Article de méthode

Évaluation de la digestion anaérobie intégré et hydrothermale carbonisation pour production de bioénergie

27.3K vues

⸱

DOI :

10.3791/51734

⸱

15 juin 2014

 ,  ,  , 
1APECS Group, Leibniz Institute for Agricultural Engineering

Dans cet article

Résumé

Un Solid State (UAS) réacteur à flux ascendant anaérobie roman a été utilisé pour la production de biogaz à partir de matières premières fibreuses. Digestats provenant du réacteur UAS a été hydrothermique carbonisé dans HTC biochar dans un réacteur discontinu sous pression. L'intégration des deux concepts bioénergie a été appliqué dans cette étude pour augmenter la production globale de la bioénergie.

Résumé

La biomasse lignocellulosique est l'une des sources d'énergie renouvelable la plus abondante encore sous-utilisées. Tant la digestion anaérobie (DA) et la carbonisation hydrothermale (HTC) sont prometteuses technologies pour la production de bioénergie à partir de biomasse en termes de production de biogaz et biochar HTC, respectivement. Dans cette étude, la combinaison de la MA et HTC est proposé d'augmenter la production globale de la bioénergie. La paille de blé a été digérée en anaérobiose dans un roman flux ascendant anaérobie réacteur état solide (UAS) dans les deux (55 ° C) des conditions mésophiles (37 ° C) et thermophiles. Wet digéré de AD thermophile a été carbonisé hydrothermique à 230 ° C pendant 6 heures pour la production de biochar HTC. A température thermophile, le système de UAS donne une moyenne de 165 L CH4 / kg VS (VS: matières volatiles) et 121 L de CH4 / kg VS à AD mésophile sur le fonctionnement continu de 200 jours. Pendant ce temps, 43,4 g de HTC biochar à 29,6 MJ / kg dry_biochar était obtained de HTC de 1 kg digestat (base sèche) de AD mésophile. La combinaison de la MA et HTC, dans cet ensemble particulier de l'expérience donné 13,2 MJ d'énergie pour 1 kg de paille de blé sec, qui est au moins 20% plus élevé que HTC seul et 60,2% de plus que AD seulement.

Introduction

Trouver des sources d'énergie renouvelables et durables sont des préoccupations majeures dans le secteur de l'énergie dans le monde. Récemment, l'Organisation des Nations Unies a signalé que jusqu'à 77% de l'énergie mondiale en 2050 sera tenu à partir de sources renouvelables 1. La biomasse lignocellulosique tels que la paille, les herbes, les balles de riz, les épis de maïs n'ont pas de conflits avec la nourriture contre problème de carburant. De plus, la biomasse est probablement la seule source d'énergie renouvelable avec le carbone de structure, par rapport aux autres sources d'énergie renouvelables telles que l'éolien, le solaire et l'eau 2. Cependant, les caractéristiques de manipulation, faible densité en vrac, à haute teneur en cendres, et le contenu énergétique plus faible entravent l'utilisation de la biomasse lignocellulosique pour la production d'énergie 2.

La digestion anaérobie (DA) est l'un des premiers exemples de production de bioénergie à partir de déchets de la biomasse. 3 En général, il ya quatre étapes de dégradation impliquer dans la digestion anaérobie comme le montre la figure 1 4 . Dans les trois premières étapes consécutives, les polysaccharides de la biomasse sont convertis en acides organiques. Dans la dernière étape, les organismes méthanogènes produisent biométhane. AD traditionnelle est une procédure longue et consomment de l'énergie. L'agitation continue réduit économie globale de la MA, en particulier pour les AD de la biomasse lignocellulosique. Un roman flux ascendant anaérobie à l'état solide (UAS) réacteur a le potentiel de combler les lacunes mentionnées (figure 2) 4. Séparations solide-liquide spontanée est l'un des avantages importants de UAS, depuis la destinée facilite biogaz bulles de lever résidus solides n'ayant pas réagi à la hausse 5. Ceci élimine l'utilisation de l'agitateur et réduit la consommation d'énergie sur place donc. En outre, la circulation de liquide assure la distribution de micro-organismes et de leurs métabolites dans tout le réacteur ainsi 5. Par rapport aux biocarburants solides, biogaz est plus facile à manipuler, et laisse peu ou pas de résidus. En effet, la densité d'énergie massiquede biogaz est plusieurs fois plus élevé de la biomasse brute 4. Cependant, AD favorise polysaccharides simples comme l'amidon, des acides gras, et l'hémicellulose 1. En conséquence, la cellulose et la lignine, la majeure partie de la biomasse ligno-cellulosiques fibreux comme de la paille de blé, le reste sous forme solide après digestat AD 5. Bien que la production de biogaz à partir de la charge d'alimentation varie, le type de micro-organismes, la température de réaction et le temps de réaction, une quantité énorme de digestat est généralement produite.

