Methodenartikel

Bewertung des integrierten Biogas-und Hydrothermale Karbonisierung für die Bioenergieproduktion

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DOI:

10.3791/51734

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15. Juni 2014

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1APECS Group, Leibniz Institute for Agricultural Engineering

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Ein Roman Upflow Anaerobe Solid State (Fachhochschulen) Reaktor wurde für die Biogasproduktion aus Faserausgangsstoffe verwendet. Gärresten aus Fachhochschulen Reaktor wurde hydrothermal in HTC Biokohle in einem Druck Batch-Reaktor verkohlt. Die Integration der beiden Bioenergie-Konzepte wurde in dieser Studie angewendet, um die Gesamt Bioenergie-Produktion zu erhöhen.

Zusammenfassung

Lignocellulose-Biomasse ist eine der am häufigsten vorkommenden noch nicht ausgelastet erneuerbarer Energiequellen. Sowohl die anaerobe Vergärung (AD) und hydrothermale Carbonisierung (HTC) sind vielversprechende Technologien für die Produktion von Bioenergie aus Biomasse in Form von Biogas und Biokohle HTC sind. In dieser Studie wird die Kombination von AD und HTC vorgeschlagen, um die Gesamt Bioenergie-Produktion zu erhöhen. Weizenstroh wurde anaerob in einem Roman Upflow anaeroben Festkörper-Reaktor (Fachhochschulen) in beiden mesophilen (37 ° C) und thermophilen (55 ° C) Bedingungen verdaut. Wet aus thermophilen AD verdaut wurde hydrothermal bei 230 ° C für 6 Stunden für HTC Biokohle Produktion verkohlt. Bei thermophilen Temperatur ergibt die Fachhochschulen System durchschnittlich 165 L CH4 / kg VS (VS: flüchtige Feststoffe) und 121 L CH4 / kg VS bei mesophilen AD über den kontinuierlichen Betrieb von 200 Tagen. Inzwischen 43,4 g HTC Biokohle mit 29,6 MJ / kg dry_biochar war obtvon HTC von 1 kg Gärrest (Trockenmasse) aus mesophilen AD ained. Die Kombination von AD und HTC, in diesem bestimmten Satz von Experiment ergeben 13,2 MJ Energie pro 1 kg Trockenweizenstroh, die mindestens 20% höher als HTC allein und 60,2% höher als nur AD ist.

Einleitung

Die Suche nach erneuerbaren und nachhaltigen Energiequellen sind wichtige Anliegen in der Welt der Energiesektor. Kürzlich berichteten die Vereinten Nationen, dass bis zu 77% des weltweiten Energie im Jahr 2050 aus erneuerbaren Quellen 1 zu erwarten. Lignocellulose-Biomasse wie Stroh, Gräser, Reisschalen, Maiskolben haben keine Konflikte mit der Nahrung gegen Kraftstoff-Thema. Darüber hinaus ist die Biomasse wahrscheinlich die einzige erneuerbare Energiequelle mit Vollkarbon, im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Wind, Sonne, Wasser und 2. Allerdings Handlingeigenschaften, geringere Schüttdichte, hohem Aschegehalt und niedrigeren Energiegehalt behindern den Einsatz von Lignocellulose-Biomasse für die Energieproduktion 2.

Anaerobe Vergärung (AD) ist eines der Paradebeispiele für die Herstellung von Bioenergie aus Abfall-Biomasse. 3 In der Regel gibt es vier Abbauschritte sind in der anaeroben Vergärung, wie in Abbildung 1 gezeigt 4 . In den ersten drei aufeinanderfolgenden Schritten werden die Polysaccharide der Biomasse in organische Säuren überführt. Im letzten Schritt, methanogenen Organismen produzieren Biomethan. Traditionelle AD ist eine Zeit und Energie raubender Prozess. Die kontinuierliche Rühren reduziert die Gesamtökonomie AD, insbesondere für AD von Lignocellulose-Biomasse. Ein Roman Upflow anaeroben Festkörper-(Fachhochschulen)-Reaktor das Potenzial, die genannten Mängel (Abbildung 2) 4 überwunden hat. Spontane Fest-Flüssig-Trennungen ist einer der wesentlichen Vorteile der Fachhochschulen, da die entworfene erleichtert Biogasblasen um nicht umgesetzte feste Rückstände nach oben 5 zu heben. Das die Verwendung von Rührer zu beseitigen und reduziert den Verbrauch von Vor-Ort-Leistung daher. Darüber hinaus gewährleistet Flüssigkeitskreis Verteilung der Mikroorganismen und Stoffwechselprodukte in der gesamten Reaktor sowie 5. Im Vergleich zu festen Biobrennstoffen ist Biogas einfacher zu handhaben und lässt wenig oder keine Rückstände. In der Tat, die spezifische EnergiedichteBiogas ist mehrfach höhere Rohstoff Biomasse 4. Allerdings AD begünstigt einfachen Polysacchariden wie Stärke, Fettsäuren, und Hemicellulose ein. Als Ergebnis, Cellulose und Lignin, Hauptteil Faser Lignocellulose wie Weizenstroh, bleibt als feste Gärreste nach der AD-5. Obwohl die Biogasproduktion ist von dem Ausgangsmaterial, Art der Mikroorganismen, der Reaktionstemperatur und Reaktionszeit wird eine riesige Menge von Gärresten in der Regel produziert.

