• ThuanLoiBP

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ học của viên nén

Updated: Mar 27, 2020



Viên nén được sản xuất từ ​​gỗ, cỏ năng lượng và rơm cho nguyên liệu có mật độ năng lượng cao hơn dăm gỗ hoặc nguyên liệu sinh khối đóng thành kiện, do đó giảm chi phí xử lý, vận chuyển và lưu trữ trong toàn bộ chuỗi cung ứng.


Thông số kỹ thuật của Châu Âu cung cấp các giới hạn đối với tỷ lệ bột mịn (các hạt nhỏ hơn 3,15 mm) được phép trong viên nén, trong đó đề cập đến độ bền của viên nén. Bột mịn có ý nghĩa đối với sức khỏe và sự an toàn trong chuỗi cung ứng và gây ra vấn đề hình thành xỉ trong hệ thống đốt. Bài viết này xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ học của viên nén sinh khối. Lãnh vực thương mại của ngành viên nén gỗ đã ngày càng mở rộng rất nhiều thập kỷ vừa qua và liên quan đếnhoạt động thương mại quốc tế với hàng chục triệu tấn mỗi năm. Do nhu cầu về viên nén ngày càng tăng, đã có sự quan tâm ngày càng tăng trong việc sử dụng các loại sinh khối đa dạng hơn. Mục đích của tổng quan này là kiểm tra chất lượng nguyên liệu và điều kiện tạo ra viên nén có độ bền. Độ bền cơ học của viên có thể bị ảnh hưởng bởi đặc điểm nguyên liệu, độ ẩm hoặc quá trình giảm kích thước nguyên liệu trong quá trình tiền xử lý, và bằng các điều kiện tạo viên, bao gồm cả việc sử dụng chất kết dính, hỗn hợp nguyên liệu, nhiệt độ hoặc lực ép. Các điều kiện sau sản xuất cũng có thể ảnh hưởng đến độ bền, chẳng hạn như điều kiện lưu trữ và tần suất dịch chuyển, do đó cần hiểu rõ tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ học để có thể ưu tiên cải tiến trong toàn bộ chuỗi cung ứng.


Viên nén là một dạng nguyên liệu sinh khối thích hợp cho cả ứng dụng nhiệt và năng lượng, cùng đốt trong các nhà máy nhiệt điện than hiện đang là ứng dụng quy mô lớn. Thương mại ngành viên nén gỗ liên quan đến vận chuyển quốc tế số lượng lớn hơn 10 triệu tấn mỗi năm [1]. Phần lớn nhu cầu về viên nén có nguồn gốc từ Liên minh châu Âu (EU), để đáp ứng với chính sách giảm thiểu khí thải nhà kính (GHG) [2]. Việc nhập khẩu chính có nguồn từ Bắc Mỹ nhưng nhu cầu ngày càng tăng đã kích thích sự gia tăng ở Nga, Châu Phi, Nam Mỹ và Châu Á [1].


Mặc dù viên nén tốn nhiều năng lượng hơn để sản xuất so với dăm gỗ hoặc nguyên liệu đóng kiện, nhưng lợi ích khí thải nhà kính (GHG) vẫn có thể đạt được khi sử dụng chúng để thay thế nhiên liệu hóa thạch thông thường, ngay cả khi nhập khẩu viên nén từ nước ngoài [3-5]. Việc buôn bán dăm gỗ chủ yếu trong phạm vi giữa các nước châu Âu, mặc dù có một số trường hợp tồn tại chuỗi cung ứng với địa giới xuyên đại dương, ví dụ giữa Nhật Bản và Canada [6]. Nói chung, việc vận chuyển dăm gỗ vào châu Âu bị hạn chế do tuân thủ các quy định về kiểm dịch thực vật, đòi hỏi gỗ nhập khẩu (từ các địa điểm cụ thể) được xử lý ở 56 °C trong 30 phút [7,8]. Ngoài ra, dăm gỗ có thể phải được xử lý bằng cách khử trùng, trong các lô nhỏ hơn 2m3, với methyl bromide hoặc sulfuryl fluoride ở mức 80g/m3 trong hơn 24 giờ liên tục [9]. Thực tế việc xử lý khối lượng gỗ dăm đủ lớn theo cách này và tính chất cồng kềnh của sản phẩm, có nghĩa là hiện nay chủ yếu là viên nén gỗ được giao dịch trên một khoảng cách xa.


