩm và suy thoái gỗ. Các mẫu phòng thí nghiệm (khoảng 1,5 kg mỗi mẫu) của bốn nguồn / nguồn gốc dư lượng được phân tích cho các tính chất hóa học và vật lý của chúng. Sau đó, chúng được sử dụng để chuẩn bị mười tổ hợp nguồn dư lượng, được sử dụng cho các thí nghiệm tạo viên và đánh giá chất lượng viên. Các mẫu của dư lượng hỗn hợp đã được chuẩn bị bằng cách trộn các nguồn dư lượng khác nhau theo các tỷ lệ khác nhau, như được trình bày trong Hình 2, cho đến khi đạt được sự đồng nhất trước khi tạo hạt. Tỷ lệ các nguồn dư lượng trong hỗn hợp đã được chọn để tạo điều kiện so sánh giữa các nguồn dư lượng; kích thước hạt và sự phong phú của dư lượng cũng đã được tính đến. Đầu tiên, các hỗn hợp chỉ chứa các phoi khô (Blend 1) hoặc chip xanh (Blend 2) đã được tạo ra. Không có hỗn hợp tinh khiết của một trong hai loại mùn cưa được tạo ra, vì kích thước rất nhỏ của các hạt của chúng sẽ làm cho hỗn hợp khó tạo thành viên. Phoi khô, là loại dư lượng dồi dào nhất, được trộn bằng ba phần của phoi và một phần bằng gỗ rắn (Blend 4) hoặc gỗ mùn cưa (Blend 5). Các hỗn hợp khác được thực hiện bằng cách trộn các phần bằng nhau của hai nguồn dư (Blend 3, 6, 7, 8 và 9) hoặc của cả bốn nguồn dư (Blend 10).
Từ mỗi mười hỗn hợp khác nhau, ba mẫu phụ được tạo ra. Hai mẫu phụ được đặt bên trong các buồng điều hòa trong điều kiện nhiệt độ không khí được kiểm soát và độ ẩm tương đối; hai bộ điều kiện đã được thử nghiệm, 20% C và 60%, và 20% C và 75%, tương ứng với độ ẩm cân bằng đo được trong các lần nghiền gỗ lần lượt là 12% và 15%. Mẫu phụ còn lại được giữ ở độ ẩm ban đầu khi hỗn hợp được hình thành và giữ trong túi nhựa kín để tránh mất độ ẩm. Tất cả các hỗn hợp đã được thử nghiệm thêm cho các tính chất vật lý và hóa học của chúng.
2.2. Đặc điểm của dư lượng sàn gỗ cứng
Đặc tính của bốn nguồn dư lượng đơn (dăm gỗ xanh, dăm khô, mùn cưa gỗ và mùn cưa gỗ kỹ thuật) và mười tổ hợp của dư lượng hỗn hợp đã được thực hiện. Đối với các nguồn dư lượng đơn, các thuộc tính sau được xác định: nồng độ nguyên tố chính và tro chính; nồng độ carbon (C), nitơ (N) và lưu huỳnh (S); và tỷ lệ của hemiaelluloses, cellulose, lignin và chất chiết xuất. Đối với cả nguồn cặn đơn và hỗn hợp cặn, các đặc tính sau được xác định: phân bố kích thước hạt, độ ẩm gỗ, mật độ khối, hàm lượng tro và giá trị nhiệt lượng. Phân bố kích thước hạt của dư lượng thô (nghĩa là, dăm gỗ xanh) và dư lượng kích thước nhỏ hơn (nghĩa là, phoi và mùn cưa) được xác định theo Tiêu chuẩn Anh (BS) EN15149-1 [16] và BS EN15149-2 [17]. Các tiêu chuẩn này khuyến nghị rằng số lượng sàng và khẩu độ kích thước của sàng phải được chọn theo đặc điểm kích thước của vật liệu mẫu. Trong nghiên cứu hiện tại, sự phân bố kích thước hạt của phoi và mùn cưa được phân tích bằng các bộ sàng 3,85, 2,60, 1,50, 1,00, 0,50 và 0,25 mm, trong khi các mảnh gỗ xanh sử dụng 45,0, 28,6, 22,2, 15,9, 9,5 và 4,8 bộ sàng mm. Thông tin chi tiết về việc xác định phân bố kích thước hạt có thể được tìm thấy trong Nguyen et al. [11] và Barrette et al. [18]. Độ ẩm được xác định theo tiêu chuẩn EN ISO 18134-3: 2015 [19]: một mẫu khoảng 5 g được sấy khô trong lò ở 105 ± 2 ◦C trong 24 giờ. Mật độ khối được xác định theo tiêu chuẩn D5057-10 của Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) [20]. Tính chất hóa học và nhiệt của tất cả các dư lượng sau đó đã được kiểm tra từ mùn cưa 0,25 mm.