Während Biogas wird zur Energiegewinnung genutzt werden Gärreste (bis zu 90% Wasser) in der Regel in einem Gärrest-Depot, um die verbleibenden Methanemissionen zu sammeln gespeichert. Danach werden diese getrocknet und auf dem Acker verteilt, um die Bodenfruchtbarkeit und Wasserrückhaltevermögen zu verbessern. Hohe anorganische Inhalt oft behindern Gärreste direkt für Kraftstoff, als große Mengen von Schlacke könnte das Gerät 6 korrodieren. Hydrothermale Carbonisierung (HTC) ist ein thermochemische Behandlung Prozess vor allem für Nass konzipiert. Ausgangsmaterial, in der Biomasse (mit 80-90% Wasser) bis zu 200-260 ° C bei Wassersättigung Druck erhitzt und halten Sie für 0,5-6 h (Abbildung 3) 7,8 Subkritische Wasser hat die maximale Ionenprodukt bei 200 - 260 ° C, das Wasser unter diesen Bedingungen bedeutet, ist reaktiv und verhält sich wie einer milden Säure und einer milden Base gleichzeitig 9. Hemicellulose, zusammen mit anderen Inhaltsstoffe, verschlechtern um 180-200 ° C, während die Cellulose reagiert, um 220-230 ° C, und Lignin reagiert bei relativ höheren Temperaturen (> 250 º C), aber viel langsamer als Cellulose und Hemicellulose 10. Aufgrund einer erheblichen Austrocknung und Decarboxylierung, HTC Ergebnisse festes Produkt namens HTC Biokohle, mit Massenausbeute (trocken HTC Biokohle / Trockenfutter) von 40-80% Flotte, Carbonsäuren, Furan-Derivate, phenolische Substanzen und Zucker-Monomeren und 5 - 10% CO 2-reiche Gasprodukt 11. Während HTC, sind sauerstoffhaltige flüchtige Substanzen deutlichreduziert und somit Kommentar kohlenstoffreichen Feststoff. HTC Biokohle ist auch stabil, hydrophobe und brüchig zu vergleichen, um rohen Ausgangsmaterial feucht 12,13. Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften, dewateribility von HTC Biokohle erhöht mehrfach im Vergleich zu rohen Gärreste oder sogar roh Biomasse. 14-18 Darüber hinaus hat HTC Biokohle Kraftstoffwerte ähnlich wie Braunkohle Kohle 16,17. Allerdings, Cellulose und Lignin teilweise in der HTC-Umgebung 18 abzubauen.

Jetzt Hemicellulose und Cellulose in der Biomasse zu Biogas beitragen während AD, während Zellulose und Lignin meist solide HTC Biokohle 4,5 beizutragen. So kann die Kombination von AD-HTC potenziell erhöhen Bioenergie Gesamtausbeute. Hoffmann et al. Simuliert eine ähnliche Kombination, sondern mit AD und HTL (hydrothermale Verflüssigung) als AD-19 HTC. HTL ist eine gängige Methode zur Verflüssigung von Biomasse-Anteil und flüssige Produkt hat eine hohe Brennwert [43,1 MJ / kg]. Allerdings HTL requIRES sehr hohem Druck (250 bar) im Vergleich zu HTC (10-50 bar), die eine hohe Installations-und Betriebskosten als HTC bringt. Auch hier kann die Kombination Folge von AD und HTC als Wirth et al Frage gestellt werden. Kürzlich berichtet AD von HTC-Verfahren Flüssigkeit 20. Allerdings hängt eine effektive AD auf der Zuckerkonzentration in den Einsatzstoffen. Zucker in flüssiger HTC-Verfahren, bei der Hydrolyse hergestellt, die oft schnell zersetzen unterkritischen Wasser. Das ist, warum AD vor HTC ist in Sachen Bioenergie günstiger. Allerdings kann der AD HTC Prozessflüssigkeit zusätzliche Erzeugung von Bioenergie, in dem Fall wäre die Kombination Sequenz AD-HTC-AD sein.

Das Ziel der Arbeit war es, die Integration von AD und HTC Prozesse zur Produktion von Bioenergie (Abbildung 3) zu bewerten. Die Biogasproduktionspotenzial für thermophilen und mesophilen AD von Fachhochschulen Reaktor wurde bei einem Dauerbetrieb von mehr als 200 Tagen ausgewertet. Anschließend HTC Biokohle Produktion from Gärreste wurde ebenfalls untersucht. Die Masse-und Energiebilanz der kaskadierten AD-HTC wurde durchgeführt und verglichen mit den Einzelprozessen.