Alors que le biogaz est utilisé pour l'énergie, les digestats (jusqu'à 90% d'eau) sont généralement stockées dans une fermentation résidus dépôt pour recueillir les émissions de méthane restants. Ensuite elles sont séchées et réparties sur les terres cultivées pour améliorer la fertilité du sol et la capacité de rétention d'eau. Haute teneur minérale entravent souvent digestat directement pour le carburant, que de grandes quantités de scories pourraient corroder l'équipement 6. Hydrothermale carbonisation (HTC) est un procédé de traitement thermochimique spécialement conçu pour humide. charge d'alimentation, où la biomasse (avec 80 à 90% d'eau) est chauffé à 200-260 ° C sous la pression de saturation de l'eau et pour maintenir de 0,5 à 6 h (figure 3) 7,8 sous-critique de l'eau a le produit ionique maximale à 200 - 260 ° C, ce qui signifie que l'eau dans ces conditions est réactif et se comporte comme un acide faible et une base faible en même temps 9. L'hémicellulose, ainsi que d'autres produits d'extraction, se dégrade autour de 180 à 200 ° C, tandis que la cellulose réagit autour de 220-230 ° C, et de la lignine réagit à la température relativement plus élevée (> 250 ° C), mais beaucoup plus lentement que la cellulose et l'hémicellulose 10. En raison de la déshydratation et la décarboxylation significative, les résultats HTC produit solide nommé HTC biochar, avec un rendement de masse (HTC sec biochar / aliment sec) de 40-80%, liqueur contenant des acides carboxyliques, les dérivés du furanne, les substances phénoliques, et des monomères de sucre, et 5 - 10% riche en CO 2 produit gazeux 11. Au cours de HTC, substances volatiles contenant de l'oxygène sont nettementréduite et ainsi laisser un riche en carbone solide. Biochar HTC est également stable, hydrophobe, et friable comparer à 12,13 brut de la matière première humide. Grâce à ses caractéristiques hydrophobes, dewateribility de HTC biochar augmente plusieurs fois par rapport à digestat brut ou même biomasse brute. 14-18 De plus, le biochar HTC a des valeurs de carburant similaires à lignite 16,17. Cependant, la cellulose et la lignine se dégradent en partie dans l'environnement HTC 18.

Maintenant hémicellulose et cellulose de la biomasse contribuent à biogaz pendant AD, tandis que la cellulose et la lignine contribuent principalement à HTC solide biochar 4,5. Ainsi, la combinaison de AD-HTC peut potentiellement augmenter le rendement global de la bioénergie. Hoffmann et al. Simuler une combinaison similaire mais en utilisant AD et HTL (hydrothermal liquéfaction) plutôt que AD-19 HTC. HTL est une méthode courante de liquéfaction fraction de la biomasse et produit liquide a une valeur élevée de carburant [43,1 MJ / kg]. Cependant, HTL requires très haute pression (250 bar) à comparer HTC (10-50 bar), ce qui implique une grande installation et les coûts d'exploitation de HTC. Encore une fois, la séquence de combinaison de AD et HTC peut être interrogé Wirth et al. AD récemment déclarée de liquide de processus de HTC 20. Cependant, une annonce efficace dépend de la concentration de sucre dans les charges. Sucres dans le liquide de procédé HTC, produites lors de l'hydrolyse, se dégradent souvent rapidement sous l'eau sous-critique. C'est pourquoi AD avant HTC est plus favorable en termes de bioénergie. Cependant, AD de liquide de procédé HTC peut produire la bioénergie supplémentaire, auquel cas, la séquence de combinaison serait AD-HTC-AD.

Le but de ce travail était d'évaluer l'intégration des processus d'AD et HTC pour la production de bioénergie (Figure 3). Le potentiel de production de biogaz pour AD thermophiles et mésophiles du réacteur UAS a été évaluée à un fonctionnement continu de plus de 200 jours. Par la suite, la production de biochar HTC from digestat a également été étudiée. Le bilan de masse et d'énergie de l'AD-HTC en cascade a été effectuée et comparée avec les processus individuels.

Protocole

1. Digestion anaérobie de paille de blé

Remarque: Pour la digestion anaérobie dans 39 réacteurs L UAS, utilisez 5-65 mm de long côtelettes de paille de blé comme aliment cru. La teneur en matière sèche organique de la charge d'alimentation dans cette expérience particulière était de 85,9% et la fraction de fibres de brut était de 46,3%. Les réacteurs de HES sont réalisés en acier inoxydable avec une fenêtre d'inspection en verre acrylique. Deux filtre anaérobie de 30 L (AF) sont combinés avec chaque réacteur de 39 L UAS. Les aflatoxines sont construits en verre acrylique transparent. Le schéma des systèmes de réacteurs sont indiquées sur la figure 2 et décrit par ailleurs la conception architecturale 4. Détails sur l'inoculation et le démarrage des réacteurs sont donnés ailleurs 5.

