Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av trepellets med trevirke som råstoff, samt pellets fremstilt ved fremgangsmåten.
I de senere år har det vært en stadig økende fokusering på miljø og spesielt på utslipp av "fossilt" CO2. Internasjonalt foregår det derfor en sterk satsing på overgang fra fossile energikilder (olje, gass, kull og koks) til biologiske eller fornybare energikilder for å redusere utslippene av "fossilt" CO2.
Brenselpellets av tre er en av de raskest voksende former for bioenergi. Trepellets har også en rekke andre anvendelsesområder, men det vanligste bruksområdet er som brenselpellets. Trepellets produseres i dag i betydelige volumer i et stort antall fabrikker, særlig i Europa og Nord-Amerika.
Råvarene er først og fremst sagflis, med typisk partikkelstørrelse mindre enn 3 mm og en typisk relativ fuktighet på 50-55 masse-%, samt råvarer som er restprodukter fra høvlerier, møbelfabrikker osv., med en typisk relativ fuktighet i området 10-18 masse-%.
Mekanisk prosess
Hovedtrekkene i den mest vanlige metode for produksjon av pellets, som er en mekanisk prosess med finmaling og komprimering, er som følger:
Tørking
Råvarer med et relativt fuktighetsinnhold over 18-20 masse-% blir tørket før pelletering. Dette utgjør mesteparten av råvarene, som for det meste i dag er sagflis. Tørkingen skjer oftest i trommeltørker hvor man fører inn råvarene, og injiserer røykgasser fra et forbrenningsanlegg med flis/bark e.l. som brensel, og det skjer en direkte tørking basert på røykgasser. Flere typer tørker er imidlertid i bruk, også lavtemperatur-tørker.
Maling
Neste trinn er mekanisk finmaling av råvarene, ned til en typisk partikkelstørrelse mindre enn 2 mm. Dette skjer oftest i en slagmølle (hammer mill, hammarkvarn).
Pelletering
Materialet føres deretter til pelletspresser, hvor pelleteringen typisk skjer ved at materialet presses gjennom sylindriske hull i en ringmatrise, og det komprimerte materialet som kommer ut blir kuttet til pellets.
Kjøling
De nyproduserte pellets, som holder en høy temperatur og har en myk konsistens, blir deretter ført til en kjøler, som er en beholder hvor det føres luft gjennom, slik at man oppnår en kontrollert nedkjøling av pellets, og man reduserer samtidig volumet av finandeler. Ut fra kjøleren kommer så ferdige pellets.
For pellets som er produsert på denne måten blir ofte volumet av finandeler (støv) høyere enn ønskelig, særlig etter transport og håndtering. Tidligere ble det derfor i en viss grad tilsatt bindemidler under pelleteringen, gjerne lignosulfonater, biprodukt fra treforedling. Dette gir imidlertid en uønsket tilførsel av kjemikalier.
US 4,502,227 og GB 2 402 398 beskriver tørking og pelletering av trepelleter.
Dampeksplosjon
Fra NO 320971/EP 1776440 er det kjent en fremgangsmåte der råvarene først blir tørket ned til en relativ fuktighet på 30 - 45 masse%, deretter ført til en reaktor som blir tilført damp inntil materialet holdes ved 200 - 300 <0> C i tilstrekkelig tid til at materialet mykner, hvoretter det skjer en trykkavlasting i minst to trinn, slik at materialet "dampeksploderes". Da defibreres materialet og lignin frigjøres. Deretter går materialet til et nytt tørketrinn, hvorpå materialet eventuelt pelleteres. Denne fremgangsmåten er den produksjonsmetoden som benyttes kommersielt i dag.
En viktig grunn til at man har fortsatt å benytte denne teknikken er at man innen
fagområdet er av den oppfatning at det må være "tilstrekkelig restfuktighet" i materialet for at det kan defibreres i trykkbeholderen, angitt som 30-45%, og dermed at det ikke er nok fuktighet for defibrering ved lavere fuktigheter. I NO 320971/EP 1776440 utrykkes det at det selv ved relativ fuktighet på 30-45% i henhold til oppfinnelsen, mot
tradisjonelt 45-65%, fortsatt er tilstrekkelig restfuktighet for defibrering ved
trykkreduksjon. Det har således vært antatt i teknikken at for lav fuktighet ikke gir tilstrekkelig kraft i dampeksplosjonen.