Protokoll

1. Anaerobe Vergärung von Weizenstroh

Hinweis: Für die anaerobe Vergärung in 39 L Fachhochschulen Reaktoren verwenden 5-65 mm lang rohe Koteletts Weizenstroh als Futtermittel. Die organische Trockensubstanzgehalt des Ausgangsmaterials in diesem speziellen Experiment war 85,9% und Rohfaser Fraktion betrug 46,3%. Die Fachhochschulen Reaktoren aus Edelstahl mit einem Sichtfenster aus Acrylglas gefertigt. Zwei 30 L anaeroben Filter (AF) werden mit jedem L 39 Fachhochschulen Reaktor kombiniert. Der AFS sind aus transparentem Acrylglas gebaut. Die schematische Darstellung der Reaktorsysteme sind in Fig. 2 gezeigt und Architektur anderswo 4 beschrieben. Details zum Impfen und der Inbetriebnahme der Reaktoren sind an anderer Stelle 5 angegeben.

  1. Füllen Sie die einzelnen AF 325 mit tonnenförmigen Polyethylen Biofilmträger.
    Hinweis: Die Biofilmträgern verwendet werden, eine Oberfläche von 305 m 2 / m 3.
  2. Stellen Sie die Wasserpumpen für ProzessflüssigkeitskreislaufIn beiden mesophilen und thermophilen Reaktoren für eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,15 l / Std.
  3. Stellen Heizbädern Temperaturstufe des gewünschten Reaktor, 37 ° C für die mesophile und 55 ° C für die thermophilen Reaktor.
  4. Für die tägliche Fütterung von den Fachhochschulen Reaktoren, wiegen 120 g FM Weizenstroh (= 99,5 g VS) für jeden Reaktor, um eine Raumbelastung von 2,5 g VS / L · Tag zu erreichen.
  5. Offene Fachhochschulen "Ernährungssonde entfernen und den Stempel.
  6. Gießen Weizenstroh in der Diagonale Futterrohr und schieben Sie es in der Unterseite des Reaktors mit Hilfe der Futtermarke. Von da an wird das Stroh gegen ein Sieb treiben und bilden die Solid-State-Bett.
  7. Reinigen Sie die Dichtfläche, um sicherzustellen, es ist gasdicht und schließen Sie dann die Magensonde.
  8. Die Pumpen werden ständig laufen, Fördern 1,2 l / h Prozessflotte durch das Reaktorsystem (Fachhochschulen und AF).
  9. Messen Biogasstrom kontinuierlich mit Trommel-Gas meters und Speicher in einem 20 L-Gas-Tasche.
    Hinweis: Stellen Sie einen Ausweg aus der Gassack in die Biogas-Analysator. Im Biogas Analysator, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 und H 2 werden gemessen. Zuerst das Biogas zu 3 verschiedene Filter, um die Feuchtigkeit zu entfernen, und andere giftige Verbindungen, die schädlich für den Detektor passieren. Der Analysator muss einmal in der Woche für genaue Biogaszusammensetzung kalibriert werden.
  10. Messen Biogas Zusammensetzung regelmäßig mit einem Industrie Biogas Analysator. Hinweis: Die Biogas-Analysator kann nur messen, wenn das Biogas Biogas Tasche ist mindestens halb voll. Für die Messung der Zusammensetzung von Biogas, das Ventil an der Gassack geöffnet werden muss und warten für den stationären Biogaszusammensetzung (es dauert ca. 20-30 Sek.).
  11. Für die Prozesssteuerung, pH-Wert und Temperatur messen, online mit installiert pH-Meter und Thermometer.
  12. Entfernen Sie ca. 3 kg Gärrest (80-90% wet) einmal pro Woche, die einen Feststoffretentionszeit (SRT) gibt of 2-3 Wochen. Verwenden Sie diese Gärreste als Futter für HTC-Verfahren. Die danach entstehende Biogas ist ausreichend, um die Luft zu extrudieren und zu etablieren anaeroben Bedingungen innerhalb von wenigen Stunden.
  13. Analysieren Prozessflotte und Gärgut auf einer wöchentlichen Basis für ihre chemische Eigenschaften (pH, EC, TS, VS, Fettsäuren, CHNS, Ammoniak, Spurenelemente und Rohfaser).

2. Hydrothermale Carbonisierung, Weizen, Stroh Gärgut

Anmerkung: Bei der hydrothermalen Carbonisierung Gärrest aus Schritt 1 ein gerührten 18 l Batch-Reaktor verwendet wird. Die Steuerung und das Timing der Prozess wird über Reaktor 4848-Controller und die Software SpecView 32 849 durchgeführt wird, auf einem Computer ausgeführt werden. In dem Programm kann die Reaktortemperatur, Heizung Manteltemperatur, Druck und Rühren Rate gezeigt werden. Darüber hinaus wird das Programm für die Prozessparameter (Starttemperatur, Solltemperatur, Heizrate, Rühren Rate) für jede HTC Experimente eingestellt werden.

