Abstract
Hızlı piroliz giderek dünya çapında ticari tesislerde uygulanmaktadır. Onlar hızlı piroliz ile dönüşüm için uygun özelliklere sahip odunsu biyokütle, münhasıran çalıştırın. Gıda üretimi ve biyokütle enerji ve / veya malzeme kullanım sinerji için, tarımsal üretim, örneğin, saman kalıntılarını kullanmak için tercih edilir. sunulan yöntem endüstriyel ölçekte bir malzemenin dönüştürülmesi için uygundur. ana özellikleri sunulmaktadır ve çeşitli biyokütle kalıntılarının dönüşüm kitle dengeleri bir örnek verilmektedir. Organik zengin ve sulu zengin bir - Dönüşümden sonra, parçalanmış yoğunlaşma iki kondanseleri almak için uygulanır. Bu tasarım faz ayrılması sergileyen hızlı piroliz biyo-yağ üretimini engeller. Iki fazlı bir biyo-yağ nedeniyle sırasında reaksiyon suyunun üretimini teşvik saman biyokütle, tipik olarak yüksek bir kül içeriği, bir beklenebilirdönüşüm.
fraksiyone yoğunlaşma ve yüksek kül içerikli biyokütle kullanımı her ikisi de dengelerin kurulması için dikkatli bir yaklaşım gerektirmektedir. Değil dengelerin her türlü anlamlı ve edebiyat diğer sonuçlarla karşılaştırılabilir her ikisi de. Farklı dengeleme yöntemleri sunulmaktadır ve onlardan elde edilebilir bilgi tartışıldı.
Introduction
Fosil karbon kaynaklarına alternatif olarak biyokütle kullanımı dünyanın iklimi üzerinde toplumsal aktivitenin etkisini azaltmak için giderek önem kazanmaktadır. Orada rüzgar ve güneş gibi diğer yenilenebilir enerji kaynaklarını var, ancak biyokütle bugüne kadar sadece yenilenebilir karbon kaynağı temsil eder. Sonuç olarak, biyokütle en verimli şekilde kullanılması kimyasallar ve uzman sıvı yakıtların üretimi olduğunu. Kalıntı biyokütle yem, gıda ve kimya / yakıt üretimi arasındaki rekabeti azaltmak için kullanılmalıdır. Bu artıklar, genellikle bu şekilde endüstriyel ölçekte uygulamaları için lojistik zorluklar gösteren, düşük kütle yoğunluğuna sahiptir.
Bu zorlukları ele almak için, bioliq kavram Teknoloji 1 Karlsruhe Enstitüsü'nde geliştirilmiştir. Bir enerji yoğun ara (bioslurry), sentez için merkezi bir gazlaştırma ünitesinde bir sonraki dönüşüm içine kalan biyokütle dönüştürmek için bir adem-i merkeziyetçi ilk adımı özellikleriGaz ve arzu edilen ürün (ler) e nihai sentezi. gazlaştırma ve sentez birimi ticari işlem elde etmek için, aynı yerinde gerekli, endüstriyel ölçekte tasarlanabilir. Kavram gelen uzman yakıt katkı maddeleri ve dökme kimyasallar 2-5 yakıtların açılan arasında değişen, farklı ürünler için izin verir. Bu çalışma, hızlı piroliz ara madde bioslurry bakiye biyokütle dönüştürmek için kullanılan ilk adım sunulur. Hızlı piroliz <2 sn 6 üretilen piroliz gazlarının bir kalma süresi ile, tipik olarak 450-500 ° C arasında bir reaksiyon sıcaklığında bir atıl atmosfer içinde biyokütle hızlı ısıtma ile karakterize edilir. En sık olarak, akışkan yataklı reaktörler hızlı piroliz gerçekleştirmek için kullanılan, aynı zamanda, özellikle reaksiyon koşulları 7 optimize etmek için uyarlanan farklı reaktör tasarımları de bulunmaktadır. Aşağıda sunulan çalışma çift vidalı bir karıştırma reaktörü ile gerçekleştirilmiştir. Zaten arı sağlam bir teknoloji sunarn, kömür piroliz ve petrol kumları 8 için bir pilot ölçekte endüstriyel ölçekte uygulanabilir.
ikiz vidalı karıştırma reaktöründe amacı, bir katı, önceden ısıtılmış bir ısı taşıyıcı ile bir katı biyokütle beslemesi karıştırılmasıdır. ihtiyaçlarını Karışım hızlı piroliz koşullarında biyokütle dönüştürmek için gerekli olan ısıtma oranının elde edilmesi için yeterince titiz olması. Buna ek olarak, her iki biyokütle ve ısı taşıyıcı parçacıkların boyutu, yüksek ısı transfer katsayısı ve kısa bir partikül ısıtma süresinin elde edilmesinde küçük olması gerekmektedir. Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT), 10 kg saatlik bir biyokütle giriş kapasiteli bir süreç geliştirme biriminin Kataliz Araştırma ve Teknoloji Enstitüsü (IKFT) -1 fazla on yıldır faaliyet olmuştur. Bir kepçe Asansör ile dahili devridaim ve elektrikli bir ısıtma sistemi ile ısıtılmış yeniden ısı taşıyıcı olarak çelik bilyalar kullanılır. Onun temel amacı au soruşturma olduBir gaz yapıcıda ürünün kullanımı ve besleme stoklarının 9-11 geniş bir aralığı için uygunluğu doğrulama uyarlanmıştır NIQUE ürün geri kazanımı teknolojisi. Daha büyük bir pilot tesisin beş yıldır faaliyet olmuştur 500 kg hr -1, bir biyokütle giriş kapasitesi ile bu çalışmalara paralel olarak inşa edilmiştir. Sıcak bir asansör gazı ile pnömatik olarak devridaim ve ilave olarak sürüklenen karakter parçacıkların 1,12 kısmi yanma ile ısıtılan bir ısı taşıyıcı olarak kum kullanmaktadır. Deneysel yöntemin aşağıdaki açıklaması, ürün kurtarma bölümü daha iyi pilot tesis tasarımı 13 benzemeye yenilenmiş sonra küçük süreç geliştirme birimi dayanmaktadır. Bu deney düzeneğinde bir akış şeması Şekil 1 'de gösterilmiştir.