Giá trị gia nhiệt cao hơn (HHV) được xác định theo tiêu chuẩn BS EN14918: 2009 [21], trong đó mẫu (khoảng 0,7 g) được nén vào máy tính bảng và được đốt trong máy đo nhiệt lượng Isoperibol tự động Parr 6400 (Công ty Parr instrument, Moline, Illinois, Hoa Kỳ). Mặc dù không cần thiết cho việc xác định chất lượng viên gỗ dựa trên tiêu chuẩn ISO 17225-2, nhưng tỷ lệ cellulose, hemiaelluloses và lignin vẫn được xác định để điều tra các liên kết của chúng với các tính chất khác. Họ đã được xác định bằng phương pháp phân tích toàn cầu được phát triển bởi Van Soest et al. [22] và được đề nghị bởi Godin et al. [23]. Các phép đo này đã được thực hiện để mô tả rõ hơn các dư lượng gỗ được sử dụng cho thí nghiệm này.
Tỷ lệ nguyên tố của C, N và S được phân tích bằng Leco (CNS-2000, St. Joseph, Michigan, USA). Khoảng 100 mg bột gỗ đã bị đốt cháy ở 1350 C (trong khoảng 2 phút) trong môi trường oxy. Ở nhiệt độ này, tất cả các dạng C, N và S đều bị oxy hóa ở CO2, SO2, N2 và NOx. Sau khi loại bỏ độ ẩm và tro, nồng độ CO2 và SO2 được xác định bằng cách sử dụng đầu dò hồng ngoại, trong khi NO2 và NOx được xác định bằng độ dẫn nhiệt. Nồng độ thu được được giả sử tương ứng với tổng C, N và S có trong mẫu.
Hàm lượng tro được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D1102-84 [24]. Nồi sứ có chứa khoảng 2,0 g đã bị cháy trong lò nung ở 575 ± 25 C trong 6 giờ.
Nồng độ của các nguyên tố nhỏ (Cu, Mn và Zn) và chính (Al, Ca, Fe, K, Mg và P) trong tro được xác định bằng phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma (ICP) plasma cảm ứng (PerkinElmer Optima 7300 Waltham, Massachusetts, HOA KỲ). Một lần nữa, mặc dù các yếu tố đó không được quy định chặt chẽ về chất lượng viên, chúng có thể cung cấp những hiểu biết quan trọng về các nguồn gây ô nhiễm tiềm ẩn trong quá trình tạo ra dư lượng. Khoảng 500 mg bột gỗ đã bị đốt cháy ở 500 ◦C trong 2 giờ trong chén sứ. Tro còn lại sau đó được trộn với 10 ml axit chloric (1 M) và đun nóng trong 20 phút. Điều này cho phép hòa tan tro trong axit. Hỗn hợp sau đó được chuyển vào bình 100 mL. Sau 24 giờ, tro được lắng đọng và chất lỏng từ bình được chuyển sang phân tích cho các yếu tố chính và chính sử dụng quang phổ ICP.
2.3. Sản xuất viên và đặc tính
Một máy tinh luyện vòng Pallmann (Loại PSKM 8, Ludwig Pallmann K.G., Zweibrücken, Đức) đã được sử dụng để chuyển đổi dăm gỗ xanh và phoi khô thành vật liệu mặt đất với kích thước phù hợp cho sản xuất viên. Kích thước màn hình lọc của 3.0 và 4.0 mm đã được sử dụng để giảm kích thước của dăm gỗ và phôi tương ứng.
Kế hoạch thí nghiệm được thiết kế để kiểm tra các đặc tính tạo hạt của mười hỗn hợp dư lượng (hỗn hợp) khác nhau trong 12 điều kiện được kiểm soát đại diện cho sự kết hợp của độ ẩm nguyên liệu (như, 12% và 15%), nhiệt độ tạo viên (100 và 125 C ) và lực nén (1500 và 2500 N), với tổng số 120 thí nghiệm độc lập (hoặc chạy). Nhiệt độ tạo viên cũng như lực nén được chọn cho thí nghiệm này được dựa trên một nghiên cứu trước đây [11].
