Torrefaction of various types of biomass in laboratory scale, batch-wise isothermal rotary reactor and pilot scale, continuous multi-stage tape reactor

• Autorzy: Pawlak-Kruczek H. , Krochmalny K. , Mościcki K. , Zgóra J. , Czerep M. , Ostrycharczyk M. , Niedźwiecki Ł.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2017.4.3

Warianty tytułu

PL

Toryfikacja różnych typów biomasy w reaktorze obrotowym w skali laboratoryjnej oraz wielostopniowym reaktorze taśmowym w skali pilotażowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Torrefaction is a thermal pretreatment process that improves properties of biomass relevant to its use as a fuel. It increases a heating value of the biomass, bringing it closer to the one of coal. That prevents the loss of power due to a decrease in calorific value of the fuel when biomass is supposed to replace coal partially. Along with less hygroscopic nature, in comparison to raw biomass, it allows improving logistics of the fuel. It also enhances grindability of the fuel, which is important for boilers and gasifiers that use pulverized fuel. In this study, four types of biomass were torrefied under different temperature regimes. Tests were performed in two different torrefaction reactors: laboratory scale Isothermal Rotary Reactor and pilot scale Multi-stage Tape Reactor (output up 10 kg/h and 100÷500 kg/h respectively). The process was characterized using dry mass loss during torrefaction, known as the mass yield. Energy yield was also calculated. Raw materials have been compared to the corresponding torrefied products. The comparison was based on standard set of properties, that is mandatory to be tested for any solid fuel, e.g., results of the proximate and ultimate analysis, the calorific value of the fuel. Obtained results have shown a significant improvement, regarding grindability after torrefaction. Also, hydrophobic nature of raw and torrefied biomass was a subject of tests. The propensity towards the moisture absorption was determined, by long-term storage under constant relative humidity conditions. Decreased rate of moisture absorption was observed for torrefied biomasses when compared with corresponding raw materials.

PL

Toryfikacja jest procesem obróbki termicznej, który poprawia własności biomasy pod kątem jej zastosowania jako paliwa. Proces zwiększa wartość opałową waloryzowanej biomasy, czyniąc ją bliższą do tej, jaką ma węgiel. Pozwala to zapobiegać obniżeniu mocy w przypadku częściowego zastąpienia węgla tak przetworzoną biomasą. W połączeniu z mniej higroskopijną naturą, w porównaniu do nieprzetworzonej biomasy, pozwala to na poprawę logistyki paliwowej. Proces poprawia też przemiałowość biomasy, co jest niezwykle istotne w przypadku kotłów i zgazowarek wykorzystujących paliwo stałe w postaci pyłu. W zakres niniejszej pracy wchodziło przeprowadzenie toryfikacji biomasy w różnych reżimach temperaturowych. Testy zostały przeprowadzone na dwóch różnych reaktorach: izotermicznym reaktorze obrotowym (w skali półtechnicznej) i wielopoziomowym reaktorze taśmowym (w skali pilotażowej). Proces został scharakteryzowany pod względem utraty suchej masy w procesie toryfikacji (zwanym powszechnie uzyskiem masy) oraz pod względem uzysku energii. Dokonano także porównania biomasy nieprzetworzonej z jej toryfikowanym odpowiednikiem pod względem uzyskanych wyników analizy technicznej, elementarnej oraz kaloryczności. Testy wykonane na młynie laboratoryjnym potwierdziły wzrost podatności na przemiał biomasy poddanej procesowi toryfikacji. Oszacowany został także wpływ toryfikacji na jej długoterminowe przechowywanie poprzez ocenę jej hydrofobowości. Ocena ta została dokonana na podstawie obserwacji zmiany wigotności próbek przechowywanych w warunkach stałej wilgotności. W porównaniu z nieprzetworzoną biomasą toryfikaty wykazały mniej hydrofobową naturę.

Słowa kluczowe

EN

biomass; torrefaction; multistage tape reactor; grindability

PL

biomasa; toryfikacja; wielopoziomowy reaktor taśmowy; podatność na przemiał

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 20, nr 4
• Strony: 457--472
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., fot., rys., wykr.

