Projekt SWX-Energi Rapport nr 22 Tillsatser som kvalitetshöjare för pellets Jonas Berghel, Stefan Frodeson, Karin Granström, Roger Renström och Magnus Ståhl
FÖRORD Rapporten Tillsatser som kvalitetshöjare för pellets är framtagen av Jonas Berghel, Stefan Frodeson, Karin Granström, Roger Renström och Magnus Ståhl inom delprojekt pellets Syftet med studien är att undersöka hur olika tillsatser påverka pelletskedjan. Rapporten redovisar hur ett tiotal olika tillsatsämnen påverkar pelletering av sågspån. Olika kvalitetsaspekter på den färdiga pelletsen har utvärderas samt hur energianvändningen påverkats vid pelleterningen. Ett varm tack riktas till medverkande företag. Lars Persson Jonas Berghel Projektchef, SWX-Energi Projektledare, delprojekt Pellets 0653-77211, 070-2117896 054-7001247 lars.persson@gde-kontor.se jonas.berghel@kau.se 2
SAMMANFATTNING Ett delprojekt inom projekt SWX-Energi är Pellets: Från råvara till färdig pellets, ett produktutvecklingsprojekt. I delprojekt Pellets ingår att testa olika tillsatsämnen vid tillverkning av pellets. Alla provkörningarna har genomförts på testanläggningen vid Karlstads universitet. Anläggningen är unik i sitt slag, där kan man hantera processkedjan från fuktig råvara till färdigt bränsle i små kvantiteter. I detta arbete undersöker vi hur olika tillsatser och nya råvaror påverkar kvalitet och energianvändning i pelletspressen vid tillverkning av träpellets i en mindre industriell pelletspress. De kvalitetsaspekter som tas upp är de som ingår i fastställda standarder. De studerade kvalitetsparametrarna är: mekanisk hållfasthet, pelletsfukthalt, andel finpartiklar, densitet, längd och oxidation vid lagring. De studerade energiparametrarna är: totalenergi- och ström(elektricitet)användning vid pelletstillverkning. Sex olika tillsatser och en ny råvara har testats. Tillsatserna är: lignin torrt/fuktigt, rapsfrökaka, stärkelse, fuktigt rått spån och granfiber. Utöver tillsatserna har råvaran etanollignin testas som ensam råvara för 100 % ligninpellets. Resultatet visar att en minskning av energianvändningen i pelleteringssteget kan vara möjlig genom att använda rapsfrökaka eller stärkelse från vete eller potatis som tillsats. För rapsfrökaka finns en nackdel, den mekaniska hållbarheten minskade med ökande mängder av tillsatt rapsfrökaka. Troligtvis skulle detta kunna avhjälpas med att samtidigt blanda i sulfatlignin, vilket resultaten visar har en stärkande effekt på den mekaniska hållfastheten på pelletsen. 3
INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 Inledning... 6 1.1 Bakgrund... 5 2 Utrustning och metodik vid testkörningar... 8 2.1 Testanläggning... 8 2.2 Experiment och mätningar... 10 3 Tillsats lignin i lösning... 11 3.1 Metod... 11 3.2 Resultat och diskussion... 13 4 Tillsats lignin som pulver... 16 4.1 Metod... 16 4.2 Resultat och diskussion... 17 5 Pelletring av lignin från etanolproduktion... 19 5.1 Metod... 20 5.2 Resultat och Diskussion... 20 6 Tillsats raps... 22 6.1 Metod... 22 6.2 Resultat och diskussion... 23 7 Tillsats fuktigt spån... 25 7.1 Metod... 25 7.2 Resultat och diskussion... 25 8 Tillsats stärkelse... 28 8.1 Metod... 28 8.2 Resultat och diskussion... 29 9 Tillsats granfiber... 31 9.1 Metod... 31 9.2 Resultat och diskussion... 32 10 Analys... 34 11 Referenser... 37 4
1 INLEDNING I delprojekt Pellets ingår att testa olika tillsatsämnen vid tillverkning av pellets. Med framtidsscenariot mot ett långsiktigt hållbart energisystem är det bra att vi i Sverige och särskilt inom våra tre län (Värmland, Dalarna och Gävleborg) har goda möjligheter att producera förnybar energi med hög kvalitet. Rapporten innehåller många olika tester och resultat och därför är en läsanvisning nödvändig. Inledningsvis finns en kort introduktion som avslutas med syftet med projektet samt vilka studier som gjorts i projektet Pellets. Alla tester/studier som resultaten i den här rapporten baseras på är gjorda i vår forskningsanläggning vid Karlstads universitet. I det första Metodkapitlet finns en utförlig beskrivning hur testanläggningen ser ut. Även metodiken för de generella tester som gjorts beskrivs i metodkapitlet. För att underlätta för läsaren har varje testserie/råvara fått ett eget kapitel, vilket innebär att samtliga råvaror har en egen metod, resultat och diskussionsdel. Avslutningsvis sammanfattar vi våra erfarenheter från projektet i ett analyskapitel i slutet av rapporten. Trevlig läsning önskar forskargruppen Från fuktig råvara till färdigt bränsle vid Karlstads universitet. 1.1 Bakgrund Forskning och utveckling inom pellets är idag ett snabbt växande område. I Europa är det främst i de nordiska länderna som forsknings- och utvecklingsprojekt kan hittas, men det finns även projekt i Mellaneuropa (Tyskland, Österrike, Italien). Samtidigt sker en stark ökning av tillverkningen av träpellets såväl i Sverige som i flera länder i Europa och det finns stor efterfrågan på kunskap om processen. Under år 2010 var den totala pelletsförbrukningen i Sverige 2,28 miljoner ton, vilket motsvarar ett energivärde på 10,7 TWh. Pellets används både i storskaliga och småskaliga tillämpningar. Användningen av pellets för ändamålet hushållsuppvärmning ökade med cirka 50 % mellan år 2005 och år 2009. Många av hushållen som tidigt konverterade från olja till pellets var pionjärer, som ville använda miljövänliga bränslen. För pionjäranvändare av ny teknik är det inte så viktigt med design, service och funktion, de är entusiaster. De tidiga pelletsanvändarna ville få igång miljövänliga uppvärmningssystem. Genom eget arbete fick de systemen att fungera och att de var mycket toleranta mot driftsstörningar. Efter år 2009 har en tydlig avmattning skett av antal hushåll som bytt till uppvärmning med pellets. För att få fler hushåll att konvertera måste branschen vända sig till en ny kundkategori. Denna kundkategori ställer ytterligare krav på hela kedjan, inte minst bekvämlighetsaspekter. För denna kundkategori ska det vara nära nog lika bekvämt med pellets som att elda olja eller värma med el. De nya användarna vill sänka sina kostnader för energi, det vill säga, förbättra sin uppvärmningsekonomi genom att konvertera sina värmesystem. 5