Mỗi lần chạy được nhân rộng sáu lần. Ba biến phụ thuộc bao gồm lực ma sát, mật độ viên và cường độ viên được đo. Tổng cộng có 720 viên được sản xuất riêng lẻ trong một viên. Chi tiết về máy ép viên đơn được sử dụng và quy trình sản xuất viên có thể được tìm thấy ở Nguyen, Cloutier, Achim và Stevanovic [11], nhưng nó được tóm tắt ở đây. Máy ép viên đơn có hình trụ có đường kính trong 6,25 mm và dài 150 mm lần đầu tiên được nung nóng đến nhiệt độ mong muốn. Sau khi cân bằng, một mẫu vật liệu gỗ khoảng 0,5 g được đưa vào xi lanh và được nén bởi pít-tông ở tốc độ 12 mm · tối thiểu 1 đến áp suất mong muốn. Sau thời gian duy trì 10 giây ở áp suất đầy đủ, viên được ép ra khỏi xi lanh bằng cách tháo tấm đáy. Dữ liệu dịch chuyển lực đã được ghi lại cho toàn bộ chu trình nén và đẩy các viên. Dữ liệu cho ma sát đã được đo. Mỗi viên được sản xuất được lưu trữ trong một lọ kín để đo thêm.
Mật độ của mỗi viên đơn được tính bằng cách chia khối lượng của nó cho khối lượng của nó. Khối lượng được đo bằng cách sử dụng cân phân tích với độ chính xác là ± 0,0001 g. Thể tích được tính từ đường kính và chiều dài của viên, giả sử hình dạng hình trụ hoàn hảo. Đường kính và chiều dài của từng viên được đo bằng thước cặp điện tử với độ chính xác ± 0,01 mm.
Mật độ viên được xác định ngay sau khi phóng ra khỏi viên và được báo cáo là trung bình của sáu phép đo trên mỗi kết hợp điều trị. Độ ẩm được đo theo EN ISO 18134-3: 2015 [19] và được báo cáo là trung bình của hai lần đo cho mỗi kết hợp điều trị.
Độ bền nén của các viên được xác định theo quy trình được mô tả trong Nguyen, Cloutier, Achim và Stevanovic [11]. Các viên được sản xuất được giữ trong lọ và kiểm tra cường độ nén sau khi sản xuất. Một máy thí nghiệm MTS phổ quát (MTS Systems Coroporation, Eden Prairi, Minnesota, Hoa Kỳ) đã được sử dụng để đo tải trọng cực đại trong quá trình nén ngang của các viên. Mẫu vật được nén hoàn toàn giữa hai tấm ngang song song cho đến khi nó vỡ hoặc có dấu hiệu gãy. Tốc độ nén được đặt thành 6 mm · tối thiểu 1. Tỷ số giữa tải trọng cực đại trong nén và chiều dài viên được xác định là cường độ nén. Trung bình của ba phép đo đã được sử dụng cho mỗi kết hợp điều trị.
2.4. Phân tích dữ liệu
Phân tích phương sai (ANOVA) đã được thực hiện để kiểm tra ảnh hưởng của các yếu tố sau đến chất lượng viên gỗ: nhiệt độ ép (2 mức: 100 và 125 C), lực nén ép (2 cấp: 1500 và 2500 N), độ ẩm của nguyên liệu (3 cấp độ: 12% và 15%) và thành phần của nguyên liệu (10 cấp độ: mỗi cấp độ tương ứng với tỷ lệ dư lượng từ các nguồn gốc khác nhau, xem Hình 2). Các biến trả lời là: ma sát viên, mật độ và độ bền cơ học. Tất cả các yếu tố đã được thử nghiệm riêng biệt và trong các tương tác. Giá trị p 0,05 được sử dụng làm giới hạn cho ý nghĩa thống kê sử dụng phần mềm thống kê lập trình R.
Một phân tích cây phân loại cũng được thực hiện để khám phá cấu trúc của bộ dữ liệu và xác định các quy tắc quyết định để dự đoán các đặc tính của viên (tức là lực ma sát) và chất lượng viên
(mật độ và cường độ của viên) dựa trên các biến độc lập liên quan đến đặc tính nguyên liệu và các thông số của viên (thành phần pha trộn và độ ẩm; nhiệt độ và lực nén). Phân tích liên quan đến sự phân tách các giá trị khác nhau của các biến phân loại thông qua cây quyết định bao gồm các phân tách nhị phân lũy tiến. Mỗi giá trị cho mỗi biến dự đoán được coi là phân chia tiềm năng và phân chia tối ưu được chọn dựa trên mức độ phân chia giảm mức độ không đồng nhất trong các tập hợp con kết quả. Mỗi nút cha trong cây quyết định tạo ra hai nút con, lần lượt có thể trở thành nút cha tạo ra các nút con bổ sung. Quá trình này tiếp tục với cả việc xây dựng và cắt tỉa cây cho đến khi phân tích thống kê chỉ ra rằng cây phù hợp mà không làm quá mức thông tin có trong tập dữ liệu. Phân tích được thực hiện bằng gói Rpart trong phần mềm thống kê lập trình R v.3.0.1 [25].
