Material och metoder
Underlag för studiens kravspecifikation har tagits fram genom litteratursammanställningar och intervjuer med forskare och experter med verksamhet eller försöksverksamhet där de olika tillverkningsprocesserna användas. Studien fokuserade i första hand på befintliga företag och tekniker/metoder under utveckling där lågvärdeträd kan vara en råvara i tillverkningsprocess för t.ex biodrivmedel, biogas, biokol och vätgas m.m.
Intervjuerna har varit anpassade utifrån typerna av processer som avhandlats och expertisen hos den som intervjuats. Totalt har inom projektet genomförts 15 intervjuer. Exempel på frågeställningar som behandlats under intervjuerna är;
- Kan man blanda olika trädslag – eller önskar man barr och lövträd var för sig?
- Vad är optimalt – färskt material eller lagrat?
- Vilka fraktioner föredras? Tolerans mot mycket fina fraktioner respektive övergrovt?
- Vilka fukthaltsintervall är önskvärda och hur mycket kan det sprida i fukthalt inom partierna? Behövs materialet torkas innan?
Kemiska processer
I kemiska processer separeras eller upplöses biomassakomponenter genom att tillsätta organiska eller oorganiska kemikalier.
Kemisk massa
Råvarans sammansättning
Vanligen är cellulosafibrerna den önskade delen av råmaterial, men även lignin, hemicellulosor, och extraktiva medel kan användas för andra produkter. Extrakt såsom harts samt bark och föroreningar är skadliga för processen.
Fysikaliska egenskaper
Vanligtvis används stamvedsflis, därför är bark och grenar är i allmänhet oönskade. För effektiv upptagning av kemikalier bör flisen inte vara för torr, och fukthalten bör vara känd för processkontroll. Fiberegenskaper, t.ex. längd och tjocklek, kan vara mycket viktigt, beroende på applikation. För textilier är fiberegenskaperna mindre viktiga.
Övrigt
Partikelstorleken bör vara homogen för att kunna kontrollera processen. Fuktvariationer är acceptabla, men processoptimering är lättare med stabil fukthalt. Viss heterogenitet i till exempel fiberegenskaper kan vara fördelaktigt, däremot är det viktigt att upprätthålla enhetlighet över tid för att säkerställa en konstant produktkvalitet. Det är viktigt att avlägsna av bark och föroreningar.
Kommentarer gällande småträd och sly:
- Bark och grenar är inte önskvärt, om man inte önskar tillverka specifika kemikalier.
- Skulle i de flesta fall krävas barkning och sållning, relativt dyra processer.
- Föredrar färskt material – men helst en stabil fukthalt
- Partikelstorleken bör vara homogen
Biokemiska processer
I biokemisk omvandling ingår fermentering, rötning och andra varianter av enzymatisk och bakteriell omvandling. Fermentering omvandlar framför allt socker- och stärkelsebaserade råvaror till alkoholer (framför allt etanol), men genom utveckling av förbehandling och användning av andra jäster/enzymer kan även lignocellulosa omvandlas. Rötning innebär bakteriell omvandling av biomassa till biogas.
Råvarans sammansättning
Innehållet och sammansättning av sockerarter är viktig. Lignin är i allmänhet oönskat eftersom det sänker sockerhalten samt har en negativ effekt på enzymatisk hydrolys. Extraktivämnen kan orsaka problem i processen. Hydrolys är relativt okänslig för föroreningar.
Fysikaliska egenskaper
Fukt är inte ett stort problem i etanolproduktion, men råmaterialet bör inte vara för torrt. Liten partikelstorlek är i allmänhet önskvärt, men olika storlekar som flis och sågspån kan användas. Fina material kan orsaka problem i filtrerande operationer.
Övrigt
Partikelstorleken bör vara homogen att kunna kontrollera processens betingelser. Fuktvariationer är acceptabla, men processoptimering är lättare med stabil fukthalt. Bark kan orsaka problem enligt vissa källor, medan andra menar att bark och grot kan hanteras.
Kommentarer gällande småträd och sly:
- Relativt okänslig för föroreningar
- Inte alltför torrt material, helst relativt jämn fukthalt
- Små och homogena partiklar att föredra
Termokemiska processer
Värmevärde, fuktinnehåll, askinnehåll och askegenskaper är i allmänhet relevanta för termokemiska processer. Partikelstorleken påverkar reaktionshastigheten, som är en nyckelparameter.
Pyrolys
Pyrolys innebär termisk sönderdelning av ett organiskt material, utan närvaro av syre, som leder till en förångning av den flyktiga andelen av råmaterialet. Om man efter förångningen avbryter processen genom att avkyla ångan, erhålls en oljeliknande vätska som kallas pyrolysolja. Förutom pyrolysolja bildas även koks och en icke-kondenserad gas. Det finns flera olika pyrolysprocesser; snabb, medelsnabb och långsam.
Råvarans sammansättning
Föroreningar är skadliga i pyrolysprocessen. Stenar och metalldelar måste avlägsnas. Höga nivåer av extraktivämnen i råmaterialet minskar utbytet.
