OPTIMUM CONDITION OF BIOMASS TORREFACTION

Abstract

This research aimed to study the effects of the Torrefaction Severity Index on the fuel properties of acacia, cassava rhizome, and straw. The fuel properties analyzed in this study include pellet grindability, moisture absorption rate, and heating values. Additionally, this study examined the effects of the Torrefraction Severity Index on the fuel properties and palletization. Acacia, cassava rhizome, and straw raw-biomasses were fed into the torrefaction process with the temperatures set at 220, 250, and 280 °C, and with three different residence time of 30, 90, and 180 minutes. After the torrefaction process, the Torrefaction Severity Index of the biomasses were calculated by dividing the biomasses into two parts. The first part was heated in the heating oven at 90% Rh and 25 °C to obtain the water absorption coefficient, to measure the heat value of biomasses by using a bomb calorimeter, and to determine the grindability by using the Hardgrove Grindability Index. The second part of the biomasses was extruded to pellets, using the single pellet press in order to verify palletization.

The results showed that there was a linear relationship between the Torrefaction Severity Index and torrefied pallets and heat values ratio [HHVtorr/HHVo]. The Torrefaction Severity Index was able to differentiate weak and strong torrefactions. Weak torrefaction resulted in decreasing heat values, while strong torrefraction resulted in increasing heat values. The highest Torrefaction Severity Index was in the torrefied condition at 280 oC and 180 minutes. The weak torrefaction occurred when the Torrefraction Severity Index was 0 - 0.52 and the value of [HHVtorr/HHVo]/TSI was 0.135 MJ/kg. The strong torrefaction occurred when the Torrefaction Severity Index was 0.52 – 1.00, and the value of [HHVtorr/HHVo]/TSI was 0.503 MJ / kg.

In addition, there was an inversed relation between the Torrefaction Severity Index and the water absorption coefficient. When the Torrefaction Severity Index increased, the water absorption coefficient linearly decreased. In the case of straw which is a non-woody biomass, the water absorption coefficient decreased continuously according to the Torrefaction Severity Index at 0.0038 unit of k/unit of TSI. Acacia and cassava rhizome, woody biomasses, had the effect of the Torrefaction Severity Index on the water absorption coefficient. The water absorption coefficient of acacia and cassava rhizome biomasses were 0.00131 and 0.00053 unit of k/unit of TSI, respectively. The decreasing water absorption coefficient of acacia and cassava rhizome was 0.00236 and 0.00232 unit of k/unit of TSI, respectively.

No relationship between the Torrefaction Severity Index and the Grindability Index grindability was found in this study. The factors affecting the grindability were temperature and residence time. It was also found that the structure and the number of cellulose-based fibers had a direct impact on the grindability. Straw could be grinded at the temperature range from 220 to 280 °C. Acacia and cassava rhizome could be grinded at the temperature range from 260 to 280 °C. However, it is essential for acacia and cassava rhizome to set the sufficient residence time for torrefaction at 260 oC. Moreover, no relationship between the Torrefaction Severity Index and pellet grindability was found. In fact, strong torrefaction could cause the biomass particles to lose mechanical adhesion since the torrefaction made the fibers fragile, negatively resulting in crumbles of the biomasses

การวิจัยครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลของดัชนีความรุนแรงในการทอรีไฟร์ที่มีต่อคุณสมบัติทางเชื้อเพลิงของต้นกระถิน เหง้ามันสำปะหลังและฟางข้าว ได้แก่ ความสามารถในการบด อัตราการดูดซับความชื้น และค่าความร้อน นอกจากนี้ยังศึกษาผลของดัชนีความรุนแรงในการทอรีไฟร์ที่มีต่อความสามารถในการขึ้นรูปเป็นเชื้อเพลิงอัดเม็ด การศึกษาทำโดยเตรียมชีวมวลดิบ 3 ชนิด ได้แก่ กระถิน ฟางข้าว และเหง้ามันสำปะหลัง จากนั้นนำชีวมวลทั้งสามชนิดเข้าสู่กระบวนการทอรีไฟร์ที่อุณหภูมิ 220, 250 และ 280 องศาเซลเซียส โดยแต่ละอุณหภูมิจะใช้เวลาในการทอรีไฟร์ 30, 90 และ 180 นาที นำตัวอย่างที่ได้มาวัดน้ำหนักเพื่อหาค่าดัชนีความรุนแรงของการทอรีไฟร์ นำตัวอย่างอีกส่วนหนึ่งเข้าตู้อบความชื้นที่ 90%Rh, 25 องศาเซลเซียส เพื่อวัดค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมน้ำ วัดค่าความร้อนของชีวมวลทอรีไฟร์โดยวิธีบอมบ์คาลอรี่มิเตอร์ และวัดความสามารถในการบดโดยวิธีการดัชนีความสามารถในการบดของฮาร์โกรฟ จากนั้นจะนำตัวอย่างอีกส่วนหนึ่งไปอัดขึ้นรูปเป็นเม็ดโดยใช้เครื่องอัดขึ้นรูปเม็ดเดี่ยว และประเมินความสามารถในการขึ้นรูป จากการศึกษาพบว่า ค่าดัชนีความรุนแรงของการทอร์รีไฟร์มีความสัมพันธ์เป็นเชิงเส้นกับค่าอัตราส่วนค่าความสัมพันธ์ของชีวมวลทอรีไฟร์ที่เวลาใดๆ ต่ออัตราส่วนค่าความร้อนของชีวมวลดิบ [HHVtorr/HHVo] โดยค่าดัชนีความรุนแรงในการทอรีไฟร์สามารถใช้ในการจำแนกความอ่อน-เข้ม ของการทอรีไฟร์ได้ในช่วงการทอร์รีไฟร์แบบอ่อน ค่าความร้อนของชีวมวลจะมีค่าเพิ่มขึ้นน้อย ในขณะที่การทอรีไฟร์แบบเข้มจะทำให้ค่าความร้อนของชีวมวลมีค่าเพิ่มขึ้นมาก สำหรับเงื่อนไขการทอรีไฟร์ที่รุนแรงที่สุดที่ 280 oC, 180 นาที การทอรีไฟร์แบบอ่อนจะเกิดในช่วงดัชนีความรุนแรง 0-0.52 และค่า [HHVtorr/HHVo] /TSI มีค่า 0.135 MJ/kg-Unit of TSI สำหรับการทอรีไฟร์แบบเข้มจะเกิดในช่วงดัชนีความรุนแรง 0.52-1 และค่า [HHVtorr/HHVo]/TSI มีค่า 0.503 MJ/kg-Unit of TSI และเมื่อดัชนีความรุนแรงในการทอรีไฟร์มีค่าเพิ่มมากขึ้นค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมน้ำจะมีค่าลดลงเป็นเชิงเส้น โดยในกรณีของฟางข้าวซึ่งอยู่ในกลุ่มของ Non-woody Biomass ค่าสัมประสิทธ์การดูดซึมน้ำจะมีค่าลดลงอย่างต่อเนื่อง ตามค่าดัชนีความรุนแรงของการทอรีไฟร์ของการทอรีไฟร์ที่เพิ่มขึ้นโดยมีค่า 0.0038 หน่วย/หน่วย สำหรับกรณีกระถินและเหง้ามันสำปะหลังซึ่งอยู่ในกลุ่ม Woody Biomass จะพบว่าความเข้มของการทอรีไฟร์มีผลต่ออัตราการลดลงของสัมประสิทธิ์การดูดซึมน้ำ โดยการทอรีไฟร์แบบอ่อน อัตราการลดลงของสัมประสิทธิ์การดูดซึมน้ำของกระถินและเหง้ามันสำปะหลังมีค่า 0.00131 และ 0.00053 Unit of k/Unit of TSI ตามลำดับในการทอรีไฟร์แบบเข้ม อัตราการลดลงของค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมน้ำของกระถินและเหง้ามันสำปะหลัง มีค่า 0.00236 และ 0.00232 Unit of k/Unit of TSI ตามลำดับ นอกจากนี้ความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีความรุนแรงของการทอรีไฟร์และดัชนีความสามารถในการบดไม่พบว่ามีความสัมพันธ์กัน ตัวแปรที่มีผลต่อดัชนีความสามารถในการบดโดยตรง คือ อุณหภูมิและเวลาในการทอรีไฟร์ นอกจากนี้ยังพบว่าโครงสร้างและปริมาณเส้นใยเซลลูโลสมีผลโดยตรงต่อความสามารถในการบด โดยฟางข้าวสามารถบดได้ในทุกช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 220 ถึง 280 องศาเซลเซียส ในขณะที่กระถินและเหง้ามันสำปะหลังจะบดได้ที่อุณหภูมิทอร์รีไฟร์ 260 ถึง 280 องศาเซลเซียส อย่างไรก็ดีเวลาในการทอรีไฟร์ที่เพียงพอเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทอร์รีไฟร์ที่อุณหภูมิ 260 oC สำหรับเหง้ามันและกระถิน ยิ่งไปกว่านั้นค่าความรุนแรงในการทอรีไฟร์ไม่มีความสัมพันธ์กับความสามารถในการขึ้นรูปโดยตรง แต่การทอรีไฟร์ที่รุนแรงทำให้อนุภาคชีวมวลสูญเสียกลไกการยึดเกาะทางกล เนื่องจากการทอรีไฟร์ทำให้เส้นใยมีความเปราะ ส่งผลให้การอัดขึ้นรูปทำได้ไม่ดี และมีการแตกร่วนของอนุภาคเชื้อเพลิง