Gazlaştırıcılarda kullanılmak üzere hızlı piroliz biyo-yağ (FPBO) için bu ürün gereksinimlerini dikkate geleneksel FPS'in için geliştirilmiş olan farklı önemli olmasıdırO genellikle direkt yakıt uygulamaları 14 içindir ki. Daha da önemlisi, FPBO katı içeriği çok düşük zorunda değildir. Aslında, gaz haline getirme ve açılır yakıtların daha sonra sentez için karbon miktarının artırılması için, dönüşüm işleminden elde edilen karakter ile üretilen FPBO karıştırmak tercih edilir. Bu gerçekler yerde yayımlanmamış Burada sunulan deneysel kurulum ve hızlı piroliz deney tasarımında farklılıkları anlamak için önemlidir. Bir diğer önemli fark soruşturması kapsamında biyokütle dönüşüm kavramı, özellikle buğday samanı gibi tarımsal artıkların için tasarlanmış olmasıdır. Tipik haliyle, besleme stokunun bu tür kül büyük bir kısmını içerir. Kül, hızla piroliz ürün dağıtımı etkilemek için bilinmektedir. Organik yoğunlaşma (OC) ve katı ve gaz halinde ürün 10,15,16 hem de bir artış bir azalmaya yol açmaktadır. Bu gerçekler muhasebeleştiriliriçin hem burada sunulan deneysel kurulum ve genel proses zincirinin tasarımında. Çoğu endüstriyel tesisler, düşük kül içeriği ile ahşap üzerinde çalışan ve sadece dahili katı yakmak. Bu harici kullanım için olan ısı ilave üretimine yol açar. Yüksek kül içeriğine sahip hammaddeleri kullanıldığında, karakter etkili bir şekilde 13 kullanılması gerektiği bir yan ürün olarak anlamlıdır.
Protocol
1. Başlangıç
- Yardımcı N2 arz ve piroliz gazı fan başlayarak bütün piroliz ve yoğuşma sistemini etkinleştirin. Bekleme sırasında azot 500 L hr -1 ile piroliz deney teçhizat yıkayın. proses kontrol fanın menüsünü açıp reaktördeki basıncı 3-8 mbar ortam basıncının üzerinde olacak şekilde nominal hacimsel akışını ayarlayarak fan düzenler.
Dikkat: Özellikle başlatma sırasında, patlayıcı ortamlarda birikmesi artan bir riski vardır. Sistem bu riski en aza indirmek için tamamen hareketsiz olması gerekir. - Pompa ve homojenleştirici güvenli çalışmasını sağlamak için soğutma sistemi için çıkış aracı olarak etilen glikol ve uygun bir miktarda biyo-yağ çevrimi (örneğin organik zengin kondensatı) doldurun (ör örnekte, 15 kg verilmiştir). başlangıç malzemesinin ağırlığı kaydedin.
- Uygun bir Amoun sulu kondens döngüsü doldurunSuyun t pompanın güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak için (örneğin, örnekte 7 kg verilen). başlangıç malzemesinin ağırlığı kaydedin.
- (500 ° C civarında, örneğin) proses kontrolü kendi menülerini açarak ve istenen değerleri girerek, ısı taşıyıcı ısıtıcı ve tüm yardımcı ısıtıcılar dahil olmak üzere sistemi ısıtın. Yardımcı ısıtma reaktör kendisi ve buharlar kontrolsüz yoğunlaşmasını önlemek amacıyla ilk kondansatöre kadar bağlantı boruları için tavsiye edilir.
- soğutucusu açarak hem yoğunlaşma döngülerinde eşanjör soğutma çevrimi başlatın.
- Süreç kontrolünde kendi menülerini açarak hem yoğunlaşma döngüleri pompaları başlatın ve activate tıklayın. Yeterli soğutma gücü sağlamak için kütle akışını ayarlamak için aynı menüleri kullanın. Örneğin, yaklaşık 350 kg st arasında bir oranda biyo-yağ sirküle -1 söndürme kabına püskürtmeden önce 80 ° C'ye soğumasını. Sulu Conde sirküleBuna ek olarak 600 kg st -1 oranında dengelenir ve tedarik 300 kg st arasında bir oranda soğutma suyu -1 8 ° C 'de.
- elektrostatik çökeltici açın.
- Her iki yoğunlaşma döngüleri 10-20 dakika süreyle çalıştırdıktan sonra, engelleme söndürme sisteminin memeleri kontrol edin ve herhangi bir tıkanma hediye kaldırın.
