Improvement of Leucaena leucocephala Properties by Torrefaction in a Vibrating Reactor

Abstract

This research is a study of torrefaction process for improving biomass properties aiming at the construction and testing of vibrating reactor system in comparison with a screw reactor as well as at the production of torrefied biomass from the built vibrating unit using a solid residence time not more than 5 minutes. The vibrating reactor was composed of a biomass feeding system, a reactor pipe, heaters, a torrefied product container, a condensation system and a control panel. The reactor has a maximum biomass input of 1.5 kg/h with a solid residence time 1-5 minutes per round. This corresponds to a biomass bed height in the reactor pipe of 11 mm occupying 8% of the total reactor volume. When comparing with the screw reactor by torrefying Leaucaena leucocephala, sugarcane leaves, and rice straw at 280°C for 3 minutes, the results showed that the solid yield was 77-88 wt% for vibrating reactor compared to only 42-46 wt% for the screw reactor. In addition, the vibrating reactor has several advantages over the screw one including temperature control, upscaling, capital cost, system cleaning and operation. The production of torrefied Leaucaena leucocephala at 260-300°C and 1-5 minutes showed 72-95% solid yields with 2-24% liquid and 2-9% gas yields. The HHV of the torrefied biomass was 18-22 MJ/kg. This is upto 1.2 times higher than that of the original biomass when applying 300°C and 5 minutes. When comparing the properties of torrefied biomass produced with a solid residence time higher than 5 minutes, it has been shown that the torrefied products produced from this research gave similar results in terms of mass and energy yields as well as heating value albeit using a residence time as low as 5 minutes.

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษากระบวนการทอร์รีแฟกชันเพื่อปรับปรุงสมบัติของชีวมวล โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างและทดสอบระบบทอร์รีแฟกชันแบบสั่นเทียบกับแบบสกรู และเพื่อมุ่งศึกษาการผลิตถ่านทอร์รีไฟด์จากระบบแบบสั่นที่สร้างขึ้นโดยใช้ระยะเวลาคงอยู่ของของแข็งไม่เกิน 5 นาที ผลการออกแบบและสร้างระบบทอร์รีแฟกชันแบบสั่นพบว่าระบบประกอบด้วยระบบป้อนชีวมวล ท่อปฏิกรณ์ ชุดให้ความร้อน ถังเก็บถ่านทอร์รีไฟด์ ระบบควบแน่น และแผงควบคุมการทำงานของระบบทั้งหมด เมื่อสร้างและทดสอบระบบพบว่าสามารถป้อนชีวมวลได้ในอัตราสูงสุด 1.5 กิโลกรัมต่อชั่วโมง และสามารถควบคุมระยะเวลาคงอยู่ของของแข็งในท่อปฏิกรณ์ได้ในช่วง 1-5 นาที ต่อรอบ โดยมีความสูงของชีวมวลในท่อปฏิกรณ์ 11 มิลลิเมตร คิดเป็นร้อยละ 8 ของปริมาตรท่อปฏิกรณ์ทั้งหมด เมื่อทดลองผลิตถ่านทอร์รีไฟด์โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบสั่นเทียบกับแบบสกรู พบว่าเมื่อใช้ไม้กระถินยักษ์ ใบอ้อย และฟางข้าว อุณหภูมิ 280 องศาเซลเซียส และเวลาคงอยู่ของของแข็ง 3 นาที ปริมาณผลได้เชิงมวลของถ่านทอร์รีไฟด์โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบสั่นร้อยละ 77-88 โดยน้ำหนักฐานแห้ง และเมื่อใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบสกรูร้อยละ 42-46 โดยน้ำหนักฐานแห้ง โดยสรุปได้ว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบสั่นมีข้อดีเหนือกว่าแบบสกรูหลายประการโดยเฉพาะอย่างยิ่ง การควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ การขยายกำลังการผลิต ต้นทุนการสร้างเครื่อง การทำความสะอาด และการเดินระบบ ผลการผลิตถ่านทอร์รีไฟด์โดยใช้ไม้กระถินยักษ์ในเครื่องปฏิกรณ์แบบสั่นที่อุณหภูมิ 260 280 และ 300 องศาเซลเซียส และเวลาคงอยู่ของของแข็ง 1 3 และ 5 นาที พบว่าปริมาณผลได้เชิงมวลของถ่านทอร์รีไฟด์ร้อยละ 72.4-94.9 ของเหลวร้อยละ 1.6-24.1 และแก๊สที่ไม่สามารถควบแน่นได้ที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส ร้อยละ 2.3-8.5 โดยน้ำหนักฐานแห้ง ปริมาณผลได้เชิงพลังงานของถ่านทอร์รีไฟด์ร้อยละ 87.1-99.8 โดยถ่านทอร์รีไฟด์มีค่าความร้อนสูง 18.3-22.0 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ซึ่งมีค่าสูงกว่าชีวมวลเริ่มต้นถึง 1.20 เท่า เมื่อใช้อุณหภูมิ 300 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 5 นาที เมื่อเปรียบเทียบสมบัติของถ่านทอร์รีไฟด์กับงานวิจัยที่ใช้เวลาคงอยู่ของของแข็งนานกว่า 5 นาที พบว่างานวิจัยนี้สามารถผลิตถ่านทอร์รีไฟด์โดยใช้เวลาคงอยู่ที่น้อยกว่าและยังคงผลลัพธ์ที่ใกล้เคียงกันไว้ได้ในแง่ปริมาณผลได้เชิงมวล ปริมาณผลได้เชิงพลังงาน และค่าความร้อน ถึงแม้ใช้เวลาคงอยู่ของของแข็งน้อยกว่า 5 นาที