Biomassan pelletöinti Kirjallisuuskatsaus Jarno Hyrkäs Oulun Yliopisto Kuitu- ja partikkelitekniikan laboratorio 2010
2 Sisällysluettelo Sisällysluettelo... 2 Johdanto... 4 1. Pellettilaitteisto & pelletöintimekanismit... 5 2. Pellettilaatuun vaikuttavat prosessimuuttujat... 8 2.1.1. Sidosteoria... 8 2.1.2. Irtotiheys... 8 2.1.3. Kosteus... 8 2.1.4. Raaka-aineen raekoko... 9 2.1.5. Puristuspaine & puristusaika... 10 2.1.6. Lämpötila... 11 2.1.7. Kolleripyörien nopeus... 11 2.2. Pelletoinnin raaka-aineet... 12 2.2.1. Puru... 12 2.2.2. Mäntykuori... 12 2.2.3. Harvennusranka... 13 2.2.4. Lehtipuut... 13 2.2.5. Paju... 13 2.2.6. Turve... 14 2.2.7. Ruokohelpi... 14 2.2.8. Rypsiolki... 14 2.2.9. Olki... 14 2.2.10. Hiili... 15 2.2.11. Muita pelletti raaka-aineita... 15 2.3. Lisäaineet & uuteaineet... 15 2.3.1. Ligniinipitoisuus... 16 2.3.2. Höyry... 16 2.3.3. Karboksimetyyliselluloosa (CMC)... 16 2.3.4. Lignosulfaatit... 16 2.3.5. Tärkkelys... 16
3 2.3.6. Proteiini... 17 2.3.7. Rasva/öljy... 17 2.3.8. Synteettiset kestomuovit... 17 2.3.9. Muita lisäaineita... 17 3. Tutkimuskohteet & Analyysimenetelmät... 18 3.1. Pellettistandardit... 18 3.2. Pellettilujuus... 19 3.3. Liite 1. Yleiset optimaaliset olosuhteet pellettien valmistukselle.... 21 Lähdeluettelo... 23
4 Johdanto Suomessa valmistetut pelletit ovat tyypillisesti 6 10 mm halkaisijaltaan ja 10 30 mm pituudeltaan olevia sylinterinmuotoisia kappaleita. Pelletit valmistetaan yleensä puuperäisistä raaka-aineista, kuten kutterinpurusta ja sahanpurusta. Muiden raaka-aineiden kuten biomassa ja puunkuoren käyttäminen edellyttää jauhamista ja kuivaamista ennen pelletointa. Valmistus mekaanisenpuunkäsittelyn sivutuotteista, puu- tai maatalousjätejakeista tarjoavaa ympäristöystävällisen vaihtoehdon mm öljynpolttamiselle. Eräs tämänhetkisistä tutkimuskohteista on hajautettu pellettituotanto, jonka avulla pyritään edistämään paikallista pellettituotantoantoa. Siihen sisältyy keskeisesti useiden eri biologisten raaka-aineiden hyödyntäminen. Ekopelletti hankkeessa perehdytäänkin erilaisten raaka-aineiden testaukseen.
5 1. Pellettilaitteisto & pelletöintimekanismit Pelletöinti voidaan suorittaa puristamalla raaka-aine kolleripyörien avulla tasomatriisin, tai rangasmatriisin läpi. Pellettejä voidaan tehdä myös mäntäpuristimella. Ekopellettiprojektissa on käytössä kolme pelletöintilaitteistoa. Ne ovat sekä rakenteensa että kokonsa puolesta erilaisia, joten ne sopivat erimittakaavaisten tuotantojen tutkimiseen. Oulun yliopistossa valmistettu mäntäpuristin soveltuu yksitäisen pelletin puristamiseen. Kuva 1 näyttää mäntä puristimen rakenteen. Se koostuu männästä, sylinteristä ja vastinlevystä. Mäntäpuristimeen tulee vielä säädettävä sähkölämmitin. Puristuksessa käytetään hydraulista puristinta. Sen avulla voidaan säätää puristusvoimaa ja puristusintensiteettiä. Kuva 1. Mäntäpuristin Kaupallinen Amandus Kahl pellettipuristin on kaksiosainen laite. Se koostuu annosteluosasta ja puristusosasta. Annosteluosa rakentuu syöttökartiosta, jonka alaosassa on sekoitin ja purkuruuvi. Sekoitin sekoittaa ja syöttää materiaalia ruuville. Purkuruuvi kuljettaa syötteen puristin osalle. Annosteluosa on esitetty kuvassa 2
