Konditioneringens betydelse för energiåtgång och kvalitet vid pelletstillverkning Slutrapport till Ångpanneföreningens forskningsstiftelse 31 mars 2016. Projektledare, Dr. Magnus Ståhl Docent Jonas Berghel Ämnet Miljö- och energisystem Karlstads universitet Sammanfattning Vatten har visat sig ha en viktig roll för pelletstillverkningen och pelletsens hållfasthet. För att förbättra hållfastheten på pellets så konditionerar många pelletstillverkare råvaran innan den pelleteras. Detta arbete har undersökt hur energiåtgången i pelletspressen samt hållfastheten i pellets påverkas vid tillverkning av pellets från konditionerat sågspån. Dessutom undersöktes hur uppehållstiden i mixern, där vatten och ånga tillförs, påverkar energiförbrukningen samt pelletshållfastheten. Sågspånet fuktades upp till referensnivåerna 11, 13 respektive 15 % fukthalt före pelletering i pilotskala vid Karlstads universitet. Under provserierna varierades uppehållstiden i mixern från 25 300 sekunder. Resultaten visar på att mängden fukt i pellets, i intervallet 6-9 %, samt uppehållstiden i mixern vid befuktning har betydelse för pelletsens hållfasthet. Hållfastheten och energiförbrukningen ökar med ökad mängd fukt i sågspånet. Abstract Water has been found to have an important role in production of pellets and the durability of pellets. To improve the pellet durability many manufacturers ads water or steam to the raw material before it is pelletized. This work has investigated how the energy consumption of the pellet press and the durability of pellets are affected by the production of pellets from sawdust treated with steam. Further, it is examined how the residence time in the mixer, where water and steam is supplied, affects the energy consumption and pellet durability. The sawdust was moistened up to reference levels of 11, 13 and 15% moisture before pelletizing in pilot scale at Karlstad University. During the test series the residence time in the mixer varies between 25 to 300 seconds. The results show that the amount of moisture in the pellets, in the range of 6-9%, and the residence time in the mixer is important for the pellets durability. The durability and the energy consumption increased with increased amount of moisture in the sawdust. 1
Bakgrund Biobränslen står idag för en mycket stor del av Sveriges totala energitillförsel, år 2013 cirka 23 % (www.energimyndigheten.se, 2016). En del av bioenergitillförseln står träbränslepellets för, cirka 1,5 % (9 TWh) (www.pelletsforbundet.se, 2014). Sverige är idag ett av de ledande länderna i världen när det gäller tillverkning och användning av träbränslepellets samt pelletsforskning. Ursprungligen gjordes träbränslepellets av kutterspån men numera tillverkas pellets även av torkat råspån. Allt sågspån som finns i Sverige används i princip idag vilket innebär att pelletsindustrin tar väl hand om den råvara man får tag i, vare sig det är rått råspån, torkat sågspån (lagrat eller icke lagrat) alternativt andra råvaror. Fler och fler sågverk inser också värdet av att ha en pelleteringsindustri kopplad till sin verksamhet för att kunna producera pellets där råvaran faller, främst för att korta transportvägarna samt att säkerställa råvarutillgången. I perioder kan det vara så att sågspånet från det egna sågverket inte räcker till och ytterligare sågspån behöver köpas in. Denna råvara kan vara råspån men det kan också vara råvara som har lagrats ute på fällningsplatsen eller hos spånleverantören. Både forskning (Arshadi et al., 2008; Nielsen et al., 2010; Samuelsson et al., 2009; Ståhl och Berghel, 2012) och industriella erfarenheter visar att det är skillnad i kvalitet på att pelletera färskt råspån och lagrat sågspån. Beroende på vilken råvara som är tillgänglig så behöver industrin bearbeta råvara på olika sätt för att underlätta pelleteringen samt säkerställa kvaliteten på pelletsen. Ett sätt att förbättra kvaliteten och samtidigt sänka energiförbrukningen är att använda olika typer av additiv, vilket vi visat i tidigare studier (Ståhl och Berghel, 2012). I samma studie visas också hur energiförbrukningen minskade med 14 % när 2,8 % oxiderad majsstärkelse tillförts, i jämförelse med sågspån utan additiv. Att använda additiv ökar dock priset för tillverkningen och bästa additivet kan vara för dyr att använda industriellt men det finns andra sätt att få liknande effekter, exempelvis genom tillsats av vatten eller ånga. Forskning visar att vatten har en viktig roll att spela för pelletstillverkningen och pelletsens hållfasthet (Arshadi et al., 2008; Samuelsson et al., 2009). För att förbättra kvaliteten på pelletsen så konditionerar många pelletstillverkare råvaran innan den pelleteras. Detta kan ske med vatten men i de allra flesta fall sker det med vattenånga (som hos Stora Enso i Grums). Pelletstillverkaren har alltså satsat energi på att torka råvaran från råspånets 50-60 % fukthalt ner till cirka 8 % fukthalt för att sedan konditionera upp det igen till 10-14 % fukthalt för att i slutprodukten, pelletsen, ha en fukthalt strax under 10 %. Några pelletstillverkare (exempelvis HMAB i Sveg) lyckas dock även pelletera fuktigare spån 12-14% fukthalt, vilket är energieffektivare, men hur påverkar det hållfastheten? Industrins tanke om konditionering är att det spelar stor roll för kvaliteten på pelletsen om vattnet är placerat på ytan av sågspånet eller finns i sågspånets cellväggar. Många konditionerar för att få en hållfast pellets men hur påverkas egentligen pelletsens hållfasthet av fukthalten? Denna fundering ledde fram till följande forskningsfrågor: Hur påverkas energiåtgången i pelletspressen vid tillverkning av pellets från konditionerad råvara jämfört med referensnivåerna baserade på fukthalter direkt efter torksteget? Hur påverkas hållfastheten i pelletsen vid tillverkning av pellets från konditionerad råvara jämfört med referensnivåerna baserade på fukthalter direkt efter torksteget? 2
Vilken roll spelar uppehållstiden i mixern, där vatten och ånga tillförs, för energiförbrukningen i pelletspressen och för pelletsens hållfasthet? Metod Råvara Sågspån från gran och tall (fabriken kör ett recept med blandningen 90 % gran och 10 % tall) hämtades från Stora Ensos pelletsfabrik i Grums efter att det har torkats och malts. Sågspånet höll från fabrik en basfukthalt på 10,5 %. För att få tillgång till fler referensnivåer långtidsåterfuktades, genom tillsättning av vatten i en omblandare, samma sågspån till referensnivåerna 11, 13 respektive 15 % fukthalt. Referensnivåerna representerade fuktnivåer för sågspån tagna direkt efter torkning i fabrik vid nämnda nivåer. Pelletering Industriellt är processen kontinuerlig och uttag av provserier görs under drift. För att efterlikna den industriella processen så har pellets tillverkats i vår unika existerande anläggning vid Karlstads universitets (se figur 1), vilken inkluderar en pelletspress med maximal kapacitet på drygt 300 kg/h. Till anläggningen finns också en mixerskruv (inte med på bilden) där vatten och ånga kunde tillsättas. Under tillverkningen mättes bland annat presstryck, strömlast och materialflöde kontinuerligt. Figur 1. Bild över pelleteringsanläggningen på Karlstads universitet. (Ståhl et al. 2012) Pellets tillverkades i beskrivna anläggning från referensnivåerna med 11, 13 och 15 % fukthalt, utan att tillsätta vatten eller ånga under processen. Dessutom tillverkades pellets från referensnivåerna med konditionering, vattenånga, i mixern tills fukthalterna ökats med ca tre procentenheter. Konditioneringen skedde vid olika uppehållstider i mixern för att också studera dess effekt på pelletskvalitet och hållfasthet. Totalt har 15 stycken provserier utförts. Energieffektivisering För att fastställa hur pelletspressens elförbrukning påverkas när pellets produceras från konditionerad råvara jämfört med referensnivåerna så loggas strömlasten vid körning. Effekten beräknas utifrån strömlastmätningarna enligt Ståhl & Berghel, 2011, så att elförbrukningen sedan kan jämföras mellan de olika testerna. Hållfasthet Enligt europeisk standard (SS- EN 14961-1 och SS- EN 15210) bestäms hållfasthet genom att bestämma hur stor mängd smul som bildas vid körning i en tumlingsmaskin. För att uppfylla standarden skall minst 97,5 % hela pellets finnas kvar efter tumling. I Karlstad universitets laboratorier finns adekvat utrustning för dessa tester. 3
