How to reduce and cope with off-gassing of wood pellets during storage

Abstract

Holzpellets emittieren bei der Herstellung, dem Transport und bei der Lagerung Gase wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs). Die gleichzeitige Abnahme des Sauerstoffgehaltes in der Luft führt zu einer toxischen Atmosphäre. Diese Arbeit befasst sich i) mit den Ausgasungsemissionen von gelagerten Pellets und deren Einflussfaktoren, ii) mit Maßnahmen zur Verringerung der Ausgasungsemissionen durch Modifizierung der Holzpelletsproduktion und iii) mit der Lagerung von Holzpellets und deren Belüftung.Die bei der Lagerung von Holzpellets entstehenden Emissionen werden durch Oxidationsprozesse von holzeigenen Extraktstoffen initiiert. Die einzelnen Mechanismen und die Herkunft sämtlicher CO Emissionen sind nicht eindeutig geklärt. Zu Beginn dieser Arbeit wurden der Extraktstoffgehalt von Holzpellets und Rohstoffen sowie deren Ausgasungsverhalten gegenübergestellt. Der Pelletierprozess reduzierte den Extraktstoffgehalt, jedoch wurden höhere CO Emissionen bei den Pellets im Vergleich zu den Rohstoffen festgestellt. Zudem korrelierte das Ausgasungsverhalten von Holzpellets nicht mit dem zunehmenden Extraktstoffgehalt. Für die bei der Lagerung von Holzpellets auftretenden Gerüche sind VOCs verantwortlich. Geruchsaktive Holzpellets wiesen, im Vergleich zu unauffällig wahrgenommenen Holzpellets, keine höheren CO oder VOC Emissionen auf. Sowohl für die Ausgasung als auch für die Selbsterhitzung sind Oxidationsprozesse von Extraktstoffen die Ursache. Die simultane Untersuchung des Ausgasungs- und Selbsterhitzungsverhaltens zeigte, dass Pellets mit höherer Ausgasungstendenz auch als Pellets mit höherer Selbsterhitzungstendenz bewertet wurden. Untersuchungen zur Sauerstoffverfügbarkeit belegten einen deutlichen Anstieg der Emissionsbildung mit zunehmender Verfügbarkeit von O2. Dies bekräftigt die Annahme, dass oxidative Prozesse für die Emissionsbildung verantwortlich sind. Zusätzlich wurden Pellets aus Biomasse wie Stroh oder Weinrebschnitte untersucht. Alle analysierten Biomassepellets emittierten CO, CO2 und VOCs. Die sensorische Bewertung von Biomassepellets reichte von angenehm (krautig, süß) bis unangenehm (stechend, ranzig). Die wahrgenommenen Gerüche entsprachen den eingesetzten Rohstoffen. Das Geruchsspektrum ist auf die große Anzahl der gebildeten VOCs zurückzuführen. Wie bei Holzpellets, wurde bei allen untersuchten Biomassepellets Hexanal nachgewiesen. Hexanal ist ein bekanntes Abbauprodukt von Lipiden und lässt vermuten, dass auch bei der Lagerung dieser Biomassepellets, ähnlich der Lagerung von Holzpellets, oxidative Prozesse, stattfinden.Maßnahmen in der Pelletsproduktion und deren Auswirkung auf das Ausgasungsverhalten von Holzpellets wurden untersucht. Dabei wurde der Fokus auf antioxidativ wirkende Substanzen gelegt. Natürliche und synthetische (antioxidative) Additive bewirkten eine signifikante Reduzierung von CO Emissionen. Als weitere Maßnahme in der Pelletsproduktion wurde das Mischen von Rohstoffen zur Verringerung der CO Emissionen identifiziert. Sowohl die Beimischung von Seekieferrinde als auch von Eichensägemehl minimierten die CO Emissionen nachweislich. Die durch die Zugabe von Additiven und die Beimischung von Rohstoffen erzielte CO Reduktion beruht auf der antioxidativen Wirkung der Inhaltsstoffe. Als weitere Maßnahme zur CO Minderung wurde das Ende des Pelletierprozesses, der Kühlprozess, untersucht. Sowohl die Belüftungszeit als auch die Belüftungstechnik beeinflussten die CO Emissionen. Der Eingriff in den Kühlprozess führte jedoch zu einer geringeren Reduktion der Emissionen als der Einsatz von Additiven oder die Mischung von Rohstoffen.CO ist bei der Lagerung von Holzpellets aufgrund seiner Toxizität und seiner geruchlosen Eigenschaft die bedeutendste Emission bei der Lagerung von Holzpellets. Die Einlagerung mehrerer Tonnen Holzpellets können zu hohen CO Konzentrationen führen, daher wurden reale Pelletslager bei Endverbrauchern gemonitort. Um den Einfluss der Belüftung auf die CO Abnahme in Pelletslagern zu beurteilen, wurden zusätzliche Lüftungsversuche durchgeführt. Die gleichzeitige Bestimmung der CO Emissionsraten der eingelagerten Holzpellets zeigte, dass zu Beginn der Holzpelletslagerung ein höherer Anstieg an CO Emissionen zu erwarten ist. Weitere Untersuchungen identifizierten die Querlüftung in Holzpelletslagern als geeignete Maßnahme zur CO Konzentrationsminderung. Die CO Reduktion wird durch eine zunehmende Querschnittsfläche der Belüftungsöffnungen begünstigt. Ein weiterer positiver Einfluss auf die CO Reduktion in Pelletslagern ist ein auftretender Temperaturunterschied zwischen dem Innen- und Außenbereich des Pelletslagers. Ein sorgsamer Umgang wird auch bei belüfteten Holzpelletslagern empfohlen.

