การเตรียมและศึกษาสมบัติของถ่านชีวภาพจากเปลือกถั่วลิสงด้วยกระบวนการทอร์รีแฟกชันและไฮโดรเทอร์มอลคาร์บอไนเซชัน
Preparation and Characterization of Biocoal from Groundnut Shell via Torrefaction and Hydrothermal Carbonization Processes
Abstract
งานวิจัยนี้ศึกษาการปรับสภาพเชื้อเพลิงแข็งจากเปลือกถั่วลิสงด้วยกระบวนการไฮโดรเทอร์มอลคาร์บอไนเซชัน (Hydrothermal Carbonization; HTC) ที่สภาวะน้ำกึ่งวิกฤต (175–225 องศาเซลเซียส) และกระบวนการทอร์รีแฟกชัน ในบรรยากาศไนโตรเจน (250–300 องศาเซลเซียส) ด้วยระยะเวลาในการเกิดปฏิกิริยา 30 นาที โดยวิเคราะห์องค์ประกอบแบบละเอียด ค่าความร้อนสูง อัตราส่วนอะตอม และหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์แข็ง ผลการศึกษาบ่งชี้ว่าการปรับสภาพทั้ง 2 กระบวนการช่วยปรับปรุงสมบัติด้านเชื้อเพลิงของเปลือกถั่วลิสงให้สูงขึ้นคือ ปริมาณออกซิเจนมีค่าลดลง ปริมาณคาร์บอนและค่าความร้อนมีค่าสูงขึ้น กระบวนการทอร์รีแฟกชันให้ผลดีกว่ากระบวนการ HTC ในด้านปริมาณผลได้เชิงมวล ค่าความร้อนสูงของผลิตภัณฑ์จากกระบวนการ HTC ที่อุณหภูมิ 225 องศาเซลเซียส (22.86 เมกกะจูลต่อกิโลกรัม) มีค่าใกล้เคียงกับทอร์รีแฟกชันที่อุณหภูมิ 275 องศาเซลเซียส (22.78 เมกกะจูลต่อกิโลกรัม) บ่งชี้ว่าการปรับสภาพด้วยกระบวนการ HTC สามารถดำเนินการได้ที่อุณหูมิต่ำกว่าทอร์รีแฟกชันเพื่อให้ได้ค่าความร้อนที่เท่ากัน การปรับสภาพทั้งสองวิธีทำให้อัตราส่วนอะตอมของไฮโดรเจนต่อคาร์บอนและออกซิเจนต่อคาร์บอนมีค่าลดลงใกล้เคียงกับถ่านหินพีท ผลวิเคราะห์ FTIR ยืนยันการปรับสภาพด้วยกระบวนการ HTC ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ จากผลการวิจัยสรุปได้ว่าถ่านชีวภาพจากเปลือกถั่วลิสงมีสมบัติด้านเชื้อเพลิงที่ดีขึ้นและสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงแข็งสำหรับการใช้งานด้านความร้อนและทดแทนการใช้ถ่านหินในโรงไฟฟ้า
This research studied the pretreatment of solid fuel from groundnut shells using the Hydrothermal Carbonization (HTC) process (sub-critical water, 175–225 °C) and torrefaction (nitrogen atmosphere, 250–300°C) with 30 minutes of residence time. The solid products were determined in terms of their fuel properties and surface functional groups. The results indicated that both pretreatment processes improved the fuel properties of groundnut shells, including lower oxygen content, higher carbon content and heating values. Torrefaction process had a more favorable impact than the HTC on higher mass yield. The solid product from HTC process at 225°C had a heating value of 22. 86 MJ/kg, comparable to torrefaction at 275°C (22.78 MJ/kg). This indicated that HTC could be carried out at a lower temperature than that of torrefaction to achieve the same heating value. Both methods of treatment decreased the ratios of H/C and O/C, reaching typical values of peat coal. Results of FTIR confirmed that HTC led to increased oxygen- containing functional groups. According to these findings, biocoal derived from groundnut shells has better fuel quality. It can be considered a solid fuel for heat applications, including a replacement of coal in power plants.
