Как вид травы и соломы влияет на качество топливных гранул

В данной работе проведен однофакторный эксперимент для изучения влияния типов биомассы на плотность в расслабленном состоянии, объемное расширение, прочность, гидрофобность и энергопотребление при обработке. Проанализированы различия в качестве получаемых пеллет и определены оптимальные условия уплотнения для различных видов биомассы, включая солому, древесину твердых пород, скорлупу и травянистые растения.

Результаты показали, что при усилии прессования 60–1500 Н, времени выдержки 10 с, размере частиц менее 0,5 мм и влажности 10% релаксированная плотность гранул из соломы кукурузы, соломы риса, обогащенной селеном рисовой соломы, веток вейгелы и листьев камфорного дерева составляет от 360 до 820 кг/м³, а энергопотребление процесса — от 17 360 до 28 740 Дж/кг. В то же время для полыни, кормовых трав, зеленой травы и скорлупы арахиса эти показатели составили 340–840 кг/м³ и 33 510–73 700 Дж/кг соответственно.

Таким образом, предварительная обработка методом уплотнения позволяет эффективно регулировать плотность гранул из биомассы и снижать энергопотребление процесса. Данное исследование проанализировало различия в качестве гранул, обусловленные природными характеристиками биомассы, что создает прочную основу для разработки технологий направленной деполимеризации и улучшенной предварительной обработки, необходимых для крупномасштабного производства спиртового топлива из биомассы.

В последние десятилетия из-за урбанизации и индустриализации [1,2] чрезмерное использование традиционных источников энергии привело к тому, что мир столкнулся с серьезным энергетическим кризисом [3,4], оказывающим воздействие на окружающую среду и здоровье человека [5,6]. Однако, благодаря технологическому прогрессу и росту населения, спрос на энергию продолжает расти [7], что еще больше усугубляет текущую энергетическую ситуацию. Возобновляемые источники энергии, такие как гидроэнергия, энергия ветра и биоэнергия, могут частично заменить ископаемое топливо и смягчить кризис. К 2018 году возобновляемые ресурсы составляли приблизительно 20% мирового потребления энергии, при этом энергия биомассы составляла 9% от общего объема первичного энергоснабжения в мире [8]. В частности, в некоторых скандинавских странах биомассу обычно прессуют в пеллеты для использования. В 2015 году мировое производство пеллет из биомассы достигло 25,6 млн тонн, а в 2016 году мировая торговля пеллетами из биомассы составила 16,5 млн тонн [9]. Китай обладает обильными ресурсами биомассы, включая солому сельскохозяйственных культур, отходы переработки сельхозпродукции, лесные отходы, энергетические культуры, муниципальные отходы и органические отходы, что в сумме составляет приблизительно 460 млн тонн в эквиваленте условного топлива каждый год [10]. Хотя ежегодно производится более 700 млн тонн соломы, она рассредоточена на площади более 100 млн квадратных километров [11,12], что приводит к высоким транспортным и логистическим затратам, а также к трудностям со сбором, хранением и транспортировкой [13,14]. Кроме того, по пространственным и сезонным причинам поставки нестабильны [15], а рыхлая структура сырья из биомассы не подходит для длительного хранения, что ограничивает его крупномасштабную переработку и применение [16].

Технология уплотнения биомассы позволяет преобразовывать аморфное и низкоплотное сырье в «зеленые», чистые и эффективные топливные гранулы под механическим давлением [11,17,18], тем самым повышая эффективность хранения и транспортировки биомассы. В зависимости от технологических характеристик технология уплотнения примерно подразделяется на уплотнение с нагревом, уплотнение при комнатной температуре, уплотнение при постоянной температуре и влажности, а также уплотнение с карбонизацией [11]. Физические свойства пеллет в основном включают насыпную плотность и гидрофобность, в то время как механические свойства в основном включают прочность на сжатие и долговечность (прочность). Энергопотребление используется в качестве оценочного показателя производства [19], и на эти характеристики в основном влияют различные факторы, такие как тип сырья, влажность (4–15%), размер частиц (менее 2,5 мм), давление прессования (60–130 МПа), температура нагрева (343–423 К) и метод уплотнения [20]. Существуют значительные различия в физических и механических свойствах пеллет из разной биомассы, которые оказывают существенное влияние на их хранение, транспортировку и использование. Соответствующее давление способствует формированию плотной и компактной структуры, помогая пеллетам сохранять целостность и стабильность. Stelte и др. [21] обнаружили, что с увеличением давления плотность пеллет значительно увеличивается, а когда давление превышает 250 МПа, плотность увеличивается незначительно. Более того, на давление прессования влияют различные факторы, такие как тип биомассы, влажность, размер частиц и температура. Влага, содержащаяся в сырье, может действовать как естественная смазка [22]. Кроме того, чрезмерно низкая влажность может снизить пластичность и увеличить трение между частицами, что приводит к повышенному энергопотреблению; тогда как чрезмерно высокая влажность может снизить плотность упаковки между слоями частиц [23], затрудняя уплотнение. Таким образом, влажность необходимо контролировать на основе предполагаемого идеального состояния, точно регулируя соотношение сухого сырья и влаги и корректируя параметры процесса уплотнения. В условиях более высокой влажности, благодаря компактной структуре и более высокой насыпной плотности пеллет, гидрофобность в определенной степени повышается, позволяя им противостоять впитыванию влаги из воздуха, снижая водопроницаемость и тем самым усиливая способность пеллет выдерживать условия хранения [24,25]. Возгорание пеллет во время транспортировки может вызвать взрывы [26,27], создавая проблемы безопасности. Чтобы минимизировать транспортные расходы и снизить риск возгорания, вызванного взрывами пыли [28], пеллеты не должны подвергаться физическим повреждениям во время уплотнения и использования.

Обычное уплотнение биомассы направлено на производство топливных гранул с высокой плотностью энергии, при этом плотность контролируется в пределах 1100–1400 кг/м³. Данное исследование решает проблемы транспортировки, вызванные изменчивостью различных типов биомассы, используя технологию уплотнения для производства пеллет из измельченного сырья с более низкой плотностью (500–700 кг/м³), что позволяет экономить пространство и требует более низкого энергопотребления, что выгодно для повышения эффективности транспортировки и снижения производственных затрат. Было изучено влияние различных пеллет на физические и механические свойства; выбранные категории биомассы включали солому, древесину, скорлупу и травы. Во-первых, был определен и проанализирован химический состав и физико-химические свойства сырья. Затем точно контролировали количество добавляемого сырья для регулировки плотности пеллет и анализировали изменения их объемного расширения. Наконец, путем сочетания морфологических характеристик и гидрофобности была оценена физическая качество, и была установлена взаимосвязь между энергопотреблением и релаксированной плотностью. Используемый компрессор относится к типу с регулированием постоянного хода, поэтому при одинаковых условиях перемещения сжатия объем пеллет остается неизменным. В промышленной практике пеллетирования необходимо проектировать соответствующие пресс-формы на основе технических параметров пресса, причем максимальная вместимость используемой формы составляет около 5 см³, требующая предварительного уплотнения сырья перед прессованием. Конечные произведенные пеллеты необходимо транспортировать на заводы по переработке спиртового топлива для измельчения. Стабильность уплотненных пеллет относительно низкая, с высокой степенью разрушаемости и низкими энергозатратами, за которыми следует кислотно-щелочная предварительная обработка для улучшения качества, и, наконец, высококачественный биоэтанол производится с помощью ферментативного гидролиза и других технических средств. Таким образом, значимость этого исследования заключается в использовании технологии уплотнения для предоставления пеллет с более низкой плотностью, решения проблем дальних транспортировок и хранения различного сырья из биомассы, а также в объединении параметров уплотнения и энергопотребления производства для комплексной оценки прикладной ценности различных пеллет из биомассы, повышения их рыночной конкурентоспособности, тем самым удовлетворяя потребности в разнообразии и дифференциации хранения, использования и эффективной транспортировки.