Videre har det vært observert at friksjonen mellom materialet og reaktorens utblåsings-rør øker ved lavere fuktighet, og fra praktiske erfaringer er det under testkjøringer med materialer tørrere enn 30% ved fabrikk oppstått problemer med å tømme reaktorene.
Man har dessuten i følge kjent teknikk benyttet 2 tørketrinn for forsikre seg om at fordelingen av fuktighet i materialet p.g.a. kondens etter tømming er jevn nok for pelletering.
Ved temperaturintervallene som benyttes i fremgangsmåtene over starter det etter kort tid dessuten en viss hydrolysering av det organiske materialet og et tap av tørrstoff som er uønsket, ettersom det som hydrolyseres, og dermed energiinnholdet i dette, forsvin-ner eller oksideres enten i ettertørkingen eller under oppvarmingen i pelleteringen. Med fremgangsmåtene fra kjent teknikk er dette tørrstofftapet på flere prosent.
Foreliggende oppfinnelse
I følge oppfinnelsen er det således tilveiebrakt en fremgangsmåte ved fremstilling av trepellets av trevirkemateriale, særpreget ved å: (a) føre materialet, dersom det har en relativ fuktighet over 20 masse-%, til et
tørketrinn og tørke det til en relativ fuktighet på 0-20 masse-%,
(b) føre materialet, eventuelt via et mellomlagirngstrinn, til et varmebehandlingstrinn og oppvarme materialet til 180-235 °C ved tilførsel av damp i en reaktor, (c) holde materialet i reaktoren ved den oppnådde temperaturen i 1-12 minutter for å
mykne materialet og frigjøre lignin,
(d) avlaste trykket i reaktoren i minst ett trinn, og
(e) pelletere det behandlede materialet, eventuelt etter at det er blandet med trevirke.
Trevirkematerialet kan være i form av flis, spon eller lignende partikler.
Foretrukne utførelser av fremgangsmåten fremgår av de uselvstendige kravene.
Tørking
Materialet som skal benyttes, kan være forhåndstørket eller inneha en relativ fuktighet under 20 masse-%, og sålede ikke behøve tørking. Hvis ikke tørkes det som et trinn i selve prosessen. Materialet som mates inn i reaktoren har således en vesentlig lavere fuktighet enn det som tidligere er benyttet i kjent teknikk. Foreliggende oppfinnelse angir et fuktighetsinnhold etter tørking på 0-20%, mot 30-45% i kjent teknikk og man har overvunnet viktige motforestillinger i teknikken, som fortsatt eksisterer. Den reduserte fuktigheten i materialet med-fører lavere dampforbruk i reaktoren, noe som gir lavere produksjonskostnader. Den relative fuktigheten på materialet som går inn i reaktoren, er fortrinnsvis på omtrent 5-15 masse%.
Ved å tørke materialet ned til området ifølge oppfinnelsen blir det såpass lite kondens at problemene med ujevnheter i fuktighetsfordeling i forhold til pelletering nevnt over elimineres. Derved kan man utføre tørking i ett trinn (kun før dampeksplosjon) i stedet for ved to trinn som i kjent teknikk, (tørking før dampeksplosjon og tørking før materialet går inn i pelletspressen), som gir vesentlig lavere investeringskostnader enn om man bruker to tørketrinn som tidligere.
Varmebehandling
Ved å begrense temperatuirntervallet forbehandlingen til 180-235 °C, i mot-setning til de kjente intervaller på 200-300 °C, unngår man også uønskede reaksjoner i materialet som oppstår over 235 °C og man holder seg dessuten innenfor driftsmessige optimale temperaturer, i forhold til energiforbruk og særlig produksjon av damp.
Oppholdstiden i reaktoren er fordelaktig 1-12 minutter.