Twórcy

autor

Pawlak-Kruczek H.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical and Power Engineering, Department of Boilers, Combustion and Energy Processes, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

autor

Krochmalny K.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical and Power Engineering, Department of Boilers, Combustion and Energy Processes, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

autor

Mościcki K.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical and Power Engineering, Department of Boilers, Combustion and Energy Processes, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

autor

Zgóra J.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical and Power Engineering, Department of Boilers, Combustion and Energy Processes, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

autor

Czerep M.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical and Power Engineering, Department of Boilers, Combustion and Energy Processes, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

autor

Ostrycharczyk M.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical and Power Engineering, Department of Boilers, Combustion and Energy Processes, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

autor

Niedźwiecki Ł.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical and Power Engineering, Department of Boilers, Combustion and Energy Processes, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

Bibliografia

• [1] Klass D.L., Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals, Academic Press, 1998.
• [2] Sims R., The Brilliance of Bioenergy: In Business and Practice, Earthscan Publications Ltd., 2002.
• [3] Richardson J., Björheden R., Hakkila P., Lowe A.T., Smith C.T., Bioenergy from Sustainable Forestry, Springer, 2002.
• [4] Gonzalez-Perez J.A., Gonzalez-Vila F.J., Almendros G., Knicker H., The effect of fire on soil organic matter - a review, Environ. Int. 2004, 30, 855-870. DOI: 10.1016/j.envint.2004.02.003.
• [5] Moscicki K.J., Niedzwiecki L., Owczarek P., Wnukowski M., Commoditization of biomass: Dry torrefaction and pelletization-a review, J. Power. Technol. 2014, 94, 233-249.
• [6] Uslu A., Faaij A.P.C., Bergman P.C.A., Pre-treatment technologies, and their effect on international bioenergy supply chain logistics. Techno-economic evaluation of torrefaction, fast pyrolysis and pelletisation, Energy 2008, 33, 1206-1223. DOI: 10.1016/j.energy.2008.03.007.
• [7] Batidzirai B., Mignot A.P.R., Schakel W.B., Junginger H.M., Faaij A.P.C., Biomass torrefaction technology: Techno-economic status and future prospects, Energy 2013, 62, 196-214. DOI: 10.1016/j.energy.2013.09.035.
• [8] Boylan D.M., Roberts G.K., Zemo B.R., Wilson J.L., Torrefied wood field tests at a coal-fired power plant, IEEE Trans. Ind. Appl. 2016, 52, 751-757. DOI:10.1109/TIA.2015.2470639.
• [9] Bergman P.C., Boersma R., Zwart R.W.R., Kiel J.H., Torrefaction for biomass co-firing in existing coal-fired power stations, 2005. DOI: ECN-C--05-013.
• [10] Li J., Zhang X., Pawlak-Kruczek H., Yang W., Kruczek P., Blasiak W., Process simulation of co-firing torrefied biomass in a 220 MWe coal-fired power plant, Energy Convers. Manag. 2014, 84, 503-511. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.04.075.
• [11] Prins M.J., Ptasinski K.J., Janssen F.J.J.G., More efficient biomass gasification via torrefaction, Energy 2006, 31, 3458-3470. DOI:10.1016/j.energy.2006.03.008.
• [12] Bergman P.C.A., Boersma A.R., Kiel J.H.A., Prins M.J., Ptasinski K.J., Janssen F.J.J., Torrefaction for entrained-flow gasification of biomass, 2nd World Conf. Technol. Exhib. Biomass Energy, Ind. Clim. Prot., ECN, 2004.
• [13] Bergman P., Boersma A., Kiel J., Prins M.J., Ptasinski K., Janssen F.J., Torrefaction for entrained-flow gasification of biomass. n.d.
• [14] Couhert C., Salvador S., Commandré J., Impact of torrefaction on syngas production from wood, Fuel 2009, 88, 2286-2290. DOI: 10.1016/j.fuel.2009.05.003.
• [15] Esseyin A.E., Steele P.H., Jr., CUP. Current trends in the production and applications torrefied wood/biomass - a review, Bioresources 2015, 10, 8812-8858.