- kovalı ve proses kontrol ısı taşıyıcı besleme vidası menüsünü açarak ısı taşıyıcı döngü başlatın ve activate tıklayın. Piroliz tepkimesi ısı gereksinimleri için hesap daha yumuşak bir marş izin vermek için arzu edilen bir reaktör sıcaklığının üstünde bir değere, ısı taşıyıcı sıcaklığı ayarlanır. Örneğin biyokütle beslemesi başlamadan önce 545 ° C'ye kadar bir kütle işlemi sırasında 520 ° C arasındaki bir sıcaklıkta 1.000 kg st akış -1, ancak ısı ile ısı taşıyıcıyı kaynağı.
Dikkat: reaktörün ikiz vida ısı taşıyıcı besleme kez otomatik olarak başlatılır emin olunvida devreye girer. Aksi takdirde engelleme ve besleme sistemine bile zarar riski vardır. - Sistemin sonra (yani, bütün sıcaklıklar) istenen hammadde ile biyokütle depolama doldurarak biyokütle beslemeye başlarlar, ayar değerlerini ulaşmıştır. Daha sonra, kilit haznesini açın ve süreç kontrolü kendi menülerde activate tıklayarak biyokütle besleme vidası başlar. Yavaşça aşırı basınç dalgalanmalarını önlemek amacıyla besleme oranını artırmak.
2. Adım ve Gözlemler Sürekli Operasyonu sırasında gerekli
- dengeleme hesabı ve uygun numune almak amacıyla beslenen biyokütle miktarını kaydedin.
- İstenilen reaktör sıcaklığı (ısı taşıyıcı çıkış sıcaklığı) kontrol edin ve buna göre ısı taşıyıcı döngü ısıtma düzenler.
- İstenilen reaktör basıncını korumak için nominal hacimsel akışını ayarlayarak fan düzenler.
- memeleri engelleme olup olmadığını kontrol edinani soğutma sisteminin (kütle akış ve / veya söndürme sıcaklığı artış damla).
- Yeterince erken aşırı ölçekleme tespit etmek için siklon ve söndürme sistemi basınç düşüşünü gözlemleyin. Özellikle piroliz buharlarının ilk sıcaklık düşüşü (söndürme sistemi genellikle giriş) noktasında, çalışma sırasında aşırı ölçekleme kaldırmak mümkün için uygun önlemleri yükleyin.
- Örneğin, mekanik ölçekleme kaldırmak için bir çubuk kullanarak tüpün kesiti temizleyin. söndürme sisteme hava girişini önlemek için bir conta ile çubuk kapatın. Temizleme işleminde değilse daha hava kaçağını azaltmak için çubuğun giriş noktasında bir küresel vana takın.
Dikkat: rodun sokulması ile söndürme sisteminin giriş temizleme reaktörden gaz ihracına geçici bloke olmasına yol açar. temizleme <10 saniye içinde gerçekleştirilir emin olamaz Biyokütle besleme durdurulmalıdır.
- Örneğin, mekanik ölçekleme kaldırmak için bir çubuk kullanarak tüpün kesiti temizleyin. söndürme sisteme hava girişini önlemek için bir conta ile çubuk kapatın. Temizleme işleminde değilse daha hava kaçağını azaltmak için çubuğun giriş noktasında bir küresel vana takın.
- Her iki yoğunlaşma döngülerinin yoğunlaşma sıcaklıkları izlemek ve gerekirse sıcaklığı süreci termostat ayar noktalarını uyarlar.
- İzin verilen maksimum dolum seviyesi% 80 ulaşıldığında (tampon tank boyutu ve beslenen biyokütle miktarına ve türüne bağlı olarak) kısa döngü kondanse çıkarın.
- gaz fazının ölçümleri yapıyoruz. gaz miktarı yanı sıra bileşimin (adım 4.5 ayrıntıları bakınız) ölçmek.
Not: Primer gaz bileşiklerinin N2, CO, CO2, CH4, O2 ve H2 bulunmaktadır. Ek bileşikler, C2 H 4, C2, H 6 ve C3 ila 8 saat gibi, beklenen edilmektedir. Bir gaz ölçüm sistemine bir örnek, (adım 4.5) aşağıda tarif edilmiştir.
Dikkat: piroliz ünitesinin parçaları basınç altında çalıştırıldığında, hava kaçağı patlayıcı atmosferin gelişmesine neden olabilir. Oldukça yakın ob önerilirpiroliz gazı içindeki oksijen miktarını hizmet vermektedir.
3. Kapatma
- Denemeyi durdurmak için, sadece biyokütle beslemesini kapatın ve istenen reaktör basıncını korumak için fan düzenler.
- tüm kalanları piroliz ve ürünler kurtarıldı emin olmak için başka bir 30-40 dakika boyunca çalışması için sistem (ısı taşıyıcı döngü ve yoğunlaşma siklus) izin verir.
- Isı taşıyıcı döngü ısıtma kapatın.
- yoğunlaşma döngüleri ve elektrostatik çökelticinin hem pompalar kapatın.
- Boş hem yoğuşma döngüleri her kondens ağırlığını kaydetmek ve. dengeleri kurmadan önce başlangıç malzemesi miktarını (bkz 1.2 ve 1.3 adımları) çıkarın.