Trong các chuỗi cung ứng nguyên liệu sinh khối quy mô lớn, mật độ năng lượng của viên nén tăng lên làm giảm chi phí trong toàn bộ chuỗi cung ứng liên quan đến việc xử lý, lưu trữ và vận chuyển. Viên nén được làm bằng cách sấy khô, nguyên liệu sinh khối nghiền nhỏ sau đó được nén thành viên nhỏ, hình trụ dưới áp suất và nhiệt độ cao [10].


Do đó, viên nén rất lý tưởng cho việc cùng đốt với than, vì chúng có thể dễ dàng tán thành bột trong các hệ thống nghiền than và được đốt cháy thông qua phun trực tiếp [11]; cho ra một phương pháp tương đối rẻ tiền và dễ dàng để giảm lượng khí thải carbon dioxide (CO2) từ các nhà máy nhiệt điện than [12]. Tuy nhiên, một điều phức tạp với điều này là khi các viên được sản xuất kém, dịch chuyển nhiều lần hoặc được lưu trữ không phù hợp, chúng sẽ phân hủy thành các hạt nhỏ hơn và bột mịn. Điều này không chỉ làm mất đi những lợi ích của việc có nhiên liệu đồng nhất và đậm đặc, mà sự hiện diện của bột mịn có thể có ý nghĩa quan trọng đối với sức khỏe và an toàn, thậm chí còn có nguy cơ nổ bụi khi xử lý và vận chuyển một lượng lớn [13]. Ngoài ra, sự nát vỡ của viên nén có thể làm tăng tổn thất trong chuỗi cung ứng, điều này có thể có tác động tiêu cực đến tiềm năng giảm thiểu khí thải nhà kính (GHG) của nhiên liệu dạng viên [14]. Một yếu tố quan trọng khác là sự hài lòng của khách hàng, trong đó điều quan trọng là làm hài lòng người tiêu dùng viên nén, những người cần nhiên liệu chất lượng cao, và sự nát vụn có thể dẫn đến sự từ chối nhận hàng và gây tổn thất thêm [15].


Hàm lượng của các hạt mịn trong một khối lượng lớn viên nén cực kỳ phụ thuộc vào độ bền cơ học của chúng [16], có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố. Nói chung, sản xuất viên nén đòi hỏi công nghệ chuyên môn cao [17]. Các nhà cung cấp viên nén phải tuân thủ các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt về các đặc tính của viên kỹ thuật như độ bền cơ học và hàm lượng mịn (các hạt nhỏ hơn 3,15 mm), hàm lượng năng lượng của nhiên liệu và hàm lượng tro. Các thuộc tính của viên phải được theo dõi vì độ lệch về chất lượng có thể ảnh hưởng đến lượng khí thải từ quá trình đốt cháy và tuổi thọ của hệ thống đốt [16].


Ví dụ, điểm nóng chảy của tro ảnh hưởng đến nhiệt độ mà tại đó tro bị mềm đi và nóng chảy, và sự hình thành xỉ có thể làm xáo trộn quá trình đốt cháy do thay đổi luồng không khí và gây quá nhiệt hệ thống ghi lò. Điều này cũng có thể trở nên trầm trọng hơn bởi sự hiện diện của bột mịn, cũng có thể gây ra vấn đề bằng cách đốt cháy nhanh chóng tạo ra nhiệt độ rất cao có thể dẫn đến tan chảy tro [18].