6 Kuva 2. Amandus Kahl Annosteluosa Puristusosassa on kaksi kolleripyörää, joten tehtävänä on tiivistää lähtöainemateriaalia ja ohjata sitä alla olevan matriisin reikiin. Kolleripyörät eivät ole suorassa kosketuksessa matriisiin, vaan niiden välillä on lähtöainemateriaalista muodostuva patja. Patjan tarkoituksena on vähentää laitteen kulumista. Kulkeutuessaan matriisin läpi lähtöainemateriaali tiivistyy entisestään. Matriisin alapuolella sijaitsevat leikkurit, jotka leikkaavat pelletit sopivan kokoisiksi. Puristusosa on esitetty kuvassa 3. Kuva 3. Tasomatriisipuristus
7 Tasomatriisipuristuksessa säätömuuttujina voidaan käyttää annosteluruuvin nopeutta, kolleripyörien nopeutta, sekä matriisin reikien halkaisijaa. Oulun ammattikorkeakoulun luonnonvara-alan yksikön suuremman mittaluokan pellettilaitteisto on esitetty kuvassa 4. kuva 4. OAMK:n pelletöintilaitteisto
8 2. Pellettilaatuun vaikuttavat prosessimuuttujat Pelletöintikoneiden säätömuuttujien lisäksi pellettilaatuun vaikuttavat raaka-aineet, lisäaineet, irtotiheys, lämpötila ja kosteus. Kaliyan & Morey (2008) artikkelissa esitetty yleisohjeistus pellettivalmistukselle on esitetty liitteessä 1. 2.1.1. Sidosteoria Pellettien sitoutumiseen vaikuttavat ainakin raaka-aineen osittainen sulaminen, koheesio, adheesio, nestesillat ja molekyylien väliset voimat. Sidosteorioita on kehitetty eri raakaaineille, mutta yleispätevää sidosteoriaa ei ole. 2.1.2. Irtotiheys Irtotiheyden vaikutusta ei ole laajasti tutkittu kirjallisuudessa. 2.1.3. Kosteus Kosteus vaikuttaa sekä lämmönsiirtoon, että kitkaan. Lisäksi Lehtikankaan (2001) mukaan vesi toimii myös sideaineena. Kosteuspitoisuus suosituksissa on eroavaisuuksia lähteen mukaan ja kokonaisuudessaan ne sijoittuvat 6-25 % välille. Yleisesti kuitenkin suositellaan 8-12 % kosteuspitoisuutta. Obernberger & Thek (2010) mukaan alle 8 % kosteuksissa puupellettien teko ei onnistu kitkavoimista johtuen. Yli 12 % kosteudessa pellettien dimensiot eivät ole stabiileja. Kaliyan & Morey (2008) mukaan 12-20 % kosteus pitoisuus voi auttaa huoneenlämpöisessä pelletöinnissa. Hän huomauttaa, että yli 16 % kosteus voi aiheuttaa matriisin tukkeutumista, ja sen vuoksi kannattaa käyttää suuria matriisin reikien halkaisijoita. Obernberger & Thek (2004) eivät havainneet korrelaatiota kosteuspitoisuuden ja pellettien hankauslujuuden välillä. Kokeissa käytettiin yleisesti 8-12 % kosteuspitoisuuksia ja oletuksena on että korrelaatiota on vain suositeltujen pitoisuuksien ala- ja yläpuolella. Taulukossa 1. on esitetty kirjallisuudessa esiintyviä puupellettien kosteussuosituksia.
