تقييم الهضم اللاهوائي المتكاملة والتفحيم الحرارية المائية لإنتاج الطاقة الحيوية

هناك أربع خطوات للتحلل في أي عملية هضم لاهوائي. أولاً، يتم تحلل السكريات المتعددة مائياً إلى مونومرات. ثم تتحول المونومرات إلى لاكتات وأحماض دهنية منخفضة الكربون وكحولات عن طريق التخمر.

في عملية توليد الكيتونات، يتم تحويل النواتج من مرحلة الـ Agenesis إلى صيغ مختلفة. والخطوة الأخيرة هي عملية توليد الميثان، حيث تقوم الكائنات الحية الدقيقة الميثانية بإنتاج الميثان من نواتج Aceto SSIS.

تعد عملية الهضم اللاهوائي التقليدية للكتلة الحيوية الصلبة عملية تستهلك الكثير من الوقت والطاقة. ومع ذلك، فإن مفاعل الحالة الصلبة الهوائي ذو التدفق الصاعد المبتكر يمتلك كافة الإمكانيات للتغلب على هذه القصور. وتتمثل الميزة الجوهرية لهذا النوع من المفاعلات في الفصل التلقائي بين المواد الصلبة والسائلة.

علاوة على ذلك، يمكن للدورة السائلة أن تلغي الحاجة إلى التوجيه المكلف. وتُعد الكربنة الحرارية المائية عملية معالجة كيميائية حرارية حيث يتم تسخين الكتلة الحيوية العادمة في درجة حرارة تتراوح بين 200 إلى 260 °C عند ضغط تشبع الماء لمدة 4.5 إلى 6 ساعات. ويكون الماء دون الحرج في هذه الظروف تفاعلياً للغاية؛ ونتيجة لذلك، يتحلل الهيميسليلوز، إلى جانب المواد المستخلصة الأخرى، عند درجة حرارة تتراوح بين 180 إلى 200 °C، بينما يتفاعل السليلوز عند درجة حرارة تتراوح بين 220 إلى 230 °C، ويظل اللجنين في الفحم الحيوي الناتج عن عملية HTC.

يعد المنتج الصلب لعملية الكربون الحراري المائي (HTC) هشاً للغاية، وكارهًا للماء، ومستقراً. ويمتلك خصائص حرارية مشابهة لفحم اللجنيت. كان الهدف من هذا العمل هو الدمج بين هاتين العمليتين لإنتاج الطاقة الحيوية معاً.

في هذا الفيديو، سنعرض مبدأ العمل وتشغيل مفاعل UASS المبتكر لإنتاج الغاز الحيوي. لاحقاً، سنعرض أيضاً عملية الكربونية الحرارية المائية للمواد المهضومة لإنتاج النواة الحيوية للهضم الهوائي. تم استخدام مفاعل UASS بسعة 39 لتر وبطول يتراوح من 5 إلى 65 مليمتر.

تُغذى المفاعلات بقطع من قش القمح الخام. بلغت نسبة المادة الجافة العضوية في المادة الخام 85.9% بينما كانت نسبة الألياف الخام 46.3%. صُنعت مفاعلات UASS من الفولاذ المقاوم للصدأ مع نافذة فحص مصنوعة من الزجاج الأكريليكي. وقد دُمج مرشح لاهوائي سعة 30 لتر مع كل مفاعل UASS سعة 39 لتر.

تم ملء كل مرشح لاهوائي بـ 325 من حاملات الغشاء الحيوي المصنوعة من البولي إيثيلين. وكان لحامل الغشاء الحيوي مساحة سطح تبلغ 305 meters square per meter cube، وقد استُخدمت مضخة dolf pump drive 5 2 0 1 في كل من الظروف الميزوفيلية والثيرموفيلية. وبالنسبة للسائل المستخدم في العملية، فقد تم ضبط موازنات التسخين عند مستوى درجة حرارة المفاعل المطلوبة للتغذية اليومية لمفاعلات UASS.

يتم وزن 120 grams من قش الخشب. يتم فتح أنبوب التغذية الخاص بـ UASS وإزالة السداد. يُملأ قش الخشب في أنبوب التغذية المائل ويُدفع إلى قاع المفاعل.

