Production of High-Quality Biomass Fuel using Torrefaction and Hydrothermal Carbonization Processes

Abstract

This research studied the thermal pretreatment of sugarcane leaves and bagasse by the hydrothermal carbonization process at subcritical water conditions in the temperature range of 175–250 °C and the torrefaction process in the temperature range of 225–300 °C under a nitrogen atmosphere with a reaction time of 30 minutes. Physical properties, chemical components, and energy properties of solid products were analyzed and used to determine the optimum pelletizing conditions of fuel pellets as well as the study of kinetic parameters of the thermal degradation of sugarcane leaves.

The results showed that sugarcane leaves and bagasse biomass contained the highest cellulose content, followed by hemicellulose and lignin, respectively. The contents of fixed carbon and volatile matter of sugarcane biomass were observed at 14.53–15.33% and 74.89–83.33%, respectively. Sugarcane leaves had higher ash content when compared with bagasse by about 4.6 times. Sugarcane leaves and bagasse had similar values of high heating value at 17.69 and 18.43 MJ/kg, respectively. The process of thermal treatment showed the amount of volatile matter and oxygen was decreased while carbon and fixed carbon were increased. The mass yield of biochar was higher than that of hydrochar. The hydrothermal treatment was found to have significantly lowered the ash content. The heating values of hydrochar and biochar from sugarcane leaves were in the range of 18.26–24.41 MJ/kg, compared to 17.97–22.07 MJ/kg of the bagasse. The atomic ratios of hydrochar and biochar were similar to those of peat and lignite coal. As a result, the optimum pretreatment conditions for solid products were biochar at 275 °C and hydrochar at 225 °C.

The average density and compressive strength of biochar pellets were 891.18 kg/m3 and 3.18 MPa, respectively. When the amount of binder increased in the range of 10–50%, it affected density and compressive strength in the range of 1,040.19–1,117.81 kg/m3, and 5.01–7.55 MPa, respectively. Increasing the binder content results in a lower ash proportion of biochar pellets. However, a higher binder content leads to increased water absorption. A 70/30 biochar-to-hydrochar ratio was the optimum pelletizing condition of biochar pellets. The moisture content, ash content, density, compressive strength, and heating value of the produced biochar pellets were 8.20%, 10.75%, 1100.38 kg/m3, 6.66 MPa, and 18.83 MJ/kg.

A thermogravimetric study of the thermal degradation of sugarcane leaves revealed that the activation energy values obtained from the Flynn- Wall- Ozawa and Kissinger- Akahira-Sunose models showed similar trends and were 195.08 and 195.27 kJ/mol, respectively.

งานวิจัยนี้ศึกษาการปรับสภาพใบอ้อยและชานอ้อยทางความร้อนด้วยกระบวนการไฮโดรเทอร์มอลคาร์บอไนเซชันที่สภาวะน้ำกึ่งวิกฤตในช่วงอุณหภูมิ 175–250 องศาเซลเซียส และกระบวนการทอร์รีแฟกชันในช่วงอุณหภูมิ 225–300 องศาเซลเซียส ภายใต้บรรยากาศไนโตรเจน ด้วยระยะเวลาในการเกิดปฏิกิริยา 30 นาที โดยวิเคราะห์สมบัติทางกายภาพ องค์ประกอบทางเคมี และสมบัติด้านพลังงานของผลิตภัณฑ์แข็งเพื่อหาเงื่อนไขการปรับสภาพที่เหมาะสมในการผลิตเชื้อเพลิงอัดเม็ด รวมถึงศึกษาพารามิเตอร์จลนศาสตร์การสลายตัวทางความร้อนของชีวมวลอ้อย

ผลการศึกษาพบว่า ชีวมวลใบและชานอ้อยมีองค์ประกอบเซลลูโลสมากที่สุด รองลงมาคือเฮมิเซลลูโลส และลิกนิน ตามลำดับ ปริมาณคาร์บอนคงตัวและสารระเหยของชีวมวลอ้อยมีค่าในช่วงร้อยละ 14.53–15.33 และ 74.89–83.33 ตามลำดับ ใบอ้อยมีปริมาณเถ้าสูงกว่าชานอ้อยประมาณ 4.6 เท่า ค่าความร้อนสูงของใบอ้อยและชานอ้อยมีค่าใกล้เคียงกันคือ 17.69 และ 18.43 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ตามลำดับ ภายหลังการปรับสภาพพบว่า ปริมาณสารระเหยและออกซิเจนมีค่าลดลง ขณะที่ปริมาณคาร์บอนและคาร์บอนคงตัวมีค่าสูงขึ้น ผลได้เชิงมวลของไบโอชาร์มีค่าสูงกว่าไฮโดรชาร์ ปริมาณเถ้าของไฮโดรชาร์มีค่าลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ค่าความร้อนสูงของไฮโดรชาร์และไบโอชาร์จากใบและชานอ้อยมีค่าในช่วง 18.26–24.41 และ 17.97–22.07 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ตามลำดับ อัตราส่วนอะตอมของไฮโดรชาร์และไบโอชาร์ใกล้เคียงกับถ่านหินพีทและลิกไนต์ อุณหภูมิที่เหมาะสมของการปรับสภาพด้วยกระบวนการทอร์รีแฟกชันและไฮโดรเทอร์มอลคาร์บอไนเซชันคือ 275 และ 225 องศาเซลเซียส

ไบโอชาร์อัดเม็ดมีค่าความหนาแน่นและความต้านแรงกดเฉลี่ยเท่ากับ 891.18 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร และ 3.18 เมกะปาสคาล ตามลำดับ และเมื่อใช้ไฮโดรชาร์เป็นตัวประสานในสัดส่วนร้อยละ 10–50 ส่งผลให้ความหนาแน่นและความต้านแรงกดเฉลี่ยมีค่าสูงขึ้นในช่วง 1,040.19–1,117.81 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร และ 5.0–7.6 เมกะปาสคาล ตามลำดับ การเพิ่มปริมาณตัวประสานส่งผลให้ไบโอชาร์อัดเม็ดมีสัดส่วนเถ้าลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ดีการเพิ่มปริมาณตัวประสานส่งผลให้การดูดซึมน้ำมีค่าสูงขึ้น ซึ่ง 70:30 เป็นสัดส่วนของไบโอชาร์ต่อไฮโดรชาร์ที่เหมาะสมที่สุดในการผลิตไบโอชาร์อัดเม็ดส่งผลให้ไบโอชาร์อัดเม็ดที่ได้มีความชื้น ปริมาณเถ้า ความหนาแน่น ความต้านแรงกด และค่าความร้อน เท่ากับร้อยละ 8.20 ร้อยละ 10.75 1,100.38 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร 6.66 เมกะปาสคาล และ 18.83 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ตามลำดับ

ผลการศึกษาจลนศาสตร์การสลายตัวทางความร้อนของชีวมวลใบอ้อยด้วยเทคนิควิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตทริก พบว่าพลังงานกระตุ้นเฉลี่ยซึ่งคำนวณด้วยแบบจำลอง Kissinger– Akahira – Sunose และแบบจำลอง Flynn – Wall – Ozawa มีค่าใกล้เคียงกันคือ 195.08 และ 195.27 กิโลจูลต่อโมล ตามลำดับ