Pellettien laatu ja ominaisuudet eri raaka-aineilla ja niiden seoksilla

Diplomityö tehtiin osana Vapon toteuttamaa monivuotista pelletin kehitysohjelmaa. Kehitysohjelma koostuu useista pienemmistä osaprojekteista, jotka täydentävät toinen toisiaan. Pellettien raaka-ainepohjan laajentaminen on eräs näistä osaprojekteista. Tutkimustyön tavoitteena oli selvittää erilaisten potentiaalisten bioraaka-aineiden soveltuvuutta pelletointiin joko sellaisenaan tai erilaisina seoksina. Raaka-aineiden pelletoitavuutta tutkittiin kenttäolosuhteissa mobiilipelletointilaitoksella. Laitoksen pääkomponentit muodostivat Kahl C 38–780 tasomatriisipuristin, jäähdytin ja täryseula. Pelletointikokeissa tutkittuja raaka-aineita olivat mäntysahanpuru, männynkuori, harvennusranka, haapa, koivu, jyrsinturve ja ruokohelpi. Raaka-aineiden irtotiheys käyttökosteudessa vaihteli välillä 73–244 kg/m3 ja keskimääräinen kosteuspitoisuus 6,5–15 %. Useissa tapauksissa säkitettyjä raaka-aineita säkkikostutettiin haluttuun kosteuspitoisuuteen ennen pelletointia. Säkkikostutettujen raaka-aineiden kosteuspitoisuudet vaihtelivat tällöin välillä 12–14 m- %. Valtaosa tutkituista raaka-aineista ja niiden seoksista pystyttiin pelletoimaan puristimen matriisilla 8/40 mm, jossa puristuskanavan halkaisija oli 8 mm ja kanavan suoran osan pituus 40 mm. Vaikeuksia tuotti ainoastaan pelkän koivupurun ja ruokohelven pelletointi. Käytetty matriisi oli kanavapituudeltaan liian pitkä koivupurun pelletointiin nostaen puristusvastuksen suureksi. Ruokohelven pelletoinnin vaikeudet johtuivat pääasiassa pelletointiin liian karkeasta raaka-aineesta. Myös matriisia 8/55 mm kokeiltiin, mutta se osoittautui liian ”tiukaksi” valtaosalle puuraaka-aineista. Ainoastaan jyrsinturpeen pelletointi onnistui tällä matriisilla. Männynkuoren pelletointia ei matriisilla 8/55 mm yritetty. Kenttäkokeissa valmistetuista pelleteistä määritettiin erilaisia ominaisuuksia, kuten keskipituus, kosteuspitoisuus, irtotiheys, hienoaineksen määrä ja käsittelykestävyys. Lujuus mitattiin sekä Ligno-testillä että CEN-rummutuslujuuden määrityksellä. Lisäksi pelleteille määritettiin alkuaineanalyysi, tuhkapitoisuus ja lämpöarvo ENAS Oy:n laboratoriossa Jyväskylässä. Ligno-testauksessa parhaimman luokan pelletin tulee yltää arvoon 97,5 %. Pelletoitaessa raaka-aineita ja niiden seoksia tasomatriisikoneella sopivalla matriisilla yllettiin usein näihin tai parempiin tuloksiin. Puumateriaaleilla raaka-aineen optimaalinen lähtökosteus oli välillä 12–14 m- % ja turpeella sekä ruokohelvellä 14–16 m- %. Pelletointi onnistui tällöin vaivattomasti, kunhan sopivat puristimen ajoparametrit oli löydetty. Pellettiä alkoi muodostua matriisin puristuskanavien lämpötilan kohotessa noin 70 ºC. Pellettien lämpötila stabiilitilanteessa heti pelletoinnin jälkeen oli useissa tapauksissa 80–90 ºC. Pelletoinnin aikainen tehontarve vaihteli välillä 90–150 kWh/t, ollen suurimmillaan irtotiheydeltään keveillä materiaaleilla. Raaka-aineen suuri partikkelikoko kasvatti puristimen tehontarvetta. Tämä havaittiin selvästi lisättäessä karkeaa ruokohelpisilppua eri raaka-aineiden joukkoon. Kestävyydeltään erinomaisia pellettejä saatiin, kun raaka-aineena oli jyrsinturve, harvennusranka tai mäntypuru. Varsinkin jyrsinturpeen ja harvennusrangan seoksesta valmistetut pelletit osoittautuivat erittäin kestäviksi. Myös jyrsinturpeen ja ruokohelven sekä mäntypurun ja ruokohelven seoksien pelleteille määritettiin hyviä kestävyysarvoja. Männynkuoresta valmistetut pelletit jäivät Ligno-testauksessa kestävyydeltään alle 97,5 % rajan. Pääsyynä tähän oli kuoren pelletointiin käytetyn matriisin 8/40 mm liian lyhyet puristuskanavat.

The master’s thesis was done as a part of Vapo’s pellet development program. The development program consists of many separate projects which complement one another. Broadening of pellet’s raw material base is one of these projects. The main goal was to study pelletizing of different kind of bio raw materials as such or in blends. Tests were made outside with a mobile pelletizing device. The main components of the device were Kahl 38–780 flat-die press, a cooler and a vibrating sieve. Tests were made with pine sawdust, pine bark, stem chips, aspen, birch, peat and reed canary grass. Before pelletization the bulk density of the raw material was 73–244 kg/m3 and the moisture content 6,5–15 m- %. Sacked raw materials were often moistened before pelletization. The moisture content varied then between 12 and 14 m- %. Almost all studied raw materials and blends made of them were able to be pelletized with the 8/40 mm flat-die, where the diameter of the pressing channel was 8 mm and length 40 mm. Difficulties occurred only with birch and reed canary grass. Die’s pressing channels were too long for pelletization of birch. Problems with pelletization of reed canary grass were a consequence of far too coarse raw material. Tests were also made with the flat-die 8/55 mm, but it turned out to be too “tight” for the most woody materials. Only peat was pelletized successfully with the 8/55 mm die. Pelletizing of pine bark wasn’t tested with the 8/55 mm die. Various properties of the pellets were measured: dimensions, moisture content, bulk density, content of fines and durability, which was measured with a Ligno-tester and a CEN-test. Elementary analysis, ash content and calorific value were determined by ENAS Oy-laboratory in Jyväskylä. In the Ligno-test, the limit for first-class pellets is 97,5 %. During pelletizing raw materials and blends with the flat-die press, these high quality values were reached several times. The optimum moisture content was with woody materials 12–14 m- % and with peat and reed canary grass 14–16 m- %. With this moisture content pelletizing worked out easily as soon as right press parameters were found. Pellets began to form when the temperature in the press channels reached about 70 ºC. In the steady-state condition, the temperature of the pellets straight after the production was 80–90 ºC. The power demand during the pelletization was in the range of 90–150 kWh/t. The power demand was biggest when light materials were pelletized. An increase in the particle size of the raw material increased the power demand of the press as well. This could be seen clearly when coarse reed canary grass was added to other raw materials. Pellets of excellent durability were made of peat, stem chips or pine sawdust. Especially pellets made of a blend of peat and stem chips were extremely durable. Also both blends of peat and reed canary grass and pine sawdust and reed canary grass were good in durability. Pellets made of pine bark didn’t achieve first-class limit 97,5 %. The main reasons for this were too short press channels of the 8/40 mm die.