• [16] Tumuluru J.S., Sokhansanj S., Hess J.R., Wright C.T., Boardman R.D., A review on biomass torrefcation process and product properties for energy applications, Ind. Biotechnol. 2011, 7, 384-401. DOI: 10.1089/ind.2011.0014.
• [17] Nunes L.J.R., Matias J.C.O., Catalao J.P.S., A review on torrefied biomass pellets as a sustainable alternative to coal in power generation, Renew. Sustain. Energy. Rev. 2014, 40, 153-160. DOI: 10.1016/j.rser.2014.07.181.
• [18] Koppejan J., Sokhansanj S., Melin S., Madrali S., Status overview of torrefaction technologies, 2012.
• [19] van der Stelt M.J.C., Gerhauser H., Kiel J.H.A., Ptasinski K.J., Biomass upgrading by torrefaction for the production of biofuels: A review, Biomass and Bioenergy 2011, 35, 3748--3762. DOI: 10.1016/j.biombioe.2011.06.023.
• [20] Nhuchhen D., Basu P., Acharya B., A Comprehensive review on biomass torrefaction, Int. J. Renew. Energy Biofuels 2014, 2014, 1-56. DOI: 10.5171/2014.506376.
• [21] Koppejan J., Sokhansanj S., Melin S., Madrali S., Status overview of torrefaction technologies, 2015.
• [22] Acharya B., Dutta A., Minaret J., Review on comparative study of dry and wet torrefaction, Sustain Energy Technol Assessments 2015, 12, 26-37. DOI: 10.1016/j.seta.2015.08.003.
• [23] Chen W.H., Peng J., Bi X.T., A state-of-the-art review of biomass torrefaction, densification and applications, Renew. Sustain. Energy. Rev. 2015, 44, 847-866.
• [24] DTI. Torrefaction of Biomass - Report, 2013.
• [25] Pawlak-Kruczek H., Zgora J., Krochmalny K., Characterization of torrefied biomass depends on process conditions, Clear. Clean Coal Conf. Proc. 40th Int. Tech. Conf. Clean Coal Fuel Syst., 2015.
• [26] Uemura Y., Saadon S., Osman N., Mansor N., Tanoue K.I., Torrefaction of oil palm kernel shell in the presence of oxygen and carbon dioxide, Fuel 2015, 144, 171-179. DOI: 10.1016/j.fuel.2014.12.050.
• [27] Sabil K.M., Aziz M.A., Lal B., Uemura Y., Effects of torrefaction on the physiochemical properties of oil palm empty fruit bunches, mesocarp fiber and kernel shell. Biomass and Bioenergy 2013, 56, 351-360. DOI: 10.1016/j.biombioe.2013.05.015.
• [28] Asadullah M., Adi A.M., Suhada N., Malek N.H., Saringat M.I., Azdarpour A., Optimization of palm kernel shell torrefaction to produce energy densified bio-coal, Energy Convers Manag. 2014, 88, 1086-1093. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.04.071.
• [29] Aziz M.A., Sabil K.M., Uemura Y., Ismail L., A study on torrefaction of oil palm biomass, J. Appl. Sci. 2012, 12, 1130-1155. DOI: 10.3923/jas.2012.1130.1135.
• [30] Okoroigwe E.C., Saffron C.M., Determination of bio-energy potential of palm kernel shell by physicochemical characterization, Niger. J. Technol. 2012, 31, 329-335.
• [31] Ohm T.I., Chae J.S., Kim J.K., Oh S.C., Study on the characteristics of biomass for cocombustion in coal power plant, J. Mater. Cycles. Waste. Manag. 2015, 17, 249-257. DOI: 10.1007/s10163-014-0334-y.
• [32] Obinna O.B., Kingsley E.S., Okwuchukwu M., Torrefaction of Nigerian palm kernel shell into solid fuel, Sci. Innov. 2016, 4, 19-23. DOI: 10.11648/j.si.s.2016040301.13.
• [33] Poudel J., Ohm T.I., Gu J.H., Shin M.C., Oh S.C., Comparative study of torrefaction of empty fruit bunches and palm kernel shell, J. Mater. Cycles. Waste Manag. 2017, 19, 917-927. DOI: 10.1007/s10163-016-0492-1.
• [34] Barta-Rajnai E., Jakab E., Sebestyn Z., May Z., Barta Z., Wang L., et al., Comprehensive compositional study of torrefied wood and herbaceous materials by chemical analysis and thermoanalytical methods, Energy and Fuels 2016, 30, 8019-8030. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.6b01030.
• [35] Benavente V., Fullana A., Torrefaction of olive mill waste. Biomass and Bioenergy 2015, 73, 186-194. DOI: 10.1016/j.biombioe.2014.12.020.
• [36] Cellatoglu N., Ilkan M., Torrefaction of solid olive mill residue, BioResources 2015, 10, 5876--5889. DOI: 10.15376/biores.10.3.5876-5889.
• [37] Cellatoğlu N., Ilkan M., Solar torrefaction of solid olive mill residue. BioResources 2016, 11, 10087-10098. DOI: 10.15376/biores.11.4.10087-10098.
• [38] Pawlak-Kruczek H., Brzdękiewicz A., Madaj W., The method of autothermal valorisation of biomass or organic waste and a device for autothermal valorisation of biomass or organic waste, Polish Patent nr 227979, 2013.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).