Trykkavlasting
Avlastingen av trykket i reaktoren skjer enten ved:
(1) at den siste trykkavlastning skjer plutselig slik at det oppnås en dampeksplosjon, der materialet defibreres og lignin frigjøres, eller (2) en jevn trykkavlastning der trykkavlastningen i seg selv ikke fører til defibrering av materialet, men der lignin likevel frigjøres på grunn av at materialet har vært oppvarmet tilstrekkelig lenge ved temperatuirntervall som er nevnt ovenfor, 180-235 °C.
Fremgangsmåte (2) er mest aktuell når materialet er relativt finfordelt før behandling i reaktor (som f.eks. sagflis, med typisk lengde mindre enn 3 mm, eller enda mer finfordelt materiale), mens fremgangsmåte (1) er å foretrekke når man har grovere partikler, (som f.eks. celluloseflis, med typisk lengde på omtrent 25 mm). Dette skyldes at med fremgangsmåte (1) trenger man ikke mekanisk finmaling etter behandlingen i reaktor selv om råvarene er på størrelse med celluloseflis. Men benytter man fremgangsmåte (2) så bør råvarene være mer finfordelt enn celluloseflis for at materialet skal gå direkte til pelletering uten en ytterligere mekanisk oppmaling.
Selv om defibreringen som skjer i fremgangsmåte (2) er mindre kraftig enn i kjent teknikk, ved å benytte et materiale med lavere restfuktighet, er den likevel tilstrekkelig for pelletering.
Er materialet tilstrekkelig finfordelt på forhånd oppnår man med fremgangsmåte (1) forøvrig et tilstrekkelig godt resultat ved å foreta en så jevn trykkavlastning i reaktor at man ikke har en dampeksplosjon, men kun en varmebehandling av materialet med damp i reaktor.
Defibrering ved dampeksplosjon er bare én av parameterne som har vesentlig betydning for å gjøre materialet velegnet for pelletering. Forsøk viser at økning i temperatur og særlig i oppholdstid ikke bare gjør det lettere å defibrere materiale ved dampeksplosjonen, men at det gjør materialet mykere og gir mer frigitt lignin også uten dampeksplosjon, som derved gjør materialet mer egnet for pelletering.
Utformingen av reaktoren og utstyr i tilknytning til denne muliggjør tømming ved lav fuktighet i materialet. Det er fullt mulig å utstyre reaktoren slik at den kan tømmes endog uten en plutselig trykkavlastning (dampeksplosjon) i siste trinn.
Pelletering
Til slutt pelleteres det behandlede materialet, eventuelt etter at det er blandet med annet trevirke, for eksempel ikke-dampeksplodert trevirke. Det innblandede trevirket har fordelaktig en fuktighet som ikke er høyere enn 18 masse- % og en typisk partikkelstørrelse som ikke er større enn 2 mm.
Ved å benytte foreliggende oppfinnelse fører den tidlige og vesentlige reduksjonen i fuktighet til at hydrolyseringen av det organiske materialet som følge av varme, starter senere og er svakere enn i de kjente fremgangsmåtene. Således reduserer foreliggende oppfinnelse tap av tørrstoff som er et problem innen kjent teknikk.
I dag er vanlig fuktighet i pellets 8-10%, og det foreligger i praksis ikke pellets med fuktighet under 5%. Dette skyldes at det ved pelletering uten at ligninet i materialet er blitt frigjort, i vesentlig grad krever at det er en viss fuktighet. Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse kan det oppnås pellets med 2% og lavere fuktighet som har de samme gode bindeegenskaper som andre kjente pellets fremstilt av dampeksplodert trevirke. Oppfinnelsen vedrører således også slike pellets, særpreget ved at de er fremstilt ifølge oppfinnelsen og at de inneholder en relativ fuktighet på 5 masse% eller mindre, fortrinnsvis 2 masse% eller mindre
Dagens pellets med 8% fuktighet har et energiinnhold 4,8 MWh/tonn mens pellets oppnådd i foreliggende oppfinnelse med 2% fuktighet har et energiinnholdet 5,2 MWh/tonn, og ved 5% fuktighet er energiinnholdet 5,0 MWh/tonn. Dette er en vesentlig fordel i transport og lagringssammenheng, samt at man kan oppnå høyere effekt i forbrenningsanlegg, p.g.a. av høyere konsentrasjon av energi i brennkammeret. Oppfinnelsen vedrører således også slike pellets, særpreget ved at de har et energiinnhold på 5,0 MWh/tonn eller mer, fortrinnsvis 5,2 MWh/tonn eller mer.