De kräver underhållsfria värmeanläggningar. Brister i pelletskedjan från fuktig råvara till värme kan i detta kundsegment vara kritiskt liksom om det i media framkommer att någon länk i kedjan ger en oväntad miljöbelastning. Eftersom pelletsvärme idag konkurrerar med fjärrvärme och värmepumpar är det viktigt att problem i samband med användningen av pellets reduceras till ett minimum. Därför måste pellets till de nya hushållsanvändarna ha hög kvalitet för att undvika problem vid användning. I en probleminventering från år 2009 drogs slutsatsen att höga halter av finpartiklar, smulad pellets eller felaktiga utrustningsuppställningar orsakar de flesta problemen hos pelletsanvändarna [1]. Kvalitet, eller tillräckligt hög kvalitet, måste definieras eftersom det är ett brett begrepp med flera möjliga betydelser. Kvalitet kan definieras antingen som uppfyllande av krav enligt en standard, till exempel SS-EN 14961-1, eller det kan bestämmas av hushållen, det vill säga användaren av pellets. Det sistnämnda är viktigt, eftersom hushållens användare är kvalitetsmedvetna. Med nya användare kommer således nya krav på pelletsen. Efterfrågan på högre pelletskvalitet ställer krav på att pelletsproducenter ständigt förbättrar sin produktion. Användning av tillsatser kan vara ett sätt att öka pelletskvalitet. En tillsats som använts som bindningsmedel i pellets är stärkelse. Ordenberger och Thek fann i sin studie år 2003, att 7 av 23 pelletstillverkare (främst i Österrike) använde stärkelse för att öka bindningsegenskaperna i pelletsen [2]. Ett annat alternativt tillsatsmedel är lignin som naturligt bidrar till träets mekaniska styrka. Fördelen med lignin är att det är en restprodukt från etanolproduktion och pappers- och massaindustrin. Öhman et al. visade via laborationsförsök att kvaliteten på pellets kan förbättras med hjälp av en restprodukt, lignocellulosa, från etanolproduktion. Öhman et. al. visade i sina resultat förbättringar som rör egenskaper som högre värmevärden, lägre innehåll av aska, lägre slaggningstendenser och lägre utsläpp av fina partiklar vid förbränning jämfört med trä [3]. För en pelletsproducent är det inte bara kvaliteten på produkten som är viktig utan även att minimera energiförbrukningen i samband med pelletstillverkning. I dag används huvudsakligen fuktig råvara vilket innebär att råvaran måste torkas innan den kan pelleteras. Ser man till den totala energiförbrukningen så dominerar torkningen energianvändningen i pelletsfabriken följt av energianvändningen för pelletering. De pelletsfabriker som ligger integrerade med andra bruk kan ha tillgång till överskottsvärme eller rökgaser från aktuell process som kan används i torkarna. För andra pelletsfabriker är det elektricitet som är energikällan till torkarna, för samtliga pelletspressar är det elektricitet som används som energikälla. Mycket talar för att man ska försöka producera pellets som har en högre fukthalt än dagens. En pellet med högre fukthalt skulle sannolikt generera mindre dammbildning i hela kedjan från fabrik till slutanvändare. Den pellets man producerar idag återfuktas ofta före pelleteringssteget (konditionering) och även i lagret. Om torken är pelletsfabrikens trånga sektor innebär dessa återfuktningar både minskad produktion och ökade kostnader. Detta innebär även att den energi man lagt ner på torkningen är bortkastad. Produktion av pellets med högre fukthalt skulle ge arbetsmiljömässiga fördelar, lägre produktionskostnader och högre produktion i en befintlig anläggning 6
Dessutom skulle kondensatet från mindre långt gången torkning av sågspån vara lättare att rena [4]. De positiva effekterna, hållfastare pellets och mindre slitage vid pelleteringssteget av denna övertorkning med efterföljande återfuktning är väl kända i branschen. Det är även fullt klarlagt att träets struktur förändras i samband med torkning. Det är dock inte klarlagt om det är denna strukturförändring som medför att övertorkning och återfuktning är gynnsam för pelletsprocessen eller om det är brister i torkarnas styrsystem som är orsaken. Problemen med värmealstring och sönderfall i lagren kan kanske minska om pelletsen är lite fuktigare efter pelleteringssteget. Man kan ur flera synpunkter få en bättre pellets till ett lägre pris om man kan producera en fuktigare pellets med bibehållna transportegenskaper. Som sagt tidigare så kan användandet av tillsatser öka pelletskvaliteten, tillsatser kan även påverka strömförbrukningen på pelletspressen. Nielsen visade att specifika energibehovet för pelletering (kwh/h) kan variera mellan råvaror, vilket leder till skillnader i pelletsfabrikens kapacitet. Resultaten från Nielsens studie där två olika råvaror pelleterades visade på en skillnad på 70 kwh/h och runt 2 ton/h i kapacitet mellan de två materialen [5]. Det är således viktigt att inte bara kontrollera hur nya material/tillsatser påverkar pelletskvaliteten utan även energi- och produktionskapaciteten i pelletspressen. Genom tillsatser kan man troligtvis åstadkomma en störningsfri och effektiv drift hos pressarna vid varierande egenskaper hos råvaran. Då energiåtgång och slitage är stora kostnader vid pelletering av skogsråvaror är det av viktigt att undersöka om det finns tillsatser som minskar energiåtgången, ökar kvaliteten på pelletsen och minskar slitaget på pressarna. Det kan finnas tillsatser som, förutom att de förbättrar pelleteringsegenskaperna, också förbättrar lagringsstabilitet och/eller förbättrar förbrännings- och askningsegenskaper hos pelletsen. Sågspån som används i samband med pelletering lagras ofta i stora högar utomhus. Det är vanligast är att lagra sågspån i flera månader. Detta sker eftersom tillgången på sågspån varierar över året, medan pellets tillverkas kontinuerligt. Pellets lagras beroende på säsongsmässiga variationer i efterfrågan, antingen i silos, planlager eller förpackade i stora säckar. Vid lagring av sågspån och pellets förekommer oxidationsprocesser som kan påverka pelletskvaliteten och orsaka kostsamma och farliga bränder [6, 7]. Oxidation kan också ge illaluktande föreningar som ogillas av arbetare på pelletsfabriken och av pelletsanvändare [7]. Minskad oxidation förbättrar lagringshållbarhet, vilket skulle gynna såväl producenter som användare. Det är därför nödvändigt att undersöka hur tillsatser påverkar lagringshållbarheten i den producerade pelletsen. En studie hur tillsatsen påverkar lagringsbarheten har gjorts vid Karlstads universitet inom SWX-Energi-projektet och resultatet går att läsa i rapporten [4]. I detta arbete undersöker vi hur olika tillsatser och nya råvaror påverkar kvalitet och energianvändning i pelletspressen vid tillverkning av träpellets i en mindre industriell pelletspress. Kvalitet definieras som uppfyllandet av standardparametrar och de är: mekanisk hållfasthet, pelletsfukthalt, andel finpartiklar, densitet, längd och oxidation vid lagring. De studerade energiparametrarna är: energi- och strömanvändning vid pelletstillverkning. 7