3. Kết quả
3.1. Thuộc tính của dư lượng
Kết quả phân tích phân bố kích thước hạt và các đặc điểm khác của bốn nguồn cặn đơn (dăm gỗ xanh, phoi khô, mùn cưa gỗ và mùn cưa gỗ kỹ thuật) được trình bày trong Hình 3 và Bảng 1. Từ Hình 3a, có thể thấy cả hai loại mùn cưa đều chứa tỷ lệ lớn các hạt nhỏ, với khoảng 70% hạt <0,25 mm. Tỷ lệ phoi lớn nhất được giữ lại ở cả hai cỡ rây 1,5 và 0,5 mm (Hình 3a) và tỷ lệ dăm gỗ xanh lớn nhất được giữ lại trong khay 9,5 mm (Hình 3b).
Hình 3. (a) Tỷ lệ trung bình của phoi và mùn cưa bằng các cỡ mở sàng với độ lệch chuẩn liên quan của chúng. (b) Tỷ lệ trung bình của dăm gỗ bằng đường kính kích thước màn hình lỗ với độ lệch chuẩn liên quan của chúng.
Độ ẩm của nguyên liệu là một thông số quan trọng vì nó ảnh hưởng đến hành vi của nguyên liệu trong quá trình bảo quản cũng như giá trị năng lượng và hiệu suất đốt cháy của sản phẩm cuối cùng. Hơn nữa, trong quá trình tạo hạt, quá nhiều độ ẩm có thể làm cho các hạt trơn trượt và trượt qua các lỗ chết, dẫn đến chất lượng viên giảm. Mặt khác, khi nguyên liệu quá khô, nó có thể cắm các kênh chết nếu điện trở từ kênh vượt quá lực nén của con lăn [26,27]. Theo các tài liệu, giới hạn quan trọng của độ ẩm có thể tạo ra các viên chất lượng tốt là khoảng 10% [28]; nguyên liệu thô có độ ẩm cao hơn 15% đã được báo cáo là khó tạo viên. Trong nghiên cứu hiện tại, độ ẩm trung bình của dăm gỗ khô, mùn cưa gỗ rắn, mùn cưa gỗ kỹ thuật và dăm gỗ xanh trung bình là 7%, 8%, 10% và 43% (tính theo cơ sở khô) , tương ứng (Bảng 1); sự khác biệt giữa các mẫu của cùng một nguồn không cao, mang lại độ lệch chuẩn tương đối thấp. Từ yêu cầu về độ ẩm trong nguyên liệu thô để sản xuất viên nén đã đề cập ở trên, hạn chế chính của dăm gỗ xanh đối với việc sản xuất viên gỗ là độ ẩm cao. Do đó, việc sử dụng tỷ lệ dư lượng thích hợp từ các nguồn khác nhau (dăm gỗ xanh, dăm gỗ khô, mùn cưa gỗ và mùn cưa gỗ kỹ thuật) dẫn đến độ ẩm tối ưu của dư lượng hỗn hợp có thể mang lại lợi thế đáng kể về hiệu quả chuyển đổi trong thời gian quá trình tạo hạt. Mật độ khối của các hạt gỗ cũng đã được báo cáo ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển đổi trong quá trình tạo hạt. Dữ liệu trong Bảng 1 chỉ ra rằng dăm gỗ có mật độ khối trung bình là 52 kg · m 3, trong khi đó mật độ khối trung bình của mùn cưa gỗ rắn đạt 195 kg · m 3 (tức là, dày hơn khoảng bốn lần so với dăm gỗ).
Trong quá trình phân tích phân bố kích thước hạt, nhiều chất gây ô nhiễm đến từ mùn cưa gỗ được thiết kế đã được chú ý (ví dụ: các tông và các mảnh kim loại). Quy trình sản xuất của dây chuyền sản xuất sàn gỗ kỹ thuật và / hoặc điều kiện bảo quản kém cho mùn cưa có thể giải thích những chất gây ô nhiễm này.
Một tỷ lệ cao của lignin thường liên quan đến giá trị gia nhiệt cao hơn [29]. Lignin cũng góp phần liên kết các hạt trong quá trình tạo hạt [30]. Trong nghiên cứu này, tỷ lệ lignin chỉ thay đổi một chút giữa các nguồn dư lượng, từ 16,0% đến 18,4%. Điều đó có thể giải thích lý do tại sao không có sự khác biệt đáng kể về HHV giữa bốn loại dư lượng gỗ. Ngoài ra, nồng độ chiết xuất rất thú vị để theo dõi vì sinh khối gỗ có hàm lượng chiết xuất cao được coi là nhiên liệu hơn vì nó làm tăng giá trị năng lượng của nó [31ơi33]. Trong nghiên cứu này, tỷ lệ chất chiết xuất cao nhất trong mùn cưa gỗ và thấp nhất trong dăm gỗ xanh.