Keywords
[1] P. A. Seglah, Y. Wang, H. Wang, and Y. Bi, “Estimation and efficient utilization of straw resources in Ghana,” Sustainability, vol. 11, no. 15, 2019.
[2] M. A. Perea-Moreno, F. Manzano-Agugliaro, Q. Hernandez-Escobedo, and A. J. Perea-Moreno, “Peanut shell for energy: Properties and its potential to respect the environment,” Sustainability, vol. 10, no. 9, 2018.
[3] I. Domingos, U. Ayata, J. Ferreira, L. Cruz-Lopes, A. Sen, S. Sahin, and B. Esteves, “Calorific power improvement of wood by heat treatment and its relation to chemical composition,” Energies, vol. 13, no. 20, 2020.
[4] W. Clowutimon and P. Assawasaengrat, “Production of activated carbon from peanut hill using phosphoric acid and microwave activation,” KKU Engineering Journal, vol. 42, no. 2, pp. 185–191, 2015 (in Thai).
[5] P. Intanoo and P. Ketrom, “The development of biomass fuel from peanut shell,” The Journal of KMUTNB, vol. 28, no. 4, pp. 837–847, 2018 (in Thai).
[6] X. Jiang, W. Cheng, J. Liu, H. Xu, D. Zhang, Y. Zheng, and H. Cai, “Effect of moisture content during preparation on the physicochemical properties of pellets made from different biomass materials,” Bioresources, vol. 15, no. 1, pp. 557–573, 2020.
[7] A. Pawar and N. L. Panwar, “Experimental investigation on biochar from groundnut shell in a continuous production system,” Biomass Conversion and Biorefinery, vol. 12, pp. 1093–1103, 2022.
[8] F. Fan, Z. Yang, H. Li, Z. Shi, and H. Kan, “Preparation and properties of hydrochars from macadamia nutshell via hydrothermal carbonization,” Royal Society Open Science, vol. 5, no. 10, pp. 181126, 2018.
[9] N. Cellatoglu and M. İlkan, “Torrefaction of solid olive mill residue,” BioResources, vol. 10, no. 3, 2015.
[10] J. H. Peng, H. T. Bi, S. Sokhansanj, and J. C. Lim, “A study of particle size effect on biomass torrefaction and densification,” Energy Fuels, vol. 26, no. 6, pp. 3826–3839, 2012.
[11] A. Yu. Krylova and V. M. Zaitchenko, “Hydrothermal carbonization of biomass: A review,” Solid Fuel Chemistry, vol. 52, no. 2, pp. 91–103, 2018.
[12] W. H. Chen, B. J. Lin, Y. Y. Lin, Y. S. Chu, A. T. Ubando, P. L. Show, H. C. Ong, “Progress in biomass torrefaction: Principles, applications and challenges,” Progress in Energy and Combustion Science, vol. 82, pp. 100887, 2021.
[13] B. Babinszki, E. Jakab, Z. Sebestyen, M. Blazso, B. Berenyi, J. Kumar, and Z. Czegeny, “Comparison of hydrothermal carbonization and torrefaction of azolla biomass: Analysis of the solid products,” Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, vol. 149, pp. 104844, 2020.
[14] J. Khempila, P. Kongto, and P. Meena, “Comparative study of solid biofuels derived from sugarcane leaves with two different thermochemical conversion methods: Wet and dry torrefaction,” BioEnergy Research, 2021.
[15] B. Acharya and A. Dutta, “Fuel property enhancement of lignocellulosic and nonlignocellulosic biomass through torrefaction,” Biomass Conversion and Biorefinery, vol. 6, no. 2, pp. 139–149, 2016.
[16] A. Friedl, E. Padouvas, H. Rotter, and K. Varmuza, “Prediction of heating values of biomass fuel from elemental composition,” Analytica Chimica Acta, vol. 544, no. 1, pp. 191–198, 2005.
[17] H. S. Kambo and A. Dutta, “Strength, storage, and combustion characteristics of densified lignocellulosic biomass produced via torrefaction and hydrothermal carbonization,” Applied Energy, vol. 135, pp. 182–191, 2014.