- Char toplama kapları inert bir atmosferde oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin. char miktarını tartın.
Dikkat: Char piroforik özellikleri gösterebilir ve bu malzemeyi işlerken özel bakım alınmalıdır. - CleaTaze, etilen glikol ile biyo-yağ çevrimi ve bir 1 sulu bir kondensat döngüsü N: bir su ve etanol karışımı 1. Uygun miktarlarda doldurun (bkz 1.2 ve 1.3 adımları) ve 30-40 dakika boyunca çalışmasına izin.
'Kuru' ve 'Elemental Carbon' bakiyeler kurma 4. Gerekli analizler
- (Yürürlükteki standartları örnekler parantez içinde verilmiştir) aşağıdaki hammadde analizlerini gerçekleştirmek:
- Su içeriği 17 belirleyin.
- Kül içeriği 18 belirleyin.
- Elemental karbon, hidrojen ve azot içeriği 19 belirler.
NOT: Bu yüksek hava koşullarında fark besleme stokunun nem içeriğini etkiler, çünkü her bir deney gün su içeriğini analiz etmek için önerilmektedir. çok boyutuna bağlı olarak, çok sayıda numune güvenilir hammaddenin karakterize etmek için gereklidir. elyaf analizi ve olan daha yüksek ısıtma değeri gibi ek analizlerönerilir, ancak yukarıda belirtilen dengeleri kurmak için zorunlu değildir.
- (Yürürlükteki standartlara örnekler referanslar verilmiştir) aşağıdaki karakter toz analizlerini gerçekleştirmek:
- Su içeriği 17 belirleyin.
- Kül içeriği 18 belirleyin.
- Elemental karbon, hidrojen ve azot içeriği 19 belirler.
NOT: dengeleri kurma sürecini çıkarken karakter nem içeriği varsayılır. Nem germe analizler sırasında oluşabilir ve su içeriği için diğer iki analiz düzeltilmesi için gereklidir.
- (Yürürlükteki standartlara ya da önerilen diğer yöntemler örnekleri parantez içinde verilmiştir) aşağıdaki biyo-yağ analizlerini gerçekleştirmek:
- Standart protokollere göre hacimsel Karl-Fischer titrasyonu ile su içeriğini belirlemek. Kuru metanol örnek çözülür ve bir baz içeren bir karışım ile titre, SO2Ve ben 2 bilinen bir konsantrasyon (malzeme ayrıntılı örnekler malzeme listesinde verilmiştir). Su her mol I 2 bir molü ile reaksiyona girer.
- FPBO bir 3.040 g örnek alınarak katı içeriğini belirlemek ve yaklaşık 100 ml'lik nihai çözelti, hacme metanol içinde çözülür. Oda sıcaklığında 10 dakika süre ile çözelti karıştırılır. 2.5 um partikül tutma da selüloz filtre boyunca filtre solüsyonu ve berrak süzüntü, elde edilene kadar metanol ile iyice artığı yıkayın. gece boyunca, 105 ° C de bir katı artık kuru kalıntı ağırlığı belirlemek.
- Elemental karbon, hidrojen ve azot içeriği 19 belirler.
- Standart protokollere göre 1H NMR analizi ile, etilen glikol içeriğini belirlemek. 3- (trimetilsilil) ile dötere metanol çözeltisi içinde bir FPBO örnek çözülür propiyonik-2,2,3,3-d4 asit sodyum tuzu, referans madde olarak (TMSP) (yaklaşık 0.1g FPBO 0.8 g çözelti içinde). Örneğin, çözelti, 44 g metanol ve 0.1 g TMSP içerebilir. katıları uzaklaştırmak üzere çözündürüldü santrifüjleyin. 1H Nükleer manyetik rezonans spektroskopi (NMR) ile analiz edin. etilen glikol hidroksi grupları 3.55-3.65 ppm bir zirve göstermektedir. TMSP referans pik yaklaşık 0 ppm görünür ve etilen glikol içeriği ölçmek için kullanılır.
NOT: Saf etilen glikol ile Devreye alma ilk kondansatörde kondens bir seyreltme yol açar. Bu kütle ve enerji denkliklerinin hesaplanmasında ve sonuçların sunumu için düşünülmesi gereken. Tek tek bir kimyasal bileşiklerin tespit edilmesi için yüksek ölçüde istenebilecektir. Böyle bir analitik yöntem nedeniyle farklı bileşiklerin çok sayıda ve yoğuşma matris doğaya çok karmaşıktır. Bu tür analizlerin açıklaması bu yazının kapsamı dışındadır. Ayrıca, yukarıda sözü edilen analizler, sadece kurmak için gerekli olduğunu belirtmek gerekirbakiyeleri ve bir ürün olarak biyo-yağ açıklayan yeterli değildir. FPBO uygulamalarını kapsayan standartlar hazırlık aşamasındadır.
- (Yürürlükteki standartlara örnekleri parantez içinde verilmiştir) aşağıdaki sulu yoğuşma analizleri gerçekleştirin:
- hacimsel Karl-Fischer titrasyonu ile su içeriğini (4.3.1 bakınız) belirleyin.
- Olmayan purgeable organik karbon 20 olarak toplam organik karbon belirleyin.