يتم إغلاق السطح العلوي بإحكام لضمان عدم تسرب الغاز، ويُغلق أنبوب التغذية. تعمل المضخات بشكل مستمر لنقل 1.2 liters per hour من السائل المتسرب من خلال نظام المفاعل. ويتم قياس تكوين الغاز الحيوي بانتظام باستخدام محلل الغاز الحيوي الصناعي.

يتم إزالة حوالي ثلاثة كيلوغرام من المواد المهضومة مرة واحدة في الأسبوع. كما تم تحليل عينات من العملية والسائل والمواد المهضومة بشكل أسبوعي لتقييم خصائصها الكيميائية. وقد استُخدم مفاعل طبقي من سلسلة par 18 liter 4 5 5 5 مع وحدة تحكم par 4 8 4 8 لإجراء تجارب الكربنة الحرارية المائية (HTC).

تم استخدام حزمة برمجيات Spec view 3 2 8 4 9 في هذه الدراسة. تم وزن القش المهضوم. واستُخدم الميزان نفسه لقياس 10 kilogram من الماء.

تم وضع كل من المادة المهضومة والماء في الوعاء قبل إغلاقه طبياً بواسطة NU. تم تحريك محتويات المفاعل يدوياً لمنع انسداد مقود المروحة. ثم أُغلق المفاعل وأُحكم إغلاقه بواسطة العارضة العرضية.

أحكم ربط المسمار بقوة 50 Newton meter. تم تحديد ظروف التفاعل في هذه التجربة تحديداً؛ حيث ضُبطت درجة الحرارة على 230 degrees Celsius بمعدل تسخين قدره two degrees Celsius per minute، مع الحفاظ على درجة الحرارة لمدة ست ساعات.

بعد مرحلة التبريد، تم إغلاق مفتاح التحكم وجمع الغاز في كيس غاز سعة 20 لتر. ثم صُرف الملاط عبر صمام كروي يتحمل الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية، وجُمِع السائل ورُشِّح.

تم تمزيق الفحم الحيوي الناتج. يوضع الفحم الحيوي الرطب في فرن عند درجة حرارة 105 °C. وقد استُخدم محلل العناصر vari EL three في هذا العمل.

في وعاء العينة، تم وزن 30 milligram من سداسي أكسيد التنغستن. وُضع من 5 إلى 10 milligram من العينة الجافة في وعاء العينة. اخلط المكونات ثم قم بتغليفها.

يتم وضع وعاء العينة في جهاز أخذ عينات تلقائي vari EL. يتم بدء التحليل وتخزين البيانات في جهاز كمبيوتر. وكان الحد الأقصى لإنتاج الميثان 270.4 liter per kilogram للتشغيل المحب للحرارة و 216.9 liter per kilogram للتشغيل المعتدل الحرارة.

احتوى الغاز الحيوي على الميثان بنسبة تتراوح بين 41 إلى 61%، والباقي كان ثاني أكسيد الكربون. تبدو المادة المهضومة الجافة مشابهة للقش الجاف، ولكن لونها أدكن قليلاً. وتتدمر البنية الليفية في الفحم الحيوي الناتج عن الكربون化 الحرارية المائية (HTC).

في حالة غياب البنية الليفية، يصبح الفحم الحيوي الناتج عن الكربون الحراري المائي (HTC biochar) هشاً، حيث لا يتطلب سحقه سوى ضغط ضئيل جداً. كما يتميز الفحم الحيوي (HTC biochar) بأنه كاره للماء بشكل كبير.

يمكن أن يظل في حالة تلامس مع الماء لفترة طويلة. وإذا تم إجراء كربنة مائية لكيلوغرام واحد من القش الخام، فإن الفحم الحيوي الناتج عن عملية HTC سيمتلك طاقة كامنة تبلغ 11 megajoule. ولكن باستخدام العملية المدمجة، يمكن الحصول على إجمالي طاقة حيوية يصل إلى 12.1 mega.

يبلغ عائد الطاقة من الهضم اللاهوائي 20 إلى 25%، بينما يمكن أن يصل عائد الطاقة إلى 70% عند دمجه مع الكربون الحراري المائي (HTC)