2 UTRUSTNING OCH METODIK VID TESTKÖRNINGAR Alla provkörningarna har genomförts på testanläggningen vid Karlstads universitet. Anläggningen är unik i sitt slag då vi hanterar hela processkedjan från fuktig råvara till färdigt bränsle. 2.1 Testanläggning Torkanläggningen i pilotskala har en överhettareffekt av 20 kw och kan torka cirka 1 kg spån per minut från en fukthalt på ca 50 % ner till 10 %. Pilottorken är en spouted bed tork vilket innebär att merparten av torkningen sker när varje spånpartikel svävar fritt inne i torktornet. Torksystemet består en fläkt, cyklon, överhettare samt system för att hantera materialet före och efter torkning. Vått spån matas kontinuerligt in i torken där det möter en uppåtgående ström av torkgas. Spånet torkar i torktornet där det vartefter torkningen fortgår minskar i vikt. Torkgasens hastighet är så avpassad att när den enskilda spånpartikeln torkat klart transporteras den pneumatiskt ut ur torktornet till cyklonen. Där avskiljs spånet och matas ut från torken via en cellmatare. Figur 1. Torksystemet med mätsystemet indikerat. Mätsystemet har två temperaturgivare ST 1-2 och flödesgivare SP1. Torktornet har en diameter av 0.3 m och är 1.9 m högt. Reglersystemet består av tre PID-regulatorer som är justerade för att hålla torkgasflöde, temperatur efter överhettare och temperatur efter cyklon på förutbestämda värden. Energi tillförs torksystemet i överhettaren, i fläkten och genom den lagrade värmen i spånet. Energin lämnar torksystemet genom övertrycksventilen, förluster (konvektion och strålning) samt genom den lagrade värme som finns i spånet som matas ut. Förändringar i kemisk energi försummas. Spånet som använts i testerna när vi använt torken kom från ett sågverk strax utanför Karlstad som använder ramsågar. Pelletsen producerades i en produktionsenhet som ligger vid Avdelningen för energi, miljö- och byggteknik vid Karlstads universitet, (se figur 2 och 4). Den består av: (1) en blandare, (2) en transportskruv, (3) en skruvmatare där befuktning och dosering sker vid behov, (4) en Amandus Kahl C33-390 pelletspress med en planmatris med 8
en maximal kapacitet av 300 kg/h, och (5) en volymetrisk doserar för tillsatser. Efter pelletspressen finns möjlighet till kylning av den producerade pelletsen. 5 3 2 1 4 Figur 2. Pelletsanläggning vid Karlstads Universitet. Tillsatsen blandas in i sågspånet i matarskruven (3). Det kan matas in manuellt eller via en volymetrisk doserare (5) som blandar in tillsatsen cirka 2 dm innan materialet faller ner i pelletspressen (4). Den volymetriska doseraren består av en behållare, en växellåda och en agitator som roterar ovanför skruven för att hålla en konstant flöde. Doserarens genomströmning beror på skruvhastigheten och på typ av tillsats. Detta innebär att doseraren måste kalibreras. Utgången för tillsatsen fastställdes som en funktion av frekvensen av skruven. Två olika plana matriser har använts i testerna, en med presslängd på 30 och en på 38 mm. Matrisen har nio rader med 52 hål i varje rad, totalt 468 hål, se figur 3. Matrisen har en arbetsbredd på 75 mm, en effektiv kompressionslängd 30 eller 38 mm, en totaltjocklek på 50 mm. Hålen har en diameter på 8 mm, inloppsdiametern är 10,2 mm och konvinkeln är 17. Den öppna andelen av matrisen är 64 % av det totala arbetsområdet. Kniven som skär av pelletsen strax under matrisen är demonterad för att studier av tillsatsernas påverkan på längd ska bli tydligare. Figur 3. Pelletsmatris 38 mm. 9
Figur 4. Pelletspress av märket Kahl med skruvmatare och blandare. Följande mätvärden registrerades som medelvärden var 10:e sekund: presstryck, matristemperatur, inmatningsskruvens frekvens och energiförbrukning. Manuell provtagning gjordes på ingående materials fukthalt, utgående pellets fukthalt och utgående pelletsflöde. Analyser gjordes på medellängd enligt (SS187120) volymvikt (uppmätning av massan pellets i ett 2-liters mätrör) och hållfastighet enligt (SS187180). 2.2 Experiment och mätningar Pelletspressen kördes till stationära förhållanden erhölls. Inför varje nytt test var det en inkörningsperiod på minst 5 minuter med den aktuella tillsatsen för att få säkra, stationära förhållanden. Varje testkörning varade i 5 minuter om inget annat nämns. Under testerna registrerades kollerhjulens presstryck, matrisens temperatur, blandarskruvens frekvens och strömförbrukningen i pelletsmaskinen var tionde sekund. Matristemperaturer mättes med Pt-100, med noggrannheten ± 0,5 och strömförbrukningen mättes med en noggrannhet på ± 1 %. Den producerade pelletsen kyldes ner till rumstemperatur och siktades innan den analyserades. Analysen gjordes genom att testa och jämföra den producerade pelletsen med den svenska standarden. De testade parametrarna var: 1) Vattenhalten (% vb) för sågspån, sulfatlignin och pellets bestäms enligt SS 187170. 2) Den genomsnittliga längden (mm) bestämdes genom mätning av två prover av minst 20 slumpmässigt utvalda pellets. 3) Skrymdensitet (kg m -3 ) bestämdes genom att mäta vikten på en, 1 liters hink fylld med pellets på alla tester utom stärkelsetesterna där en 5 liters burk enligt SS-EN 15103:2010 användes. 4) Den mekaniska hållbarheten bestäms enligt SS 187180. Den presenteras som procent av fina partiklar (<3mm) utom för stärkelsetesterna där testerna följer SS-EN 15210. 10