2.1. Экспериментальные материалы и оборудование

Сырье из биомассы демонстрирует значительные различия в своих характеристиках уплотнения. Согласно категориям, экспериментальное сырье включало солому (солома кукурузы (CS), солома риса (RS) и обогащенная селеном рисовая солома (SS)), древесину твердых пород (ветки вейгелы (WJ) и листья камфорного дерева (CLs)), скорлупу (скорлупа арахиса (PSs)) и травянистые растения (полынь (AW), кормовые травы (FG) и зеленая трава (GR)), как показано на рисунке 1. Для измельчения сырья использовали мельницу (CM100M, Glitterman Instrument Equipment Co., Ltd., Пекин, Китай), а порошок размером менее 0,5 мм просеивали и герметично упаковывали для последующих экспериментов по уплотнению.

Рисунок 1. Топография соломы кукурузы (a), соломы риса (b), обогащенной селеном рисовой соломы (c), веток вейгелы (d), листьев камфорного дерева (e), скорлупы арахиса (f), полыни (g), кормовых трав (h) и зеленой травы (i).

Для уплотнения пеллет использовали автоматический гидравлический пресс (Y32-5T, Lituo Machinery Co., Ltd., Чжэнчжоу, Китай); его параметры показаны в таблице 1. Четырехколонный гидравлический пресс с вертикальной конструкцией имеет независимый силовой механизм и электрическую систему, использует кнопочное централизованное управление (картриджная интегрированная система YJ32-50T) и оснащен системой толчкового и полуавтоматического режима работы (с функцией автоматического возврата). Гидравлическая силовая система состоит из устройств преобразования энергии (насос и цилиндр), устройств регулирования энергии (клапаны) и устройств передачи энергии (масляный бак и трубопровод). Под управлением электрической системы подвижная балка приводится в движение, и цикл процесса уплотнения с фиксированным ходом завершается регулировкой рабочего давления, скорости прессования и хода. Корпус соединен верхней балкой, подвижная балка и нижняя балка соединены четырьмя колоннами, и замкнутая жесткая рама образуется затягиванием гайки для восприятия усилия гидравлического пресса. При работе подвижная балка соединена со штоком поршня главного цилиндра и перемещается вверх и вниз по направляющей колонны. Устройство ограничения хода состоит из направляющей пластины и путевых выключателей и регулирует различные положения путевых выключателей для верхнего предельного выключателя.

Таблица 1. Технические параметры гидравлического пресса.

Процесс уплотнения в основном включает гидравлический пресс, пресс-форму, датчик силы (JHBM-4, Zhongwan Jinnuo Sensor Co., Ltd., Бэнбу, Китай), интеллектуальный дисплейный контроллер (MCK-Z-I) и модуль сбора данных (режим связи Modbus, способный к динамическому отображению в реальном времени значений нагрузки, количества точек сбора и экспериментальных кривых), как показано на рисунке 2. Гидравлический пресс может работать при различных нагрузках, контролируемых датчиком силы (80 000 Н, точность 0,01 Н), что позволяет точно контролировать и поддерживать испытательное усилие, деформацию и перемещение.

Рисунок 2. Структурная схема гидравлического пресса и модуля уплотнения. ((1) Интеллектуальный дисплейный контроллер, (2) направляющая пластина, (3) датчик силы, (4) рабочий стол, (5) подвижная балка, (6) путевой выключатель, (7) корпус, (8) цилиндр, (9) масляный бак, (10) основание формы, (11) внутренняя форма, (12) выталкиватель, (13) съемник формы, (14) гильза формы).

2.2. Методы прессования

Принцип работы гидравлического пресса заключается в определении усилия прессования путем контроля перемещения, изменении массы для обеспечения возможности сжатия сырья биомассы в пеллеты, а затем в оценке долговечности, и, наконец, в оптимизации условий уплотнения для точного регулирования плотности пеллет. Процесс уплотнения сырья биомассы показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Схематическая диаграмма процесса уплотнения сырья биомассы.

(1) Сырье биомассы следует добавить в пресс-форму; затем слегка постучать по ней.

(2) Поместить пресс-форму на рабочий стол, отрегулировать вертикальное совмещение выталкивателя с формой, выровняв конец выталкивателя на одном уровне с верхней частью формы, а затем установить параметры на автоматическое прессование.

(3) Сжатие следует проводить со скоростью 2,0 мм/с. Остановиться при достижении заданного значения перемещения и выдержать в течение 10 с (для подавления эффекта отскока); затем следует зарегистрировать усилие прессования.

(4) Использовать съемник формы для извлечения из формы и слегка постучать по внутренней форме, чтобы обеспечить целостность пеллет в виде небольших цилиндров.

(5) Использовать аналитические весы с точностью ±0,001 г для измерения массы пеллет и электронный штангенциркуль с точностью ±0,01 мм для измерения диаметра и длины. Наконец, оценить энергопотребление процесса.

Повторить вышеуказанные шаги (1)~(5) для изготовления не менее 3 гранул каждого сырья. Во время сжатия масса пеллеты не изменяется. Другие рабочие параметры следующие: сырье биомассы предварительно высушивают, добавляют 10% воды с помощью пипетки в соответствии с массовым соотношением (9:1), перемешивают, накрывают пищевой пленкой и оставляют на 12 ч до равномерного смешивания влаги, связующее не добавляют. При комнатной температуре (298 ± 5 К) спрессованные пеллеты имеют диаметр 8 мм и длину 12 мм. Зависимой переменной является количество добавляемого сырья (0,360, 0,420, 0,480, 0,540, 0,600 и 0,660 г), а соответствующей независимой переменной является усилие прессования.

2.3. Определение физико-химических свойств сырья биомассы

2.3.1. Определение технического анализа

Согласно «Методу технического анализа для твердых биотоплив (GB/T 28731-2012)» [29], зольность и содержание летучих веществ в сырье биомассы определяли с использованием муфельной печи (KF1200, Boyuntong Instrument Technology Co., Ltd., Нанкин, Китай).

2.3.2. Определение элементного анализа

Содержание элементов C, H, N и S измеряли с использованием органического элементного анализатора (Vario MACRO Cube, Elementar, Германия).

2.3.3. Определение теплотворной способности

Основываясь на [30], высшую теплотворную способность определяли с использованием калориметрической бомбы (HYHW-8A, Huayu Instrument Co., Ltd., Хэби, Китай).

2.3.4. Определение насыпной плотности и плотности после утряски

Для измерения насыпной плотности использовали измеритель насыпной плотности (FBS-1003, Forbes Testing Equipment Co., Ltd., Сямынь, Китай). Помещали высушенный порошок биомассы внутрь воронки, открывали поршень и позволяли ему стекать в мерный цилиндр (50 мл). Линейкой выравнивали поверхность порошка по краю цилиндра и рассчитывали насыпную плотность по уравнению (1).

где ρ_bd — насыпная плотность, кг/м3; ρ_td — плотность после утряски, кг/м3; m_gc — масса мерного цилиндра, кг; m_T — общая масса мерного цилиндра и порошка, кг; а V_gc — объем мерного цилиндра, м3. (Объем уплотнения пеллет составляет около 6 × 10−5 м3).

Согласно «Порошки — Определение плотности после утряски (GB/T 21354-2008)» [31], мерный цилиндр удерживали вручную и слегка постукивали им о толстую резиновую прокладку, чтобы предотвратить разрыхление поверхности порошка до тех пор, пока объем порошка не переставал уменьшаться. Если поверхность была неровной, среднее значение самой высокой и самой низкой точек поверхности после утряски принимали за объем после утряски. Метод расчета плотности после утряски был таким же, как и для насыпной плотности в уравнении (1).

