Undersøkelse av torrifisering (forkulling) og alternative råvaretillegg i biomasse pelletering | Investigation of torrefaction and addition of alternative raw materials in biomass pelleting

English. The interest in renewable energy sources is growing continuously owing to climatechange and the limited amount of fossil fuels. Biomass is the most popular renewableenergy source, and it will continue to play a key role in further reduction of theconsumption of fossil fuels. Extensive usage of wood worldwide for generating energyis making this resource scarcer. From the perspective of ensuring sufficient supply ofbiomass for future needs, the application of inexpensive alternative raw materials, suchas agricultural and industrial residues, has gained great interest. The typically poor fuelproperties of alternative biomasses can be upgraded through different technologiessuch as pelleting and torrefaction. The main objective of the present PhD thesis is todevelop pelletized solid biofuels by adding alternative raw materials and applying thetorrefaction process. Additionally, the thesis also contributes to the development andapplication of novel, non-conventional methods for testing pellet quality.The thesis is based on four scientific papers that investigated different aspects ofbiomass pelleting, the application of new raw materials, a thermal pretreatmentprocess, and the development of novel methodologies for pellets analysis. The initialactivity in the present PhD project involved screening and selecting the alternative rawmaterials that could be used for pellet production. Through the rheologicalexamination of five liquid and semi-solid materials, an attempt was made to anticipatetheir behavior during different stages of biofuel production, when they were added topowder biomass for densification (Paper I). Based on the rheological properties,availability, and price, waste vegetable oil and molasses were selected for furtherexamination of their effects on biomass pelletability and physical pellet quality. Wastevegetable oil exhibits Newtonian behavior; its viscosity decreased sharply whenheated in the temperature range that occurs during pellet production, and this allowedeasy application of the oil in the production process. Molasses was chosen because ofits ability to harden and form solid bridges between particles. This indicated thatmolasses could be a good binder in the pelleting process. The second approach toupgrade biomass fuel properties was biomass torrefaction. The effects of torrefaction on Norwegian spruce and birch branches are examined in Paper II. Torrefactionimproved the properties of wood by realizing higher energy density, bettergrindability, and hydrophobicity. It was demonstrated that the effects of torrefactiondepend on the tree species. Torrefaction had a positive impact on the strength of birchpellets, while the strength of spruce pellets was reduced. However, results indicatedthat the densification of torrefied biomass requires more energy than the densificationof raw wood. In Paper III, the pelleting of spruce sawdust with added waste vegetableoil is described. This work presented a novel method for testing the surface hydrationproperties of pellets; this method is based on measurements of the contact angle of awater drop on the pellet surface. Surface hydration properties were assessed on thebasis of the initial contact angle and apparent water absorption rate. Addition of wastevegetable oil reduced inter-particle binding, resulting in poor pellet physical quality interms of pellet density, strength, and surface hydration properties. Addition of oil wasbeneficial because it increased the energy content of pellets and lowered the energyrequirement for pellets production. Molasses, as a potential binder, was added to wheatstraw before pelleting (Paper IV). Pellets were produced in a single pellet press andin a roller-die pellet press. Molasses made the pellets stronger, and this effect wasparticularly pronounced at low pelleting temperatures (60°C). Comparison of the twopelleting methods showed that the single pellet press is a useful tool for examiningpelletability and material-compacting properties. The information obtained by thismethod can serve as a basis for material and process modification before large-scaleproduction.