3 TILLSATS LIGNIN I LÖSNING I syfte att öka kvaliteten på pelletsen testades sulfatlignin från LignoBoost-processen som tillsats. Lignin är en av huvudkomponenterna i ved och som i sitt naturliga tillstånd bidrar till träets mekaniska styrka. Detta sätt att utvinna lignin ur svartlut, har utvecklats av Innventia AB och Chalmers tekniska högskola. I dessa tester har ligninet tillsats i olika blandningar baserat på vatten och glycerin. Det finns två anledningen till att vi testar om man kan tillsätta ligninet som en lösning/slurry: genom att spruta på ligninet vid inloppet till pelletspressen så kan man undvika igensättningar i skruvar och transportörer och om ämnet man löser ligninet i kan bidra till kvalitetsförbättringar. 3.1 Metod Sex testserier utfördes, ett 0-prov samt fem olika ligninlösningar. Råvaran var tallsågspån. Sågspånet var sållat tallsågspån som torkades ner till en fukthalt på 8-17 %. Torkning gjorde i en ångtork med temperaturen på ingående ånga 240 C och utgående ånga 135 C. Sågspånet siktades före torkning på ett såll med håldiametern 5 mm. Pelletsen producerades på en matris med en presslängd på 38 mm. Metodiken att tillföra ligninlösningarna var att droppa alternativt spraya direkt på sågspånet och för att detta skulle vara möjligt var det tvunget att minska viskositeten på lösningen. Olika lösningsmedel och/eller metoder användes och i tabell 1 står vald metod under rubrik lösningsmedel. Test A, Glycerin/lignin blandades ut med vatten 1:1 på viktandel, lösningen skakades för att sedan tillföras vid rumstemperatur ca 20 C. Test B, Sulfonerat lignin värmdes till ca 40 C för att minska viskositeten, detta medförde att man kunde spraya på ligninet. Test C, Ligninpulver blandas med vatten under kraftig omrörning. Lösningen stod under omrörning hela tiden, droppades på med en slangpump vid 20 C. Omrörningen var till för att undvika sedimentering Test D, Sulfonerat lignin, värmdes till ca 70 C för att minska viskositeten, detta gjorda att man kunde spraya på ligninet, ingen omrörning. Test E, Glycerin/lignin, droppades på med slang pump vid rumstemperatur 20 C, ingen omrörning. Tabell 1. Beskrivning av flytande Kraft lignin. Test Tillsats Lösningsmedel Vikt% lignin A Glycerin/Lignin glycerin 29 B Sulfonerat lignin 40 C 22 C Ligninpulver vatten 20 D Sulfonerat lignin 70 C 25 E Glycerin/Lignin glycerin 43 Utseende, egenskaper ph Typ ligninet sedimenterar 5 slurry mörkt, tjockt, 10- trögflytande 12 löst påminner om o boy 7 slurry mycket mörkt svår och trögt mätt löst små korn i jämn lösning, konsistens som chokladfondue 5-6 slurry 11
Tillförseln av ligninblandningen har skett i konditioneraren (skruven fram till pelletspressen) 2-3 dm före pelletspressen, se figur 5. Testerna B och D har sprayats på sågspånet och testerna A, C och E har droppats på med hjälp av en slangpump. För båda metoderna har man inte uppnått en jämn tillförsel av lösningarna och mängden lignin som tillförts har begränsats av kapaciteten i utrustningen. Figur 5. Pelletspress med konditionerare. Figur 6. Doseringsutrustning för testerna B och D. Tabell 2. Matris av tester och kördata för tillsatserna. Test Tillsats [ml/min] Tillsats fukthalt Sågspån flöde Sågspån fukthalt [%] [%] kgts/min 0 0-1,6 17,7 A 100±20-1,4 17,7 B 50±5-1,1 16,0 C 35±20-0,7 8,8 D 25±5-1,8 8,8 E 50±20 - - - 12
3.2 Resultat och diskussion Vid test B och D har lignin sprayats på spånet med en godtagbar fördelning över sågspånet. Det som varit svårt är att hålla ett konstant flöde av lösningen till sågspånet. Variationen i flödet beror på att viskositeten förändras kraftigt med temperaturen vilket gav en tendens till igensättning av munstycket. Genom att droppa på lösningen fås inte en jämn fördelning av ligninlösning på sågspånet. Vid några tester har försöket avbrutits på grund av igensättning av ligninpartiklarna i slangar och kopplingar. Alla sex tester har gjorts under olika förutsättningar, se tabell 3. Målet var att undersöka ligninets effekt på pelletskvaliteten, inte att i detta skede optimera pelletskvalitet. Tabell 3. Medelvärden av registrerade mätdata för pelletspressen. Test Inblandning Presstryck av tillsats Matris temperatur Pellets fukthalt Bar ( C) Bulk densitet (kg/m 3 ) 0-83 91 5,8 657 A 0,92 95 94 5,1 670 B 0,79 59 89 2,8 544 C 0,62 83 118 1,5 621 D 0,89 125 147 0,8 694 E - - - - - Testerna C och D har en lägre fukthalt in än övriga tester. Detta beror på att man inte lyckats producera en acceptabel pellets vid högre fukthalt, se tabell 2. Resultatet avseende bulkdensitet visar att alla utom B klarar svensk standard grupp 1, se tabell 3. 8 7 Andel finpartiklar 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 2 A 1 A 2 B 1 B 2 C D Test Diagram 1. Andel finfraktion i pelletsen för de olika testerna. Dubbla längdmätningar på test 0, A och B har genomförts. 13
När det gäller andelen finpartiklar klarar testerna 0, A och B svensk standard grupp 1, se diagram 1. Alla tester klarar svensk standard grupp 1 när det gäller längd, se diagram 2. 16 14 12 Längd mm 10 8 6 4 2 0 0 1 0 2 A 1 A 2 B 1 B 2 C 1 C 2 D 1 D 2 Test Diagram 2. Pelletslängd för de olika ligninlösningarna. Dubbla längdmätningar av varje test har genomförts. När ligninlösningarna tillsätts sågspånet ökar energianvändningen i pelletspressen, se diagram 3. Anledningar till ökad energianvändning kan vara att en ökad mängd fukt tillförs sågspånet och/eller att ligninet ökar friktionsmotståndet i matrisen. Energianvändning (kj/ kg TS) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 A B C D Test Diagram 3. Energiförbrukning i pelletspressen för olika inblandningar av flytande lignin. Ett antal tester har avbrutits på grund av att temperaturen i matrisen stiger fort när man tillsatt ligninlösningen. En typisk testkörning ser ut enligt diagram 4. Presstrycket är inte helt stabilt utan varierar och matristemperaturen ökar sakta. 14
Vid många testkörningar sker en snabb temperaturstegring i matrisen då ligninlösningen tillsätts. Körningarna har då fått avbrytas och nya inställningar har provats. Det finns ett tiotal testkörningar med tillsatsämnet där vi inte lyckades producera ordinär pellets. En av anledningarna till detta är att ligninet inte fäster vid sågspånet utan lagras upp i pressen. Detta har observerats då försöket har avbrutits och raps/havre/spån har matats in, då kommer ett fint torrt pulver ut ur pressen. En förklaring till upplagringen i pressen kan vara ligninets partikelstorlek (kolloider: 10-3μm < p< 1 μm) som är mycket liten jämför med övrig råvara. Detta medför att det är partikelstorleken som avgör vidhäftningsförmågan och inte vilket ämne det är. Det kan även hända att ligninpartiklarna fäster lättare mot fettlösliga ämnen typ hartser, som finns i på väggarna inne i pressen, än på sågspånet. 