Các thông số kỹ thuật được đề cập nhằm điều chỉnh chất lượng của viên nén để sử dụng trong lò hơi và lò nhiệt CHP lên đến 1 MW [19] và có một tiêu chuẩn riêng biệt xuất hiện cho các ứng dụng công nghiệp lớn [20]. Một số tiêu chuẩn quốc gia tồn tại trên khắp châu Âu, nhưng khi thương mại giữa các quốc gia trở nên phổ biến hơn, cần phải hài hòa chúng lại [16]. Ủy ban Tiêu chuẩn Châu Âu CEN / TC 335 dự kiến ​​sẽ hệ thống lại các tiêu chuẩn khác mô tả các thông số kỹ thuật cho tất cả các dạng nhiên liệu sinh học rắn ở Châu Âu [21]. Tiêu chuẩn chung (EN-14961-2) sẽ tạo thành nền tảng cho một hệ thống chứng nhận, xác định các thông số kỹ thuật cho các loại viên nén khác nhau [10]. Nói chung, các mức độ cao nhất có các tiêu chuẩn nghiêm ngặt nhất và cung cấp các đặc tính đốt cháy tốt nhất. Các thông số kỹ thuật cho các viên nén sưởi ấm nghiêm ngặt hơn so với các viên nén công nghiệp, đòi hỏi hàm lượng tro, bột mịn, nitơ, lưu huỳnh và clo thấp hơn (Bảng 1). Tiêu chuẩn IWPB cũng đưa ra một số tiêu chí bền vững để điều chỉnh các tác động môi trường của việc tìm nguồn cung ứng và kinh doanh vật liệu gỗ giữa các quốc gia [1]. Nhìn chung, độ bền của viên nén là 97,5% được coi là đạt tiêu chuẩn cao nhất (EnPlus A1) và giới hạn thấp nhất, cho cả công nghiệp và sử dụng trong nước là 96,5%.


Mùn cưa là nguyên liệu lý tưởng cho quá trình ép viên không cần xử lý, và thậm chí các chất ô nhiễm nhỏ cũng được loại bỏ thông qua việc loại bỏ vỏ cây và rửa các khúc gỗ trước khi cưa. Do nhu cầu về viên gỗ ngày càng tăng, và nguồn cung cấp nguyên liệu hạn chế, đã có sự quan tâm và thăm dò ngày càng tăng trong việc sản xuất viên gỗ từ các nguồn khác [12]. Chúng bao gồm vỏ cây, phụ phẩm rừng, phụ phẩm ngũ cốc và cỏ năng lượng.

Vì các nguyên liệu này khác nhau về thành phần hóa học, chắc chắn chúng sẽ tạo ra chất lượng khác nhau của viênnén. Một số thông số nguyên liệu có ảnh hưởng lớn hơn đến độ bền của viên nén so với các thông số khác, do đó điều quan trọng là phải hiểu tầm quan trọng của chúng. Trong bài báo này, các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ học của viên nén sinh khối được xem xét, bao gồm ảnh hưởng của các đặc tính sinh khối khác nhau, cách sinh khối được xử lý trước và trong những điều kiện sinh khối được tạo thành. Mục tiêu là để hiểu các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền trong toàn bộ chuỗi cung ứng nhằm đề xuất các cải tiến có thể được thực hiện và xác định nơi mà các nguyên liệu nhất định có thể hoặc không phù hợp để sản xuất viên nén chất lượng.



Tiêu chuẩn viên nén năng lượng hiện hành [1,19]:


2. Quá trình ép viên

Báo cáo này đặc biệt đề cập đến việc sản xuất viên nén, thay vì so với các loại nguyên liệu sinh khối đậm đặc khác như than bánh hoặc loại nguyên liệu đóng bành [22]. Viên nén được tạo ra bằng cách sử dụng một loạt các con lăn để nén nguyên liệu sinh khối qua một khuôn thép. Ngược lại, sự đóng bánh tạo ra viên gạch sinh khối bằng cách nén bằng các con lăn quay theo hai hướng ngược nhau [11]. Các hệ thống tích tụ khối liên quan đến việc trộn nguyên liệu sinh khối với chất kết dính trong dạng hình trống [22]. Nói chung, trong số ba loại này, viên nén được coi là bền nhất vì chúng được đặt dưới áp suất cao nhất trong quá trình hình thành. Thông thường trong tài liệu, thuật ngữ viên nén và than bánh bị nhầm lẫn, điều này là do chúng chỉ được xác định gần đây theo tiêu chuẩn Châu Âu EN-14961-2 [12].

Các nhà máy viên nén gỗ có thể đạt sản lượng tới 750.000 tấn/năm [23], trong khi các nhà máy dùng rơm thường nhỏ hơn, với mức sản lượng tối ưu là khoảng 150.000 tấn/năm [24]. Trên cơ sở máy nghiền, máy nghiền gỗ hoặc rơm sẽ có công suất điển hình là 4 và 5 tấn/h trên mỗi máy nghiền viên 250 kW, mặc dù nó có thể thay đổi trong suốt vòng đời của máy nghiền do hao mòn [24].