  1. Wiegen 2,5 kgStroh Gärreste mit einer Waage mit einer Genauigkeit von 0,1 g und Transfer zum Reaktorbehälter.
  2. Verwenden Sie die gleiche Balance zu messen, 10 kg Make-up Wasser und gießen Sie sie in den Reaktorbehälter als auch. Dies wird Gärreste, Wasser im Verhältnis 1:4 zu halten.
  3. Vor dem Schließen pneumatisch, manuell rühren die Reaktorinhalt auf Blockade der Propellerrührers verhindern. Schließen Sie den Reaktor und sichern Sie sie durch Festziehen der Schrauben über Kreuz mit einer Kraft von 50 Nm.
  4. Stellen Sie die Reaktion durch das folgende Fahrkurve:
  5. Erreichen Sie die Starttemperatur von 30 ° C in 15 min von Raumtemperatur.
    1. Stellen Sie die Heizzeit für Reaktionstemperatur von 230 º C 100 min.
    2. Halten Sie das endgültige Reaktionstemperatur für 6 Stunden.
    3. Nach 6 h Haltezeit, Abkühlen des Reaktors 15 h von 230 ° C bis Raumtemperatur.
    4. Rühren Sie den Reaktorinhalt auf 30 rpm über den gesamten HTC-Verfahren.
    5. Schalten Sie den Rührer nach der Kühlphase und pdrängen, das Gas in einem 20 L-Gas-Tasche.
    6. Sicherzustellen, dass das Gas durch eine Kondensatfalle sowie einem Aktivkohlefilter passiert.
    7. Bewahren Sie das Gas für die weitere Analyse.
  6. Nachdem die Gasprobennahme Drain des Schlamms aus dem Behälter zu einem Behälter durch eine Hochtemperatur-Hochdruck-Kugelventil und filtern sie durch ein Sieb mit einer Porengröße von etwa 0,5 mm.
  7. Sammeln Sie die Flüssigkeit und tarieren Sie die Biokohle produziert HTC, die Menge der erzeugten HTC-char Vergleich zum Ausgangsmaterial zu bestimmen.

3. Elementaranalyse von Roh, Gärgut und HTC Biokohle aus Weizenstroh

Hinweis: Für jede Festbrennstoffanalyse wird eine Elementaranalyse oder CHONS Analysator oft verwendet. Die elementare Zusammensetzung der atomaren Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel kann aus dieser Analyse erhalten werden. Von CHONS, kann man die Brennwert-oder Energiewert des Brennstoffs zu schätzen. Darüber hinaus wird die Atom Schwefelgehalt auch indicaß die Qualität des Brennstoffs. In dieser Studie wird eine Elementaranalyse verwendet, um den Brennwert von HTC Biokohle, rohe Weizenstroh und Gärgut zu bestimmen. Da der Analysator erlaubt nur eine sehr kleine Probenmenge, Analyse jeder Probe mindestens drei Mal für eine bessere Reproduzierbarkeit.

  1. In einer Probenschale (Zinn, 6 x 6 x 12 mm), 30 mg wiegen Wolfram (VI)-oxid unter Verwendung des spezifischen Gleichgewicht in der Elementar Paket. Hinweis: Die Genauigkeit einer solchen Bilanz ist in der Regel 1 ug. Wolfram (VI)-oxid wirkt als Katalysator bei der Elementaranalyse.
  2. Wiegen 5-10 mg der Trockenprobe und in der gleichen Probe Pfanne, mischen Sie es, und wickeln Sie es. Die Probenschale gewickelt Größe sollte etwa 2 x 2 x 5 mm 3 sein.
  3. Geben Sie die Proben im Autosampler. Die Position jeder Probe und verwenden sulfonsäure in diesem Elementaranalyse als Referenz
  4. Start des Vario-Software in den Computer, um die Elementaranalysegerät verbunden ist, definieren die Bedingungen, Muster Gasfluss, Temperaturen von der2 Öfen (die 2 Öfen bei 1.150 und 850 ° C, beziehungsweise). Dann definieren Sie die Probenbezeichnungen nach automatisierten Liquid-Positionen. Starten Sie das Programm. Die Maschine arbeitet automatisch, führt die Analyse, und speichert die Ergebnisse in den Computer.
    Hinweis: Elemental CHNS sind der Ausgang der Elementaranalyse und in der Regel direkt auf dem Computer-Bildschirm berichtet.