2.4. Показатели оценки и методы измерения для пеллет из биомассы

Физические свойства пеллет из биомассы включают плотность, химический состав, теплотворную способность, влажность, зольность, содержание летучих веществ, содержание фиксированного углерода и т.д. Механические свойства включают форму и размер, степень измельчения, шлакообразование, характеристики горения, долговечность и стабильность, а также энергопотребление процесса во время уплотнения.

2.4.1. Определение плотности при прессовании

Процесс уплотнения биомассы в основном включает две части: прессование и извлечение из формы [32]. Плотность пеллет — это плотность при прессовании (ρ_пп) после извлечения из формы и релаксированная плотность (ρ_rd), измеренная через 120 мин, рассчитываемая по уравнению (2) [33].

где ρ_cd — плотность пеллет при прессовании, кг/м3; m_c — масса, кг; d — диаметр, м; а h — высота, м.

2.4.2. Определение объемного расширения

Объемное расширение относится к отношению объема пеллет из биомассы после уплотнения и расширения к объему, когда они не расширены. Пеллеты из биомассы с более высоким объемным расширением создадут больше пустот в процессе сгорания, что способствует диффузии кислорода и повышает эффективность сгорания. Однако зола, образующаяся при сгорании, может повлиять на эффективность работы и срок службы сжигающего оборудования. Таким образом, понимание объемного расширения пеллет из биомассы полезно для повышения эффективности сгорания и характеристик продуктов сгорания, а также для сокращения выбросов твердых частиц. Мы рассчитали объемное расширение на основе данных ρ_пп и ρ_рп, как в уравнении (3).

где V_р — объемное расширение пеллет; ρ_cd — плотность при прессовании, кг/м3; а ρ_rd — релаксированная плотность, кг/м3. Во время процесса уплотнения изменение массы незначительно; следовательно, m_r приблизительно равно m_c.

2.4.3. Определение долговечности (прочности)

Мы помещали пеллеты на вибрационное сито со скоростью 120 об/мин на 10 мин и измеряли долговечность, рассчитывая процент оставшейся массы пеллет после механической вибрации [34], как в уравнении (4).

где D — индекс долговечности, %; m_c — масса пеллет, кг; а m_w — масса после механической вибрации, кг.

2.4.4. Определение гидрофобности

Мы помещали пеллеты в камеру постоянной температуры и влажности (HWS-50, Shangcheng Instrument Manufacturing Co., Ltd., Шаосин, Китай) при температуре 303 К и влажности 70%, измеряя массу пеллет каждые 30 мин до тех пор, пока изменение веса не оставалось стабильным после непрерывного взвешивания, что указывало на достижение пеллетами состояния насыщенного влажностного равновесия, и регистрировали влажность в этот момент как равновесную влажность, рассчитываемую по уравнению (5) [35].

где EMC — равновесная влажность пеллет, %; m_c — масса, кг; а m_e — масса при достижении равновесия водопоглощения, кг.

2.4.5. Определение энергопотребления процесса

Энергия, необходимая для уплотнения биомассы, в основном зависит от усилия прессования и влажности, а также связана с физическими свойствами сырья биомассы и методом уплотнения. Хотя работа уплотнения не зависит от размера пресс-канала, процесс извлечения из формы требует больше энергии из-за трения и меньшей площади поперечного сечения пресс-канала [32]. Спроектированная в этом эксперименте пресс-форма имела боковые швы на внутренней стороне гильзы, что позволяло легко отбирать пробы, слегка постукивая по верху формы, что снижало энергию, необходимую для извлечения из формы. Работа, необходимая для сжатия сырья биомассы, определялась по значениям сила-перемещение, рассчитываемым по уравнению (6) [36].

где F_i — усилие прессования в момент времени i, Н; а s_i — перемещение в момент времени i, м.

Усилие прессования можно собирать с помощью интеллектуального дисплейного прибора на конце преобразователя сигнала датчика силы, в то время как значение перемещения рассчитывали по уравнению (7).

где M — масса порошка биомассы, кг; d — диаметр пеллет, м; а ρ_td — плотность после утряски, кг/м3.

Энергопотребление процесса — это энергия, потребляемая на единицу массы порошка во время процесса уплотнения, рассчитываемая по уравнению (8).

где w — энергопотребление процесса, Дж/кг; W_общ — общая работа, Дж; m_c — масса пеллет, кг; F — усилие прессования, Н; s — перемещение прессования, м; i — мгновенное значение перемещения прессования; а n — конечное значение перемещения прессования.

3.1. Физико-химические свойства сырья биомассы

В таблице 2 представлены результаты технического и элементного анализа различного сырья биомассы. Зольность RS и SS была относительно высокой — 12,55% и 12,81%; содержание фиксированного углерода в CS и WJ было относительно высоким — 13,72% и 13,83%; содержание летучих веществ в CLs и FG было относительно высоким — 89,77% и 90,09%. Элементный анализ показывает, что содержание углерода в CLs и PSs было относительно высоким — 54,98% и 51,77%; содержание кислорода в них было относительно низким — 36,61% и 32,06%. Содержание водорода в разном сырье биомассы было сходным, в то время как содержание азота и серы было низким, что полезно для последующего энергетического и ресурсного использования.

Таблица 2. Технический анализ, элементный анализ и плотность соломы кукурузы, соломы риса, обогащенной селеном рисовой соломы, веток вейгелы, листьев камфорного дерева, скорлупы арахиса, полыни, кормовых трав и зеленой травы.

Из таблицы 2 видно, что после утряски порошка биомассы в условиях естественного насыпания насыпная плотность и плотность после утряски различаются, поскольку физические структуры определяются содержанием различных химических компонентов. Масса единицы объема CS, RS и SS увеличилась на 110 кг, 80 кг и 140 кг; масса WJ, CLs и PSs увеличилась на 160 кг, 100 кг и 110 кг; масса AW, FG и GR увеличилась на 50 кг, 70 кг и 100 кг. AW имела самую низкую насыпную плотность (150 кг/м3) по сравнению с FG и GR, что указывает на то, что она относительно рыхлая, с наибольшими зазорами между частицами порошка. В одинаковом объеме доля массы от наибольшей к наименьшей была следующей: WJ, CLs, PSs, SS, GR, FG, RS, CS и AW. Видно, что плотность порошка древесины была больше, с меньшими зазорами между частицами порошка, что приводит к более жесткому структурному составу и потребляет больше энергии; в то время как плотность порошка соломы и трав была меньше, с более низкой насыпной плотностью в естественном состоянии, занимая больше места для одинаковой массы сырья, что приводит к рыхлому структурному составу, требующему меньшего усилия прессования и потребляющего меньше энергии. Eisenbies и др. [37] изучили три метода измерения насыпной плотности, которые дали различные результаты для коммерческой уборки щепы из биомассы ивы. Насыпная плотность является важной величиной для принятия решений, которая влияет на всю цепочку поставок, поэтому важно иметь значения, основанные на измерениях с использованием оборудования, которое будет использоваться в коммерческих операциях. Основываясь на этом исследовании, к единичным значениям насыпной плотности, полученным из литературы, следует относиться с некоторой осторожностью, понимая, что значения для такого сырья, как солома и древесина, могут быть весьма вариабельными в зависимости от ряда факторов, таких как уборочное оборудование, характеристики культуры и полевые условия.