Quá trình ép viên thường đáp ứng với nguyên liệu sinh khối cụ thể, nhưng thường bao gồm các giai đoạn sau (Hình 1): tiếp nhận nguyên liệu thô, sấy khô, nghiền, ép viên, làm mát và sàng lọc [10]. Việc nghiền nhỏ nguyên liệu ban đầu được thực hiện trước khi sấy khô. Gỗ tròn được băm nhỏ, gỗ thải loại được phân loại thành nhiều loại, Dùng gàu tải và sàng rung loại bỏ nhựa và kim loại (Dalkia Pers. Com. 2013). Sau khi sấy khô, vật liệu được nghiền thành các hạt mịn. Nguyên liệu được đánh vào trong buồng trộn có thêm hơi và phụ gia (Phần 3.3.3 và 3.3.4). Máy nghiền viên bao gồm một khuôn tròn có lỗ mà nguyên liệu sinh khối bị ép thông qua hoạt động của các con lăn, bằng cách quay khuôn hoặc con lăn. Sinh khối được liên tục đưa vào máy nghiền viên, nơi nó được nén đều đặn vào các kênh tạo viên [26].

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ học của viên gỗ

3.1. Kích thước viên nén

Hai đầu của viên là nguồn chính sinh ra bột mịn, trên viên nén, phần lớn sự gia nhiệt xảy ra ở bề mặt bên ngoài của viên, làm dẻo và liên kết để tạo ra vẻ ngoài bóng bẩy. Lớp ngoài này bảo vệ viên nén khỏi hấp phụ hơi nước từ độ ẩm môi trường xung quanh [27]. Ngược lại, hai đầu viên nén thì giòn và là đường chính cho sự hấp thụ xảy ra. Một số nghiên cứu đã phát hiện ra rằng viên nén có độ bền cơ học thường dài hơn, mặc dù không rõ liệu đây có phải là nguyên nhân hay không. Ví dụ, sức căng độ bền của viên nén tăng được quan sát thấy khi tăng chiều dài viên nén đối với nhiều loại nguyên liệu, nhưng các viên ngắn hơn có độ ẩm cao hơn và kém bền hơn [28]. Một nghiên cứu khác cho thấy mối quan hệ yếu giữa chiều dài và độ bền của viên và cho thấy rằng một chỉ số về độ bền có thể là số lượng viên trên mỗi kg [13]. Một nghiên cứu khác cho thấy nếu tăng độ dài từ 31,8 đến 44,5 mm làm tăng đáng kể độ bền đối với nguyên liệu rơm lúa mì, thân cây ngô và hạt lúa miến [29]. Thay đổi độ dày khuôn làm thay đổi tỷ lệ đường kính/chiều dài sẽ được thảo luận trong mục 3.4.2.


3.2. Đặc điểm nguyên liệu

3.2.1. Mật độ lớn

Nguyên liệu đầu vào có khối lượng riêng lớn là một yếu tố quan trọng trong việc tạo viên vì các máy nghiền được cung cấp theo khối lượng chứ không phải trọng lượng [30].


3.2.2. Chất gỗ (Lignin)

Có một mối quan hệ tích cực mạnh mẽ (r2 = 0,68) giữa viên nén có độ bền và hàm lượng chất gỗ (lignin) [13]. Gỗ thường bao gồm khoảng 25% lignin, dao động từ 15% đến 40% giữa các loài cây [39] và có thể tăng sau khi lưu trữ sinh khối do sự phân rã của phần hydrate carbon có sẵn [13]. Hàm lượng lignin của rơm ngũ cốc thường thấp hơn gỗ (dưới 20%), và do đó có xu hướng sản xuất các viên kém bền hơn. Rơm ngũ cốc và cỏ năng lượng cũng có hàm lượng tro cao hơn (từ 4% đến 7%, [43]), điều này là không mong muốn.