9 Taulukko 1. Puupellettien kosteussuositukset Suositeltu kosteus Lähde 16-28% mieluummin välillä 20-24 %. Gunnerman (1977), viitattu Kytö & Äijälä (1981), 10-25 % Reed ja Bryant (1978), viitattu Kytö & Äijälä (1981) 6-12 %, 8 paras Li & Liu (2000) 8-12 % Obernberger & Thek (2004) pienin käytetty kosteus 6,3 % oli paras Rhen ym (2005) 8-12 % Kaliyan & Morey (2008) Valmiiden pellettien kosteus vaikuttaa lämpöarvoon, kattilan tehokkuuteen ja polttolämpötilaan. pren 14961-2 standardin mukaan kaikkien pellettityyppien lopullisen kosteuden pitää olla alle 10 %. 2.1.4. Raaka-aineen raekoko Raaka-aineen raekoolla on merkitystä mm. matriisin tukkeutumistodennäköisyyteen ja pellettien koossa pysyvyyteen. Partikkeleiden pituuden pitäisikin olla aina pienempi, kuin matriisin reikien halkaisija. Pienien rakeiden etuna on suuri pinta-ala suhteessa tilavuusyksikköön. Suuri pinta-ala puolestaan helpottaa lämmön ja kosteuden siirtymistä rakeisiin. Bergström ym. (2008) mukaan pienellä raekoolla energian kulutus olikin pienempi kuin suurella. Pienellä raekoolla saavutettiin myös suurempi puristuslujuus, mikä on linjassa Kaliyan & Morey (2008) päätelmien kanssa. Toisaalta liian hienojakoinen raaka-aine heikentää puristuksen tehokkuutta ja puristeiden laatua. Gilbert ym. (2009) tutkimuksessa ruohovartista kasvista switchgrass saatiin parempia pellettejä leikatuista raaka-aineista, kuin silputuista. Pitkien kuitujen läsnä ollessa pelletit sitoutuivat toisiinsa paremmin. Bergström ym. (2008) mukaan lähtöanneilla koolla ei ollut merkittävää vaikutusta pellettien tiheyteen, kosteuteen, kosteuden absorptioon varastoinnissa, tai hankauslujuuteen. Taulukossa 2 on esitetty kirjallisuudessa esiintyviä pellettien raaka-aine rakeiden kokosuosituksia.
10 Taulukko 2. Puupellettien raaka-aineen raekoko suositukset Suositeltu raekoko Lähde 1-4 mm Äijälä & Kytö (1981) 20 % < 2 mm rakeita + Payne, J.D (1978), viitattu Kytö & Äijälä 80 % 3-3.5 mm rakeita (1981) 0.6-0.8 mm Turner (1995), viitattu Kaliyan & Morey (2008) 0.5-0.7 mm Franke ja Rey (2006), viitattu Kaliyan & Morey (2008) 2.1.5. Puristuspaine & puristusaika Puristuspaine vaikuttaa puristeiden lujuuksiin, energian kulutukseen ja laitteiden kulumiseen. Sen suuruuteen vaikuttavat raaka-aineen kosteus, sekä matriisin reikien muoto ja koko. Kirjallisuudessa on merkittäviä eroja käytettyjen ja suositeltujen puristuslujuuksien kanssa. Taulukossa 3. on esitetty kirjallisuudessa esiintyneitä puristuspainesuosituksia. Raaka-aine Suositeltu paine Lähde puu yleisesti 700 bar Reed (1978), viitattu Kytö & Äijälä (1981) sahanpuru 1000 bar Li & Liu (2000) hake 1380 bar Li & Liu (2000) kuusi sahanpuru 500 bar Rhen (2005) puu yleisesti 1000-1500 bar Kaliyan & Morey (2008) maissi 600 bar Mani ym. (2006) Gilbert ym. (2009) tutkimuksessa 55.2 bar paineella switchgrass pellettien tiheydeksi saatiin 250 kg/m 3. Nostamalla paine 552 bar:iin pellettien tiheydeksi saatiin 720 kg/m 3. Puristusaikaa säädetään mm matriisin paksuuden ja kolleripyörien nopeuden avulla. Li & Liun (2000) tutkimuksessa havaittiin, että puristusaikaan kasvattamalla 20 sekunnista suuremmaksi ei ole vaikutusta pellettilaatuun.
2.1.6. Lämpötila 11 Lämpötilan nostaminen perustuu pääasiassa ligniinin muuttaminen ainakin osittain liukoiseksi. Pelletöinnissa lämpötila nousee automaattisesti koneiden lämmetessä, mutta sitä voidaan joutua nostamaan myös erillisellä lämmityksellä. Kytö & Äijälä (1981) lämpötilaa voidaan joutua nostamaan 175 C. Korkea lämpötila myös helpottaa ilman poistumista materiaalista. Gilbert ym. (2009) tutkivat ruohovartisen kasvin switchgrass pelletöintiominaisuuksia. Heidän tutkimuksissaan ilmeni, että lämpötilalla on suurimpi vaikutus pellettien laatuun kuin paineella. Raaka-aine Suositeltu paine Lähde puu yleisesti 160-175 C (ilman lisäaineita) Gunnerman (1977), viitattu Kytö & Äijälä (1981), kierrätysjätteellä (RDF) 150 C Marsh ym. (2007) kuusipuru 144 C (korkein käytetty) Rhen (2005) 2.1.7. Kolleripyörien nopeus Hill & Pulkkinen (1988) viitattu Kaliyan & Morey (2008) mukaan liian pienillä (60-125 rpm) tai liian suurilla (>334 rpm) nopeuksilla ei saada hyviä pelletejä. Heidän mukaansa parhaat pelletit saadaan 187 rpm:llä.