130 Presstryck [Bar] Temp matr C 120 110 100 90 80 0 100 200 300 400 500 600 700 Tid [sec] Diagram 4. Matristemperatur och presstryck i pelletspressen vid inblandning av test B. I de testkörningar som genomförts finns resultat som visar att ligninet har möjlighet att förbättra hållfastheten i pelletsen. Det finns ytterligare behov av att undersöka vilken inblandningsgrad som är bra. Alla testerna är körda med en låg inblandningen av lignin (< 1 vikt-%). Högre inblandningsgrad har därmed inte undersökts. Dessutom behövs en del ingenjörsarbete för att konstruera ett lämpligt system för att spraya på ligninlösningen. Vad vore en bra lösning för lignin? Lignin löste sig inte i vatten eller glycerin vid rumstemperatur. Uppvärmt sulfonerat lignin var homogent men mycket trögflytande. Lignin har en del hydroxylgrupper på ytan men större delen av molekylen är opolär med många aromatringar. Lignin är i det närmaste olösligt i vatten, men något mer lösligt vid starkt basiska ph eftersom det innebär att hydroxylgrupperna är jonisera- 15
de. Sulfonerat lignin har dessutom sulfonatgrupper, i varierande mängd beroende på sulfoneringsprocess, som ökar vattenlösligheten. Test E verkade konsistensmässigt lovande men fungerade inte alls ihop med sågspånet. Eftersom det inte verkar fungera att använda polära lösningsmedel som vatten och glycerol, så skulle det kunna vara läge att byta strategi och blanda ut ligninet i något mer opolärt lösningsmedel, kanske efter att ha sänkt ph för att göra ligninet så opolärt som möjligt. Det har visat sig fungera att pelletera med viss inblandning av rapsrest, så ett opolärt lösningsmedel borde inte förhindra pelletering. Kan lignin fås att binda in till trä eller åtminstone blandas med träspån i pelletsen? Det är osäkert vad ytan på sågspånen har för egenskaper. Å ena sidan kan vedytor få så kallade hartsfilmer, vilket innebär att harts- och fettsyror anrikas i ytan på ved. Ytan blir då hydrofob. Detta påskyndas vid värmebehandling [8]. Studier visar att torktemperaturer över 160 C medför en sådan inaktivering av vedytorna [9]. Å andra sidan kan hydrofila, lågmolekylära substanser i veden vid torkning diffundera ut med vattnet till ytan och anrikas där. De kan bidra till vätebindningar, men är inte förankrade i vedmaterialet och utgör därmed svaga bindningslänkar [8]. 4 TILLSATS LIGNIN SOM PULVER Sulfatlignin från LignoBoost processen användes som en tillsats. Detta sätt att utvinna lignin ur svartlut har utvecklats av Innventia AB och Chalmers tekniska högskola. Processen bygger på gradvis sänkning av svartlutens ph och resultatet blir ett material med hög energitäthet och låg askhalt. Andra åtgärder som ingår i denna process är filtrering, tvättning och avvattning. Omkring 50-70 % av ligninet i det behandlade svartluten kan utvinnas på detta sätt. 4.1 Metod Sågspånet som användes var sållat gransågspån och det hämtades från Stora Enso Timber AB vid Gruvön. Sågspånet var malt och färdigttorkat vid lågtemperatur (cirka 60-80 C) på en bandtork till cirka 10 % fukthalt. Spånet konditionerades på KaU genom tillsättning av vatten till vald fukthalt, se tabell 5. Tabell 4. Typiska materialegenskaper för Kraft lignin från LignoBoostprocessen. Egenskap Storhet Värde Övre värmevärde MJ/kg TS, askfritt 25 27 Nedre värmevärde MJ/kg TS, askfritt 24 26 Fukthalt vb% 30 40 % direkt från processen eller torkats ned till under 10 % Bulkdensitet kg/m 3 500 direkt från processen eller 700 torkats ned till under 10 % Askhalt vb% TS 0,2 1,4 Svavel vb% TS, askfritt 2 3 Klor vb% TS, askfritt 0,01 Natrium g/kg aska 100 200 Kalium g/kg aska 10 100 Kalcium g/kg aska 1 100 ph ph 2 4 16
Egenskaperna hos sulfatlignin från LignoBoost processen visas i tabell 4. Tillsatserna som används för detta arbete är både torkat lignin (<10 % fukthalt) och lignin som den tas emot direkt från LignoBoost processen (30-40 % fukthalt). Lignin tillsattes med hjälp av doserare, se figur 2. De materialflöden som användes för tillverkning av pellets med sulfatlignin redovisas i tabell 5. Den matris som användes har en presslängd på 30 mm. Tabell 5. Ingående material vid tillverkning av pellets med Kraft lignin. Test Tillsats Lignin flöde (gts/min) Lignin fukthalt Sågspån flöde kg TS/min Sågspån fukthalt A 0-1,4 12,2 B 15 9,0 1,4 12,2 C 30 9,0 1,4 12,2 D 45 9,0 1,5 12,2 E 0-1,4 12,2 F 60 9,0 1,5 12,2 G 0-1,5 12,7 H 21 32,3 1,5 12,7 I 41 32,3 1,5 12,7 J 60 32,3 1,5 12,7 K 79 32,3 1,5 12,7 L 0-1,5 12,7 4.2 Resultat och diskussion Mätdata från körningar sammanfattas i tabell 6. Resultaten redovisas som medelvärden från loggade data för presstryck och matristemperatur samt pelletsens fukthalt och bulkdensitet. Bulkdensiteten påverkades inte på något uppenbart sätt genom en ökad mängd tillsatt sulfatlignin. Det ska påpekas att det finns en stor osäkerhet i mätningarna av bulkdensitet som kan dölja en möjlig påverkan av ligninet. Tabell 6. Mätdata från test av Kraft lignin som tillsats vid tillverkning av pellets från granspån. Test Tillsats Lignin Presstryck (Bar) Matris temperatur ( C) Pellets fukthalt Bulk densitet (kg/m 3 ) A 0,0 66,3 99 7,4 631 B 1,1 69,5 108 6,7 632 C 2,1 78,0 117 5,7 671 D 3,1 83,4 123 5,1 648 E 0,0 84,9 114 6,7 637 F 4,2 91,3 122 5,7 641 G 0,0 58,7 95 8,3 603 H 1,1 61,4 101 9,0 607 I 2,0 63,5 103 8,6 593 J 2,9 66,0 107 8,3 625 K 3,9 67,6 112 7,9 618 L 0,0 58,7 95 8,5 578 17
Analysen av hållbarhet visade att både torkat och fuktigt lignin ger ökad hållfasthet på pelletsen. Redan vid 1 % tillsats av sulfatlignin minskar andelen finpartiklar. Det fuktiga ligninet verkar stegvis öka hållbarheten, se diagram 5. Andel finpart iklar 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Torkat lignin Fuktigt lignin 0,5 0 0 1 2 3 4 5 Andel Kraft lignin Diagram 5. Hållfasthet för pellets redovisat som andel finfraktion för olika inblandning Kraft lignin. 0-testerna ger samma värde därav 10 punkter istället för 12. Diagram 6 visar hur pelletslängden påverkas av tillsatsen av sulfatlignin. Längden ökade med ökande mängd tillsatt sulfatlignin. Det finns ingen tydlig tendens om huruvida torrt eller fuktigt lignin är mest effektivt på att producera långa pellets 20 15 Längd (mm) 10 5 0 Torkat lignin Fuktigt lignin 0 1 2 3 4 5 Andel Kraft lignin Diagram 6. Pelletslängd för olika inblandning av Kraft lignin. 0-testerna för fuktigt lignin ger samma värde därav bara 11 punkter. 18