Ergebnisse

Anaerobe Vergärung

Das Biogas Experimente zeigten, dass die UASs System befähigt sind, 38% und 50% der Methanbildungspotential bei mesophilen (37 ° C) und thermo (55 ° C) Betriebsstellungen ist. Bei thermophilen AD ergibt die Fachhochschulen System durchschnittlich 165 L CH4 / kg VS (VS: flüchtige Feststoffe) und 121 L CH4 / kg VS bei mesophilen AD für ein 200 Tage Dauerbetrieb (Abbildung 4). Diese Performance-Werte wurden aus der quantitativen und qualitativen Analyse des Biogases auf die trockene Rohstoffbasis bezogen berechnet.

Die Biomethanpotenzial für die Weizenstroh wurde bestimmt (nach VDI-Richtlinie 4630) auf 304,3 L CH4 / kg VS für mesophilen Betrieb für thermophile und 244,2 L CH4 / kg VS sind, und in Abbildung 5 dargestellt0; 21. In Bezug auf Qualität, Biogas produziert von Fachhochschulen zwischen 41% und 61% der Methan (Abbildung 5) enthalten ist.

HTC Gärreste

Abbildung 6 zeigt trockenen Stroh, trockenen Gärresten aus Stroh von AD abgeleitet und HTC Biokohle aus trockenen Gärresten von HTC stammt. Trocken Gärreste ähnelt dem trockenen Stroh, die nur ein wenig dunkler in der Farbe. Für diese Arbeit wurden Gärresten aus thermophilen Bedingungen für HTC betrachtet. Wie in Tabelle 1 gezeigt, bleibt im Gärrest (Tabelle 1) 63% der Gesamtmasse. Trocken HTC Biokohle ist leichter als trockene Rohstoffe Stroh, wahrscheinlich aufgrund der Abbau von Monomeren und Polymeren, die durch einfache thermophilen Mikroorganismen während der AD.

Abbildung 7 zeigt die hydrophobe Verhalten und Weichheit des HTC Biokohle. Während HTC, werden die Faser kristallinen Strukturen zerstört und erzeugen einen weichen amorphen ca.rbon reichen HTC Biokohle 16,17,28. Es ist aus Tabelle 1 ersichtlich ist, dass die Massenausbeute von Gärresten und rohe Stroh abgeleitet HTC Biokohle sind 43,4% und 38,3% betragen. Das feste Produkt ist HTC Biokohle sehr hydrophob 12; sie kann in Kontakt mit Wasser für eine längere Zeit 13 bleiben. Auch ist es sehr weich, wie es kaum erfordert keinen Druck, es zu pulverisieren. Für Kohle-zu-Energie-Industrie, ist die Aufrechterhaltung Weichheit des Ausgangsmaterials sehr wichtig, da dies die expansive Schritte Pulverisieren zu beseitigen.

Die Elementaranalyse

Aus den in Tabelle 1 angegebenen elementaren Zusammensetzungen kann gesehen werden, daß elementarer Kohlenstoff und Wasserstoff gleich bleiben im festen ganzen anaeroben Vergärung. Elementarer Kohlenstoff und Wasserstoff erhöht Rückgänge bei HTC. Die meisten der elementaren Stickstoff bleibt in der festen, da der elementare Stickstoff-Gehalt wird sowohl während der Verdauung eine erhöhte d HTC Prozesse. Da Schwefel im Weizenstroh Spur wird die Konzentration von elementarem Schwefel in den Ergebnissen dargestellt. Elementaren Sauerstoffgehalt wurde durch Subtrahieren C, H, 100% berechnet, und N und auch in Tabelle 1 dargestellt, unter der Annahme das Ausgangsmaterial besteht aus nur CHONS. Die Sauerstoffkonzentration verringert drastisch während HTC, während es bei der Verdauung ähnlich bleibt.

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Abbildung 1. Grundkonzept und Schritte der anaeroben Vergärung. Dieser Wert beschreibt die grundlegenden Konzepte der anaeroben Vergärung. In dieser Figur sind vier allgemeine Schritte (Hydrolyse, acedogenesis, Acetogenese und Methanogenese) der anaeroben Vergärung präsentiert werden

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Abbildung 2:. Schematische Darstellung des Labormaßstab Fachhochschulen Reaktor zur anaeroben Vergärung Dies ist das Schema der Fachhochschulen Reaktorsystem. Hier UASs Reaktor und anaeroben Filter (AF) durch einen Flüssigkeitsstrom, wobei in dem Reaktor erzeugt UASs Fettsäuren AF kommen und Methan erzeugt verbunden ist. Von der Unterseite des AF wird ein weiterer Flüssigkeitsstrom UASs, wo Mikroorganismen gehen von AF zu UASs Reaktor abgezogen.

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Teilweise umgesetzten 24 Abbildung 3. (Oben) Konzept der HTC von Lignocellulose-Biomasse, (unten) Integrationskonzept der anaeroben Vergärung und HTC * Zellulose sein. In diesem Blockschaltbild ist ersichtlich, daß verschiedene Faserkomponenten in Kontakt mit unterkritischem Wasser stammen und in HTC Pflanzenkohle umgewandelt (Coal Typ).