3.2.3. Chất chiết xuất

Vỏ cây nói chung là một thành phần không mong muốn trong viên nén gỗ vì nó chứa nhiều nitơ, lưu huỳnh và tro hơn gỗ, tạo ra vấn đề với khí thải nitơ oxit (NOx), điôxít lưu huỳnh (SO2) và xỉ trong quá trình đốt cháy [48,50]. Trên một mức độ thực tế, vỏ cây có thể nguy hiểm vì nó tạo ra tỷ lệ bột mịn cao, đây là yêu cầu đặc biệt về an toàn và sức khỏe [48,51]. Để đáp ứng nhu cầu cao về viên nén ở châu Âu, ngày càng nhiều nhà máy sản xuất viên nén có thể đã sử dụng gỗ tròn chất lượng kém; và có thể khó tách vỏ cây đặc biệt là các thanh gỗ nhỏ. Những khúc gỗ ngắn đặc biệt khó bóc vỏ và rất khó để tạo ra viên nén chất lượng tốt từ cây liễu và cây dương [52]. Do đó, sự đóng góp của vỏ cây trong viên nén sẽ có khả năng tăng lên và có thể khác nhau giữa mỗi chuỗi cung ứng sinh khối.


3.2.4. Độ ẩm

Nước có vai trò quyết định trong quá trình tạo viên cùng với hàm lượng lignin, MC của nguyên liệu là một trong những thông số quan trọng nhất quyết định độ bền của viên nén[37]. Vì độ ẩm có tác động tốt và không tốt ảnh hưởng đến độ bền, nó phải được tối ưu hóa trong nguyên liệu. Độ ẩm cao hơn có thể giảm ma sát bằng cách bôi trơn sinh khối [26]. Tuy nhiên, nước không nén được, làm hạn chế mật độ cuối cùng của viên [53], và độ ẩm cao hơn làm tăng mức độ mà viên giãn nở sau khi hình thành, có thể làm giảm độ bền [31]. Mặt khác, độ ẩm làm giảm nhiệt độ mà lignin dẻo (Tg), làm tăng liên kết giữa các hạt [46]. Độ ẩm trên 20%, người ta cho rằng áp suất hơi do nhiệt độ cao làm giảm lực nén [47] hoặc liên kết hydro giữa các polyme gỗ được thay thế bằng liên kết với các phân tử nước và kết quả là viên nén yếu hơn [26,46].


3.2.5. Tóm tắt: Đặc điểm nguyên liệu

Một số thông số nguyên liệu có ảnh hưởng lớn hơn đến độ bền của viên nén so với các thông số khác. Hàm lượng lignin có thể là thông số quan trọng nhất, tiếp theo là độ ẩm, vì hai yếu tố này tương tác trực tiếp ảnh hưởng đến nhiệt độ mà lignin làm mềm. Có một số kết quả mâu thuẫn được tìm thấy trong tác dụng của chất chiết xuất đối với độ bền của viên nén: một số nghiên cứu cho thấy chúng bôi trơn sự đi qua của vật liệu qua máy nghiền, trong khi một số nghiên cứu khác cho thấy chúng có vai trò liên kết. Có bằng chứng cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng chiết xuất có thể phụ thuộc vào sự phân bố kích thước hạt và hàm lượng lignin. Những thay đổi trong độ ẩm cũng có thể có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến độ bền, mặc dù có vẻ như có một số tương tác với hàm lượng chất chiết xuất.


3.3. Quy trình sản xuất

3.3.1. Sấy

Việc sấy khô đôi khi là cần thiết: như đã thảo luận trong Phần 3.2.4, lý tưởng là nguyên liệu gỗ phải có độ ẩm (MC) từ 8-12% trước khi vào máy nghiền viên [50]. Thông thường, gỗ mới khai thác có độ ẩm 50-55% hoặc khoảng 30% sau khi lưu trữ. Mùn cưa có độ ẩm dao động tùy thuộc vào thời gian mà các thanh gỗ tròn để khô. Có được nguyên liệu có độ ẩm tối ưu trước khi ép viên là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng viên nén. Máy sấy nguyên liệu sinh khối có nhiều loại khác nhau, và khác nhau về kỹ thuật làm nóng và cấu hình nhiệt độ. Các phương pháp khác nhau được sử dụng, chẳng hạn như dùng không khí nóng, hút ẩm hoặc sấy chân không và máy sấy không khí nóng phù hợp với quy mô công nghiệp [50]. Gỗ vụn khô với tốc độ chậm hơn mùn cưa, nhưng thuận lợi là làm khô trước khi ép vì nguyên liệu ướt hơn có thể gây dính. Ngoài ra, nguyên liệu ướt cần nhiều năng lượng hơn [58]. Mùn cưa được sấy khô trong một cái lò sấy hoặc máy sấy flash, trong khi đó dăm gỗ đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn và phù hợp nhất với máy sấy phẳng [59]. Nếu vỏ cây được sử dụng làm nguồn nhiên liệu để sấy khô thì điều này có khả năng gây ô nhiễm cho viên nén[60].