NOT: Start-up, ikinci kondansatörde kondens bir seyreltme saf su yol ile. Bu kütle ve enerji denkliklerinin hesaplanmasında ve sonuçların sunumu için düşünülmesi gereken.
- kompozisyon zamanla önemli ölçüde değişir, çünkü deney boyunca gaz kompozisyonu izleyin. Örneğin, bir süreç gaz kromatografisinde her 30-60 dakika içinde burada sunulan deneyler sırasında ürün gazı analiz. Ne, H2, CO, CO2, N2: Aşağıdaki gaz türleridir analizO 2, CH4, ve alkan / alken C2-C5 bileşenleri.
- Bir referans olarak reaktöre Ne sabit bir gaz akışının enjekte edilir. Referans hacimsel akışı, ortalama gaz bileşimi oranı, deney süresi ve türlerin yoğunluğuna göre her gaz türlerinin kitle hesaplayın. piroliz gazının su içeriğini belirlemek için, son kondenser çıkış sıcaklığında, doymuş koşullar varsayalım.
Representative Results
biyokütle çeşitli türleri başarıyla IKFT / cari kurulumu ile KIT piroliz ünitesinde piroliz bulundu. Örneğin, üç farklı ham madde (buğday samanı, miscanthus, ve odun) tarif edilen prosedür izlenerek piroliz sonra özellikleri ve verimleri ile ilgili karşılaştırıldı. dengeleme yöntemleri farklı türde gösterilen ve kül zengin hammadde yolundaki uygulanabilirliği açısından tartışılmıştır. Dengeler her fraksiyonun toplama durumuna göre hesaplanmış ve özetlenmiştir dikkat etmek önemlidir. İlk kondenser ele biyo-yağ hala siklonlar tarafından kaldırılmış değil katıları içerir. Bu dengelerin ayrı işaretlenir. Karşılaştırma ve istatistiksel değerlendirme için, biyo-yağ katı içeriği siklonlar elde karakter fraksiyonuna ilave edildi.
Bir 'alındığı gibi' temelinde,Katılar verimi, yani biyo-yağ içinde siklonlar ve kömür mevcut ile geri karakter incelenmiştir hammaddeler için ağırlıkça% 14-25 aralığı içindedir. Gaz verimleri 3 biyokütlelerin (bakınız Şekil 2) için (yaklaşık% 20), nispeten ucuz iken, iki kondansatörlerde kazanılan toplam kondensat verimi ağırlıkça 53-66% arasında değişir. değerler ürün fraksiyonlarının gerçek miktarı pratik bilgiler vermek 'alınan' Bunlar bu tür hızlı piroliz tesisatlarında beklenebilir.
Ancak literatürde toplam sıvı organik verim en yaygın, kuru bazda bildirilen, yani kondensat ve yem reaksiyonun nem ve su hariç. dengesi, bu tür bir avantajı, başlangıçta biyokütle olarak mevcut bulunan nem sonuçlarını etkilemez gerçektir. Bu nem miktarı yapay bir 'alınan' b yoğuşma verimi artıracakalance. Kıyaslanabilirlik nedeniyle, Şekil 3, bir kuru temel üzerinde organik yağ verimi ve reaksiyon su göstermektedir. Bu çalışmada, bir organik yağın verimi artırmak besleme stokları buğday sapı (ağırlık olarak% 1.5 - - 2.7 9.2) - Miscanthus - kül içeriği azaldıkça (35 - 50 ağırlık -% 46), hurda ahşap (Tablo 1 e bakınız). Bu, diğer çalışmalardan 10,15,16 gözlemleri ile uyumludur. reaksiyon suyunun Verim% 12-14 ağırlıkça nispeten dar bir aralık içindedir.
kuru bazda Kütle dengeleri de doğrudan besleme stoklarının kül içeriğine etkilenir. biyokütle malzeme içerdiği mineraller yapay hem 'alınan' ve 'kuru' dengelerindeki katıların verimini artıracaktır. Sonuç olarak, element C bakiyeleri de biyokütle Termokimyasal reaksiyonlarında farkları değerlendirmek için daha uygun gibi görünmektedir, çünkü tespit edilmiştir (Şekil 4
| Buğday samanı | miscanthus | hurda odun | |
| Su, AR | 9.6 | 10.1 | 15.2 |
| Kül, d | 9.2 | 2.7 | 1.5 |
| Karbon, d | 46.1 | 48.6 | 49.8 |
| Hidrojen, d | 5.7 | 5.9 | 6.1 |
| Azot, d | <0.5 | <0.5 | <0.5 |
| ar: alındığı gibi, d: kuru bazda 21 | |||
Kullanılan farklı hammaddelerin Tablo 1. Seçilmiş özellikleri. Tüm değerler kitle kesirler (%) temsil etmektedir.