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Abbildung 4. Methanproduktion aus Fachhochschulen Reaktor in beiden thermophilen und mesophilen anaeroben Bedingungen mit dem Filter. Sind Versuchsergebnisse der Fachhochschulen Reaktor 210 Tage Betrieb für thermophilen und mesophilen Bedingungen. Die X-Achse ist Tagen Betrieb, während die Y-Achse ist die Methanausbeute (L CH4 / kg VS) gegenüber flüchtigen Feststoff (VS).

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Abbildung 5. Methananteil von Biogas aus Fachhochschulen Reaktor in beiden thermophilen und mesophilen Bedingungen. Sind Versuchsergebnisse der Fachhochschulen Reaktor 210 Tagen Betrieb sowohl unter thermophilen eind mesophilen Bedingungen. Die X-Achse ist Betriebstagen, während der Y-Achse ist der Methananteil (%) in den Biogas. Die angegebenen Werte sind Durchschnittswerte von Duplikaten.

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Abbildung 6. (Von links nach rechts) Trockenweizenstroh, Weizenstroh trocken Gärreste und HTC Biokohle Weizenstroh Gärreste. Dies ist die Echtzeit-Bild der verschiedenen Zustände von Weizenstroh. Hier in dieser Figur, kann die Wirkung der anaeroben Vergärung (AD) und HTC sichtbar. Die Faserstruktur noch im Gärrest sichtbar, während sie pulverförmig nach HTC.

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Abbildung 7. Hydrophobie des HTC Biokohle (links), Brüchigkeit des HTC Biokohle (rechts) . Dies wiederum ist die Echtzeit-Bild der Hydrophobie und Brüchigkeit des HTC Biokohle. Im ersten Bild wird HTC Biokohle unter Wasser versenkt, während die nächsten zwei Bilder der Zustand der Biokohle vor und nach der Niederschla hart gezeigt.

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Abbildung 8. (Oben) Bioenergiepotenzial durch anaerobe Vergärung (AD) aus 1 kg rohe Weizenstroh und (unten) Bioenergiepotenzial durch die Integration von AD-HTC aus 1 kg Weizenstroh trocken. Dies ist eine Figur, die Notwendigkeit der Kombination bewerten Konzepte. Das Blockdiagramm zeigt, wie viel Energie das Extrahieren von AD und HTC aus dem Ausgangsmaterial.

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Tabelle 1. Elementaranalyse, HHV, Massenausbeute und Faseranalyse von rohen Weizenstroh, Gärreste (thermophil) und entsprechende HTC Biokohle. HHV von CHNS Zusammensetzung berechnet als in der Literatur 18,24 gezeigt. Tabelle 1 zeigt die experimentellen Ergebnisse der Elementaranalyse und Massenausbeute nach AD und HTC. Lignin, Cellulose und Hemicellulose werden von van Soest Faseranalyse [12] gemessen. Hinweis:. Na nicht analysiert Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Tabelle anzuzeigen.

Diskussion

Fachhochschulen Reaktoren sind in der Lage, die in der Einleitung diskutiert Mängel zu mildern. Allerdings gibt es viel Raum für Verbesserungen. Feeding System und Gärgut zieh sind noch manuelle. Die Fachhochschulen System steht vor Probleme bei der Handhabung Einsatzstoffe größer als 60 mm. Das System arbeitet besser mit Fasereinsatzstoffe, wie sie in der Flüssigkeit schwimmen, aber auch andere Einsatzstoffe wie Gülle und Klärschlamm den Fachhochschulen System nicht begünstigen könnten. Die UASs System derart, daß die Prozeßflüssigkeit zirkuliert von Reaktor zu Reaktor wieder AF ausgebildet ist. Allerdings wurde auch 2-5% Feststoff in der zirkulierenden Flüssigkeit als problematisch erwiesen, da sie hinter im AF oder Sperrung der Rohreingang und Flüssigkeitszirkulation behindern. Die chemische Analyse der Prozessflüssigkeit ist wichtig, da die Produktion von freien Fettsäuren und Stickstoff können die mikrobiellen System was untypisch Biogasproduktion ändern. Die Fachhochschulen System ist robust und kann mehr als 200 Tagen ohne irgendwelche significa laufennt Probleme. Die Rohre Verbindung von Pumpen, Reaktoren AFS müssen jeden Monat Alternative ersetzt werden. Der Wasserstand im Wasserbad muss wöchentlich überprüft und gegebenenfalls nachgefüllt werden.