3.2. Физические свойства пеллет из биомассы

На рисунке 4 показаны характеристики уплотнения сырья биомассы. С увеличением усилия прессования плотность при прессовании увеличивается, а объемное расширение уменьшается. Соответственно высокое усилие прессования может разрушить микроструктуру сырья биомассы, сформировать новую фазовую структуру и увеличить прочность и жесткость продукта, в результате чего пеллеты из биомассы становятся более компактными, а объем уменьшается. Более высокая плотность обычно приводит к лучшей долговечности, отражая способность пеллеты противостоять разрушению при воздействии внешних сил. Следовательно, существует взаимосвязь между усилием прессования (рисунок 4a), плотностью при прессовании (рисунок 4b), объемным расширением (рисунок 4c) и долговечностью (рисунок 4d). Правильное усилие прессования может увеличить плотность пеллет, уменьшить объемное расширение и повысить долговечность. Из рисунка 4c,f видно, что релаксированная плотность пеллет CS составляет 440–820 кг/м3, они склонны к пластическому отскоку, с объемным расширением 1,32–1,39. CS имеет более крупные сосуды, что позволяет влаге беспрепятственно передаваться и обеспечивать смазку; благодаря высокому содержанию целлюлозы в CS порошок может эффективно связываться во время пластической деформации, повышая прочность сцепления между частицами. Релаксированная плотность пеллет RS составляет 360–640 кг/м3, с объемным расширением 1,70–2,00. RS состоит из внутренних и наружных цветковых чешуй, соединенных двумя крючкообразными структурами, и из-за высокого содержания диоксида кремния покрыта слоем кремнистого сырья, что делает ее жесткой коротковолокнистой соломой. В процессе уплотнения она склонна к разрушению под действием усилия прессования, в результате чего образуется относительно однородный мелкий порошок. При равной деформации смещения усилие прессования на RS составляет 60–500 Н, что относительно высоко, и это можно объяснить ее высокой зольностью, приводящей к недостаточному пространству для сжатия мелкого порошка после уплотнения и фрагментации. Ее богатые кремнеземом характеристики препятствуют адекватной передаче и связыванию влаги внутри порошка, не позволяя эффективно снижать трение. С увеличением усилия прессования релаксированная плотность SS составляет 400–710 кг/м3, с объемным расширением 1,50–1,74. По мере уменьшения зазоров между частицами порошка плотность при прессовании постепенно увеличивается, и когда плотность достигает определенного уровня, она стабилизируется, при этом высота пеллет остается практически неизменной, главным образом потому, что ее плотность приближается к плотности клеточных стенок частиц [38].

Рисунок 4. Характеристики уплотнения соломы кукурузы (CS), соломы риса (RS), обогащенной селеном рисовой соломы (SS), веток вейгелы (WJ), листьев камфорного дерева (CLs), скорлупы арахиса (PSs), полыни (AW), кормовых трав (FG) и зеленой травы (GR). С увеличением массы сырья, изменения усилия прессования (a), плотности при прессовании (b), объемного расширения (c), индекса долговечности (d), деформации смещения (e) и релаксированной плотности (f).

Из рисунка 4c,f видно, что релаксированная плотность пеллет WJ составляет 510–770 кг/м3, с минимальным пластическим отскоком и плотным связыванием, а объемное расширение составляет 1,18–1,43. Релаксированная плотность пеллет CL составляет 570–720 кг/м3, с объемным расширением 1,49–1,58, демонстрируя минимальное расширение и более низкие связующие свойства. Релаксированная плотность PSs составляет 460–840 кг/м3, что относительно высоко; объемное расширение составляет 1,30–1,40. PSs имеют высокое содержание лигнина и волокон эпидермиса, и после измельчения они производят множество сетчатых материалов. В процессе уплотнения, из-за высокой степени одревеснения PSs, их длинные и прочные волокна требуют больше энергии для разрушения сетки на мелкий порошок, в результате чего максимальное усилие прессования, необходимое при одинаковой деформации смещения, составляет 60–1500 Н.

Из рисунка 4c,f видно, что релаксированная плотность пеллет AW, FG и GR составляет 340–730 кг/м3, 430–700 кг/м3 и 400–650 кг/м3, со значительным пластическим отскоком; объемное расширение составляет 1,51–1,85, 1,40–1,60 и 1,68–1,92, демонстрируя высокое расширение. Жиры и воски, содержащиеся в травах, снижают взаимодействие между частицами во время процесса уплотнения, уменьшая усилия сжатия между соседними частицами и вызывая снижение прочности их сцепления, что приводит к явлениям расширения. Из-за различий в присущих характеристиках различной биомассы, а также изменений внутренней влаги и касательных напряжений пеллет, плотность при прессовании постепенно уменьшается после извлечения из формы, в то время как объемное расширение непрерывно увеличивается и имеет тенденцию к стабилизации с увеличением времени выдержки. В процессе уплотнения в радиальном направлении частицы трав связываются и полностью вытягиваются за счет взаимного зацепления [39], в то время как в осевом направлении частицы трав контактируют друг с другом и связываются за счет сил Ван-дер-Ваальса, электростатических сил и адсорбционных слоев, причем осевое расширение намного больше, чем радиальное [40]. Следовательно, существуют значительные различия в релаксированной плотности и объемном расширении CS, RS, SS, WJ, CLs, PSs, AW, FG и GR, и на качество уплотнения влияют различные факторы. Характеристики уплотнения различной биомассы демонстрируют очевидные различия, что объясняется их различным структурным составом и содержанием компонентов, а также неравномерным размером частиц, что приводит к значительным вариациям в сложности уплотнения.

Из рисунка 4e видно, что при количестве сырья биомассы 480 кг и усилии прессования 150 Н деформация смещения RS является наибольшей и составляет 24,08 мм; при количестве сырья биомассы 360 кг и усилии прессования 70 Н деформация смещения WJ является наименьшей и составляет 14,11 мм; при количестве сырья биомассы 660 кг деформация смещения AW, FG и GR составляет 18,08, 18,92 и 20,06 мм, что указывает на относительно большую деформацию смещения, что объясняется относительно крупными сосудистыми пучками травянистых растений, которые легко измельчаются и подвергаются пластической деформации. По мере увеличения усилия прессования зазоры между травянистым порошком в основном заполняются, пластическая деформация становится доминирующей, и форма и положение пеллет меняются, сопровождаясь разрывом и перестройкой во время деформации. При усилии прессования 300 ± 50 Н размеры деформации различной биомассы находятся в порядке GR > AW > RS > SS > FG > CLs > PSs > WJ > CS. Факторы, влияющие на долговечность, довольно сложны и возникают не только из-за химического состава и структуры самой биомассы, но также связаны с влажностью, усилием прессования и временем прессования среди прочих внешних факторов. Из-за взаимного воздействия между частицами порошка биомассы, а также между порошком и оборудованием, наряду с соответствующим касательным напряжением, пеллеты склонны к разрушению и потере порошка. При одинаковом количестве сырья биомассы пеллеты CS, WJ, PSs и AW демонстрируют хорошую долговечность, что делает их менее склонными к рассыпанию во время транспортировки, тем самым повышая их физическое качество.

Плотность пеллет является важным физическим свойством, тесно связанным с требованиями к хранению и плотностью энергии [41]. Все значения плотности при прессовании и релаксированной плотности различаются для различных типов сырья. Релаксированная плотность всех пеллет незначительно снижалась, особенно для травянистых пеллет, из-за наиболее выраженного эффекта отскока. Более высокая плотность при прессовании указывает на более высокое качество пеллет, в то время как более высокая релаксированная плотность указывает на больший потенциал и пригодность для уплотнения. Сравнивая плотность при прессовании и релаксированную плотность пеллет с насыпной плотностью сырья, плотность соломенного сырья увеличилась в 1,1–3,2 раза в процессе уплотнения, древесного сырья — в 1,0–1,7 раза, травянистого сырья — в 1,4–3,7 раза, а PSs — в 1,3–2,5 раза. Объемное расширение представляет собой сравнение изменений плотности, поскольку пеллеты высыхают и дают усадку при хранении. Пеллеты с меньшим абсолютным значением коэффициента расширения обладают большей стабильностью [42]. Объемное расширение происходит в точках, где длина пеллет больше их диаметра, так как приложенное усилие в основном направлено радиально. Коэффициент расширения является положительной величиной, причем основными изменениями являются увеличение длины и диаметра, что демонстрирует, что биомасса является эластичным сырьем. Соломенное и травянистое сырье демонстрирует большее расширение, в то время как древесное сырье и PSs имеют меньшее расширение. При параметрах процесса уплотнения пеллеты в основном демонстрируют небольшую пластическую деформацию. Прочность пеллет является показателем твердости и долговечности и напрямую связана с плотностью пеллет и приложенным усилием [41,42]. Более высокая долговечность подходит для транспортировки и хранения, с минимальным образованием мелкого порошка. Более низкая долговечность может привести к образованию пор и зазоров, снижая сопротивление деформации [43].