Fysikaliska egenskaper
Pyrolysprocesser kräver fukthalter under 10 procent. Variationer i fukthalt är i allmänhet ett problem. Vid snabb pyrolys bör partikelstorleken vara liten (<3 mm).
Övrigt
Ett homogent material är önskvärt. Variationer i egenskaper orsakar oönskade variationer i slutprodukternas egenskaper.
Kommentarer gällande småträd och sly:
- Processen fungerar att använda för klena träd då det är en hög andel stamved jämfört med grot. Kan vara problem om det är mycket barr och bark, eftersom det då blir mer extraktivämnen. Svårt att hantera om man har ett fuktigt, ohomogent material med mycket barr och bark. Genom att tillsätta väte (hydrerar, för att ta bort syre i form av vatten och på så sätt få bort dubbelbindningar) kan man kracka olja, då ”försvinner” alla besvärliga ämnen.
- Materialet bör vara ganska finfördelat, särskilt vid snabbpyrolys, och jämn fraktionsstorlek. Ren pyrolysolja är inte så stabil och lagringsbar. Detta gäller särskilt snabbpyrolysolja. Gäller att hitta lämplig logistiklösning samt hur och var det ska processas vidare till en användbar produkt.
- Pyrolysprocesser är ganska enkla, skulle kunna vara möjligt med småanläggningar, t ex i container. Ett exempel har demonstrerats inom EU projektet ”MobileFlip”. Men troligen behövs någon form av förtorkning om materialet har mer än 30 procent fukthalt.
- Processtekniskt är det lättare att tillverka en biokol, det är en form av mycket långsam pyrolys. I detta fall skulle det kunna funka med fuktigare material. En mer lågvärdig produkt, men å andra sidan finns idag redan en marknad för detta.
Förgasning
Råvarans sammansättning
Förhållandet mellan syre, väte och kol i råmaterialet påverkar förgasnings-processen och bör helst vara känd. Askans innehåll och egenskaper är viktigt. Metaller är skadliga.
Fysikaliska egenskaper
Fukthalterna bör vara under 10 procent, 20 procent för syngasproduktion. Torkning behövs ofta och skulle helst integreras med förgasningsprocessen. Den önskade partikelstorleken beror på förgasningsprocessen, men i allmänhet får storleken inte variera mycket.
Övrigt
Homogenitet i råmaterialet är mycket viktigt i förgasningsprocesser. Fukthalten påverkar förgasningen och måste vara noggrant kontrollerad. Indirekt förgasning är särskilt känslig för variationer i partikelstorlek. Bulkdensitet är en viktig parameter.
Kommentarer gällande småträd och sly:
I denna process behöver man inte vara försiktig med trädslagsammansättningen och fukthalter upp till 15–20 procent är inget problem. Grövre fraktioner kan skapa problem med kanalbildning i bädden. Kräver en jämn inmatning av bränsle.
Aktuella projekt
Skogforsk deltar i det internationella forskningsprojektet ”
FlexSNG” med målsättning beskriva olika potentiella råvaror för framställning av syngas med avseende på potential, egenskaper, kostnader samt hur tillredning, transport och blandning av olika råvaror kan samordnas i en flexibel tillförselkedja.
Torrefiering
Råvarans sammansättning
Allt organiskt material är av intresse. Hög andel lättflyktiga ämnen sänker utbudet i processen. Relativt okänslig för föroreningar. Mängden av föroreningar och aska etc. påverkar slutprodukten kvalitet. Kvalitetskrav beror på avsedd slutanvändning.
Fysikaliska egenskaper
Materialet måste vara förtorkat innan torrefiering (till ~ 10%). Partikelstorleken är inte kritisk. Flis (10x20x40 mm) är bra. En hög andel finfraktion kan leda till dammproblem. Överstort material kan ge inmatningsproblem.
Övrigt
Homogenitet i partikelstorlek och andra egenskaper är fördelaktigt för processen då det blir lättare att uppnå en homogen grad av torrefiering.
Aktuella projekt
Skogforsk deltar i det internationella forskningsprojektet ”
SteamBioAfrica” för att planera logistiken av invasiva taggbuskar som ska förvandlas till torrefierad bränsle i södra Afrika, och på det sättet återställa landskapet. Projektet pågår mellan 2021-2024.
Pelletering
Små partiklar pressas genom ett munstycke med hål för att bilda pellets av önskad dimension. Processen kräver en relativt torr råvara med anpassad partikelstorlek.
Råvarans sammansättning
Lignin är fördelaktigt för pelletsproduktion medan höga koncentrationer av extraktivämnen kan vara ogynnsamma. Föroreningar som sand och stenar kan vara mycket skadligt för pelleteringsutrustning.
Fysikaliska egenskaper
Den optimala fukthalten för pelletering är cirka 10 procent. Råmaterialet kan behöva vara torkat eller fuktat. Partikelstorlekar bör inte överstiga 60 procent av pelletens diameter (vanligtvis 6–10 mm). För torkningsprocessen är en liten partikelstorlek fördelaktig.
Övrigt
Variationer i partikelstorlek och fukthalt kan orsaka allvarliga problem i torkning och pelletering, och kan leda till ojämn fukthalt i det torkade materialet.