12 2.2. Pelletöinnin raaka-aineet 2.2.1. Puru Sahanpuru ja kutterinpuru ovat pellettivalmistuksen yleisimpiä raaka-aineita. Purusta valmistetut pelletit antavat vertailumahdollisuuden muille pellettityypeille. Filbakk (2010) ym. tutkimuksessa pelkästä mäntypurusta valmistetut pelletit olivat hieman lujempia, kuin mäntypurun ja kuoren sekoitteesta valmistetut pelletit. Alastalon (2008) sai esikostutetulla mäntypurulla lujia puupellettejä joiden irtotiheys oli 694 kg/m 3. Honkkanen (2009) kertoo opinnäytetyössään, että pelkkien purupellettien valmistaminen ei onnistunut käytetyillä 59,1 ja 13,1 % kosteuspitoisuuksilla. Kokeissa käytetty 9,8 % kosteudeltaan olevasta kutterinpurustakaan ei saatu pellettejä. Ongelmana oli pellettimatrisiin tukkeutuminen. Honkkanen arvioi, että kosteuden olisi pitänyt olla 15-20 % välissä. Hän kertoi myös kokeilleensa myös erikosteuksisia sahanpuruturve seoksia, sekä glyserolin lisäämistä ilman tuloksia. Tuomi (2001) vertaili viiden suomalaisen puupelletinvalmistajan tuotteita. Kaikki pelletit oli valmistettu kuorettomasta puusta, joten tuhkapitoisuudet pysyivät välillä 0.2-0.4 %. Pellettien kosteudet vaihtelivat viidestä kymmeneen prosenttiin, joka selittää vaihtelut tehollisessa lämpöarvossa 4.63-4.98 MWh/t, irtotiheydessä 560-690 kg/m3 ja energiatiheydessä 2.59-3.43 MWh/m3. 2.2.2. Mäntykuori Obernberger & Thek (2010) mukaan kuoripellettien lämpöarvo on lähes sama kuin purupellettien. Mäntykuori pellettien lujuuksista on ristiriitaista tietoa. Alastalon (2008) mukaan mäntykuorimurskeesta ei tullut lujia pellettejä 6.5 % kostesudessa. Sen sijaan Lehtikankaan (2000) ja Filbakk:in (2010) tutkimuksissa kuoripelleteistä tuli jopa lujempia kuin sahanpurusta valmistetut pelletit. Filbakk lisäsi, mäntykuoripellettien lujuus oli suurempi, kuin purun ja kuoren sekoitteesta valmistettujen pellettien. Suurin tiheys kuitenkin saavutettiin kuori/puru seoksella.
13 Kuoressa on kuitenkin noin viisi kertaa enemmän tuhkaa kuin purussa. Filbakk (2010) ym. mukaan kuoripitoisuuden kasvaessa tuhka alkoi sintraantumaan. Hän suositteleekin kuoripellettien käyttöä vain suurissa lämpövoimalaitoksissa, missä tuhkaan liittyvät ongelmat on helpompi hallita. Filbakk (2010) polttokokeissa kuoripelleteissä oli suurempi lämpöarvo kuin purupelleteissä johtuen mm. suuremmasta ligniinimäärästä. Kuoripelleteissä oli suuremmat NO x ja CO päästöt kuin purupelleteissä. Suuremmat NO x päästöt johtuvat todennäköisesti suuremmasta kuoren typpimäärästä. Korkeammat CO-päästöjen puolestaan oletettiin johtuneen kuoripelleteille olleista epäoptimaalisista poltto-olosuhteista. 2.2.3. Harvennusranka Alastalon (2008) suoritti pelletti kokeita oksattomalla kuorellisella mäntyrangalla. Käytetyllä 6.5 % kosteuspitoisuudella saatiin ominaisuuksiltaan mäntysahanpurusta valmistettujen pellettien kaltaisia. Saatujen pellettien irtotiheys oli 682 kg/m 3. 2.2.4. Lehtipuut Lehtipuut ovat kovempia kuin havupuut ja niissä on vähemmän ligniiniä. Alastalon (2008) mukaan koivupurun puristaminen onkin hankalampaa ja pelletoinnissa seurauksena ovat usein lämpötilan nousu ja suurempi energian kulutus. Alastalon (2008) tutkimuksissa koivu-mäntypuru pelletit olivat myös lujuudeltaan heikommat, mikä todennäköisesti johtuu pienemmästä ligniini määrästä. Lehtipuissa on myös enemmän tuhkaa ja Obernberger & Thek (2010) huomauttaa, että pren 14961-2 pitoisuuksien saavuttamiseksi havupuita pitää sekoittaa lehtipuiden sekaan. Alastalon (2008) käytti pelletöintikokeissaan myös haapaa seosaineena, jonka kosteus 25 %. Seospellettien lujuus oli muita pellettejä huonommat ja kevyen rakenteen vuoksi irtotiheydet jäivät pieniksi. 2.2.5. Paju Nilsson (2010) tutki mm. pajun pelletöintiä. Hänen mukaansa paju on hyvä pellettiraakaaine, koska se ei poikkea paljon puupelleteistä. Pajua voi käyttää myös seosaineena