Energianvändningen i pelletspressen påverkades inte genom tillförsel av Kraft lignin, se diagram 7. Energianvändning (kj/ kg TS) 680 660 640 620 600 580 560 540 520 Torkat lignin Fuktigt lignin 0 1 2 3 4 5 Andel Kraft lignin Diagram 7. Energianvändning per kg torrsubstans pellets för olika inblandning av Kraft lignin. Testerna visade att en ökad mängd av sulfatlignin i pellets tycks öka deras mekaniska hållbarhet och längd, vilket tyder på att även som tillsats stärker ligninet bindningsmekanismer i trä på samma sätt som i sitt naturliga tillstånd. Resultaten visar också att fuktigt lignin ger pellets med högre hållbarhet än torkat lignin. Kan det vara en allmän effekt av extra vatten som man får vid konditionering? Resultatet i denna studie visar att pellets som utan tillsats inte skulle klara de krav som finns i enligt standard med 2 % tillsats av torkat sulfatlignin klarar den nya europeiska standarden och med 4 % tillsats av torkat sulfatlignin klarar både svensk och europeisk standard. Även om testmetoder i standarderna skiljer sig åt, visar resultatet att tillsättning av sulfatlignin ökar den mekaniska hållbarheten hos pellets och minskar mängden av finpartiklar. 5 PELLETERING AV LIGNIN FRÅN ETANOLPRODUKTION Vid framställning av etanol av cellulosa blir restprodukten lignin, ett möjligt tillsatsämne vid till pelletsproduktion. I kapitlen Tillsats lignin som lösning och Tillsats lignin som pulver visar resultaten att små inblandningar av lignin stärker hållfastheten och skapar längre pellets. Men är det möjligt att göra pellets med höga halter av lignin, kanske rent av 100 % lignin? Vilka problem skapar det? Enligt Bradfield och Levi (8) som gjort en studie i laboratorieskala så finns ett tröskelvärde på inblandning av lignin, över detta värde blir pelletsens hållfasthet sämre. 19
Om ligninet går att pelletera utan inblandning av sågspån alternativt i höga inblandningar skulle pelletsen vara ett alternativ till koleldning, eftersom lignin har ett energiinnehåll motsvarande ca 25 kj/kg, vilket kan jämföras med rent trä som har 18 kj/kg. Syftet med testerna var att utreda om biprodukten lignin från etanolproduktion kan vara ett alternativ till sågspån vid pelletsproduktion. Målet var att undersöka om etanollignin går att pelletera i en industripelletspress. 5.1 Metod Vid studien gjordes 6 olika tester med lignin från etanolframställning neutraliserat med Mg(OH) 2 respektive NaOH. Ligninet testades både rent vid olika fukthalter och inblandat med andra råvaror. Materialtillgången var anpassad för två provkörningar och för de övriga testerna blev råvaran begränsade, vilket föranledde att inkörningsperioderna blev kortade och testkörningarna varierade mellan 3 och 10 minuter. Testerna A, B och C kördes med 100 % lignin i pulverform. Under körning C tillsattes ytterligare vatten. På grund av att materialmängden lignin var begränsad återanvändes materialet och testades fler gånger, vilket innebar att vid test D, E och F tillfördes ligninet i pelletsform. Efter test av kvalité och hållfasthet på pelletsen från test A-C torkades materialet ner till fukthalter motsvarande de som återfinns i normal träpellets och ytterligare testkörningar gjordes, D och E. Test D var 100 % lignin medan test E mixades med 50 % granspån. Test D och E fick avbrytas och materialet uppfuktades innan test F kördes. Ligninet tillfördes direkt i skruvmataren, nr 3 i figur 2. Tabell 7. Matris över tester och ingående fukthalt Test Prov Ingående fukthalt A 100 % lignin neutraliserat med Mg(OH) 2 21,6 B 100 % lignin neutraliserat med NaOH 23,7 C 100 % lignin neutraliserat med NaOH med extra vatten tillsatt under pelleteringen 23,7 D 100 % lignin neutraliserat med Mg(OH) 2 8,0 E F 50 % lignin neutraliserat med NaOH mixat med 50 % granspån En blandning av 50 % lignin neutraliserat Mg(OH) 2 och 50 % lignin neutraliserat med NaOH 11,9 19,8 5.2 Resultat och Diskussion Alla testkörningarna har gjorts under olika förutsättningar och problematiken att materialet var begränsat och fick återanvändas medförde att testkörningarna skiljer sig från varandra, se tabell 8. Vid testerna A, B och C som gjordes i serie efter varandra gick pelletspressen bra och producerade pellets. 20
Fukthalten på pelletsen som producerades var hög och innan pelletsen tumlas så sållas den och via sållning (sållets håldiameter, 5 mm) reducerades drygt 30 % av materialet bort. Andelen småpartiklar som sållas bort vid sållningen finns inte som krav i standarden och i vanlig industriell verksamhet så återförs denna del åter till pelletspressarna och blandas in med nytt material. Resultatet av hållfasthettesterna visade på en för stor andel finpartiklar jämfört med standard samt att den höga fukthalten på pelletsen föranledde mögelpåväxt på pelletsen efter några dagar. Tabell 8. Medelvärden av registrerade mätvärden för pelletspressen samt resultat från kvalitetstesterna. Körning Matris temperatur C Pellets fukthalt Bulkdensitet (kg/m 3 ) Längd (mm) Andel finpartiklar Energianvändning (kj/kg TS) A 107 17,4 565 6,5 18,1 738 B 106 21,2 580 5,1 16,8 699 C 103 24,6 581 4,5 16,0 673 D 93 E 99 F 97 16,7 558 4,2 19,3 372 Inför körningarna D och E torkades materialet ner till nivåer motsvarande vad normal träspån ligger på vid traditionell pelletsproduktion. När materialet nådde matrisen fick körningarna avbrytas ganska omgående, presstryck och strömförbrukning ökade markant. Diagram 8 visar på strömförbrukningen som funktion av tid från samtliga tester och testerna D och E uppnår ca 80A innan pressen stoppades. Resultatet i test D och E visar på vikten att ha koll på fukthalten och temperatur vid pelletering av rent lignin. Diagram 8. Strömlastens variation under testkörningarna där det framgår hur strömlaster ökar markant när torrt lignin under testerna D och E når matrisen. 21