Wood pellets emit gases like carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and volatile organic compounds (VOCs) during production, transportation and storage. Simultaneously, the atmospheric oxygen is depleted, leading to a toxic atmosphere for human health. This thesis deals i) with off-gassing emissions from stored pellets and their influencing factors, ii) with measures for reducing off-gassing emissions in wood pellets production and iii) with wood pellets storage facilities and their ventilation.It is known, that formed emissions during the storage of wood pellets are caused by oxidation processes of wood extractives. The exact mechanisms and from where all the CO emissions originate is still unclear. The relation between the total extractive content and off-gassing emissions of raw materials and pellets was investigated. The total extractive content is not the decisive factor determining the formation of CO, CO2 and VOC emissions. Although the pelletising process reduced the extractive content, the CO formation was increased at the same time. Furthermore, the formed off-gassing emissions of wood pellets did not correlate with increasing extractive content. A possible malodour can occur during storage of wood pellets. Again, the assumption is that degradation products of extractives are responsible for the formed VOCs and the resulting malodour. Wood pellets with a noticeable malodour do not necessarily have higher CO or VOC emissions than pellets perceived as pleasant. For both off-gassing and self-heating, the degradation of extractives is decisive. The application of different off-gassing and self-heating methods indicated that pellets with higher off-gassing reactivity were also evaluated as pellets with higher self-heating tendency. The investigation of the headspace ratio and the available oxygen (O2) revealed a considerable increase in the formation of emissions with increasing availability of O2. In addition to wood pellets, pellets from another biomass, likewise straw and grapevine, were investigated regarding their off-gassing behaviour. Results indicated the formation of CO, CO2 and VOCs. The sensory evaluation of biomass pellets showed differently perceived odours ranging from pleasant (herbage, sweet) to unpleasant (pungent, rancid). As assumed, the odours correspond to the used raw materials. The odour spectrum is due to the large number of formed VOCs. As usual for wood pellets, hexanal was formed in all analysed biomass pellets batches. Hexanal is a known degradation product of lipids assuming that similar processes as in the storage of wood pellets, oxidative degradation process, also take place in the storage of other biomass pellets.Within the framework of the thesis, the production process of wood pellets was modified. It becomes apparent that the usage of various antioxidative additives are useful measures to reduce CO emissions. In addition, the blending of raw material also proves to be a suitable measure for reducing CO emissions. For instance, the blendings of maritime pine bark or oak sawdust without bark reduce CO emissions considerably. As a further measure for CO reduction, the end of the pelletising process and the cooling process are investigated. Both, the ventilation time and the ventilation technology demonstrated an influence on the formation of CO emissions. However, the ventilation measures indicate less effect than the usage of additives or the blending of raw materials.Fact is, wood pellets form emissions during storage. CO is most relevant due to the toxicity of CO, its odourless property and the potential for formation. Even if the formation of CO can be reduced through suitable measures, several tonnes of wood pellets are nevertheless stored directly at the end user storage facility leading to possible high CO concentrations. In order to gain knowledge, real wood pellets storages are monitored at the end users. In addition, ventilation trials are carried out to estimate their influence on CO reduction. The simultaneous monitoring of wood pellets storages and the determination of CO emission rates of the wood pellets stored there, indicate that higher CO maxima are to be expected at the beginning of the storage. Moreover, cross ventilation is a suitable measure for CO reduction in wood pellets storage facilities. CO reduction is accelerated with increasing cross-sectional area of the ventilation openings. Another positive influence on CO reduction in wood pellets storages is an occurring temperature difference between the inside and outside of pellets storage facilities. Nevertheless, care should be taken when handling stored wood pellets.