[18] S. K. Hoekman, A. Broch, C. Robbins, B. Zielinska, and L. Felix, “Hydrothermal carbonization (HTC) of selected woody and herbaceous biomass feedstocks,” Biomass Conversion and Biorefinery, vol. 3, no. 2, pp. 113–126, 2013.
[19] Md. A. Islam, Md. A. Akber, S. H. Limon, and Md. A. Akbor, “Characterization of solid biofuel produced from banana stalk via hydrothermal carbonization,” Biomass Conversion and Biorefinery, vol. 9, no. 4, pp. 651–658, 2019.
[20] J. H. Park, Y. C. Choi, Y. J. Lee, and H. T. Kim, “Characteristics of miscanthus fuel by wet torrefaction on fuel upgrading and gas emission behavior,” Energies, vol. 13, no. 10, 2020.
[21] J. S. Tumuluru, B. Ghiasi, N. R. Soelberg, and S. Sokhansanj, “Biomass torrefaction process, product properties, reactor types, and moving bed reactor design concepts,” Frontiers in Energy Research, vol. 9, 2021.
[22] X. Wang, J. Wu, Y. Chen, A. Pattiya, H. Yang, and H. Chen, “Comparative study of wet and dry torrefaction of corn stalk and the effect on biomass pyrolysis polygeneration,” Bioresource Technology, vol. 258, pp. 88–97, 2018.
[23] J. M. C. Ribeiro, R. Godina, J. C. de O. Matias, and L. J. R. Nunes, “Future perspectives of biomass torrefaction: review of the current state-of-the-art and research development,” Sustainability, vol. 10, no. 7, pp. 1–17, 2018.
[24] M. Pala, I. C. Kantarli, H. B. Buyukisik, and J. Yanik, “Hydrothermal carbonization and torrefaction of grape pomace: A comparative evaluation,” Bioresource Technology, vol. 161, pp. 255–262, 2014.
[25] D. Zhang, F. Wang, A. Zhang, W. Yi, Z. Li, and X. Shen, “Effect of pretreatment on chemical characteristic and thermal degradation behavior of corn stalk digestate: Comparison of dry and wet torrefaction,” Bioresource Technology, vol. 275, pp. 239–246, 2019.
[26] J. Jian, Z. Lu, S. Yao, X. Li, and W. Song, “Comparative study on pyrolysis of wet and dry torrefied beech wood and wheat straw,” Energy Fuels, vol. 33, no. 4, pp. 3267–3274, 2019.
[27] X. Xu, R. Tu, Y. Sun, Z. Li, and E. Jiang, “Influence of biomass pretreatment on upgrading of bio-oil: Comparison of dry and hydrothermal torrefaction,” Bioresource Technology, vol. 262, pp. 261–270, 2018.
[28] Y. Yu, A. Lau, and S. Sokhansanj, “Hydrothermal carbonization and pelletization of moistened wheat straw,” Renewable Energy, vol. 190, pp. 1018–1028, 2022.
[29] A. Mohammadi, “Overview of the benefits and challenges associated with pelletizing biochar,” Processes, vol. 9, no. 9, 2021.
[30] R. L. Setsepu, J. Abdulsalam, and S. O. Bada, “Effects of Searsia lancea hydrochar inclusion on the mechanical properties of hydrochar/ discard coal pellets,” Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, vol. 121, no. 12, pp. 617–621, 2021.
[31] W. Yang, S. Wu, H. Wang, P. Ma, T. Shimanouchi, Y. Kimura, and J. Zhou, “Effect of wet and dry torrefaction process on fuel properties of solid fuels derived from bamboo and Japanese cedar,” BioResources, vol. 12, no. 4, pp. 8629– 8640, 2017.
[32] Z. Yao and X. Ma, “Effects of hydrothermal treatment on the pyrolysis behavior of Chinese fan palm,” Bioresource Technology, vol. 247, pp. 504–512, 2018.
[33] P. Gao, D. Yao, S. Zhong, L. Zhang, G. Xue, and H. Jia, “Factors controlling the formation of persistent free radicals in hydrochar during hydrothermal conversion of rice straw,” Environmental Chemistry Letters, vol. 16, pp. 1–6, 2018.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2023.02.001
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all