Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

The use of renewable resources is rapidly increasing in Sweden, especially the use of fuel pellets. Through pelletizing the energy content per volume unit is greatly increased and the pellets are more homogeneous with regard to moisture content, particle size and density compared to unrefined fuels like forest residues and chips. For further development of the Swedish pellet industry, the use of different assortments from lodgepole pine (Pinus contorta Dougl. var. latifolia) is of particular interest, mainly because of its high volume production. Whole tree and stemwood assortments can be chipped, milled and processed to fuel pellets but many properties have to be fulfilled to achieve a high quality pellet. Pellet quality is a result of chosen raw material with its properties and chosen process settings. The aim for this study was to investigate how the factors raw material moisture content (%), die channel length (mm) and storage time (days) effects the responses bulk density (kg/m3), mechanical durability (%), fines (%) and energy consumption (A) for the assortments stemwood and whole tree of lodgepole pine. Bark was included in both assortments and the whole tree assortment also contained branches, tops and needles.
A three-dimensional Central Composite Face (CCF) design was setup to study the effects of the three factors on the four responses. The effects of storage time on extractive contents, ash contents and ash melting temperatures were also analyzed. The results showed that the stemwood assortment could be predicted with high accuracy for all responses but the whole tree model gave low prediction accuracy. The result for the stemwood assortment showed that bulk density increased with longer die channel length and higher moisture content within the intervals of 45-55 mm and 9-13 %, respectively. Durability and energy consumption increased while fines decreased with increased moisture content. A storage time of around 200 days gave the optimum values for bulk density, durability and fines. A significant decrease of extractives was observed between storage time 242 and 325 days. Mean extractive content were 2.64 % in stemwood and 3.89 % in whole tree assortment. Mean ash content were in stemwood 0.42 % and 0.61 % in whole tree assortment. These ash contents pass the requirments stated in the European standard for the highest quality class of fuel pellets. Ash melting temperatures were around 1500 °C for both stemwood and whole tree assortments.
The conclusion is that the moisture content was the most significant factor explaining the durability and the proportion of fines and the relationships were positive and negative, respectively. The relationship between storage time and all responses were positive (up to 200 days) with the exception of energy consumption. Die channel length was one of the most significant factors that affected the bulk density and energy consumption and the correlation was positive. The overall conclusion is that stemwood (including bark) of lodge pole pine within the found production window can be used as feedstock to produce fuel pellets of high quality.

Sammanfattning
Användningen av förnyelsebara resurser ökar snabbt i Sverige, särskilt användningen av bränslepellets. Genom pelletering ökas energiinnehållet per volym enhet och pelletterna är mer homogen vad gäller fukthalt, partikelstorlek och densitet jämfört med oförädlade bränslen såsom grot (grenar och toppar) och flis. För fortsatt utveckling av den svenska pellets sektorn kan användningen av olika sortiment av contortatall (Pinus contorta Dougl. var. latifolia) vara av särskilt intresse mest på grund av trädslagets höga volymproduktion. Helträd och stamvedssortiment kan flisas, malas och bearbetas till bränslepellets, men flera egenskaper måste uppfyllas för att uppnå en hög pelletskvalitet. Pelletskvalitet är ett resultat av den valda råvaran med dess egenskaper och valda processinställningar. Syftet för denna studie var att undersöka hur faktorerna råvarafukthalt (%), matrislängd (mm) och lagringstid (dagar) påverkar responserna bulkdensitet (kg/m3), mekaniskt hållbarhet (%), finfraktion (%) och energiförbrukning (A) för sortimenten stamved och helträd av contortatall. Bark ingick i båda sortimenten och helträd innehöll även grenar, toppar och barr.
En tredimensionell Central Composite Face (CCF) design skapades för att studera effekterna av de tre faktorerna på de fyra responserna. Eventuella effekter av lagringstiden på halten av extraktivämnen, askhalt och askans smältförlopp analyserades även. Resultaten visade att stamvedssortimentet kunde predikteras med hög säkerhet för alla responser men att helträd gav låg prediktionssäkerhet. Resultatet för stamvedssortimentet visade att bulk densiteten ökade med längre matrislängd och högre fukthalt inom intervallen 45-55 mm och 9-13 %, respektive. Hållbarheten och energiförbrukningen ökade och andelen finfraktion minskade med ökad fukthalt. En lagringstid på cirka 200 dagar gav de högsta värdena för bulk densitet, hållbarhet och andel finfraktioner. En signifikant minskning av halten extraktivämnen observerades mellan lagringstid 242 och 325 dagar. Den genomsnittliga askhalten var i stamved 0,42 % och 0,61 % i helträdssortimentet vilket innebär att askhalten passerar de krav som anges i den europeiska standarden. Den genomsnittliga extraktiv halten var 2,6 % i stamved och 3,9 % i helträdssortimentet. Asksmälttempraturen var cirka 1500 °C för både stamved och helträdssortimentet.
Slutsatsen är att fukthalten var den mest signifikanta faktorn som förklarade hållbarheten och andelen finfraktioner och sambanden var positiva och negativa, respektive. Sambandet mellan lagringstid och alla responser var positivt (upp till 200 dagar) med undantag av energiförbrukningen. Matrislängden påverkade bulk densiteten och energiförbrukningen och sambanden var positiva. Försöken visar att speciellt stamved innehållande bark av contortatall kan användas för produktion av bränslepellets av hög kvalitet inom det funna produktionsfönstret.