Tuy nhiên, tỷ lệ chất chiết xuất và độ biến thiên của chúng (5% 8%) có lẽ không đủ cao để ảnh hưởng đến giá trị của HHV đối với bốn loại dư lượng gỗ.
Hàm lượng tro là một tính chất nhiên liệu thiết yếu khác cần được theo dõi bởi vì nó có thể có tác động tiêu cực đến quá trình đốt cháy và chuyển đổi [12]. Trong nghiên cứu hiện tại, hàm lượng tro của phoi khô, mùn cưa gỗ rắn, mùn cưa gỗ kỹ thuật và dăm gỗ xanh lần lượt là 0,43%, 0,69%, 0,60% và 0,44% (Bảng 1). Các giá trị này thấp hơn giới hạn được thiết lập bởi Tiêu chuẩn châu Âu (0,7%) để sản xuất nhiên liệu sinh học rắn chất lượng cao như than bánh gỗ và viên gỗ [34]. Hơn nữa, hàm lượng tro thấp hơn đòi hỏi phải làm sạch tro ít thường xuyên hơn, điều này rất quan trọng đối với hoạt động tự động của nồi hơi sinh khối hoặc bếp lò.
Ngoài hàm lượng tro, nồng độ của các nguyên tố tro riêng lẻ được đo, vì chúng ảnh hưởng đến điểm nóng chảy tro. Nếu điểm nóng chảy quá thấp, sự cố tích tụ và ăn mòn có thể phát sinh [28,35]. Gỗ có nồng độ cao trong K (và cả Na) có thể thúc đẩy giảm điểm nóng chảy tro [36], trong khi gỗ có nồng độ Ca và Mg cao có thể làm tăng [12,37]. Trong nghiên cứu này (Bảng 1), tất cả nồng độ K trung bình đều giảm dưới ngưỡng do BS EN14961-1: 2010 đặt ra đối với nhiên liệu gỗ cứng (800 mg · kg 1) [34,38]. Nồng độ trung bình trong Mg và Ca tương ứng ít nhiều với các giá trị tiêu biểu được đặt theo tiêu chuẩn (200 và 1200 mg · kg 1) [34,38]. Tuy nhiên, nồng độ trung bình trong Al đo được trong tất cả các dư lượng cao hơn giá trị được thiết lập bởi BS EN14961-1: 2010 đối với nhiên liệu gỗ cứng (20 mg · kg 1), đặc biệt đối với phoi khô (680 mg · kg 1), nằm ngoài biến thể điển hình quan sát thấy trong gỗ cứng (10 Phi50 mg · kg 1) [34,38].
Các yếu tố nhỏ (Cu, Mn, Zn) có trong tro của tàn dư gỗ cũng có liên quan đến phát thải hạt và đánh giá môi trường. Nồng độ Zn trung bình đo được thường giảm xuống dưới giá trị điển hình được thiết lập bởi BS EN14961-1: 2010 đối với nhiên liệu gỗ cứng, ngoại trừ dăm gỗ xanh. Các giá trị Cu trung bình cho tất cả các vật liệu dao động trong khoảng 10 phút40 mg · kg 1, nghĩa là chúng có thứ tự cường độ cao hơn ngưỡng được đặt theo tiêu chuẩn (2 mg · kg 1). Nồng độ trung bình của Mn trong dăm gỗ xanh (183 mg · kg 1) cũng cao hơn ngưỡng BS EN14961-1: 2010 (83 mg · kg 1) [34,38] (Bảng 1). Không rõ liệu mức độ cao của Al và các yếu tố nhỏ có nguồn gốc từ máy móc và thiết bị từ các dây chuyền sản xuất sàn gỗ cứng, từ kho, hoặc từ chính tàn dư gỗ. Những nồng độ cao này có thể hạn chế việc sản xuất các viên chất lượng cao.
Sự hiện diện của N và S cũng được theo dõi vì chúng có thể gây ra khí thải NOx và SOx, một trong những tác động môi trường chính của quá trình đốt nhiên liệu sinh học rắn [39]. Trong nghiên cứu này, tỷ lệ trung bình trong nitơ (N) (0,05% Nott0,07%) và lưu huỳnh (S) (0,01% Nott0,02%) là khá nhỏ (Bảng 1).
Các giá trị này giảm xuống dưới hoặc trong phạm vi được báo cáo bởi BS EN14961-1: 2010 đối với nhiên liệu gỗ cứng (N <0,1% Nott0,5% và S <0,01% Nott0,05%) [34,38].