3.3.2. Nghiền

Giảm kích thước là một giai đoạn quan trọng trong việc ép viên. Nó ảnh hưởng đến một loạt các yếu tố như độ nén, sự tiếp xúc giữa các hạt, ma sát trong khuôn và tốc độ dòng chảy của vật liệu [62]. Một nghiên cứu kiểm tra viên nén từ gỗ cây ô liu xác định kích thước hạt là thông số quan trọng thứ ba trong việc xác định độ cứng của viên nén, Yếu tố quan trọng đầu tiên và thứ hai là nhiệt độ cao và độ ẩm được tối ưu hóa [53]. Điều này cũng được xác nhận với viên nén từ gỗ thông Caribbean (0,63 mm), với lực ép và độ ẩm là yếu tố ảnh hưởng đầu tiên và thứ hai [63]. Kích thước hạt ảnh hưởng đến tổng diện tích bề mặt, kích thước lỗ rỗng và số lượng điểm tiếp xúc để liên kết giữa các hạt cần thiết để tạo ra các viên nén có độ bền [33,64].


Mức độ nghiền cần thiết phụ thuộc vào nguyên liệu. Trong trường hợp mùn cưa có thể không cần thiết nếu kích thước hạt thường nhỏ hơn 8 mm.


3.3.3. Phụ gia kết dính

Việc sử dụng chất kết dính đã được khám phá trong một số nghiên cứu (Bảng 4). Chúng hoạt động theo cách tương tự như nhựa dính được sử dụng trong sản xuất hạt và ván sợi [45]. Chúng được thêm vào để cải thiện tính chất đốt cháy, cải thiện độ bền hoặc để giảm hao mòn cho viên nén [50,72], tất cả đều có thể giúp giảm khí thải nhà kính (GHG) phát thải từ quá trình ép viên bằng cách giảm tổn thất và giảm nhu cầu năng lượng trong quá trình sản xuất [14]. Thông số kỹ thuật hiện tại yêu cầu các chất phụ gia phải được khai báo và không được chiếm hơn 2% tổng khối lượng [19]. Giới hạn này dường như được áp dụng ngay cả khi chúng là các nguồn sinh khối như tinh bột, bột hoặc dầu thực vật. Hơi nước là phụ gia liên kết được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình ép viên [17], mặc dù nó thường không được coi là một chất kết dính.


Một loạt các chất kết dính hữu cơ và vô cơ đã được khám phá trong sản xuất viên gỗ, tuy nhiên việc lựa chọn cuối cùng nên được xem xét khía cạnh chi phí và sự tác động môi trường [45]. Khi xem xét sử dụng chất kết dính, người ta phải xem xét các tác động môi trường gián tiếp sử dụng chất kết dính sẽ có độ bền của viên nén.


Ví dụ, một nghiên cứu gần đây cho thấy sự gia tăng đáng chú ý về độ bền của viên gỗ đã đạt được khi sử dụng tinh bột ngô và mật rỉ làm phụ gia, tuy nhiên lượng phát thải khí thải nhà kính gián tiếp từ sản xuất tinh bột ngô hoặc mật rỉ không được bù đắp bằng những cải tiến về độ bền [14]. Nghiên cứu đó cho thấy rằng ngay cả việc sử dụng nhỏ các chất phụ gia cũng không thể được chứng minh thông qua giảm thiểu khí thải nhà kính (GHG).


