Moisture sorption properties and fungal degradation of torrefied wood in storage

The need to replace fossil fuels with renewable energy sources has become an increasingly important field of research and development in order to combat the global climate change. Wood is a well utilised and much studied source of energy that has some inherent problematic characteristics common to all lignocellulosic biomass. Moisture affects the entire supply chain of wood fuels negatively by complicating transport, handling, storage, and combustion. During storage, the wood takes up moisture, which leads to fungal deterioration and consequently losses of heating value. The problem has been addressed by reducing the hygroscopicity of wood through the thermal pre-treatment process of torrefaction. In addition to hydrophobicity, torrefaction leads to other beneficial characteristics that are expected to improve the performance of lignocellulosic biomass in logistics and combustion. Due to hydrophobicity the material is said to be resistant to fungal degradation and subsequent dry matter losses. The combustion would be efficient without the need to evaporate water that can form up to 60% of untreated woody biomass. However, only few studies exist, and the material s performance in storage has been pointed out as an important research area. To tackle this challenge, this thesis aimed to provide much needed answers related to the storage properties of torrefied wood and charcoal, most importantly the effect of moisture. This thesis is made up of four studies, in which the sorption properties and fungal degradation of torrefied spruce and birch, as well as charcoal produced from the same feedstock, were investigated. In one experiment torrefied pellets and steam explosion pellets were compared with the undensified material. It was found that the pyrolysed material adsorbed only minor amounts of water vapour both in laboratory experiments as well as in an outside storage trial. The hydroxyl group accessibility and the particle size of the material were also reduced. However, although the capillary absorption was slower, the capacity for water uptake was increased. This led to high moisture contents during the storage trials. It was also shown that the material can serve as the sole carbon source and is therefore subjected to fungal degradation. The degradation was slow, but significant dry matter losses were recorded from certain samples in laboratory conditions. Furthermore, the fungal activity increased the material s moisture content. The torrefied material hosted abundant fungal flora following outside storage trials, and many of the identified genera were known allergens. Also it was shown that torrefied pellets do not tolerate contact with water. Many of the properties of torrefied wood are favourable in terms of easier handling and improved combustion behaviour. However, the results presented in this thesis show that the storage of the material may not be as easy as speculated. The torrefied wood, whether as chips or pellets, should be stored in covered areas and direct contact with water should be avoided. The working safety issues should be carefully addressed to avoid unnecessary exposure and accidents when handling the pre-treated material.

Globaalia ilmastonmuutosta pyritään hidastamaan korvaamalla fossiilisia polttoaineita uusiutuvilla energianlähteillä ja tähän liittyvä tutkimus on maailmalla yhä tärkeämmässä asemassa. Suomessa puulla on pitkät perinteet biopolttoaineena ja sen ominaisuudet tunnetaan hyvin. Puulla, kuten kaikilla selluloosapohjaisilla biomassoilla, on kuitenkin joitain ongelmallisia ominaisuuksia. Erityisesti kosteus vaikuttaa näiden polttoaineiden toimitusketjuihin negatiivisesti hankaloittaen kuljetusta, käsittelyä, varastointia ja polttoa. Varastoinnin aikana puu imee itseensä vettä ilmasta ja ympäristöstä. Kostuminen johtaa sopivissa oloissa sienten aiheuttamaan lahoamiseen, josta seuraa kuiva-ainetappioita ja raaka-aineen pilaantumista. Tähän ongelmaan on etsitty ratkaisua lämmön avulla tehtävällä esikäsittelyllä, torrefioinnilla. Torrefionti vähentää puun hygroskooppisuutta, jonka lisäksi saadaan aikaan muita polttoaineelle hyödyllisiä ominaisuuksia. On sanottu, että torrefioitu materiaali ei lahoa, eikä varastoinnin aikana siten koeta kuiva-ainehäviöitä. Materiaalin poltto muuttuisi tehokkaammaksi, kun siihen sitoutunutta vettä, joka muodostaa jopa 60 % esikäsittelemättömän puun massasta, ei tarvitsisi ensin haihduttaa. Aiheesta ei kuitenkaan ole monia tutkimuksia ja torrefioidun materiaalin varastointiominaisuuksien selvittäminen on osoitettu tärkeäksi tutkimusalueeksi. Tämä väitöskirja pyrkiikin vastaamaan kysymyksiin torrefioidun puun ja hiilen varastointiominaisuuksista ja erityisesti kosteuden vaikutuksesta varastoitavuuteen. Tämä väitöskirja koostuu neljästä osajulkaisusta, joissa tutkitaan monipuolisesti torrefioidun kuusen ja koivun, sekä samoista lähdemateriaaleista valmistetun hiilen, kosteusominaisuuksia. Yhdessä osajulkaisussa verrataan torrefioitujen ja höyryräjäytettyjen pellettien ominaisuuksia tiivistämättömään materiaaliin. Tutkimusmateriaali otti kokeissa itseensä vain pieniä määriä vesihöyryä, ja hiukkaskoko sekä materiaalin hydroksyyliryhmien saavutettavuus pienenivät. Vaikka kapillaarinen absorptio hidastui, vedenottokapasiteetti kasvoi. Tämä johti korkeisiin kosteusprosentteihin varastointikokeiden aikana. Kokeissa osoitettiin, että torrefioitu puu kelpaa laho- ja homesienille hiilen lähteeksi ja ulkovarastointikokeen jälkeen näytteistä eristettiin runsaasti erilaisia sieniä. Moni tunnistetuista suvuista piti sisällään tunnettuja taudinaiheuttajia ja allergeenejä. Lahoaminen oli hidasta, mutta kuiva-ainetappioita kirjattiin laboratorio-oloissa. Sienten takia näytteiden kosteusprosentit kasvoivat. Kokeissa osoitettiin myös, että torrefioidut pelletit eivät siedä vettä ja ne tulisi varastoida katettuina. Monet torrefioidun puun ominaisuudet ovat hyödyllisiä helpomman ja tehokkaamman käsittelyn, kuljetuksen ja polton suhteen. Tämän väitöskirjan tulokset kuitenkin osoittavat, että materiaalin varastointi ei ehkä olekaan niin yksinkertaista kuin mitä on arveltu. Tutkimuksissa osoitettiin oikeanlaisen, katetun varastoinnin tärkeys kaikenlaiselle torrefioidulle materiaalille. Vesikontaktia tulisi välttää, jotta materiaalin ominaisuudet eivät kärsi. Myös työturvallisuuteen liittyvät yksityiskohdat tulisi ottaa huomioon, jotta vältyttäisiin työntekijöiden sairastumisilta ja onnettomuuksilta.

ei saavutettava