На рисунке 5 показана видимая физическая морфология пеллет из биомассы. Как показано, в условиях уплотнения 298 ± 5 К, усилие прессования 60–1500 Н, время прессования 10 с, размер частиц менее 0,5 мм и влажность 10%, поверхности пеллет из биомассы демонстрируют различную физическую морфологию. Пеллеты CS (рисунок 5a) не имеют видимых трещин и обладают хорошим эффектом уплотнения, что указывает на прочное сцепление между частицами. Пеллеты RS (рисунок 5b) и SS (рисунок 5c) имеют относительно гладкие поверхности с очень небольшим количеством зазоров, что указывает на хорошие эффекты сцепления между частицами порошка; однако также наблюдается слоистое поперечное сечение, что дополнительно подтверждает явление «расслоения» [44], когда между слоями имеется множество наполнителей, которые действуют как твердые мостики, обеспечивающие сцепление. Следовательно, спрессованные пеллеты имеют низкую стойкость к сдвигу, что приводит к снижению долговечности. Пеллеты CLs (рисунок 5e) мягкие и легко разрыхляются, с незначительным сцеплением между частицами порошка и плохим эффектом уплотнения. Пеллеты WJ (рисунок 5d) и PSs (рисунок 5f) имеют гладкие и ровные поверхности, без заметного пластического отскока и почти без видимых зазоров между частицами порошка. Длинные волокна в поперечном сечении переплетены, механическое взаимное зацепление и сетевая структура, которые могут эффективно противостоять силе разрушения, вызванной пластическим отскоком после прессования, что приводит к значительной прочности сцепления. Кроме того, можно наблюдать наполнители между частицами порошка, главным образом из-за того, что лигнин выдавливается из клеток на поверхность частиц под высоким усилием прессования, размягчается за счет тепла трения и кристаллизуется между частицами при охлаждении, создавая твердые мостики, которые эффективно повышают прочность сцепления между частицами. Поскольку WJ и PSs содержат более высокое содержание лигнина, количество твердых мостиков больше, что приводит к лучшей релаксированной плотности и, следовательно, к большей долговечности. Пеллеты AW (рисунок 5g), FG (рисунок 5h) и GR (рисунок 5i) имеют неровные поверхности со многими зазорами, что является основным фактором их низкой релаксированной плотности, а также указывает на меньшую площадь контакта между частицами порошка, что приводит к лучшей долговечности. Наружные поверхности порошков AW, FG и GR покрыты толстой кутикулой, и воск в кутикуле препятствует образованию водородных связей между частицами, что приводит к снижению прочности сцепления; наличие воскового слоя уменьшает силы Ван-дер-Ваальса между восковым слоем и частицами, а более толстый восковый слой усугубляет его когезионное разрушение.

Рисунок 5. Уплотненные пеллеты из соломы кукурузы (a), соломы риса (b), обогащенной селеном рисовой соломы (c), веток вейгелы (d), листьев камфорного дерева (e), скорлупы арахиса (f), полыни (g), кормовых трав (h) и зеленой травы (i). Объем пеллет был одинаковым, усилие прессования постепенно увеличивалось, а масса составляла 0,360, 0,420, 0,480, 0,540, 0,600 и 0,660 г.

Учитывая физические свойства сырья биомассы, конструкцию и дизайн пресс-форм, а также процесс уплотнения, некоторые пеллеты из биомассы демонстрируют внутренние дефекты [45]. Треснувшие пеллеты являются распространенным дефектом, который обычно возникает во время хранения из-за потери влаги и отскока сырья, как показано на рисунке 5. Игнорируя негативное влияние на прочность и твердость пеллет, расколотые пеллеты могут иметь лучшие характеристики сгорания. Разрушенные пеллеты означают меньшее количество твердых мостиков и более слабые короткодействующие силы (водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса и электростатические силы) [46]. Химический состав сырья различается, и сущность преобразования сырья в пеллеты заключается в комплексном воздействии тепла, влаги, усилия прессования, трения и механического сдвига на гемицеллюлозу, целлюлозу, лигнин, крахмал, белки, жиры и масла во время процесса уплотнения [46]. Распределение сырья в канале пресс-формы и усилия, прикладываемые во время уплотнения, могут влиять на отскок сырья и вызывать изгиб, что объясняется переплетением и складыванием гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина между пеллетами и волокнами [46]. Изогнутые пеллеты также считаются результатом упругости и пластичности различного сырья биомассы. Сочетание подходящих пресс-форм уплотнительного оборудования, разумного процесса уплотнения и высококачественного сырья биомассы необходимо для предотвращения этих дефектов в пеллетах [47].

На рисунке 6 показана кривая водопоглощения пеллет из биомассы при влажности 70%. Как показано, скорость водопоглощения пеллет CS (рисунок 6a) и SS (рисунок 6c) относительно быстрая. Когда время водопоглощения достигает 2400 мин, скорость поглощения замедляется, а после 7200 мин максимальное содержание поглощенной воды составляет 4,24% и 2,45%, что полезно для усиления переноса и сцепления между частицами. Скорость обезвоживания RS (рисунок 6b) относительно медленная: когда время обезвоживания достигает 120 мин, содержание поглощенной воды приближается к насыщению, с максимальным количеством обезвоженной воды 0,18%. Это связано с тем, что, хотя RS содержит большее количество полярных веществ [48], длинные волокна переплетаются под более высоким усилием прессования, значительно увеличивая взаимодействие и силы сцепления между частицами [49], эффективно улучшая релаксированную плотность и уменьшая поверхностную пористость, обеспечивая хорошую гидрофобность. Максимальное количество обезвоженной воды пеллет WJ (рисунок 6d) составляет 0,98%, что указывает на высокую гидрофобность из-за их более высокой релаксированной плотности, делающей пеллеты относительно компактными с меньшим количеством поверхностных зазоров, что затрудняет проникновение влаги. Максимальное количество обезвоженной воды пеллет CL (рисунок 6e) составляет 1,60%, демонстрируя наилучшую гидрофобность; когда время водопоглощения составляет 120 мин, количество обезвоженной воды составляет 0,38%, а после 960 мин оно приближается к равновесию и остается практически неизменным. Это объясняется тем, что CLs содержат значительное количество неполярных и стабильных неорганических соединений диоксида кремния. В процессе уплотнения измельченное сырье имеет меньше пор, что затрудняет проникновение влаги. Скорость водопоглощения пеллет PS (рисунок 6f) относительно низкая; когда время водопоглощения составляет 1200 мин, оно приближается к насыщению с содержанием поглощенной воды 0,30%, а после 7200 мин максимальная влажность составляет 0,48%. Максимальные количества обезвоженной воды пеллет AW (рисунок 6g), FG (рисунок 6h) и GR (рисунок 6i) составляют 1,08%, 0,24% и 0,62%, что указывает на высокую гидрофобность, что объясняется более низкой релаксированной плотностью и рыхлой структурой травянистых пеллет, а также их более высокой поверхностной пористостью и многочисленными тонкодиаметральными сосудами, затрудняющими проникновение влаги.