Tidplan Projektet startade hösten 2014 och pågick deltid under ett drygt år. Halvtidsrapportering skedde innan 31/3-2015 och slutrapporteringen i mars 2016. Tidplanen hölls utan problem. Arbetet har fortskridit i den takt det var tänkt. Aktiviteter som utförts är: laborativt arbete med att producera pellets i vår anläggning, utförande av kvalitetstester samt beräkningar av energiåtgång och kvalitetsmått, dokumentation i form av projektrapport och artikel (status på den senare är att en Poster om detta arbete kommer att presenteras på The European Biomass Conference and Exhibition (EUBCE) 2016 i Amsterdam, Holland). Resultat och diskussion I tabell 1 ses hur presstryck, elförbrukning, matristemperatur samt materialflöde ändrades under försöken. Presstrycket samt matristemperaturen ligger relativt konstant vilket indikerar en stationär produktion, vilket är en förutsättning för att kunna analysera skillnader vid produktionen av pellets. Elförbrukningen (motorströmmen) verkar öka med ökad uppehållstid i mixern. Materialflödet varierar inte heller nämnvärt med ökad uppehållstid, se tabell 1. Tabell 1, kördata från försöken medelvärde för 5 min. Test Presstryck [Bar] Motorström [A] Matristemp. [ C] Materialflöde [kg ts] 0- prov 11% 89,1 23,8 103,0 1,43 1 11% 90,7 23,6 105,4 1,45 2 11% 94,0 23,8 105,9 1,43 3 11% 93,5 23,9 105,8 1,43 4 11% 91,7 23,1 104,9 1,33 5 11% 91,7 23,5 107,1 1,50 0- prov 13% 97 20,8 96,8 1,37 1 13% 85 23,8 87,4 1,32 2 13% 91 23,5 93,8 1,28 3 13% 98 24,3 97,3 1,36 4 13% 104 25,6 98,2 1,34 5 13% 108 23,7 99,0 1,11 0- prov 15% 102 22,9 101 1,30 1 15% 106 23,9 99,6 1,27 2 15% 103 23,8 99,1 1,28 3 15% 102 24,4 99,7 1,29 4 15% 103 25,8 99,6 1,31 5 15% 103 24,2 100,6 1,29 Efter att alla körningar var utförda och analyserna gjorda kan följande resultat på forskningsfrågorna presenteras: 4
Hur påverkas energiåtgången i pelletspressen vid tillverkning av pellets från konditionerad råvara jämfört med referensnivåerna baserade på fukthalter direkt efter torksteget samt vilken roll spelar uppehållstiden i mixern för densamma? 750 700 Specifik energi [kj/kg ts] 650 600 550 500 Fukthalt in 11% Fukthalt in 13% Fukthalt in 15% 0-prov fukthalt in 11% 0-prov fukthalt in 13% 0-prov fukthalt in 15% 450 0 50 100 150 200 250 300 350 Uppehållstid [s] Figur 2. Specifik energi i pelletspressen mot uppehållstid i mixern. Figur 2 visar på hur den specifika energin till pelletspressen ändras vid ökad fukthalt på sågspånet samt vid ökad uppehållstid för ångan i mixern. Den specifika energin är högre för pellets som produceras vid höga fukthalter på sågspånet än pellets som producerats vid låga fukthalter. Eftersom fukthalterna på den färdiga kylda pelletsen inte skiljer sig så mycket åt mellan proverna tyder detta på att ju fuktigare råvara vi har desto mer fungerar pressen som en tork då en hel del av energin går åt till att förånga vattnet i själva pressen, därav den förhöjda specifika energin. 5
Hur påverkas hållfastheten i pelletsen vid tillverkning av pellets från konditionerad råvara jämfört med referensnivåerna baserade på fukthalter direkt efter torksteget? 