3.2. Đặc tính viên và chất lượng của viên
Kết quả phân bố kích thước hạt của mười tổ hợp (hỗn hợp) của dư lượng hỗn hợp được trình bày trong Bảng 2 cùng với các tính chất vật lý khác liên quan đến chất lượng nhiên liệu. Độ ẩm của hỗn hợp thay đổi trong khoảng từ 6,8% đến 16,8% (Bảng 2). Đúng như dự đoán, các hỗn hợp bao gồm một tỷ lệ gỗ dăm xanh lớn hơn (Hỗn hợp 2, 3, 7 và 9) ẩm hơn so với các hỗn hợp được điều chế với tỷ lệ mùn cưa lớn hơn. Hỗn hợp bao gồm một tỷ lệ lớn mùn cưa ở độ ẩm thấp có mật độ khối lớn nhất, trong khi hỗn hợp bao gồm một tỷ lệ lớn gỗ dăm xanh có mật độ khối nhỏ nhất. Hàm lượng tro cao nhất được quan sát thấy với các hỗn hợp bao gồm một tỷ lệ lớn mùn cưa (Bảng 2). HHV dường như tương đối ổn định trong suốt các hỗn hợp, thay đổi từ 19,55 đến 19,79 MJ · kg 1. Tất cả các hỗn hợp nghiên cứu có thể đáp ứng các tiêu chuẩn của Mỹ và châu Âu cho các viên chất lượng cao. Tuy nhiên, hỗn hợp 9 và 10 có hàm lượng tro gần với giới hạn trên được đặt theo tiêu chuẩn (0,7%); lượng mùn cưa, với hàm lượng tro cao, do đó sẽ cần phải được quản lý cẩn thận.
Kết quả của các đặc tính tạo hạt (nghĩa là lực ma sát) và tính chất của viên (mật độ, độ ẩm và độ bền cơ học) được trình bày trong Bảng A1 của Phụ lục A. Kết quả của ANOVAs kiểm tra ảnh hưởng của quá trình tạo hạt (nhiệt độ và lực nén) và các thông số pha trộn (thành phần và độ ẩm) cho thấy một số tương tác đáng kể giữa các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng viên, được mô tả bằng ma sát viên (Bảng 3), mật độ (Bảng 4) và độ bền cơ học (Bảng 5). Tương tác giữa độ ẩm và thành phần pha trộn với các yếu tố khác đặc biệt có ý nghĩa trong việc giải thích sự khác biệt về chất lượng viên gỗ.
Những tương tác này đã được minh họa bằng hồi quy cây. Kết quả từ phân tích này cho thấy hàm lượng ẩm pha trộn là thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến ma sát viên (Hình 4), tiếp theo là thành phần pha trộn. Lực ma sát thay đổi từ 8,91 (Blend 2, chỉ làm bằng dăm gỗ) đến 28,08 N · mm 1 (Blend 1, chỉ làm bằng phoi khô). Trong cùng một hỗn hợp, sự thay đổi trong các phép đo lực ma sát dường như lớn hơn trong các hỗn hợp có hàm lượng mùn cưa thấp hơn. Hình 4 cho thấy rằng độ ẩm của các nguyên liệu hỗn hợp càng thấp thì lực ma sát càng cao. Ví dụ, tỷ lệ chip xanh cao hơn trong hỗn hợp dẫn đến độ ẩm cao hơn (9.0% và cao hơn), làm giảm lực ma sát trong kênh ép của máy ép viên. Quá trình tạo hạt phụ thuộc nhiều vào lực ma sát giữa kênh nén và nguyên liệu thô đậm đặc [12]. Một ma sát thấp hơn trong quá trình tạo viên sẽ chuyển thành mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn khi tạo viên bằng máy nghiền viên cỡ lớn [40].
Mật độ trung bình của các viên thay đổi từ 904 (Blend 1; chỉ làm bằng phoi khô) đến 1195 kg · m 3 (Blend 6; làm từ 50% phoi khô và 50% mùn cưa gỗ rắn) (Phụ lục A). Cây hồi quy đã chứng minh rằng độ ẩm hỗn hợp một lần nữa là tham số quan trọng nhất, tiếp theo là lực nén (Hình 5). Bất kể thành phần pha trộn, độ ẩm cao hơn (nghĩa là, 13,5%) dẫn đến mật độ viên thấp hơn (1019 kg · m 3). Khi ép dưới 2000 N, mật độ viên giảm (1059 kg · m 3) trong khi nó tăng ở lực nén cao hơn (tức là,> 2000 N; 1122 kg · m 3). Pha trộn 5, 7, 8 và 10, chứa mùn cưa gỗ kỹ thuật, mang lại mật độ viên cao hơn, sẽ chuyển thành thời gian cháy lâu hơn.