14 sahanpurun kanssa. Tutkimuksessa pajulla oli hieman korkeammat typpi-, kalium- ja klooripitoisuudet kuin sahanpurussa. Pajussa on lisäksi hieman enemmän haihtuvia uuteaineita. 2.2.6. Turve Alastalon (2008) tutkimuksissa jyrsinturve pelletoitui parhaiten verrattuna erilaisiin puruihin, kuorimuskeeseen, sekä ruokohelpeen. Käytetyn jyrsin turpeen kosteus oli 14,9 % ja irtotiheys 166 kg/m 3. Saatujen turvepellettien irtotiheys oli 722 kg/m 3, kun muiden pellettien tiheys jäi alle 700 kg/m 3. Lisäksi Alastalo (2008) mainitsi turpeen pelletoinnin olevan tehontarpeeltaan alhaisin. Kestävimmät pelletit Alastalo sai turpeen ja harvennusrangan seoksella. 2.2.7. Ruokohelpi Ruokohelpi on usein mainittu pellettiraaka-aine kirjallisuudessa. Sen ongelmina ovat kuitenkin korkea tuhkapitoisuus ja heikkolämpöarvo, joiden takia sen käyttöä sellaisenaan ei usein suositella. Alastalon (2008) ruokohelpipelletit eivät onnistuneet todennäköisesti liian suuren raaka-aineen partikkelikoon (60 mm) takia. Honkkanen (2009) ei myöskään saanut hyvänlaatuisia pellettejä 12,6 % kosteudella. Sahranmaa (2007) ja Nilsson (2010) suosittelevat ruokohelven käyttöä mm. turpeen ja sahanpurun seosaineena. 2.2.8. Rypsiolki Honkkanen (2009) onnistui valmistamaan sahanpurusta pellettejä rypsirouheeseen sekoitettuna. Valmiit pelletit olivat kuitenkin hauraita. Pelkästä rypsioljesta ei saatu valmistettua pellettejä. 2.2.9. Olki Nilsson ym. (2010) mukaan olkipellettien valmistuksella on pieni energian kulutus, mutta sen tuhkasta voi seurata ongelmia. Tuhkassa olevat alkalimetallit ja kloori voivat madaltaa tuhkan sulamispisteen jopa 750 C:een. Se on matala verrattuna esim. sahan- ja kutterin puruun, joilla tuhkan sulamispiste voi olla 1200 C:ta. Tuhkaongelmien vuoksi Nilsson ym. eivät suosittele olkipelletien käyttöä pienissä polttolaitoksissa.
2.2.10. Hiili 15 Gil ym. (2010) tutki kahta hiilityyppiä: ja bitumihiiltä ja osittain antrasiittista hiiltä. Bitummihiilipellettien hankauslujuus oli 23 % ja antrasiittii hiile hajosi kokonaan 100 %. Tutkimuksessa hiilien lisääminen biopelletteihin pieninä osuuksina 20 % ei muuttanut biomassan palamiskäyttäytymistä. 2.2.11. Muita pelletti raaka-aineita Yllämainittujen raaka-aineiden lisäksi kirjallisuudessa on useita mainintoja muista vähemmän käytetyistä raaka-aineista. Gil ym. (2010) tutki useita vaihtoehtoisia raakaaineta. Kastanjapellettien hankauslujuus oli hyvä (7 %) oli suurempi kuin mäntypurupellettien (12 %). Muiden raaka-aineiden hankauslujuus oli heikompi: selluloosalla 29 % eukalyptuksella 64 %, kahvinkuorilla ja viinirypäleiden jätteillä yli 90 %. Nilsson ym. (2010) tutkivat myös vaihtoehtoisia pellettiraaka-aineita. Hamppu pelletien heikkoutena he mainitsivat kalliin raaka-aineen hinnan. Mediavilla ym. (2009) tutkivat viiniköynnöksin versoista valmistettuja pellettejä. Pellettiominaisuuksien parantamiseksi viiniköynnöksiin sekoitettiin teollista korkki jätettä. Tutkimuksen parhaimmat pelletit saatiin 70 % korkkimassaosuudella ja 30 % viiniköynnösosuudella. Yleisesti ottaen korkki pitoisuuden kasvaessa pelletöinti prosessin energiankulutus väheni, pellettien tuhkapitoisuus pieneni, lämpöarvo kasvoi, ja pelletti lujuus laski. 70 % korkkimassaosuuspelletien tiheys oli 950 kg/m3 ja hankaus lujuus 3,8 % ÖNORM M7134 lignotesterillä. 2.3. Lisäaineet & uuteaineet Pellettipuristuksessa voidaan käyttää lisäaineita voiteluaineina, sidosaineina, tai kosteuden suoja-aineina. Lisäaineiden tarve riippuu käytettävästä raaka-aineesta. Puissa on valmiiksi tietty määrä uuteaineita, kuten vahoja, rasvoja ja rasvahappoja. Nielsen ym. (2010) mukaan uuteaineet pehmentävät raaka-ainetta ja toimivat voiteluaineina, vähentäen siten valmistuksen energian kulutusta. Nielsen ym. (2010) lisäsivät, että uuteaineet todennäköisesti vähentävät selluloosa sidosten kosketuspintaa, vähentäen pelletti lujuutta.