HTC nasser Gärrest ist sehr effektiv für die Abfallbehandlung sowie die Herstellung von festen Biokraftstoff. Die dewateribility des festen Produktes wird auch von der HTC-Verfahren, wie in der Abbildung 7 dargestellt erleichtert werden., HTC Gärreste muss jedoch vorzugsweise noch am selben Tag, dass der Gärrest entfernt wird so bald wie möglich durchgeführt werden. Andernfalls startet der Gärreste biologisch abbau, was nicht günstig für HTC. Wie HTC ist ein hoher Temperatur (200-260 ° C) und hohem Druck (20-50 bar) Prozess, bei notwendigen Vorsichtsmaßnahmen während des HTC Verfahren ist sehr wichtig. Alle Anschlüsse befinden sich mindestens einmal im Monat, um sicherzustellen, dass sie gasdicht sind, überprüft. HTC Prozessflüssigkeit eine höhere Konzentration an Furfural, 5-HMF und Phenol Compounds, die als Giftstoffe bewertet werden. Also, ist es empfehlenswert, eine Gesichtsmaske und Handschuhe verwenden beim Umgang mit HTC-Verfahren Flüssigkeit, besonders wenn HTC-Verfahren Lauge aus Reaktorbehälter in einen anderen Behälter abgelassen. Obwohl HTC hat viele Vorteile für nassen Rohstoff wie Gärreste, ist es noch ein Batch-Prozess. In einem wirtschaftlichen Bewertung wird HTC Batch-Verfahren schwer zu rechtfertigen sein. Somit ist mehr Forschung erforderlich, um den Dauerbetrieb von HTC zu erleichtern.

Elementaranalyse ist ein effektives Verfahren für die homogene feste Substrate, nicht aber für heterogene Substraten. Als feste Biokraftstoff ist in der Regel heterogenen und Elementaranalyse erlaubt nur 5-10 mg Probengröße, empfiehlt es sich, mindestens drei Wiederholungen und Nutzung Durchschnitt durchzuführen. Eine weitere Einschränkung der Elementaranalyse ist die Messung von festen Substraten mit hohem Aschegehalt. Elemental Analysatoren messen CHONS und keine anderen anorganischen Stoffen. Also, Elementaranalyse des hohen Asche festen Substraten vielleicht nicht reveal die tatsächlichen Konzentrationen CHONS. Probenvorbereitung in der Elementaranalyse ist von entscheidender Bedeutung, als Probe genau eingewickelt werden, sonst wird es eine Inkonsistenz in Analysen werden muss. Brennwert des Feststoff aus CHONS geschätzt werden, aber es wird empfohlen, einen Bomben-Kalorimeter für präzise Kraftstoffwertbestimmung zu verwenden.

Über 92 bis 161 l Methan pro Kilogramm flüchtigen Feststoff in Futtermitteln. Der flüchtige festen oder organischen Gesamtfest der trockenen Weizenstroh war 86,9%. Trocken Gärreste hat niedrigere atomarem Sauerstoff und Wasserstoff-Konzentration, die ein weiteres Indiz für Abbau von Polysacchariden und einfachen Zucker Abbau während der anaeroben Vergärung 22,23 ist. Außerdem unteren H und O-Konzentrationen erhöhen die HHV der Gärreste 24. HHV von trockenen Gärrest ist 22% höher als trocken rohen Ausgangsmaterial. Ähnliche Ergebnisse werden mit einer detaillierten statistischen Analyse von Pohl et al 23 erhalten.

Gärgut aus der anaeroben Vergärung enthält 80-90% Wasser 6. Dies sind hydrophil und Wasser teilweise in mikrobiellen oder pflanzlichen Zellen gebunden. Als ein Ergebnis Entwässerung oder Trocknung von Gärrest ist umständlich und sehr energieintensiv. Zum Beispiel, 2 kg Trocken Gärreste bindet 8 kg Wasser (80% nass), die 20,7 MJ erfordert von Wärme, um Gärreste zu trocknen. Darüber hinaus, um biologisch degradieren neigt es relativ schnell unter Umgebungsbedingungen verliert Pflanzennährstoffen und Mitteilungen THG (Treibhausgas-Emissionen), wie N 2 O und CH 4. Also, trotz höherer Energiepotenzial, frische Gärreste können nicht direkt als fester Brennstoff verwendet werden. Es müssen direkt nach der Verdauung 20 getrocknet werden.

Aus Tabelle 1 kann gezeigt werden, dass die Trocken Gärrest hat einen ähnlichen Atomkohlenstoffgehalt als Ausgangs Stroh, und sie optisch ähnlich vor und nach der anaeroben Vergärung (Abbildung 6). Dies deutet darauf hin, dass Lignin und Lignin-Cellulose-verkrustetemeist unreagiert. Doch eine Massenausbeute von 63% beobachtet, was bedeutet, das verarbeitete Stroh ist 37% leichter als trockene Rohstoffe Stroh. Ähnliche elementaren Kohlenstoffkonzentration bedeutet, dass keine Verkohlung während der anaeroben Vergärung 22 aufgetreten. Wie in 7 gezeigt, ist HTC Biokohle aus Gärrest (thermophil) sehr stabil und weich. Wegen der erheblichen Zunahme der Hydrophobie, kann es buchstäblich ins Wasser tauchen seit Monaten ohne seine physikalischen und chemischen Struktur beeinträchtigt 12,25. Die Hydrophobie verbessert auch die Entwässerung von HTC Biokohle 14. Struktur des Strohs ist nicht erkennbar in der HTC Biokohle mehr, was bedeutet, dass Zellulose könnte umgesetzt worden. Eine signifikante Karbonisierung in HTC Pflanzenkohle zusammen mit der Verringerung der atomaren Sauerstoff beobachtet. Dies ist ein weiterer Hinweis auf Zellulose ist Lignin nicht reagiert. Atomaren Kohlenstoffkonzentration in Lignin ist viel höher als die von Zellstoff 24-29. Als Ergebnis HTC biochar hat eine HHV von 29,6 MJ / kg, die 61% höher als Roh-Stroh und 32% höher als trocken Gärreste bzw. sind.