Рисунок 6. Гидрофобность соломы кукурузы (a), соломы риса (b), обогащенной селеном рисовой соломы (c), веток вейгелы (d), листьев камфорного дерева (e), скорлупы арахиса (f), полыни (g), кормовых трав (h) и зеленой травы (i).

Из-за гидрофобности сырья биомассы различная биомасса имеет различные характеристики уплотнения. Гидрофобность спрессованных пеллет тесно связана с типом сырья и используемыми методами обработки. Сырье биомассы содержит определенное количество влаги, и в процессе уплотнения часть этой влаги теряется, тем самым влияя на гидрофобность. Технология уплотнения может увеличить плотность сырья биомассы, тем самым повышая его гидрофобность. Гидрофобность также оказывает влияние на окружающую среду; более высокая гидрофобность означает, что при сгорании образуется меньше дыма и вредных газов, что снижает загрязнение окружающей среды. Таким образом, повышение гидрофобности сырья биомассы не только помогает повысить эффективность его сгорания, но и способствует снижению его воздействия на окружающую среду. Кроме того, уплотненные и предварительно обработанные пеллеты из биомассы, благодаря повышенной гидрофобности, могут снизить количество влаги и энергии, необходимых для роста грибков, тем самым достигая цели подавления пролиферации грибков [50], что также важно для долгосрочного хранения и транспортировки биомассы.

3.3. Энергопотребление процесса

На рисунке 7 показано энергопотребление процесса уплотнения. Как показано, существуют значительные различия в энергопотреблении процесса для различных пеллет из биомассы, и влияние собственной организационной структуры биомассы на качество ее уплотнения различается. Энергопотребление процесса для пеллет CS (рисунок 7a) составляет 17 360 Дж/кг. Это связано главным образом с тем, что CS имеет высокое содержание целлюлозы, и ее структура эпидермальных волокон легко подвергается пластической деформации, требуя более низкой энергии прессования для обеспечения того, чтобы волокнистые структуры в порошке могли связываться и переплетаться друг с другом во время перегруппировки, а также для образования твердых мостиков и водородных связей между частицами внутри пеллет. Энергопотребление процесса для пеллет RS (рисунок 7b) составляет 28 740 Дж/кг, с тенденцией к проявлению явлений расслоения [44]. RS имеет толстые клеточные стенки, небольшой просвет и характеристики жестких коротких волокон, что делает ее склонной к коллапсу. Однако из-за высокого содержания золы поверхность порошка покрыта слоем диоксида кремния и его неорганических соединений [51], образующих трехмерную сетчатую структуру. Химические свойства этих соединений кремния очень стабильны и имеют высокую твердость, что затрудняет тесный контакт соседних частиц и возникновение межмолекулярных сил. В то же время диоксид кремния и его неорганические соединения являются неполярными веществами, что также затрудняет возникновение электростатического притяжения между частицами, что приводит к снижению релаксированной плотности. Энергопотребление процесса для пеллет SS (рисунок 7c) составляет 24 750 Дж/кг, уступая только RS. Поскольку химический состав SS сходен с составом RS, пластичность содержащегося в нем диоксида кремния и его неорганических соединений очень низкая. Пеллеты в основном зависят от укладки пластинчатых частиц, используя более высокое энергопотребление процесса для образования твердых мостиков между пластинами и слой за слоем, что приводит к высокому касательному напряжению в радиальном направлении и более низкому механическому сопротивлению в осевом направлении.

Рисунок 7. Энергопотребление процесса для соломы кукурузы (a), соломы риса (b), обогащенной селеном рисовой соломы (c), веток вейгелы (d), листьев камфорного дерева (e), скорлупы арахиса (f), полыни (g), кормовых трав (h) и зеленой травы (i).

Энергопотребление процесса для пеллет WJ (рисунок 7d) составляет 24 750 Дж/кг, что относительно высоко, в основном из-за высокого содержания лигнина и степени одревеснения WJ. Эпидермальные волокна длиннее и более упруги, требуя более высокой энергии прессования, чтобы обеспечить связывание порошка вместе и формирование компактной структуры. Энергопотребление процесса для пеллет CL (рисунок 7e) составляет 18 630 Дж/кг, с меньшими зазорами порошка и более высокой гидрофобностью, демонстрируя низкую пластическую деформацию при более низком усилии прессования, и исходная компактная структура не подвергалась перестройке. Энергопотребление процесса для пеллет PS (рисунок 7f) является самым высоким и составляет 61 160 Дж/кг, что связано с их твердой текстурой и стабильным структурным составом, требующим больше энергии для разрушения межмолекулярных сил между частицами, тем самым повышая прочность сцепления.

Энергопотребление процесса для пеллет AW (рисунок 7g) составляет 73 700 Дж/кг, с релаксированной плотностью немного выше, чем у FG и GR, в то время как энергопотребление процесса для пеллет FG (рисунок 7h) составляет 61 780 Дж/кг, а для пеллет GR (рисунок 7i) — 33 510 Дж/кг, причем все они имеют более низкое энергопотребление процесса, чем пеллеты AW. В процессе уплотнения жиры и воски в FG и GR выдавливаются на поверхность пеллет, обеспечивая некоторую смазку, что снижает трение между частицами порошка, а также между порошком и формой, что приводит к более низкому энергопотреблению процесса. Травянистые культуры содержат высокое содержание экстрактивных веществ, в основном состоящих из жиров и восков, поэтому поверхности порошка покрыты слоем полиэфирного кутина, производного жирных кислот. Слой кутина уменьшает взаимодействие между частицами, предотвращая образование твердых мостиков и водородных связей, ограничивая силы Ван-дер-Ваальса и механическое взаимное зацепление между частицами [49], что в конечном итоге приводит к снижению прочности их сцепления.

Энергопотребление процесса в значительной степени зависит от типов сырья биомассы. Травянистое сырье и PS были самыми высокими, за ними следовали солома и древесное сырье. Травянистое сырье с более низким содержанием целлюлозы и лигнина имело большее энергопотребление процесса, причем AW имела самое высокое энергопотребление процесса, примерно в 10 раз превышающее самое низкое значение CS (700 кг/м³). Белки или жиры могут выдавливаться из растительных клеток и образовывать масляную пленку на поверхности пеллеты, действуя как смазки и уменьшая трение между поверхностью пеллеты и внутренней стенкой формы. Оценивая энергопотребление процесса с точки зрения химического состава, жиры являются лучшими, за ними следуют крахмал, белки, пектин и клеточные стенки (гемицеллюлоза, целлюлоза и лигнин) [46].

Была проведена комплексная оценка от сырья биомассы до пеллет для изучения потенциала уплотнения нового различного сырья биомассы. Были измерены и оценены физические свойства сырья биомассы.

В условиях уплотнения сырья биомассы с количеством 360–660 г, усилием прессования 60–1500 Н, временем прессования 10 с, размером частиц менее 0,5 мм и влажностью 10% наблюдались различия в физическом качестве пеллет. С увеличением усилия прессования плотность пеллет увеличивается, объемное расширение уменьшается, они становятся более компактными, а долговечность увеличивается. Релаксированная плотность пеллет из CS, RS и SS составляла 440–820 кг/м³, 360–640 кг/м³ и 400–710 кг/м³; объемное расширение составляло 1,32–1,39, 1,70–2,00 и 1,50–1,74. Релаксированная плотность пеллет из WJ и CL составляла 510–770 кг/м³ и 570–720 кг/м³, в то время как объемное расширение составляло 1,18–1,43 и 1,49–1,58. Релаксированная плотность и объемное расширение пеллет PS составляли 460–840 кг/м³ и 1,30–1,40. Релаксированная плотность AW, GR и FG составляла 340–730 кг/м³, 400–650 кг/м³ и 430–700 кг/м³; объемное расширение составляло 1,51–1,85, 1,68–1,92 и 1,40–1,60. После сжатия структура биомассы изменилась, став более плотной и компактной, что полезно для крупномасштабного хранения и транспортировки, экономя место при складировании. Таким образом, понимание объемного расширения пеллет из биомассы имеет большое значение для оптимизации процесса уплотнения, и плотность можно лучше регулировать.