Deneysel kurulum. 1) Biyokütle depolama Şekil 1. akış diyagramı. 2) Kilit hazne sistemi. 3) Biyokütle dozlama. 4) İkiz vidalı karıştırma reaktör. 5) Kovalı. ısı taşıyıcı için 6) Isıtıcı. Katı maddeler kaldırılması için 7) siklon. 8) Char depolama. 9) Sprey söndürme. 10) Bio-oildepolama tankı. 11) Homojenizetör ve pompa. devridaim kondens soğutulması için 12) Isı değiştirici. 13) Elektrostatik çöktürücü. 14) Sulu kondens deposu. 15) Sulu kondens sirküle pompası. devridaim kondens soğutulması için 16) Isı değiştirici. Sulu kondens 17) Kondenser. 18) Fan gaz / buhar çıkarmak için. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Deneylerin 2. Kütle dengeleri Şekil. Dengeler hammadde ve ürünlerin 21 'alınan' olarak raporlanır. Tüm değerler kitle kesirler olarak ifade edilmiştir. Biyokütle üç farklı kullanılmış ve tüm deneyler en az üç kez 13 yürütülmüştür. biyo katı içeriğinYağ gösterim amacıyla ayrı ayrı rapor edilmiştir. Hata çubukları hammaddenin bir tür deneyin standart sapmalarını gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3. Toplam organik yağ verimleri ve reaksiyon su. Tüm değerler kuru 21 besleme esasına göre sunulmaktadır ve kütle fraksiyonları olarak ifade edilmiştir. Kondens katı içeriği organik yağ verimi 13 dışında tutulmuştur. Hata çubukları hammaddenin bir tür deneyin standart sapmalarını gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4. Karbon dengeler. Tüm değerler biyokütle karbon girişi kitle kesirler olarak bildirilmiştir. Biyokütle üç farklı kullanılmış ve tüm deneyler en az üç kez 13 yürütülmüştür. biyo-yağ içinde katı içeriği örnek vermek amacıyla ayrıca bildirilmektedir. Hata çubukları hammaddenin bir tür deneyin standart sapmalarını gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Discussion
Bütün deneyler için, örneğin ısı taşıyıcı ve kondensat döngüsü hem besleme malzemesinin boyutu, besleme hızı, basınç, reaksiyon sıcaklığı, yoğunlaşma sıcaklıkları ve akış oranları gibi işlem koşulları aynıdır. Doğal olarak, belirlenen limitler dahilinde varyasyonlar kaçınılması mümkün değildir. Burada sunulan işlem geliştirme birimi gibi bir test tesisi için, tekrarlanabilir deneyler için dalgalanma kabul edilebilir aralıkları ve operasyon gerekli süreleri hesaplanmış ve / veya tecrübe ile tespit edilmesi gerekmektedir. Örneğin, reaktörü terkeden ısı taşıyıcının ısı ile gösterilir Reaktör sıcaklığı, tam biyokütle kapasite reaksiyonunun başlamasından itibaren reaksiyonun tamamı boyunca 35 ° C lik bir standart sapma ile kontrol edilir biyokütle besleme (genellikle 4 civarında saat) dur. Reaktördeki basınç 300-500 Pa bir standart sapma ile kontrol edilir. basıncı pikleri fluc nedeniyle meydana gelebilirbiyokütle beslenmesinde haller. Tür dalgalanmaları en aza indirmek ve sürekli bir biyokütle akışı sağlamak amacıyla söz konusu biyokütle malzeme besleme vidası sistemini ayarlamak için tavsiye edilir. birinci ve ikinci kondansatörlerin yoğunlaşma sıcaklığı, sırasıyla, standart bir 3 ° C sapma ile 1 ° C 'de muhafaza edilmiştir.
Bu sunulan deneyler aynı reaktör sıcaklığında (500 ° C) 'de yapılmıştır, bu noktada belirtilmelidir. Bu sıcaklık, her özel besleme stokunun 22 mevcut uygun hızlı piroliz sıcaklığına yansıtmaz. Reaktör sıcaklığı bir varyasyonu da yüksek organik yağ verimi ile, optimize edilmiş bir piroliz sıcaklığına yol açabilir.
yöntemi dengeleme seçimi yüksek kül içeriği ile biyokütle kullanırken fraksiyone yoğunlaşmayı uygulayarak ve özellikle biyokütle hızlı piroliz önemsiz değildir. balancín üç farklı türdeg önceki bölümde sunulmuştur. gerçek ürün dağıtımı beklenen raporları gibi bir 'alınan' bazında ürün fraksiyonlarının verimi raporlama gibi aygıtları ve depolama kapasiteleri tasarımı gibi pratik hususlar için avantajlıdır. Ancak bu değerler hammaddenin su ve kül gizliyor. Örneğin, saman, ormancılık ve budama artıkları ve biyojenik 'atık' - - Özellikle artık biyokütle bu hammaddeleri Tablo 1, su ve inorganik içeriğinin geniş bir yelpazesi var bu bir sorundur.
bu hammaddenin farklı nem içeriğinin etkisini ortadan kaldırır gibi bir 'kuru bazda' biyokütle süreçleri için ortak dengeleme yöntemi farklı çalışmalar arasındaki karşılaştırmalar için yararlı çoğu durumda. Ancak, belirli bir nemli hammadde ile deneyler bu hesaplanan değerler mutlaka reflektörden yok işaret edilmelidirtamamen fiziksel kurutuldu eğer T davranışı ve bu özel besleme stokunun verim deney öncesinde anlamına gelir. Nem piroliz 23 verim dağılımını etkilediği bilinmektedir değerlendirilmesi ve 'kuru' dengeleri karşılaştırırken bu akılda tutulmalıdır.