2.3.1. Ligniinipitoisuus 16 Lehtikankaan (2000) tutkimuksessa, ligniinipitoisuuden kasvaessa pellettien lujuus parani. Ligniinipitoisuus ei kuitenkaan yksin pysty selittämään pellettien lujuuksia, sillä Filbakk (2010) havaitsi että mäntypuru ja mäntykuori pellettien lujuus oli pienempi kuin puhtaiden mäntykuoripellettien, vaikka mäntykuoressa on enemmän ligniiniä kuin purussa. 2.3.2. Höyry Kytö & Äijälä (1981) mukaan pelletoinnissa käytettävä höyry on kuivaa tai hiukan tulistettua, jotta puristettava materiaali ei kostu liikaa. Judd (1969), viitattu Kytö & Äijälä (1981), mukaan liikuttaessa 10-15 % kosteusalueella 10 C nousu nostaa kosteutta noin prosentin. Hän lisäsi, että höyryn paineelle riittävä vaihtelu alue on 100-500 kpa aloituspaineen ollessa 350 kpa. Filbakk (2010) tutkimuksissa höyrymäärän kasvattaminen lisäsi pellettien kestävyyttä. 2.3.3. Karboksimetyyliselluloosa (CMC) Alzate ym. (2008) tutkivat Pinus Patula ja Cypress sahanpurun-hiilipellettiseoksia karboksyylimetyyliselluloosa sidosaineena. Tutkimuksen mukaan CMC sitoi raaka-aineet hyvin yhteen muuttamatta merkittävästi alkuperäisiä fysikokemiallisia ominaisuuksia. Parhaimmat tulokset saatiin suurimmalla CMC-pitoisuudella, joka oli 5 g/l. 2.3.4. Lignosulfaatit Lingnosulfonaattia käytetään rehupellettien raaka-aineena. Pfost ja Feyerhem (1962), viitattu Kytö & Äijälä (1981), mukaan yhden prosentin lisäyksellä saadaan huomattavaa parannusta pellettien laadussa. Payne (1978), viitattu Kytö & Äijälä (1981), mukaan 2,5 % lisäyksellä saatiin 28 % puristuslujuuden parannus ja 25 % tehontarpeen lasku samalla tuottoasteella. 2.3.5. Tärkkelys Tervo (2002) havaitsi, että pellettien lujuus paranee, kun lisäaineena käytetään tärkkelystä. Käytettyjen pitoisuuksien välillä 0.3-1.2% ei kuitenkaan ollut havaittavissa merkittäviä eroja. Wood (1987) viitattu Kaliyan & Morey (2008) mukaan valmiiksi gelatoidulla tärkkelyksellä saadaan lujempia pellettejä, kuin käytettäessä raakaa tärkkelystä.