В условиях уплотнения сырья биомассы с количеством 660 г наблюдались различия в энергопотреблении процесса среди различных пеллет. Энергопотребление процесса для пеллет из CS, RS и SS составляло 17 360 Дж/кг, 28 740 Дж/кг и 24 750 Дж/кг. Энергопотребление процесса для пеллет из WJ и CLs составляло 24 750 Дж/кг и 18 630 Дж/кг. Энергопотребление процесса для пеллет PS составляло 61 160 Дж/кг. Энергопотребление процесса для пеллет AW, GR и FG составляло 73 700 Дж/кг, 33 510 Дж/кг и 61 780 Дж/кг. Тип биомассы оказывает значительное влияние на энергопотребление процесса. Хотя различную биомассу можно прессовать в одинаковых условиях уплотнения, физические свойства пеллет значительно различаются в зависимости от различий в структурном составе и химических компонентах биомассы.

Дальнейшие исследования будут сосредоточены на улучшении низких показателей сырья и пеллет, а также на оптимизации процесса уплотнения. Эта работа демонстрирует, что анализ типа дифференциации нового сырья биомассы перед уплотнением может служить руководством для промышленного производства и прогнозировать качество пеллет.

1.    Hanif, M.U.; Capareda, S.C.; Kongkasawan, J.; Iqbal, H.; Arazo, R.O.; Baig, M.A. Effects of Pyrolysis Temperature on Product Yields and Energy Recovery from Co-Feeding of Cotton Gin Trash, Cow Manure, and Microalgae: A Simulation Study. PLoS ONE 2016, 11, e0152230. [Google Scholar] [CrossRef]

2.    Siloto, R.M.P.; Weselake, R.J. Site saturation mutagenesis: Methods and applications in protein engineering. Biocatal. Agric. Biotechnol. 2012, 1, 181–189. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Nanda, S.; Berruti, F. Municipal solid waste management and landfilling technologies: A review. Environ. Chem. Lett. 2021, 19, 1433–1456. [Google Scholar] [CrossRef]

4.    Nanda, S.; Berruti, F. Thermochemical conversion of plastic waste to fuels: A review. Environ. Chem. Lett. 2021, 19, 123–148. [Google Scholar] [CrossRef]

5.    Ljung, K.; Schoon, P.L.; Rudolf, M.; Charrieau, L.M.; Ni, S.; Filipsson, H.L. Recent Increased Loading of Carbonaceous Pollution from Biomass Burning in the Baltic Sea br. ACS Omega 2022, 7, 35102–35108. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

6.    Fawzy, S.; Osman, A.I.; Doran, J.; Rooney, D.W. Strategies for mitigation of climate change: A review. Environ. Chem. Lett. 2020, 18, 2069–2094. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Guo, J.; Li, C.-Z.; Wei, C. Decoupling economic and energy growth: Aspiration or reality? Environ. Res. Lett. 2021, 16, 044017. [Google Scholar] [CrossRef]

8.    Wei, Z.; Cheng, Z.; Shen, Y. Recent development in production of pellet fuels from biomass and polyethylene (PE) wastes. Fuel 2024, 358, 130222. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Haykiri-Acma, H.; Yaman, S. Effect of co-combustion on the burnout of lignite/biomass blends: A Turkish case study. Waste Manag. 2008, 28, 2077–2084. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

10. Zhang, X.; Gao, B.; Zhao, S.; Wu, P.; Han, L.; Liu, X. Optimization of a “coal-like” pelletization technique based on the sustainable biomass fuel of hydrothermal carbonization of wheat straw. J. Clean. Prod. 2020, 242, 118426. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Zhou, Y.; Zhang, Z.; Zhang, Y.; Wang, Y.; Yu, Y.; Ji, F.; Ahmad, R.; Dong, R. A comprehensive review on densified solid biofuel industry in China. Renew. Sustain. Energy Rev. 2016, 54, 1412–1428. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Hong, H.; Ye, W.H.; Song, B.; Zhang, X.X. An empirical study on industrialization of biomass briquette in China. Resour. Sci. 2010, 32, 2172–2178. Available online: https://www.resci.cn/EN/Y2010/V32/I11/2172 (accessed on 5 October 2024).

13. Lestander, T.A.; Rudolfsson, M.; Pommer, L.; Nordin, A. NIR provides excellent predictions of properties of biocoal from torrefaction and pyrolysis of biomass. Green Chem. 2014, 16, 4906–4913. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Sokhansanj, S.; Fenton, J. Cost Benefit of Biomass Supply and Pre-Processing. 2006. Available online: https://www.cesarnet.ca/biocap-archive/rif/report/Sokhansanj_S.pdf (accessed on 10 November 2024).

15. Yue, D.; You, F.; Snyder, S.W. Biomass-to-bioenergy and biofuel supply chain optimization: Overview, key issues and challenges. Comput. Chem. Eng. 2014, 66, 36–56. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Mousa, E.; Kazemi, M.; Larsson, M.; Karlsson, G.; Persson, E. Potential for Developing Biocarbon Briquettes for Foundry Industry. Appl. Sci. 2019, 9, 5288. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Li, H.; Liu, X.; Legros, R.; Bi, X.T.; Jim Lim, C.; Sokhansanj, S. Pelletization of torrefied sawdust and properties of torrefied pellets. Appl. Energy 2012, 93, 680–685. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Chen, L.; Xing, L.; Han, L. Renewable energy from agro-residues in China: Solid biofuels and biomass briquetting technology. Renew. Sustain. Energy Rev. 2009, 13, 2689–2695. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Chen, T.; Jia, H.; Zhang, S.; Sun, X.; Song, Y.; Yuan, H. Optimization of Cold Pressing Process Parameters of Chopped Corn Straws for Fuel. Energies 2020, 13, 652. [Google Scholar] [CrossRef]

20. Mostafa, M.E.; Hu, S.; Wang, Y.; Su, S.; Hu, X.; Elsayed, S.A.; Xiang, J. The significance of pelletization operating conditions: An analysis of physical and mechanical characteristics as well as energy consumption of biomass pellets. Renew. Sustain. Energy Rev. 2019, 105, 332–348. [Google Scholar] [CrossRef]

21. Stelte, W.; Holm, J.K.; Sanadi, A.R.; Barsberg, S.; Ahrenfeldt, J.; Henriksen, U.B. Fuel pellets from biomass: The importance of the pelletizing pressure and its dependency on the processing conditions. Fuel 2011, 90, 3285–3290. [Google Scholar] [CrossRef]

22. Hansted, A.L.S.; Nakashima, G.T.; Martins, M.P.; Yamamoto, H.; Yamaji, F.M. Comparative analyses of fast growing species in different moisture content for high quality solid fuel production. Fuel 2016, 184, 180–184. [Google Scholar] [CrossRef]

23. Fakhrabadi, E.A.; Kajzer, C.; Stickel, J.J.; Liberatore, M.W. Transport of Compressed Woody Biomass: Correlating Rheology and Microcompounder Measurements. Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 11470–11478. [Google Scholar] [CrossRef]

24. Mundhada, S.; Chaudhry, M.M.A.; Erkinbaev, C.; Paliwal, J. Non-Destructive Quality Monitoring of Flaxseed During Storage. J. Food Meas. Charact. 2022, 16, 3640–3650. [Google Scholar] [CrossRef]

25. Saeed, A.A.H.; Yub Harun, N.; Bilad, M.R.; Afzal, M.T.; Parvez, A.M.; Roslan, F.A.S.; Abdul Rahim, S.; Vinayagam, V.D.; Afolabi, H.K. Moisture Content Impact on Properties of Briquette Produced from Rice Husk Waste. Sustainability 2021, 13, 3069. [Google Scholar] [CrossRef]