Oppfinnelsen medfører også flere fordeler sammenliknet med mekanisk produksjon av trepellets. Fordelene i forhold til mekanisk prosess for produksjon av pellets ligger i høyere kvalitet og høyere kapasitet. Høyere kvalitet består i at den behandlete massen har bindeegenskaper som langt overgår de tidligere oppnådde masser og de forbedrede bindeegenskaper i pelletsen fører til lavere volum av finandeler (støv), og en bedre holdfasthet. Høyere kapasitet i pelletspressene, ved samme elektisitetsforbruk, oppnås fordi massen i foreliggende oppfinnelse får en mykere konsistens og lettere lar seg pelletere enn mekanisk finmalt tre, og man kan også øke bulkvekten av pellets uten å øke elektrisitetsforbruket.
En videre stor fordel i forhold til pellets fremstilt med mekanisk produksjon er at pellets fremstilt i henhold til oppfinnelsen er meget lite hygroskopiske. Mekanisk fremstilte pellets absorberer fuktighet så lett at de må lagres og håndteres tørt. Kommer slike pellets i kontakt med vann vil de miste sin pelletsform og gå tilbake til å bli en form for trepulver eller sagflis. Pellets i henhold til oppfinnelsen derimot kan håndteres og lagres uten at kontakt med vann eller fuktighet er et problem, de beholder sin form og trekker bare til seg vann i meget liten grad, og kun etter lang tid. Dette betyr rent praktisk bl.a. at der man bruker trepellets som et supplerende brensel i kullforbrenningsanlegg, kan man med denne type pellets bruke de samme lager- og transportfasiliteter som man allerede har for kull. Med mekanisk fremstilte pellets må man derimot anskaffe separate fasiliteter for å sikre tørr håndtering under lagring og transport. For pelletsfabrikkene betyr foreliggende oppfinnelse tilsvarende at lagerfasilitetene kan gjøres langt billigere enn i dag.
Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en forbedret fremgangsmåte som oppnår et forbedret produkt som angitt over. Fremgangsmåten som er tilveiebrakt i følge den foreliggende oppfinnelsen kan innpasses i eksisterende pelletsfabrikker som i dag verken bruker dampeksplosjon eller høytemperaturbehandling med damp før pelletering.
Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen
Råvarene kan være all slags flis og spon av trevirke. Råvarer som ikke har vært verken kunstig eller naturlig tørket, har vanligvis en relativ fuktighet på 45-55 masse-%, naturlige tørkede råvarer har en typisk relativ fuktighet på 28-35 masse-%.
En fordelaktig fremgangsmåte i følge oppfinnelsen omfatter følgende trinn:
(a) Råvarer/materialer med relativ fuktighet over 20 masse-% blir tørket ned til en relativ fuktighet på 0 - 20 masse-%. Dette skjer typisk som direkte tørking i trommeltørke hvor røykgasser injiseres, men andre tørkemetoder kan også anvendes. (b) Råvarene føres så, eventuelt etter mellomlagring, fra tørketrinnet eller direkte til en reaktor hvor råvarene (materialet) varmebehandles, eventuelt dampeksploderes. Dette skjer ved at etter at råvarene er ført inn i reaktoren, lukkes fylleventilen for flis og det blir injisert damp i reaktoren inntil temperaturen er kommet opp i 180 - 235 °C.
(c) Deretter holdes denne temperaturen i 1 - 12 min.
(d) Så utføres en trykkreduksjon i ett eller flere trinn. I den siste trykkreduksjon reduseres trykket til atmosfærisk trykk, og det behandlete materialet tømmes
ut av reaktoren.