Inför test F fuktades materialet upp och bristen på material medförde att man blandade ihop återstående av de etanollignin till en sats som mixades med 50 % av vardera lignin neutraliserat med Na(OH) och 50 % lignin neutraliserat med Mg(OH) 2. Pelletspressen gick under testkörning F lika bra som under testkörningarna A-C och producerade bättre pellets än tidigare med en utgående fukthalt under 17 %. Även om testerna visar att pelletsen har låg hållfasthet jämfört med standard så visar resultatet på att det går att pelletera 100 % lignin i en mindre industriell pelletspress. Vilket innebär att en restprodukt från massa- och etanolindustrin skulle kunna vara ett alternativ att ersätta fossila bränslen i stora pannanläggningar. Mer studier behövs för att utreda optimala förutsättningar för pressen. 6 TILLSATS RAPS För att minska energianvändningen i pelletspressen kan raps fungera som smörjmedel i matrisen. Tillsatsen raps är en rapsfrökaka (i form av pulver) från Ecoil Company, med en vattenhalt på 7,4 %. Rapsfrökakan kom från produktion av Ecoil som är en kemiskt oförändrad olja som raffineras ur kallpressad rapsolja. Analys gjordes för att bestämma mängden rapsolja som finns kvar i rapskakan. En provmängd på 10 g av rapsfrökakan extraherades med 50 ml aceton i en Soxhlet extraktion i 6 timmar. Resultatet visade att andelen rapsolja i rapsfrökakan var 18 % (vb). 6.1 Metod Testserien bestod av 9 stycken tester där inblandningen av raps varierades från cirka 5 % till 30 %, se tabell 9. Testkörningarna 1-4 är körda i en matris med presslängden 30 mm och 5-9 med presslängden 38 mm. Sågspånet som användes var sållat gransågspån och det hämtades från Stora Enso Timber AB vid Gruvön. Sågspånet var malt och färdigttorkat vid lågtemperatur (ca 60-80 C) på en bandtork till ca 10 % fukthalt. Spånet konditionerades på KaU genom tillsättning av vatten till vald fukthalt, se tabell 9. Tabell 9. Ingående material vid tillverkning av pellets med inblandning av rapsfrökaka. Test Tillsats rapsfrökaka (gts/min) Tillsats fukthalt Pelletsflöde (kgts/min) Sågspån fukthalt A 225,6 7,4 1,51 14,1 B 106,8 7,4 1,51 14,1 C 343,7 7,4 1,68 14,1 D 48,6 7,4 1,39 14,1 E 225,6 7,4 1,58 14,1 F 106,1 7,4 1,41 14,1 G 343,7 7,4 1,68 14,1 H 49,0 7,4 1,34 14,1 I 225,6 7,4 1,57 14,1 22
6.2 Resultat och diskussion Mätdata från körningar sammanfattas i tabell 10. Resultaten redovisas som medelvärden från loggade data för presstryck och matristemperatur samt pelletsens fukthalt och bulkdensitet. Resultatet av kvalitets testerna visar att bulkdensiteten minskar med ökad mängd rapsfrökaka, men ökar med ökad presslängd. Tabell 10. Mätdata från test av rapsfrökaka som tillsats vid tillverkning av pellets från granspån. Test Presstryck Bulkdensitet Inblandning rapsfrökaka Matris temperatur ( C) Pellets fukthalt Bar (kg/m 3 ) A 19,3 65,8 92,1 8,7 615 B 8,3 78,3 96,0 7,7 608 C 28,3 76,9 98,1 8,6 608 D 3,9 84,4 98,8 6,6 637 E 18,2 56,6 99,3 8,9 661 F 8,8 72,7 102,8 6,9 673 G 28,5 75,6 104,0 9,5 648 H 4,1 93,5 111,7 3,5 671 I 18,4 77,1 105,4 7,0 649 Kvalitetstesterna visar vidare att andelen finpartiklar minskar med en ökad mängd rapsfrökaka i pelletsen. Resultaten är dock inte entydigt, se diagram 9. Kan det vara så att rapsfrökakan påverkar andra bindningsmekanismer som finns i sågspånet? De extraktivämnen som finns i rapsfrökakan verkar inte fungera som ett bindemedel. 5 Andel finpartiklar 4 3 2 1 Matris 30mm Matris 38mm 0 0 5 10 15 20 25 30 Andel Raps Diagram 9. Hållfasthet för pellets redovisat som andel finfraktion för olika inblandning av raps. 23
12 11 Matris 30mm Matris 38mm Längd (mm) 10 9 8 7 6 0 5 10 15 20 25 30 Andel raps Diagram 10. Pelletslängd för olika inblandning av rapsfrökaka. När inblandningen rapsfrökaka i sågspån ökar, minskar energiförbrukningen i pelletspressen oavsett om presslängden i matrisen är 30 eller 38 mm, speciellt när man har längre matris, se diagram 11. Branschen eftersträvar energieffektiva lösningar för sin produktion, eftersom dessa inte bara sparar energi utan också pengar. Vi fann att energianvändningen i pelletspressen minskade med en ökande mängd rapsfrökaka. Det är troligen oljan i rapsfrökakan som gör att det blir mindre friktion mellan matrisen och materialet, vilket också borde minska slitaget på matrisen. Den mängd energi som sparas genom att använda rapsfrökakan kan vara betydande för en storskalig producent av pellets. 850 Energianvändning (kj/ kg TS) 800 750 700 650 600 550 500 Matris 30mm Matris 38mm 450 0 5 10 15 20 25 30 Andel raps Diagram 11. Energianvändning per kg torrsubstans pellets för olika inblandning rapsfrökaka. 24
7 TILLSATS FUKTIGT SPÅN Mycket talar för att man ska försöka producera pellets som har en högre fukthalt än dagens. En pellet med högre fukthalt skulle sannolikt generera mindre damm i hela kedjan från fabrik till slutanvändare. Genom att blanda torkat sågspån med fuktigt sågspån studeras hur fukthalten påverkar pelleteringen samt hur blandning torkat och rått sågspån påverkar kvaliteten. 7.1 Metod Sållat gransågspån hämtades fuktigt och torkades vid avdelningens torkanläggning, se figur 1. Sågspånet siktades före torkning på ett såll med håldiametern 5 mm. Torkning gjordes i en ångtork med temperaturen på ingående ånga 240 C och på utgående ånga 135 C. Tillsatsen fuktigt spån var rått granspån med en fukthalt på 49,8 % sållat på ett 5 mm såll. Det råa spånet tillsattes i doseraren, se figur 2. Genom att stegvis öka andelen inblandat rått spån kommer ingående fukthalt att öka. Testserien bestod av 2 nollprov där ingen inblandning skedde av fuktigt spån och 10 olika inblandningar av fuktigt spån, se tabell 11. Tabell 11. Ingående material vid tillverkning av pellets med inblandning av fuktigt spån. Test Tillsats rått sågspån gts/min Tillsats fukthalt % Pelletsflöde kgts/min Sågspån fukthalt % A 0,0-1,17 12,2 B 13,8 49,8 1,19 12,2 C 30,3 49,8 1,23 12,2 D 49,5 49,8 1,24 12,2 E 68,8 49,8 1,26 12,2 F 88,1 49,8 1,29 12,2 G 107,3 49,8 1,31 12,2 H 107,3 49,8 1,33 12,2 I 101,8 49,8 1,35 12,2 J 121,1 49,8 1,35 12,2 K 137,6 49,8 1,35 12,2 L 0,0-1,25 12,2 7.2 Resultat och diskussion Mätdata från körningar sammanfattas i tabell 12. Resultaten redovisas som medelvärden från loggade data för presstryck och matristemperatur samt pelletsens fukthalt och bulkdensitet. I tabell 12 visas också att bulkdensiteten inte påverkas av hur stor andel fuktigt spån som blandas in. 25