Trong nghiên cứu hiện tại, độ ẩm của viên thay đổi từ 1,0% đến khoảng 9,0% (Phụ lục A). Độ ẩm lý tưởng của viên gỗ nên ở mức 10,0% hoặc ít hơn [12]. Ở độ ẩm cao hơn (đặc biệt là trên 20,0%), vi khuẩn có thể phát triển và gây suy thoái cho sinh khối gỗ và viên [41]. Trong số các kết hợp điều trị của cùng một hỗn hợp, độ ẩm thay đổi khoảng 6%. Điều này cho thấy các tham số khác không liên quan đến các thuộc tính nguyên liệu ban đầu cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả của các thuộc tính Viên. Trong nghiên cứu này, độ ẩm của các viên có xu hướng giảm quan trọng hơn khi được điều chế ở nhiệt độ cao (125 C), nhưng nó chỉ bị ảnh hưởng một chút bởi cường độ của lực nén trong quá trình ép viên.
Độ bền cơ học của các viên thay đổi từ 24,78 (Blend 1: 100% phoi khô) đến 86,88 N · mm − 1 (Blend 8: 50% mùn cưa gỗ kỹ thuật và 50% phoi khô) (Phụ lục A). Phân tích cây hồi quy đã chứng minh rằng thành phần hỗn hợp là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính chất cơ học của viên gỗ (Hình 6). Nhiệt độ ép và lực nén cũng như độ ẩm pha trộn có tầm quan trọng thứ hai. Dữ liệu trong Hình 6 chỉ ra rằng các viên làm từ hỗn hợp không có mùn cưa gỗ kỹ thuật (Hỗn hợp 1, 2, 3, 4, 6 và 9) có độ bền cơ học thấp hơn các hỗn hợp khác chứa 25% đến 50% mùn cưa gỗ kỹ thuật (Hỗn hợp 5, 7, 8 và 10). Hỗn hợp cặn gỗ không có mùn cưa, khi được ép ở nhiệt độ thấp (<112,5 C), dẫn đến các viên có độ bền cơ học thấp hơn (38,4 N · mm 1) so với ép ở nhiệt độ cao hơn (≥112,5 C) (49,5 N · mm 1). Hỗn hợp chứa mùn cưa gỗ kỹ thuật khi được ép ở độ ẩm từ 13,5% trở lên dẫn đến các viên được sản xuất với độ bền cơ học thấp hơn (47,6 N · mm − 1) so với các loại được sản xuất ở độ ẩm thấp (<13,5%). Kết quả cũng chỉ ra rằng nên sử dụng lực nén trên 2000 N để ép các hỗn hợp thành các viên có độ bền cơ học tốt nhất (72,7 N · mm 1), trong khi đó lực nén dưới 2000 N dẫn đến các viên được sản xuất với cường độ thấp hơn nhiều ( 58,3 N mm 1).
Kết quả phù hợp với các nghiên cứu khác [11,42] đã báo cáo rằng cường độ nén tối ưu có xu hướng thấp hơn với sự gia tăng kích thước hạt và độ ẩm. Nói chung, chúng tôi quan sát thấy rằng độ bền cơ học có xu hướng tăng khi tăng lực nén và nhiệt độ, trong khi nó giảm với độ ẩm cao (Phụ lục A). Đạt được sự kết hợp đúng đắn của nhiệt độ và độ ẩm của nguyên liệu có thể làm giảm sự biến dạng dẻo của các hạt và giúp thúc đẩy liên kết giữa chúng để tạo ra các viên chất lượng cao.
4. Thảo luận
Nhìn chung, kết quả của chúng tôi cho thấy rằng hỗn hợp lý tưởng giúp tối ưu hóa ma sát, mật độ và cường độ của viên sẽ chứa từ mùn cưa 25% 50% 50% và một phần chip xanh, và nó sẽ có độ ẩm 9% 13,5%; cần phải tạo viên bằng cách sử dụng lực nén ≥2000 N. Thành phần và thành phần độ ẩm hỗn hợp là các thông số quan trọng nhất để xác định chất lượng viên; tham số quá trình tạo hạt (nhiệt độ ép và lực nén) dường như có ít ảnh hưởng hơn. Theo quan sát trong các nghiên cứu khác [11,42], hỗn hợp bao gồm cao hơn tỷ lệ mùn cưa được sản xuất với các tính chất cơ học tốt hơn (độ bền và mật độ cơ học). Trong nghiên cứu của chúng tôi, mùn cưa từ dây chuyền sàn kỹ thuật, được tạo ra bằng cách cưa các mảnh gỗ, với mật độ khối thấp hơn một chút, cung cấp các viên chất lượng cao hơn so với mùn cưa từ sản xuất sàn gỗ rắn được tạo ra bằng cách cắt ván và viền (được thực hiện bởi một kerf rộng hơn). Tuy nhiên, số lượng mùn cưa được thêm vào hỗn hợp phải được theo dõi chặt chẽ vì nó có thể làm tăng nồng độ tro của sản phẩm cuối cùng và do đó, hạn chế việc sử dụng các viên gỗ trong trạm điện. Các hỗn hợp bao gồm một tỷ lệ nhất định của chip xanh cũng cho phép giảm lực ma sát.