2.3.6. Proteiini 17 Calvanti (2004) viitattu Kaliyan & Morey (2008) mukaan maissi proteiini heikentää pellettien lujuutta. Wood (1987) viitattu Kaliyan & Morey (2008) mukaan raa alla proteiinilla saavutetaan paremmat lujuudet kuin denaturoidulla proteiinilla. 2.3.7. Rasva/öljy Kaliyan & Morey (2008) mukaan rasva ja öljy laskevat pelletien lujuutta. Heidän mukaansa rasva toimii voiteluaineena vähentäen kitkaa syöttöpartikkeleiden, sekä partikkeleiden ja matriisin seinien välillä. Thomas ym. (1998) mukaan hydrofobinen rasva lisäksi heikentää vesiliukoisten komponenttien kuten tärkkelyksen, proteiinin ja kuitujen sitoutumista. 2.3.8. Synteettiset kestomuovit Terry (1980), viitattu Kytö & Äijälä (1981), käytti kestomuovia 2,5 % lisäaineseoksina. Niiden avulla pellettien lujuusominaisuudet ja säänkestävyys paranivat. Muovin käytön etuna on matalampi tarvittava puristuspaine, jolla mm. vähennetään matriisin kulumista. Johnston, viitattu Kytö & Äijälä (1981), mukaan muovipuristeiden palaminen on nopeampaa, polttoarvo korkeampaa ja lopputuloksena on vähemmän tuhkaa. 2.3.9. Muita lisäaineita Payne (1978), viitattu Kytö & Äijälä (1981), listasi rehupelleteissä käytettäviä lisäaineita kuten melassin, voiteluaineena rasvahapot ja sitovina aineina saven, bentoniitin ja selluloosaeetterit. Honkkanen (2009) havaitsi, että rypsirouhe soveltuu korsibiomassojen sidoaineeksi paremmin kuin turve, tai glyseroli. Ongelmana Honkkanen mainitsi raaka-aineen korkeahko hinnan ja suuren sekoituspitoisuuden (50 %) pellettien valmistuksen onnistumiseksi.
18 3. Tutkimuskohteet & Analyysimenetelmät 3.1. Pellettistandardit Eri pellettityypeille on olemassa omat standardit. Standardit vaihtelevat maan mukaan. Euroopan standardisointikomitea (CEN) on julkaissut kiinteisiin biopolttoaineisiin liittyviä standardeja CEN/TC 335 nimellä. EN 15210-1 ja EN 15210-2 ovat pelletien ja brikettien lujuuden testaamiseen tarkoitetut standardit. EN 14961-2 mukaan pelletit luokitellaan kuuluvaksi joko A1, A2 tai B luokkaan. Kuvassa 5 on esitetty kyseisten pellettiluokkien vertailu. Kuva 5. Pelletti luokkien EN 14961-2 mukainen vertailu (Obernberger & Thek, 2010).
19 Obernberger & Thek (2010) teoksessa esiintynyt pelletti standardien vertailu on esitetty kuvassa 6. Kuva 6. Pelletti standardien vertailu (Obernberger & Thek, 2010). Ekopellettitutkimuksessa keskitytään pellettien lämpöarvon, irtotiheyden, kosteuden, rummutuslujuuden, absorptiokyvyn ja sidosmekanismien tutkimiseen. 3.2. Pellettilujuus Obernberger & Thek (2010) mukaan peltilujuus korreloi pellettitiheyden kanssa. Teollisessa prosessissa pelletit altistuvat useille mekaanisille rasituksille. Lastaus- ja purkauspaikan pudotukset, kuljettimien tärinät, pellettien väliset hankautumiset, sekä syöttölaitteiden aiheuttamat puristus- ja leikkausvoimat vaativat lujia pellettejä.
20 Tuomi (2001) tutki pellettien lujuutta puristus- ja rummutuslujuustestillä. Puupellettien puristusstandardin puutuessa lujuusmittauksessa käytettiin rehuteollisuuden puristuslujuus testiä. Siinä pellettiä kuormitetaan kasvavalle voimalla, kunnes pelletti hajoaa. Hajoamiseen tarvittava voima ilmoitettiin kilopondina (kp). Puristuslujuutta voidaan käyttää pellettien koossapysymiseen arviointiin esimerkiksi kuljetus ja syöttöruuveissa. Rummutustestistä on omat sovellutuksensa amerikkalaisille ja ruotsalaisille puupelleteille. Tuomi (2001) käytti amerikkalaista standardia kokeissaan. Rummutuksessa pellettejä kuormitetaan tietyn aikaa, jonka jälkeen rummussa oleva näyte seulotaan. Seulan läpi mennyt osuus punnitaan ja sen prosentuaalinen osuus kokonaismassaosuudesta kuvaa pellettien lujuutta. Mitä vähemmän hienoainetta on, sitä lujempaa pelletit ovat. Rummutustestin tuloksien avulla voidaan arvioida esimerkiksi, miten pelletit kestävät kuljetuksia ja kuormauksia.