HHV von HTC verarbeitete Stroh beträgt 28,8 MJ / kg, die auch ähnlich zu der HTC verarbeitete Stroh Gärrest (29,6 MJ / kg) ist. Allerdings ist Massenausbeute in HTC Stroh 40,7% höher als die von HTC mit Gärresten im Vergleich zu rohen Ausgangsmaterial. Als Ergebnis, wenn 1 kg rohe Stroh (18,4 MJ) hydrothermal verkohlt, HTC Stroh Biokohle wird das Potenzial von 11,0 MJ. Andernfalls, wenn dieselbe Menge an AD und HTC, insgesamt 13,2 MJ Bioenergie angewendet wird, in Form von Bio-Erdgas (5,2 MJ) und HTC Biokohle aus Gärrest (8,0 MJ), kann (Abbildung 8) hergestellt werden. Auch ist Flüssigphase des UASs Verfahren ein Potential Flüssigdünger. Darüber hinaus könnte HTC Biokohle höheres Potenzial auf hochwertige Materialeinsatz haben oder die Verwendung als Bodenverbesserung. Für die Kohlenstoffbindung oder Kohlenstoffkreislauf Sicht ist stoffliche Nutzung von Biokohle HTC mehr möglich, dass Energieproduktion.

Anaerobe Vergärung in Kombination mit hydrothermalen Karbonisierung können mehr Bioenergie als die einzelnen Prozesse ergeben. Jedoch wird eine kaskadierte Design für eine bessere Effizienz benötigt. Die Gesamtenergiebilanz, gefolgt von einer wirtschaftlichen Bewertung, ist erforderlich, um diesen Prozess zu validieren. Zukünftige Forschung sollte gehören der Einsatz von HTC Schnaps und nach der Behandlung (chemisch oder biologisch) von HTC-Biokohle. Außerdem werden sowohl die Automatisierung der UASs und HTC Systeme benötigt werden. Diese Studie wurde auf der Verwendung eines Labormaßstab Fachhochschulen und HTC-Reaktor durchgeführt, aber Scale-up des Prozesses notwendig wäre, wenn das Verfahren kommerzialisiert werden.

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Forschung wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung an das Projektmanagement Jülich (PtJ). Die Autoren danken Herrn Ulf Lüder für die technische Unterstützung im Pflanzenkohle-Labor. Die Autoren danken auch Frau Maria Sanchez und Herrn Jonas Nekat für ihre ehrenamtliche Tätigkeit im Biogas- bzw. Analyselabor. Marcel Schmidt und Antje Schmidt werden auch für ihre wertvollen Arbeiten in den Bereichen Videografie und Schnitt gewürdigt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
UASS-ReaktorPatentiertes Design
BalanceKERN 440-55N0,2 g
Präzisions-BiofilmträgerRVT Process Equipment GmbH, DeutschlandBioflow 40Establish 305 m2/m3
HeizbadLauda-Königshofen, DeutschlandLauda Ecoline 011Sicherstellung einer mesophilen und thermophilen Temperatur
UmwälzpumpeHeidolph pumpdrive5201
WeizenstrohDittmannsdorfer Milch GmbH, Deutschland5-65 mm Länge
BiogasanalysatorPronova, DeutschlandSSM 6000
GaszählerRitter, DeutschlandTrommeltyp
HTC ReaktorParr Instrument, Moline, IL USAParr 45555 Gallonen Volumen
HTC TemperaturreglerParr Instrument, Moline, IL USA4848Typ Thermoelement
WaageKERN FKB0,1 g Präzision
HeizsystemParrA1600EEEBand Heizung, 2 > C/min
SoftwareSpecView32849Digitale Überwachungs- und Programmierschnittstelle
KatalysatorWolfram(VI)-oxidElementaranalysator
BalanceMettler ToledoSN-11281232811 µ g Präzision
ProbenbecherElemental Analyssystem GmbHZinn 6 x 6 x 12 mm TopfElementaranalyse
TrockenschrankBinder GmbH, DeutschlandFP 115105 ° C
Ofen ElementaranalysatorVarioEL IIICHNS Analysator

Referenzen

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