26. Liu, L.; Wang, D.; Gao, L.; Duan, R. Distributed heating/centralized monitoring mode of biomass briquette fuel in Chinese northern rural areas. Renew. Energy 2020, 147, 1221–1230. [Google Scholar] [CrossRef]

27. Thek, G.; Obernberger, I. (Eds.) The Pellet Handbook: The Production and Thermal Utilisation of Biomass Pellets; Hardback: Carrum Downs, Victoria, 2011; p. 549. ISBN 978-1-84407-631-4. [Google Scholar] [CrossRef]

28. Hedlund, F.H.; Astad, J.; Nichols, J. Inherent hazards, poor reporting and limited learning in the solid biomass energy sector: A case study of a wheel loader igniting wood dust, leading to fatal explosion at wood pellet manufacturer. Biomass Bioenergy 2014, 66, 450–459. [Google Scholar] [CrossRef]

29. GB/T 28731-2012[S]; General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China, Standardization Administration of the People’s Republic of China. Proximate Analysis of Solid Biofuels. Standard Publishing Press: Beijing, China, 2012.

30. Soria-Verdugo, A.; Guil-Pedrosa, J.F.; García-Hernando, N.; Ghoniem, A.F. Evolution of solid residue composition during inert and oxidative biomass torrefaction. Energy 2024, 312, 133486. [Google Scholar] [CrossRef]

31. GB/T 21354-2008[S]; General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China, Standardization Administration of the People’s Republic of China. Powders—Determination of Tap Density. Standard Publishing Press: Beijing, China, 2008.

32. Lam, P.S.; Sokhansanj, S.; Bi, X.; Lim, C.J.; Melin, S. Energy Input and Quality of Pellets Made from Steam-Exploded Douglas Fir (Pseudotsuga menziesii). Energy Fuels 2011, 25, 1521–1528. [Google Scholar] [CrossRef]

33. Xia, X.; Sun, Y.; Wu, K.; Jiang, Q. Optimization of a straw ring-die briquetting process combined analytic hierarchy process and grey correlation analysis method. Fuel Process. Technol. 2016, 152, 303–309. [Google Scholar] [CrossRef]

34. Liu, Z.; Liu, X.; Fei, B.; Jiang, Z.; Cai, Z.; Yu, Y. The properties of pellets from mixing bamboo and rice straw. Renew. Energy 2013, 55, 1–5. [Google Scholar] [CrossRef]

35. Kaewtrakulchai, N.; Wongrerkdee, S.; Chalermsinsuwan, B.; Samsalee, N.; Huang, C.-W.; Manatura, K. Hydrophobicity and performance analysis of beverage and agricultural waste torrefaction for high-grade bio-circular solid fuel. Carbon Resour. Convers. 2024, 48, 100243. [Google Scholar] [CrossRef]

36. Si, Y.; Hu, J.; Wang, X.; Yang, H.; Chen, Y.; Shao, J.; Chen, H. Effect of Carboxymethyl Cellulose Binder on the Quality of Biomass Pellets. Energy Fuels 2016, 30, 5799–5808. [Google Scholar] [CrossRef]

37. Eisenbies, M.H.; Volk, T.A.; Therasme, O.; Hallen, K. Three bulk density measurement methods provide different results for commercial scale harvests of willow biomass chips. Biomass Bioenergy 2019, 124, 64–73. [Google Scholar] [CrossRef]

38. Kellogg, R.M.; Wangaard, F.F. Variation in the cell-wall density of wood. Wood Fiber Sci. 2007, 1, 180–204. Available online: https://wfs.swst.org/index.php/wfs/article/view/1352 (accessed on 11 November 2024).

39. Quyen, V.T.; Nagy, S.; Faitli, J.; Csoke, B. Determination of radial pressure distribution on the wall of the press channel of a novel biomass single die pelletiser. Eur. J. Wood Wood Prod. 2020, 78, 1075–1086. [Google Scholar] [CrossRef]

40. Dai, X.; Theppitak, S.; Yoshikawa, K. Pelletization of Carbonized Wood Using Organic Binders with Biomass Gasification Residue as an Additive. Energy Fuels 2019, 33, 323–329. [Google Scholar] [CrossRef]

41. Granado, M.P.P.; Suhogusoff, Y.V.M.; Santos, L.R.O.; Yamaji, F.M.; De Conti, A.C. Effects of pressure densification on strength and properties of cassava waste briquettes. Renew. Energy 2021, 167, 306–312. [Google Scholar] [CrossRef]

42. Kashaninejad, M.; Tabil, L.G. Effect of microwave–chemical pre-treatment on compression characteristics of biomass grinds. Biosyst. Eng. 2011, 108, 36–45. [Google Scholar] [CrossRef]

43. Rezaei, H.; Lim, C.J.; Lau, A.; Sokhansanj, S. Size, shape and flow characterization of ground wood chip and ground wood pellet particles. Powder Technol. 2016, 301, 737–746. [Google Scholar] [CrossRef]

44. De-Yu, T.U.; An-Xin, L.I.; Yun, H.U.; Wei, X. Lab-scale Experimental Study on the Compressing Molding Parameters Under Cold Condition for Rice Straw Pellets. Chin. J. Agrometeorol. 2015, 36, 446–453. [Google Scholar] [CrossRef]

45. Pradhan, P.; Mahajani, S.M.; Arora, A. Production and utilization of fuel pellets from biomass: A review. Fuel Process. Technol. 2018, 181, 215–232. [Google Scholar] [CrossRef]

46. He, H.; Wang, Y.; Sun, W.; Sun, Y.; Wu, K. Effects of different biomass feedstocks on the pelleting process and pellet qualities. Sustain. Energy Technol. Assess. 2024, 69, 103912. [Google Scholar] [CrossRef]

47. Nielsen, S.K.; Mandø, M.; Rosenørn, A.B. Review of die design and process parameters in the biomass pelleting process. Powder Technol. 2020, 364, 971–985. [Google Scholar] [CrossRef]

48. Liu, Z.; Zhang, F.-S. Effects of various solvents on the liquefaction of biomass to produce fuels and chemical feedstocks. Energy Convers. Manag. 2008, 49, 3498–3504. [Google Scholar] [CrossRef]

49. Simons, S.J.R. Chapter 27 Liquid bridges in granules. In Handbook of Powder Technology; Salman, A.D., Hounslow, M.J., Seville, J.P.K., Eds.; Elsevier Science B.V.: Amsterdam, The Netherlands, 2007; Volume 11, pp. 1257–1316. [Google Scholar] [CrossRef]

50. Lekounougou, S.; Kocaefe, D. Comparative study on the durability of heat-treated White Birch (Betula papyrifera) subjected to the attack of brown and white rot fungi. Wood Mater. Sci. Eng. 2012, 7, 101–106. Available online: https://api.semanticscholar.org/CorpusID:84460178 (accessed on 30 December 2024). [CrossRef]

51. Liu, Z.; Zhang, F.-S. Removal of copper (II) and phenol from aqueous solution using porous carbons derived from hydrothermal chars. Desalination 2011, 267, 101–106. [Google Scholar] [CrossRef]

Yang Y, Song L, Li Y, Shen Y, Yang M, Wang Y, Zheng H, Qi W, Lei T. Effects of Different Biomass Types on Pellet Qualities and Processing Energy Consumption. Agriculture. 2025; 15(3):316. https://doi.org/10.3390/agriculture15030316

Перевод статьи «Effects of Different Biomass Types on Pellet Qualities and Processing Energy Consumption» авторов Yang Y, Song L, Li Y, Shen Y, Yang M, Wang Y, Zheng H, Qi W, Lei T., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото:  freepik