3.3. Liite 1. Yleiset optimaaliset olosuhteet pellettien valmistukselle. (Kaliyan & Morey 2008) 21
22
23 Lähdeluettelo Alastalo, H. 2008. Pellettien laatu ja ominaisuudet eri raaka-ainella ja niiden seoksilla. Jyväskylä: Lappeenrannan teknillinen yliopisto Alzate C.A. ym. 2008. CO-gasification of pelletized wood residues. Fuel 88, pp 437-445. Bergström, D ym. 2008. Effects of raw material particle size distribution on the characteristics of Scots pine sawdust fuel pellets. Fuel processing technology 89, pp. 1324-1329. Filbakk, T. ym. 2010. The effect of bark content on quality parameters on Scots pine (Pinus sylvestris L.) pellets. Biomass and energy, pp. 1-8. Gil, M.V. ym. 2010. Mechanical durability and combustion characteristics of pellets from biomass blends. Bioresource Technology 101, pp. 8859-8867. Gilbert, P ym. 2009. Effect of process parameters on pelletisation of herbaceous crops. Fuel 88 pp. 1491 1497. Honkkanen, M. 2009. BT Biopresser-25:n soveltuvuus eräiden korsimassojen pelletöintiin. Jyväskylän ammattikorkeakoulu. Kaliyan, N & Morey, R.V. 2010. Natural binders and solid bridge type binding mechanism in briquettes and pellets made from corn stover and switchgrass. Bioresource Technology 101, pp. 1082-1090. Kaliyan, N & Morey, R.V. 2008. Factors affecting strength and durability of densified biomass products. Biomass and bioenergy 33, pp. 337-359.
Kytö, M. & Äijälä, M. 1981a. Metsäenergian käyttö ja jalostus: Osa 3. Biomassan pelletoinnin laitetekniikka. Espoo: Valtion teknillinen tutkimuskeskus. 24 Kytö, M. & Äijälä, M. 1981b. Metsäenergian käyttö ja jalostus: Osa 4. Puun pelletoinnin kokeellinen tutkimus. Espoo: Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Lehtikangas, P. 2001. Quality properties of pellitised sawdust, logging residues and bark. Biomass and Bioenergy 20, pp.351-360. Li Y, Liu H. 2000. High-pressure densification of wood residues to form an upgraded fuel. Biomass and Bioenergy 19, pp. 177 186. Mani S, Tabil, L. & Sokhansanj, S. 2006. Effects of compressive force, particle size and moisture content on mechanical properties of biomass pellets from grasses. Biomass and Bioenergy 30, pp. 648-654. Mediavilla, I., Fernández M.J. & Esteban L.S. 2009. Optimization of pelletisation and combustion in boiler of 17.5 kwth for vine shoots and industrial cork residue 90, pp. 621-628. Marsh, R ym. 2007. Physical and thermal properties of extruded refuse derived fuel. Fuel Processing Technology 88, pp. 701-706. Nielsen, P.K. ym. 2010. Effect of extractives and storage on the pelletizing process of sawdust. Fuel 89, pp. 94-98. Nielson, D., Bernesson, S. & Hansson, P. 2010. Pellet production from agricultural raw materials A system study. Biomass and Bioenergy, pp. 1-11. Obernberger, I. & Thek, G. 2010. The Pellet Handbook: The production and thermal utilization of biomass pellets.
25 Obernberger, I. & Thek, G. 2004. Physical characterization and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their combustion behavior. Biomass and Bioenergy 27, pp. 653-669. Rhen, C. ym. 2005. Effects of raw material moisture content, densification pressure and temperature on some properties on Norway spruce pellets. Fuel Processing Technology 87, pp. 11-16. Sahranmaa, M. 2007. Ruokohelven käyttö kasvaa: Vapo viesti. [Viitattu 13.1.2011] saatavana: http://www.vapoviesti.fi/index.php?id=1197&articleid=78&type=2 Stelte, W. ym 2011. A Study of bonding and failure mechanisms in fuel pellets frrom different biomass resources. Biomass and bioenergy 35, pp. 910-918. Tervo, T. 2002. Puupellettien sisäisen rakenteen ja kemiallisen koostumuksen vaikutus pellettien kestävyyteen. Pro gradu tutkielma ja erikoistyö. Jyväskylän yliopisto. Thomas, M., van Vliet, T. & van der Poel AFB. Physical quality pelleted animal feed. 3. Contribution of feedstuff components. Animal Feed Science and Technology 70, pp. 59-78. Tuomi, S. 2001. Kotimaisten puupellettien ominaisuudet. Työtehoseuran metsätiedote 639, pp.1-4.