98 96 94 Hållfasthet [%] 92 90 88 86 84 82 0 50 100 150 200 250 300 350 Uppehållstid [%] Figur 3. Hållfasthet på pellets mot uppehållstid i mixern. Fukthalt in 11% Fukthalt in13% Fukthalt in 15% 0-prov fukthalt in 11% 0-prov fukthalt in 13% 0-prov fukthalt in 15% Figur 3 visar på att hållfastheten ökar med ökad fukthalt i intervallet 10-15% fukthalt på sågspånet, oberoende av uppehållstiden i mixern. Ju mer fukt desto bättre bindningsegenskaper i intervallet 6,3 till 9,1 % fukthalt på pelletsen. Dock är det ju så att fukthalterna på den färdiga kylda pelletsen inte skiljer så mycket åt mellan proverna och vissa tror tvärtemot att mer fritt vatten mellan sågspånet bidrar till sämre bindningsegenskaper då vattenpartiklarna ligger emellan sågspånspartiklarna. Å andra sidan så betyder en högre fukthalt att ligningets plasticeringstemperatur sjunker och det borde bygga för en högre hållfasthet. Vår slutsats är att fuktigare sågspån bildar en hårdare mantelyta på pelletsen vilket håller ihop pelletsen och ökar dess hållfasthet. Blir provet för blött däremot så mättas troligen ytan med vatten vilket skulle kunna bidra till att bindande ämnen som lignin och exktraktivämnen inte når ut till ytan och därmed försämras också hållfastheten, därför sjunkande hållfasthet vid högre uppehållstider i mixern. Att hållfastheten sjunker med uppehållstiden för pellets producerade av sågspån med fukthalten 11 % beror på att sågspånet är för torrt från början då ligninet inte plasticeras pga för låg temperatur vid denna fukthalt. 6
700 680 Bulkvikt [kg/m3] 660 640 620 600 580 Fukthalt in 11 [%] Fukthalt in 13% Fukthalt in 15% 0-prov fukthalt in 11% 0-prov fukthalt in 13% 0-prov fukthalt in 15% 560 0 50 100 150 200 250 300 350 Uppehållstid [s] Figur 4. Bulkvikt på pellets mot uppehållstid i mixern. Tabell 2 visar på vilka fukthalter som sågspån och pellets hade vid olika steg i pelleteringsprocessen. Vid ökad uppehållstid i mixern fås en liten ökning i sågspånet efter mixern samt efter pelletering. Tabell 2: fukthalter för sågspån och pellets under produktion. Test Uppehållstid [s] Fukthalt in [%] Fukthalt efter mixer [%] Fukthalt pellets [%] 0- prov 11% 26 10,9-6,3 1 11% 26 10,9 13,1 7,0 2 11% 66 10,9 13,4 7,0 3 11% 103 10,9 14,3 7,2 4 11% 151 10,9 15,4 7,3 5 11% 300 10,9 14,1 6,8 0- prov 13% 26 13,0-6,3 1 13% 26 13,0 16,5 9,0 2 13% 66 13,0 16,4 9,1 3 13% 103 13,0 16,5 7,6 4 13% 151 13,0 17,2 9,0 5 13% 300 13,0 17,0 7,9 0- prov 15% 26 15,2-7,0 1 15% 26 15,2 19,3 8,0 2 15% 66 15,2 19,0 7,5 3 15% 103 15,2 18,8 7,7 4 15% 151 15,2 19,4 7,5 5 15% 300 15,2 19,8 7,5 7
Slutsats Mängden fukt i pellets, i intervallet 6-9 %, samt uppehållstiden i mixern vid befuktning har betydelse för pelletsens hållfasthet. Fortsatt arbete Att fortsätta undersöka när mantelytan på pelletsen är hydrofil respektive hydrofob för att utröna vilka bindningsämnen som är aktiva beroende på hur fuktig ytan är. Att studera vad som händer i brottsytorna i själva pelletsen i förhållande till olika fukthalter behövs också fler studier på. Tackord Stefan Olsson på Stora Enso Grums för råmaterialet. Lars Pettersson för pelleteringshjälp. Hanna Widalm för hjälp med kvalitetstesterna. ÅF för forskningsmedlen till detta projekt. Referenser Arshadi M., Gref R., Geladi P., Dahlqvist S- A., Lestander T. The influence of raw material characteristics on the industrial pelletizing process and pellet quality. Fuel Processing Technology, 2008;89:1442-1447. Nielsen NPK., Gardner DJ., Felby C. Effect of extractives and storage on the pelletizing process of sawdust. Fuel, 2010;89:94-98. Samuelsson R., Thyrel M., Sjöström M., Lestander T. Effect of biomaterial characteristics on pelletizing properties and biofuel quality. Fuel Processing Technology, 2009;90:1129-1134. SIS, S.S.I. SS- EN 14961-1, Solid Biofuels Fuel Specifications and Classes Part 1: General Requirements; SIS Förlag AB: Stockholm, Sweden, 2010. SIS, S.S.I. SS- EN 15210, Solid Biofuels Determination of Mechanical Durability of Pellets and Briquettes Part 1: Pellets; SIS Förlag AB: Stockholm, Sweden, 2010. S.S.I. SIS, SS- EN 14774-1 Solid biofuels Determination of moisture content Oven dry method Part 1: Total moisture Reference method, in, SIS Förlag AB, 118 80 Stockholm, Sweden, Stockholm, Sweden, 2009. Ståhl, M., Berghel, J. Energy efficient pilot- scale production of wood fuel pellets made from a raw material mix including sawdust and rapeseed cake. Biomass & Bioenergy, 2011;35:4849-4854. Ståhl, M., Berghel, J. Effects on Pellet Properties and Energy Use When Starch Is Added in the Wodd- Fuel Pelletizing Process. Energy & Fuels, 2012;26:1937-1945. 8