Tabell 12. Mätdata från test av fuktigt granspån som tillsats vid tillverkning av pellets från granspån. Test Presstryck Tillsats rått sågspån Blandningens fukthalt in Matristemperatur ( C) Pellets fukthalt Bulkdensitet (kg/m 3 ) (Bar) A 0,0 12,2 65,2 101,9 6,1 636 B 1,2 13,0 77,7 108,2 5,9 639 C 2,5 14,1 84,9 110,9 5,7 638 D 4,0 15,2 90,0 113,7 5,3 632 E 5,5 16,4 92,0 114,9 5,7 645 F 6,8 17,5 92,2 115,2 5,7 627 G 8,2 18,6 88,9 116,2 5,3 H 8,1 18,6 88,2 116,8 4,6 652 I 7,5 18,3 87,3 107,7 6,9 629 J 9,0 19,3 95,5 110,1 6,0 642 K 10,2 20,2 97,6 112,9 6,0 640 L 0,0 12,2 95,9 116,3 4,5 652 Andelen finpartiklar minskar med en ökad mängd fuktigt spån i pelletsen, se diagram 12. Kan det vara så att det otorkade sågspånet innehåller mer extraktivämnen som bidrar till att bindningsmekanismer blir starkare? Eller är det bildad vattenånga som mjuknar upp det lignin som finn naturligt i träet, så att dess bindningsförmåga ökar? 4 Andel finpartiklar 3,5 3 2,5 2 1,5 1 12 14 16 18 20 22 Beräknad ingående fukthalt Diagram 12. Hållfasthet för pellets redovisat som andel finfraktion för olika ingående fukthalt på sågspånet. I diagram 13 redovisas att längden på pelletsen inte tydligt påverkas av en ökad andel inblandning av otorkat sågspån. 26
10 9 Längd (mm) 8 7 6 5 12 14 16 18 20 22 Beräknad ingående fukt halt Diagram 13. Pelletslängd för olika inblandning fukthalt på sågspånet. Vid inblandning av otorkat sågspån kan man inte påvisa att energianvändningen i pelletspressen påverkas, se diagram 14. Den lilla variation man ser kan förklaras av variationer hos pressen och materialet. 920 Energianvändning (kj/ kg TS) 900 880 860 840 820 800 12 14 16 18 20 22 Beräknad ingående fukthalt Diagram 14. Energianvändning per kg torrsubstans pellets för olika ingående fukthalt på sågspånet. 27
8 TILLSATS STÄRKELSE Stärkelse används redan i pelletsindustrin i exempelvis Österrike. I Sverige har det testats men nästa alla producerar pellets utan tillsatser. Mycket talar för att nya råvaror kommer att introduceras, eftersom de efterfrågade råvarorna torrt och blött sågspån är en bristvara och dessa nya råvaror kan kräva tillsatser i form av exempelvis stärkelse från grödor. Stärkelsen i våra tester är levererad från SOLAM GmbH, ett bolagskooperativ av företagen Emsland Stärke GmbH och Lyckeby Industrial AB. Solam GmbH är specialiserade på utveckling och försäljning av stärkelse att användas i pappersindustrin, spånplatteindustrin och närliggande verksamheter, exempelvis pelletsindustrin. Den oxiderade majsstärkelsen är exempelvis framtagen för att förbättra tryckbarheten på papper genom att öka papperets styrka samt minska damning. 8.1 Metod För egenskaperna hos stärkelsen från Solam GmbH, se tabell 13. Pelletstillsatser som används för detta arbete är nativ potatisstärkelse och vetestärkelse samt oxiderad potatistärkelse och majsstärkelse. Handelsnamnen för stärkelsesorterna är Solpearl P och Solsize P TSC samt Solpearl W och Solsize M TSC. All stärkelse är vit och i pulverform. Tabell 13. Typiska materialegenskaper för stärkelse från Solam GmbH. Egenskap Potatis Majs Vete Fukthalt 19 13 13 Bulkdensitet kg 700 600 600 Partikelstorlek (μm) 5-100 2-30 0,5-45 Sågspånet som användes var sållat gransågspån och det hämtades från Stora Enso Timber AB vid Gruvön. Sågspånet var malt och färdigttorkat vid lågtemperatur (cirka 60-80 C) på en bandtork till cirka 10 % fukthalt. Spånet konditionerades på KaU genom tillsättning av vatten till vald fukthalt, se tabell 14. För alla testkörningar med stärkelse användes sågspån från samma batch och på varje stärkelsesort gjordes 5 tester, ett nollprov och fyra inblandningar. Detta ger totalt 20 tester i serien. Tabell 14. Ingående material vid tillverkning av pellets med inblandning av stärkelse. Tillsats Tillsats stärkelse (gts/min) Tillsats fukthalt Pellets-flöde (kgts/min) Sågspån fukthalt Vete nativt Majs oxiderad 0-1,27 12,1 10 12,7 1,30 12,1 15 12,7 1,30 12,1 28 12,7 1,32 12,1 43 12,7 1,32 12,1 0-1,32 12,1 11 12,5 1,36 12,1 14 12,5 1,34 12,1 29 12,5 1,36 12,1 42 12,5 1,39 12,1 28
Potatis nativt Potatis oxiderad 0-1,34 12,1 12 13,6 1,33 12,1 15 13,6 1,37 12,1 31 13,6 1,39 12,1 46 13,6 1,38 12,1 0-1,37 12,1 12 11,9 1,34 12,1 15 11,9 1,37 12,1 31 11,9 1,34 12,1 48 11,9 1,38 12,1 8.2 Resultat och diskussion Inblandningen av stärkelse blev 0,7-3,1 % beräknat på torrsubstans (%TS). Testkörningarna med de fyra olika sorters stärkelse som tillsats gjordes under stabila förhållanden. Matristemperaturen varierade ca 2 C under hela provkörningen, se tabell 15. För bulkdensiteten kan man utläsa att det sker en liten ökning när man blandar in stärkelse oavsett sort. Ingen skillnad mellan de olika stärkelsesorterna kan utläsas, se tabell 15. Förbättringen man får är ca 5 % och den sker redan vid den lägsta inblandningen av stärkelse. Tabell 15. Mätdata från testkörningar av fyra olika sorters stärkelse som tillsatsämne vid tillverkning av pellets från granspån. Tillsats Vete Nativt Majs Oxiderad Potatis Nativt Potatis oxiderad Inblandning Presstryck Bar Pellets fukthalt Matristemperatur C Bulkdensitet (kg/m 3 ) 0,0 110 106,8 6,9 638 0,7 115 107,8 7,1 655 1,1 117 108,0 7,0 653 2,0 118 108,2 7,6 664 3,0 118 108,6 8,2 666 0,0 120 108,4 6,7 631 0,8 120 108,3 7,1 662 1,0 120 107,8 8,7 659 1,9 119 107,7 8,9 658 2,8 117 106,1 8,5 650 0,0 119 106,3 7,0 623 0,8 120 106,8 6,9 639 1,0 122 107,2 7,3 641 2,1 123 107,3 7,5 646 3,1 124 107,4 7,2 654 0,0 125 107,6 7,0 620 0,8 126 108,0 7,4 648 1,0 126 108,0 7,6 643 2,1 125 108,1 8,6 653 3,1 124 107,6 9,4 654 29
För den mekaniska hållfastheten sker en tydlig förbättring vid inblandning av stärkelse, se diagram 15. Oxiderad majsstärkelse sker den största förbättringen av mekanisk hållfasthet, följt av oxiderad potatisstärkelse. För de fyra stärkelsesorterna är trenden att ännu högre inblandning ger högre mekanisk hållfasthet, testerna har inte visat vad maximal inblandning är. 100 Hållfast het 95 90 85 80 Vete Oxiderat Majs Pot at is Oxiderat Pot at is 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Andel Stärkelse Diagram 15. Hållfasthet för pellets redovisat som andel hel pellets för olika inblandning av stärkelse sorter. Längden på pelletsen påverkas av inblandningen av stärkelse se diagram 16. För vete- och potatisstärkelse ökar längden på pelletsen marginellt med ökad andel stärkelse. För oxiderad majs- och potatisstärkelse är det en markant längd ökning hos pelletsen. Trenden för oxiderad potatisstärkelse visar att man troligtvis får ytterligare ökning av längden då andelen stärkelse ökar. Längd (mm) 14 13 12 11 10 9 8 7 6 Vete Oxiderat Majs Pot at is Oxiderat Pot at is 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Andel Stärkelse Diagram 16. Pelletslängd för olika inblandning av olika stärkelsesorter. 30