mineraller öncelikle char sonuna kadar ve ilk nem içeriğine benzer sonuçları belirsiz çünkü Ayrıca, 'kuru bazda' üzerinde kütle dengeleri yüksek kül içerikli hammaddelerin için uygun değildir. ikincil piroliz reaksiyonları teşvik çünkü Benzer su, mineraller yüksek char ve alt biyo-petrol getirilerine lider, gerçek piroliz reaksiyonu ağını etkiler. dengeler kül içeriği için düzeltilirse, böyle etkileri sadece bilimsel bir temele değerlendirilebilir. Bunu başarmanın bir yolu karbon dengeleri kurarak olduğunu. Şekil 2 ve Şekil 4 karşılaştırıldığında kaynaktan artmış katı Yie görülebilirMiscanthus kıyasla buğday sapı pirolizi sonra gözlemlenen LD, ancak, aynı zamanda işlem sırasında oluşmuş organik katıların yüksek bir fraksiyonuna sadece bağlı karakter ile geri kazanılır, inorganik malzeme için.
Elemental C bakiyeleri bir başka avantajı, biyojenik karbon, yani, geri kazanılan ürün fraksiyonlarının kendi dağıtım kaderini göstermektir. Örneğin, piroliz, gazlaştırma ve burada sunulan olduğu gibi sentez - - Bu daha karmaşık dönüşüm zincirinin değerlendirilmesi için önemli olan biyojenik karbon mümkün olduğunca verimli kullanılması gerektiğini çünkü. gelecekteki biyo-temelli ekonomide biyokütle en önemli rollerden biri dolayısıyla fosil kaynaklardan karbon yerine, malların geniş bir yelpazede biyojenik karbon sağlamaktır.
Bir ikiz vidalı karıştırma reaktöründe hızlı piroliz için sunulan protokol, bazı ayarlamalar ile farklı ölçeklerde gerçekleştirilebilir. To 10 kg saatlik bir besleme kapasitesine sahip bir birim olgusunu sunduk -1 operasyonel karmaşıklığı ve süreç davranışı için anlamlı sonuçlar arasında uygun bir uzlaşma olduğu kanıtlanmıştır. Hem biyokütle ve işlem şartlarının optimizasyonu farklı taranması için uygulanabilir. kaba katı artıklar ısı taşıyıcı döngüsünde birikir eğer belirli hammadde özellikleri olumsuz süreç çalışmasına neden olabilir, çünkü belirli bir biyokütle hammaddeyi test çok önemlidir. Bu tür bir birikim sonucu bölümünde sunulan biyokütle gözlenmedi fakat açıklanan işlemle uygulanabilirliğini sınırlandırır büyük bir tanecik boyutuna (> 1 mm) çok sert biyojenik malzemesi için gözlenmiştir. Bu sorun, aynı anda, kısmi yanma ile ısı taşıyıcının pnömatik taşıma ile ısı taşıyıcı döngüsünün farklı bir tasarım, örneğin, ile birlikte azaltılabilir.
Acknowledgments
Yazarlar, bu çalışmanın teknik ve analitik destek için Melanie Frank Pia Griesheimer, Jessica Henrich, Petra Janke, Jessica Maier ve Norbert Sickinger teşekkür ederiz.
BioBoost projesi kapsamında sağlanan mali destek büyük ölçüde kabul edilmektedir. BioBoost bir Avrupa Ar-Ge proje Avrupa Komisyonu (www.bioboost.eu) tarafından Yedinci Çerçeve Programı kapsamında sözleşme 282873 altında ortak finanse edilen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Wheat straw | Dörrmann Kraichtal-Münzesheim | n/a | Triticum aestivum L. |
| Scrap wood | Rettenmeier Holding AG | n/a | According to class A2 of the German scrap wood decree (AltholzV §2): glued, coated, painted, or otherwise treated scrap wood without organic halogen compounds and wood preservatives |
| Miscanthus | Hotel-Heizungsbau Kraichgau-Odenwald | n/a | Miscanthus x giganteus |
| Ethylene glycol | Häffner GmbH & Co KG | 1042090220600 | |
| Ethanol | Häffner GmbH & Co KG | 1026800150600 | Grade 99.9% |
| Nitrogen | KIT | n/a | Supplied by internal nitrogen pressure system. |
| Pyrolysis test rig | self-built | n/a | Flow scheme is illustrated in manuscript. |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Analyses: | |||
| Gas chromatograph Daniel 700 | Emerson Process Management | n/a | Designed for this specific application by Emerson; two 20% SF 96 columns, two HAYESEP N columns, and one MS-5A washed column; carrier gas is helium |
| Helium | Air Liquide | P0252L50R2A001 | Grade 6.0 |
| Gas mixture for calibration | basi Schöberl GmbH & Co. KG | FG 10002 | Specified gas composition: 5% Ne, 2% O2, 20% CO, 30% CO2, 5% CH4, 5% H2, 2% C2H6, 0.5% C3H8, 0.5% C4H10, 0.5% C5H12, remainder N2. |
| Neon | Air Liquide | P0890S10R2A001 | Grade 4.0; used as fixed reference gas flow; not necessarily required and is only given as an example for quantifying the pyrolysis gas flow. |
| Elementaranalysator CHN628 | Leco Instrumente GmbH | 622-000-000 | |
| TGA701 | Leco Instrumente GmbH | n/a | |
| DIMATOC 2000 | Dimatec | n/a | |
| Hydranal methanol dry | Sigma Aldrich | 34741 | |
| Hydranal composite V | Sigma Aldrich | 34805 | |
| 841 Titrando | Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG | 2.841.0010 | |
| 774 Oven Sample Processor | Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG | 2.774.0010 | |
| 800 Dosino | Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG | 2.800.0010 | |
| 801 Stirrer | Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG | 2.801.0010 | |
| Methanol | Carl Roth GmbH & Co KG | 83884 | 99% for synthesis |
| Whatman cellulose filter grade 42 | Sigma Aldrich | WHA1442090 | |
| Methanol-D4 | Sigma Aldrich | 151947 | |
| 3-(Trimethylsilyl)propionic-2,2,3,3-d4 acid sodium salt | Sigma Aldrich | 269913 | |
| BZH 250 MHz | Bruker | n/a |
References
- Dahmen, N., Henrich, E., Dinjus, E., Weirich, F. The bioliq bioslurry gasification process for the production of biosynfuels, organic chemicals, and energy. Energ. Sust. Soc. 2 (1), 1-44 (2012).