Hầu hết các thông số được thử nghiệm trên các nguồn dư lượng nhà máy đa dạng cho thấy các tính chất vật lý và hóa học thú vị để sản xuất viên gỗ. Tuy nhiên, nếu dư lượng nhà máy được sử dụng để sản xuất viên gỗ, thì các thành phần chính của tro và các thành phần chính của tro sẽ cần thử nghiệm thêm, vì chúng cao hơn ngưỡng được thiết lập bởi BS EN14961-1: 2010. Không rõ liệu các nồng độ này là do đặc tính vốn có của gỗ, quy trình sản xuất sàn hoặc điều kiện lưu trữ và xử lý dưới mức tối ưu cho dư lượng.
5. Kết Luận
Nghiên cứu này đặc trưng tính chất của bốn loại dư lượng khác nhau được tạo ra dọc theo dây chuyền sản xuất sàn gỗ cứng, đánh giá sự phù hợp của chúng để sản xuất viên, và xác định nguyên liệu tối ưu và điều kiện tạo viên cho viên chất lượng cao. Nó được dựa trên các thí nghiệm quy mô nhỏ bằng cách sử dụng một viên nén; do đó, kết quả có thể không thể hiện đầy đủ các hoạt động ở quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, kết quả của nghiên cứu này cho thấy hàm lượng và thành phần độ ẩm của nguyên liệu, có thể được kiểm soát bằng cách trộn đúng dư lượng từ các nguồn khác nhau, là các thông số quan trọng nhất quyết định chất lượng viên. Các tham số quá trình tạo hạt (nhiệt độ ép và lực nén) dường như ít ảnh hưởng đến chất lượng viên tổng thể, mặc dù các cài đặt có thể được tối ưu hóa như là một chức năng của các thuộc tính nguyên liệu. Hỗn hợp dư lượng tối ưu sẽ chứa từ 25% 50% 50% mùn cưa được tạo ra bằng cách cưa các mảnh gỗ và một phần dăm xanh (được tạo ra từ việc cắt tỉa các khúc gỗ màu xanh lá cây ban đầu); độ ẩm lý tưởng của nguyên liệu hỗn hợp là từ 9% 13,5%; nó sẽ cần phải được tạo thành viên bằng cách sử dụng lực nén ≥2000 N. Tuy nhiên, dư lượng (đặc biệt là mùn cưa) có chứa nhiều kim loại và chất gây ô nhiễm, có thể được đưa vào bởi quá trình sản xuất và / hoặc lưu trữ và xử lý. Điều này cho thấy rằng cần phải áp dụng kiểm soát chất lượng cao hơn đối với các quy trình cung cấp cho dư lượng để có được nguyên liệu phù hợp để sản xuất các viên có lợi nhuận.
Tiến bộ là quan trọng trên các khía cạnh công nghệ của đốt sinh khối gỗ. Tuy nhiên, bằng chứng cho thấy rằng sự thành công của các trường hợp kinh doanh năng lượng sinh học rừng thường xoay quanh việc quản lý chặt chẽ chất lượng nguyên liệu, một khía cạnh thường bị bỏ qua trong lĩnh vực năng lượng sinh học [43], đặc biệt khi nguyên liệu là sản phẩm phụ hoặc dư lượng từ các quy trình khác. Chất lượng của sản phẩm cuối năng lượng sinh học có thể được cải thiện đáng kể và giảm chi phí sản xuất, bằng cách tích hợp chặt chẽ các dây chuyền sản xuất các sản phẩm lâm nghiệp thông thường (như ván sàn) và các sản phẩm năng lượng sinh học [44]. Phát triển mối quan hệ chính thức hơn giữa loại quy trình tạo ra dư lượng (ví dụ: lập kế hoạch, cắt tỉa, cưa) và các tính chất vật lý và hóa học của dư lượng do đó tạo ra (sau đó có thể được sử dụng để dự đoán chất lượng viên), sẽ góp phần rất lớn vào việc tối ưu hóa sản xuất viên bằng cách giảm độ không đảm bảo liên quan đến phương pháp thử và lỗi lỗi quá thường được sử dụng trong sản xuất viên hiện tại.