3.3.5. Tóm tắt: Tùy chọn tiền xử lý nguyên liệu

Phần này mô tả cách nguyên liệu được chuẩn bị trước khi vào máy tạo viên. Giai đoạn chính ảnh hưởng đến độ bền của viên là giảm kích thước. Mặc dù một loạt các kích thước hạt được báo cáo trong tài liệu, người ta thường thấy rằng các hạt nhỏ hơn tạo ra các viên bền hơn khi chúng làm tăng ma sát trong nhà máy và có thể chiếm các khoảng trống hiệu quả hơn các hạt thô hơn. Có được độ ẩm tối ưu của nguyên liệu bằng cách sấy khô là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng viên nén, tuy nhiên điều này đã được thảo luận trong phần trước. Mặt khác, phương pháp sấy chủ yếu ảnh hưởng đến tổn thất tiềm tàng của VOC, ảnh hưởng đến LHV cuối cùng của viên nén.

Chất kết dính có thể cải thiện độ bền trong viên, đặc biệt là những chất có hàm lượng lignin thấp. Chất kết dính dầu hoặc chất béo nên tránh vì những chất này bôi trơn vật liệu và tạo ra một viên nén yếu hơn. Điều hòa hơi nước có thể giúp kích hoạt lignin nhưng phải chú ý không làm tăng mật độ khối của sinh khối để ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền.


3.4. Điều kiện tạo hạt

3.4.1. Nhiệt độ

Làm nóng sơ bộ nguyên liệu kích hoạt các chất kết dính và thúc đẩy sự nóng chảy của các hạt nhựa nhiệt dẻo cần thiết cho sự hình thành viên nén[22]. Phần này đặc biệt đề cập đến nhiệt độ của nguyên liệu đi vào máy ép viên. Viên gỗ cần nhiệt độ 110 -130 ° C để liên kết xảy ra [26].


3.4.2. Ép viên

Các lực vật lý tích tụ trong lỗ nén viên rất quan trọng để hiểu và tối ưu hóa quá trình tạo viên [12]. Phần này mô tả áp lực cần thiết để vượt qua lực ma sát từ vật liệu đi qua máy nghiền [26]. Áp suất được áp dụng giữa các con lăn và khuôn có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố bao gồm công suất động cơ, tốc độ lăn, mật độ khối của nguyên liệu, và kích thước và kết cấu của kênh viên [17]. Nó cũng có thể thay đổi trong vòng đời của con súc sắc, ví dụ, một nhà máy viên nén mới sẽ chạy ở tốc độ 4,5 tấn/giờ nhưng sau ½ vòng đời của máy có thể cần phải chạy ở tốc độ 3,5 tấn/giờ để duy trì đủ áp suất để đạt được chất lượng viên nén cần thiết [24]. Chất kết dính nhờn/chất béo được sử dụng để giúp cải thiện tốc độ truyền vật liệu qua máy nghiền [50] có ảnh hưởng xấu đến độ bền của viên nén do áp suất giảm được áp dụng trong máy nghiền [73]. Hai nghiên cứu cho thấy sự tương tác giữa áp suất và nhiệt độ và độ ẩm [26,46], nhận thấy rằng nhiệt và độ ẩm có thể làm mịn dòng chảy của vật liệu qua khuôn, do đó sẽ cần phải được tối ưu hóa trong một số nguyên liệu để đảm bảo đạt được độ bền.


Viên nén được sản xuất ở áp suất từ 115 đến 300 Mpa (Bảng 4), và nói chung, áp suất cao hơn cho các viên nén có độ bền hơn[26]. Hai nghiên cứu sử dụng áp suất rất thấp (1,5 MPa) tạo ra các viên kém hơn so với các viên tiêu chuẩn.


3.4.3. Làm mát

Khi viên nén rời khỏi máy nghiền viên, chúng có nhiệt độ từ 70 - 90 ° C [52]. Vì các cơ chế liên kết trong viên nén phụ thuộc vào sự nóng chảy và tái hóa rắn của chất gỗ lignin, viên nén không đạt được độ bền thực sự cho đến khi chúng nguội đi [17]. Điều này được thực hiện bằng cách thổi không khí được làm mát (0 nhiệt 25°C) trên các viên nén mới được hình thành cho đến khi chúng đạt đến nhiệt độ môi trường xung quanh 5°C. Làm mát hiệu quả là cần thiết vì các vết nứt gây ra bởi chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp bên ngoài và bên trong có thể dẫn đến sự vỡ nát [13].