Interessen for fornybare energikilder er stadig økende på grunn av klimaendringer ogbegrensede mengder av fossilt brensel. Biomasse er en av de mest populære fornybareenergikildene. Biomasse vil fortsette å spille en sentral rolle i ytterligere reduksjon avfossilt brenselforbruk. Omfattende bruk av trevirke til energiproduksjon gjør det endaknappere på et globalt nivå. For å kunne forsyne nok biomasse slik at det møterfremtidige behov, har det derfor blitt en økende interesse for anvendelse av billige,alternative råmaterialer samt landbruks- og industriavfall. Vanligvis kan dårligeegenskaper av alternative biomasser bli oppgradert med ulik teknologi slik sompelletering og torrifisering (forkulling). Det viktigste målet for den presentertedoktorgradsavhandlingen er å utvikle pelleterisert biodrivstoff ved inkludering av nyeråvarer og anvendelse av torrifiseringsprosessen. Et viktig bidrag for dennedoktorgradsavhandlingen er å utvikle og anvende nye og ukonvensjonelle metoder forkvalitetstesting av pellets.Doktorgradsavhandlingen er basert på fire vitenskapelige artikler som undersøkerulike aspekter av pelletering av biomasse, bruk av nye råvarer, prosess av termiskforbehandling og etablering av nye metoder for analysering av pellets. Den innledendeaktiviteten i dette doktorgradsprosjektet var søking og valg av alternative råvarer somkan brukes til produksjon av pellets. Reologisk undersøkelse av fem væske- oghalvfaste (myke) råvarer ble utført med formål å forutse deres oppførsel under ulikestadier av biodrivstoffproduksjon, særlig når de er tilsatt biomasse i pulverform for åøke tettheten (artikkel I). Basert på reologiske egenskaper, tilgjengelighet og pris, blevegetabilske oljerester og melasse valgt for videre undersøkelse av deres effekter påpelletabilitet av biomasse og fysisk kvalitet av pellets. Vegetabilske oljerester haddeNewtonsk-atferd. Viskositeten av vegetabilske oljerester var redusert etteroppvarming i et temperaturområde som er standard under produksjon av pellets. Dettetillot lett tilsetting av olje i produksjonsprosessen. Melasse ble valgt ettersom denkunne stivne raskt og danne faste broer mellom partiklene. Dette indikerte at melassekunne være et godt bindemiddel i pelleteringsprosessen. En annen tilnærming for oppgradering av egenskaper av biobrensel var torrifisering av biomasse. Effektene avtorrifisering av norske gran og bjørk ble undersøkt i artikkel II. Torrifiseringoppgraderte egenskaper til tre-biomasse ved høy energitetthet, bedreformalingsmuligheter og hydrofobisitet. Det ble demonstrert at effekt av torrifiseningavhenger av arten av biomasse. Torrifisering hadde positiv innvirkning i forbindelsemed styrken av bjørkepellets. Styrken av gran pellets ble på den annen side redusert.Resultatene indikerte at fortetting av torrefiserte biomasse er mer energikrevende ennubehandlet trevirke. I artikkel III, ble pelletering av sagflis fra gran med tilsetning avvegetabilsk oljerester beskrevet. Innenfor denne studien ble det utviklet en ny metodefor testing av hydrering av overflatevæskeegenskaper av pellets. Metoden er basert påkontaktvinkelmåling av en vanndråpe på overflaten av trepellets. Til slutt blematerialet vurdert ved første kontaktvinkel og tilsynelatende absorberingsgrad avvann. Tilsetting av vegetabilske oljerester reduserte binding av inter-partikkeler, ogsom endelig resultat ble derfor fysisk kvalitet (hardhet) av pellets lav; samtidig bleegenskaper for hydrering av pelletsoverflaten dårlige. Tilsetting av olje viste seg derforå være gunstig ettersom det førte til lavere energikrav for pelletsproduksjon samtidigsom det økte innholdet i pellets. Melasse som er et potensielt bindemiddel, ble tilsatttil hvetehalm før pelletering (artikkel IV). Pellets ble produsert med en enkeltmatrisepelletpresse og i en flat-matrise pelletpresse. Melasse førte til sterkere og mer fastepellets, denne effekten var spesielt tydelig ved lave pelleteringstemperaturer (60 °C).Sammenligning av metoder viste derfor at laboratorieutstyr kan være et nyttig verktøyfor analysering av pelletering og komprimeringsegenskaper av forskjellige materialer.Opplysninger innhentet med disse metodene kan brukes som grunnlag formodifisering av materialer og prosesser før kommersiell produksjon.