Materialet har da blitt endret til en brunfarvet "tremasse" med en vesentlige mykere konsistens enn det inngående materialet (råvarene). Hvis den siste trykkreduksjonen skjer som et plutselig trykkfall er dette en dampeksplosjon i tradisjonell forstand. Hvis det siste trykkfallet skjer jevnt og forsiktig er det ingen dampeksplosjon som defibrerer materialet, men materialet får likevel en mykere konsistens og en karakteristisk brunfarve. Brunfarven skyldes at ligninet har blitt mykt opp og delvis frigjort gjennom oppholdet i det temperatuirntervall som er nevnt ovenfor.
Massen som tømmes fra reaktor tas imot i en mottakstank eller syklon hvor dampen skilles fra massen, slik at minst mulig kondensat fra dampen blir med som fuktighet videre. Materialet blir så eventuelt blandet med tørkede råvarer som er blitt malt i en slagmølle ned til en partikkelstørrelse egnet for pelletering. Det eventuelt innblandede trevirket har fordelaktig en fuktighet som ikke er høyere enn 18 masse-% og en typisk partikkelstørrelse som ikke er større enn 2 mm. Denne blandingsmassen, eller eventuelt ublandet materiale, blir så ført til pelletering. (e) Materialet føres deretter til pelletspresser, hvor pelleteringen typisk skjer ved at materialet presses gjennom sylindriske hull i en ringmatrise, og det komprimerte materialet som kommer ut blir kuttet til pellets. (f) De nyproduserte trepelletsene, som holder en høy temperatur og har en myk konsistens, blir deretter ført til en kjøler, som er en beholder hvor det føres luft gjennom, slik at man oppnår en kontrollert nedkjøling av pellets, og man reduserer samtidig volumet av finandeler. Ut fra kjøleren kommer så ferdige trepellets.
I den foreliggende oppfinnelse kan man optimalisere prosessen i reaktor på flere måter. De grunnleggende sammenhenger er at: - Øker man temperaturen, så kan man redusere oppholdstiden, senker man temperaturen, så må man øke oppholdstiden. Ved å øke temperaturen kan man dermed øke kapasiteten gjennom kortere oppholdstid. - Desto lavere inngående fuktighet, desto lavere dampforbruk, desto lavere energiforbruk og kortere fylletid for damp, dermed desto høyere produksj onskapasitet. - Øker man partikkelstørrelsen, så må man øke temperaturen og/eller oppholdstiden.
De optimale behandlingsbetingelser er ulike for de ulike treslag. Det forekommer også lokale variasjoner (bl.a. ut fra vekstforhold) innenfor de enkelte treslag, noe som fører til at optimeringen av prosessbetingelser gir best resultat når den foretas for den enkelte fabrikk.
Fordelene i forhold til mekanisk prosess for produksjon av pellets ligger i høyere kvalitet og høyere kapasitet. Høyere kvalitet består i at den dampeksploderte/ varmebehandlete massen har naturlige bindeegenskaper som langt overgår de bindeegenskaper trevirket har når det komprimeres mekanisk uten forutgående dampeksplosjon. Dette skyldes at cellulose, hemicellulose og lignin i noen grad er frigjort. De beste bindeegenskaper oppnås når man pelleterer dampeksplodert masse uten innblanding av ikke-dampeksplodert masse. Økningen i bindeegenskaper for pellets produsert av en blanding av mekanisk finmalt trevirke og dampeksplodert/ varmebehandlet masse i forhold til pellets produsert fra rent mekanisk finmalt trevirke er imidlertid så stor at dette gir en tilstrekkelig kvalitetsøkning i forhold til store deler pelletsmarkedet. De forbedrede bindeegenskaper fører til et lavere volum av finandeler, og en bedre holdfasthet. Dette er et av de mest sentrale kvalitetskriterier for pellets. Høyere kapasitet i pelletspressene, ved samme elektrisitetsforbruk, oppnås fordi dampeksplodert masse har en mykere konsistens og lettere lar seg pelletere enn mekanisk finmalt tre, og man kan også øke bulkvekten av pellets uten å øke elektrisitetsforbruket.