3.4.4. Tóm tắt: Điều kiện tạo viên

Nói chung, nhiệt độ tạo viên từ 100 đến 130 ° C, mặc dù điều này phụ thuộc vào Tg cụ thể của lignin trong sinh khối. Áp lực ép cao trong khoảng từ 115 đến 300 MPa là cần thiết để tạo ra các viên sinh khối bền. Một vài nghiên cứu cho thấy việc tăng nhiệt độ và độ ẩm có thể giảm áp suất qua máy nghiền, làm nổi bật nhu cầu tối ưu hóa ba thông số này cho các nguyên liệu khác nhau. Làm mát hiệu quả là cần thiết để đảm bảo các viên rắn lại mà không gây vỡ.


3.5. Các sự kiện sau ép viên

Thách thức chính của việc sản xuất viên nén là làm cho chúng đủ bền để chịu đựng sự hao mòn cơ học do việc dịch chuyển [17]. Viên nén được dịch chuyển từ tám đến mười lần từ khi sản xuất đến khi đến với người sử dụng cuối cùng [85,86]. Sự gây vỡ xảy ra hoặc do các vết nứt phát triển bên trong các viên hoặc do mài mòn [87]. Trong chuỗi cung ứng, viên nén được chuyển tải, thả hoặc thổi vào xe tải, boongke hoặc xe. Người ta tin rằng thả viên gỗ gây ra vỡ và tăng bột mịn.


Một nghiên cứu đã thử nghiệm viên nén có độ bền 97% trong các thử nghiệm thả khác nhau. Họ phát hiện ra rằng một lần rơi từ độ cao 22,8 m xuống một nền bê tông đã dẫn đến tổn thất từ 1% bột mịn tăng lên 10% sau năm lần giảm liên tục; cho thấy tần số dịch chuyển tăng lên có thể đẩy nhanh tốc độ vỡ [86]. Các tác giả đã phát hiện ra một mối quan hệ tuyến tính giữa gây vỡ viên nén và chiều cao mà tại đó viên nén bị rơi. Do đó, các viên nén có độ bền có thể được bảo quản phần nào bằng cách xử lý cẩn thận trong quá trình vận chuyển và lưu trữ. Các cảng vận chuyển được điều chỉnh để xử lý số lượng lớn viên gỗ đã thiết lập các giao thức xử lý để giảm thiệt hại cho viên nén, chẳng hạn như kẹp chuyên dụng, băng tải tốc độ thấp, độ cao rơi thấp và không xử lý trong thời tiết ẩm ướt [88].


Điều rất quan trọng là đảm bảo rằng các thiết bị lưu trữ phải kín nước, vì tiếp xúc với độ ẩm có thể làm cho viên nén bị sưng lên và tan rã [90]. Silo lưu trữ cần bảo vệ khỏi mưa, ngưng tụ hoặc nước ngầm [17,89]. Một số tự gia nhiệt có thể xảy ra ở dạng viên do quá trình oxy hóa hóa sinh khối, hoặc do các lực vật lý ngưng tụ và hấp phụ [91,92]. Điều này có thể dẫn đến sự ngưng tụ nước gây ra các túi ẩm. Vì đây là một quá trình chậm, nó chỉ có thể trở nên có vấn đề ở quy mô lớn và có thể bị triệt tiêu bằng cách làm ngập các khu vực lưu trữ bằng khí nitơ [88]. Có thể bảo vệ viên nén bằng cách ngâm chúng trong dầu thực vật hoặc khoáng chất trong tối đa 10 giây. Các viên nhỏ được xử lý theo cách như vậy có khả năng chịu được sự tiếp xúc với mức độ ẩm sẽ làm tan rã nhanh chóng các viên không được xử lý [74]. Các lớp phủ dầu cũng làm tăng 5,7% LHV của viên nén, nhưng mức độ ứng dụng rất có thể sẽ vượt quá giới hạn lớp phủ 0,2% theo quy định của tiêu chuẩn EN-14961-2, và cần phải xác định sự đánh đổi môi trường.

607 views