- Ahmad, R., et al. Zeolite-based bifunctional catalysts for the single step synthesis of dimethyl ether from CO-rich synthesis gas. Fuel Process Technol. 121, 38-46 (2014).
- Haro, P., Trippe, F., Stahl, R., Henrich, E. Bio-syngas to gasoline and olefins via DME - A comprehensive techno-economic assessment. App Energy. , (2013).
- Henrich, E., Dahmen, N., Dinjus, E. Cost estimate for biosynfuel production via biosyncrude gasification. Biofuels, Bioprod. Bioref. 3, 28-41 (2009).
- Zhang, X., Kumar, A., Arnold, U., Sauer, J. Biomass-derived oxymethylene ethers as diesel additives: A thermodynamic analysis. Energ. Procedia. 61, 1921-1924 (2014).
- Bridgwater, A. V. Renewable fuels and chemicals by thermal processing of biomass. Chem. Eng. J. 91, 87-102 (2003).
- Meier, D., et al. State-of-the-art of fast pyrolysis in IEA bioenergy member countries. Renew. Sust. Energ. Rev. 20, 619-641 (2013).
- Rammler, R., Weiss, H. J., Bußmann, A., Simo, T. Gewinnung von Öl durch Schwelen von Ölschiefer und Teersand als Beitrag zur Energieversorgung. Chem. Ing. Tech. 53, 96-104 (1981).
- Tröger, N., et al. Utilization of biogenic residues and wastes in thermochemical systems for the production of fuels: current status of the project. Biofuels, Bioprod. Bioref. 7, 12-23 (2013).
- Tröger, N., Richter, D., Stahl, R. Effect of feedstock composition on product yields and energy recovery rates of fast pyrolysis products from different straw types. J. Anal. Appl. Pyr. 100, 158-165 (2013).
- Henrich, E., Dahmen, N., Weirich, F., Reimert, R., Kornmayer, C. Fast pyrolysis of lignocelluloses in a twin screw mixer reactor. Fuel Process Technol. 143, 151-161 (2016).
- Dahmen, N., et al. State of the art of the bioliq process for synthetic biofuels production. Env. Prog. Sust. Energ. 31, 176-181 (2012).
- Funke, A., et al. Fast pyrolysis char - Assessment of alternative uses within the bioliq concept. Bioresour. Technol. 200, 905-913 (2016).
- Lehto, J., Oasmaa, A., Solantausta, Y., Kytö, M., Chiaramonti, D. Fuel oil quality and combustion of fast pyrolysis bio-oils. , VTT Publications. Espoo. (2013).
- Fahmi, R., Bridgwater, A. V., Donnison, I., Yates, N., Jones, J. M. The effect of lignin and inorganic species in biomass on pyrolysis oil yields, quality and stability. Fuel. 87, 1230-1240 (2008).
- Oasmaa, A., Solantausta, Y., Arpiainen, V., Kuoppala, E., Sipilä, K. Fast Pyrolysis Bio-Oils from Wood and Agricultural Residues. Energ. & Fuels. 24, 1380-1388 (2010).
- DIN German Institute for Standardization. DIN EN ISO 18134-3 Solid biofuels - Determination of moisture content - Oven dry method - Part 3: Moisture in general analysis sample. , Beuth Verlag. Berlin. (2015).
- DIN German Institute for Standardization. DIN EN ISO 18122 Solid biofuels - Determination of ash content. , Beuth Verlag. Berlin. (2016).
- DIN German Institute for Standardization. Institute for Standardization. DIN EN ISO 16948 Solid biofuels - Determination of total content of carbon, hydrogen and nitrogen. , Beuth Verlag. Berlin. (2015).
- DIN German Institute for Standardization. Institute for Standardization. DIN EN 1484 Water analysis - Guidelines for the determination of total organic carbon (TOC) and dissolved organic carbon (DOC). , Beuth Verlag. Berlin. (1997).
- DIN German Institute for Standardization. ESO 16993: Solid biofuels - Conversion of analytical results from one basis to another. , Beuth Verlag. Berlin. (2015).
- Bridgwater, A. V. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading). Biomass Bioenerg. 38, 68-94 (2012).
- Westerhof, R. J. M., Kuipers, N. J. M., Kersten, S. R. A., van Swaaij, W. P. M. Controlling the water content of biomass fast pyrolysis oil. Ind. Eng. Chem. Res. 46, 9238-9247 (2007).
