作為一個專註於開發可通過管道運輸的顆粒項目, 模製了一種新型碳化顆粒, 其提高了體積能量密度, 耐久性和耐濕性.
加拿大金斯敦皇后大學 (Queen' s University) 研究項目的最初想法是開發一種能夠滿足管道輸送理想特性的木屑顆粒. 金斯頓皇后大學機械與材料工程系教授Andrew Pollard為了做到這一點, 要求是球狀, 以最大限度地提高管道內的填料. 顆粒還需要高度耐用, 並且經受得住與管道和其他顆粒的衝擊和磨損. 當然, 它們必須能夠長時間地被淹沒在管道中的載體 - 水中. 當時, 這樣一個顆粒根本不存在, 所以皇后大學的團隊自行發起了一個研究項目.
碳化過程十分有意思, 因為使用這個過程製成的顆粒不僅增加了能量密度, 而且改善了硬度, 最重要的是疏水性. 然而, 現有圓柱形的碳化顆粒在管道中並不是最佳的, 斷裂端是容易進水和產生微粒或細粒的部位. 為了通過管道運輸, 顆粒將需要連續, 光滑和不透水的外表面, 以最大限度地減少損壞和進水.
為了實現這一目標, 該團隊通過壓縮兩個半球形模具之間的生物質來製成顆粒, 而不是像傳統顆粒那樣通過模具擠壓材料. 常規加工的另一變型涉及在壓縮之前, 通過在一段時間內將模具加熱至設定溫度, 碳化模腔中的生物質, 然後壓制顆粒.
有趣的是, 研究小組發現, 樣品脫氣在模具內產生了一個阻止空氣與加熱樣品相互作用的環境, 從而在碳化期間不需要惰性環境. 產生的第一個顆粒顏色為深棕色, 與碳化的顆粒一樣, 並具有光滑, 堅硬且有光澤的外表面. 不幸的是, 他們也有脆弱的赤道平面, 因此容易分裂成兩半.
由於顆粒半部的其他屬性克服了圓柱形顆粒的許多弱點, 研究團隊將注意力集中在壓縮過程中模具內生物質顆粒之間的相互作用, 並確定脆弱的赤道面是由於粒子間接觸不足造成的. 需要改善生物質纖維之間的混合, 因此Pollard和團隊重新設計了模具, 其功能類似於冰淇淋勺. 隨後製成的顆粒具有相同的不透水的外表面, 也更堅實, 如通過改進的衝擊測試就能證明- 例如將顆粒投擲到混凝土地板上; 它們反彈, 對錶面沒有影響.
然而, 對模具中的生物質進行碳化使得將工藝規模擴大到工業生產能力變得很困難, 因此團隊將焦點轉向確定碳化和制粒步驟是否可以分離, 同時仍然實現相同的堅固顆粒.
為了得到幫助, 這個團隊請來了皇后大學教授, 自然科學和工程研究委員會設計工程主席David Strong. Strong的評估認為, 如果要應用在工業上的話, 團隊需要最小化生物質在模具中花費的時間, 這意味著要麼在生物質預熱之後將其裝載到模具中, 要麼顯著提高模具內生物質的加熱速率.
第一個方案難度在於要應對材料處理方面的挑戰, 特別是在大學的實驗室環境中, 所以團隊專註於第二方案. 然而, 當時的傳統思想是碳化過程中的溫度不能超過50攝氏度, 並且一旦冷卻, 碳化材料就 '凝固' 了, 就不能形成堅固顆粒. 研究人員對這些假設提出質疑, 並通過一系列實驗證明, 之前經過加熱和冷卻的生物質可以迅速重新加熱並壓縮, 以形成與使用原始工藝獲得的質量一致的堅固顆粒.
這是一個關鍵的發現, 使團隊能進一步發展, 無論是原料或預處理的生物質, 在壓縮迴圈中保持時間接近於零. 在這個過程中已經成功地使用了多種類型的生物質, 涵蓋木本和非木本生物質, 如楊樹, 柳枝稷, 燕麥殼和大麻.
事實證明, 皇后大學研發的顆粒 (以下簡稱Q'Pellets) 的特性也非常適合更傳統的應用, 例如在發電時與煤共燒, 在水泥生產中作為低碳燃料替代物. 與傳統碳化顆粒一樣, 與白色或未碳化的顆粒相比, Q'Pellets具有更高的能量密度, 硬度以及疏水性更強.
然而, 用於Q'Pellets的壓縮成型工藝導緻密度增加, 其球形和改進的填充材料導致體積密度增加, 因此體積能量密度增加. Q'Pellets也有一個連續, 光滑和不透水的外表面, 最大限度地減少粉塵的產生, 從而減輕粉塵爆炸的問題. 此外, 它們的貝殼狀表面最大限度地減少了水的進入 - 有趣的是, 團隊發現Q'Pellet淹沒在水中一年半的時間, 對其耐久性沒有任何影響.
為了評估Q'Pellets的商業潛力, 開發了基於電子錶格的模型, 以便對Q'Pellets, 圓柱形碳化顆粒和圓柱形白色顆粒進行技術經濟分析和簡化的生命周期分析. 基於以下這個假設的案例研究, 在不列顛哥倫比亞省威廉姆斯湖建造的一個商業規模的工廠, 在荷蘭鹿特丹完成產品交付, 根據其內部收益率, 生命周期溫室氣體排放來比較每種顆粒類型的生產.
Q'Pellets的類比內部收益率最高為12.7% , 白色顆粒為11.1% , 碳化顆粒為8% . 簡化的生命周期分析表明, Q'Pellets是三種產品中生命周期溫室氣體排放量最低, 為6.96 kgCO2eq / GJ, 而白色顆粒為21.50kgCO2eq / GJ, 碳化顆粒為10.08kgCO2eq / GJ. 在這些生命周期溫室氣體排放水平上, 白色顆粒高於歐盟法規規定的可持續最大生命周期排放量. 通過修改輸入變數對模型進行敏感性分析, 表明白色顆粒對不可控制的市場變數更為敏感, 特別是顆粒銷售價格, 生物質原料價格和運輸成本. 還進行了蒙特卡羅分析, 結果表明, 與Q'Pellet生產相比, 白色顆粒生產的可預測性較差, 並且更可能導致負內部收益率.
Q'Pellet的優勢非常明顯, 體積能源密度增加, 性能優越, 溫室氣體排放周期縮短. 然而, Q'Pellet技術還處於相對較早的發展階段, 需要做更多的工作來提高其技術水平. Pollard和Strong都認為, 通過與有技術基礎的工業合作夥伴合作能夠最好的實現這一目標, 從而推動技術向前發展.
因此, 該大學的技術轉移辦公室一直致力於幫助確定有興趣開發和商業化Q'Pellet技術的工業合作夥伴. 擁有一項涵蓋Q'Pellet模具設計的美國專利, 以及大量的加工技術和專業知識, 該團隊相信, 它已經建立了一個強大的基礎, 可以建立一個新的專有制粒平台.