Det optimale blandingsforhold av dampeksplodert/varmebehandlet masse og annet tre i pellets avhenger av flere forhold, som gjeme er ulike for hver enkelt fabrikk. Hvilket treslag man bruker betyr mye, og råvaretilgangen for fabrikken i det hele. Forholdet mellom kostnader for elektrisitet og den termiske energi man bruker i reaktorprosessen er også viktig, fordi den delen som blandes med dampeksplodert masse blir finmalt i slagmølle på forhånd, noe som krever elektrisk energi. Det er også av stor betydning hvilket marked pelletsen skal leveres til, kvalitetsøkningens relative betydning kan være ulik. For noen markeder vil ingen innblanding være optimalt, dvs at man bare bruker dampeksplodert masse og/eller bare varmebehandlet masse, for andre markeder kan en innblanding på 20-25% være optimalt. I andre tilfeller kan det anvendes kun 10-20 masse-% dampeksplodert/varmebehandlet masse og 80-90 masse-% ikke-dampeksplodert trevirke.
Konsistensen av den dampeksploderte/varmedbehandlete massen virker også inn på pelletskvaliteten, og dermed hva som er optimale blandingsforhold. Partikkelstørrelsen for råvarene/materialet når det går inn i reaktoren er avgjørende for om massen blir et brunt pulver, som når inngående råvare er sagflis, eller om massen har en konsistens mer lik tørr revet torv, med lengre fiberbunter som er myke. Pellets fra den siste type masse gir enda bedre egenskaper med hensyn til liten andel finandeler enn dampeksplodert masse fra sagflis. For å lage denne type masse må den inngående råvare i reaktoren være langt større en typisk partikkelstørrelse for sagflis, og noen treslag er bedre egnet enn andre for å fremstille slik masse.
I den foreliggende fremgangsmåten er fuktigheten i råvarene når de går inn i reaktor for å dampeksploderes/varmebehandles vesentlig lavere (0-20 masse%) enn den fremgangsmåtene fra kjent teknikk (30 -45 masse%). Dette fører til at dampforbruket i reaktoren som er nødvendig for å varme opp materialet til den angitte temperatur er lavere, noe som gir lavere produksjonskostnader. Lavere dampbehov gir også kortere fylletid og trykkreduksjonstid for damp, noe som igjen gir et større antall porsjoner eller batcher pr. tidsenhet. Dette innebærer høyere produksjonskapasitet i en reaktor av en gitt størrelse.
I den foreliggende oppfinnelsen er det kun ett tørketrinn. Massen trengs ikke å tørkes før den går til pelletering. To tørketrinn betyr vesentlig høyere investeringskostnader enn om man bruker ett tørketrinn som i den foreliggende oppfinnelse. Når samme tørkekapasitet skal fordeles på to tørker, er investeringskostnadene betydelig høyere enn for en tørke som har den samlede kapasitet alene.
I den foreliggende oppfinnelse kan man alternativt foreta trykkavlastningen slik at man far en dampeksplosjon, eller man kan foreta trykkavlastningen så jevnt at man ikke får en dampeksplosjon, der valget mellom disse fremgangsmåter gjøres ut fra om materialet på forhånd er så finfordelt at det ikke er nødvendig å defibrere gjennom dampeksplosjon.
Den fremgangsmåten som er tilveiebrakt i følge den foreliggende oppfinnelse kan innpasses i eksisterende pelletsfabrikker som er basert på mekanisk finmaling og pelletering uten andre investeringer enn i reaktor(er), dampproduksjon, mottak av massen, og håndtering av dampen som skilles fra massen, samt eventuell blanding med mekanisk finmalt tre. Skal man dampeksplodere hele råvarestrømmen, settes reaktor inn isteden for finmaling (typisk med slagmølle) i produksjonslinjen. Skal man lage en blanding kan man eventuelt ta en del av råvarene etter tørken til reaktor og en del til mekanisk finmaling, - typisk ved at større partikler tas til reaktor. Skal man innpasse totrinns tørkemetoden fra kjent teknikk i eksisterende fabrikker måtte man i tillegg investert i ytterligere en tørke for tørking av massen etter dampeksplosjon, dvs. før massen pelleteres. Man kunne heller ikke i praksis benyttet samme tørke for råvarer som skulle dampeksploderes og den del av råvarene som eventuelt skulle finmales mekanisk, siden kravet til relativ fuktighet etter tørken er vidt forskjellig i de to tilfellene.