  1. Remplir chaque AF 325 transporteurs polyéthylène biofilm en forme de tonneau.
    Remarque: Les supports de biofilm utilisés ont une surface spécifique de 305 m 2 / m 3.
  2. Définissez les pompes à eau pour la circulation de liquide de processusdans les deux réacteurs mésophiles et thermophiles pour un taux de 1,15 L / h débit.
  3. Définir des bains de chauffage au niveau de température du réacteur souhaitée, 37 ° C pendant la mésophile et 55 ° C pour le réacteur thermophile.
  4. Pour l'alimentation quotidienne des réacteurs UAS, peser 120 g FM de la paille de blé (= 99,5 g VS) pour chaque réacteur d'atteindre un taux de charge organique de 2,5 g VS / L · jour.
  5. Tube d'alimentation ouvert UAS »et enlever le timbre.
  6. Verser la paille de blé dans le tube d'alimentation en diagonale et de la pousser dans le fond du réacteur à l'aide du tampon d'avance. A partir de là, la paille flotter sur un tamis et former le lit à l'état solide.
  7. Nettoyer la surface d'étanchéité pour s'assurer, il est étanche et fermez le tube d'alimentation.
  8. Les pompes fonctionnent en continu, de transport de 1,2 L / h de liqueur de procédé dans le système de réacteur (de HES et AF).
  9. Mesurer le débit de biogaz en continu à l'aide de type tambour mete de gazrs et stocker dans un sac de gaz de 20 L.
    Remarque: une sortie de la poche de gaz à l'analyseur de biogaz. Dans l'analyseur de biogaz, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 et H 2 sont mesurées. D'abord, le biogaz doit passer trois filtres différents pour éliminer l'humidité et d'autres composés toxiques qui sont nocifs pour le détecteur. L'analyseur doit être étalonné une fois par semaine pour la composition du biogaz précise.
  10. Mesurer la composition du biogaz en utilisant régulièrement un analyseur de biogaz industriel. Remarque: L'analyseur de biogaz ne peut mesurer le biogaz lorsque le sac de biogaz est au moins à moitié plein. Pour la mesure de la composition du biogaz, la vanne à la poche de gaz doit être ouvert et attendre la composition du biogaz stable (il faut environ 20-30 secondes).
  11. Pour le contrôle de processus, mesurer le pH et la température à l'aide en ligne installée pH-mètre et thermomètre.
  12. Retirez environ 3 kg de digestat (80-90% humide) une fois par semaine, ce qui donne un temps de rétention des solides (SRT) of 2-3 semaines. Utilisez ce digestat comme l'alimentation pour le processus de HTC. Le biogaz produit par la suite est suffisante pour extruder l'air et créer des conditions anaérobies dans quelques heures.
  13. Analyser liqueur de processus et du digestat sur une base hebdomadaire pour leurs propriétés chimiques (pH, CE, TS, VS, des acides gras, CHNS, de l'ammoniac, oligo-éléments, et fibres brutes).

2. Hydrothermale carbonisation de paille de blé digestat

Remarque: Pour hydrothermale carbonisation du digestat issu de l'étape 1, un 18 L lot réacteur agité est utilisé. Le contrôle et le calendrier des processus s'effectue via le contrôleur de réacteur 4848 et le logiciel SpecView 32 849, en cours d'exécution sur un ordinateur. Dans le programme, la température du réacteur, la température de chemise de chauffage, la pression et la vitesse d'agitation peuvent être vues. En outre, le programme pour les paramètres du procédé (température de début, la température réglée, le taux de chauffage, la vitesse d'agitation) peut être définie pour chaque expériences HTC.

  1. Peser 2,5 kgdigestat de paille au moyen d'un équilibre avec la précision de 0,1 g et le transférer à la cuve du réacteur.
  2. Utilisez la même balance pour mesurer 10 kg maquillage eau et verser dans la cuve du réacteur ainsi. Ceci permettra de maintenir digestat, rapport d'eau 1:4.
  3. Avant de fermer pneumatique, remuer manuellement le contenu du réacteur pour empêcher le blocage de l'hélice agitateur. Fermer le réacteur et le fixer en serrant les boulons en croix avec une force de 50 Nm.
  4. Régler la réaction par la rampe suivante tremper:
  5. Atteindre la température de départ de 30 ° C en 15 min de la température ambiante.
    1. Régler le temps de chauffage de la température de réaction de 230 ° C est de 100 min.
    2. Maintenir la température finale de réaction pendant 6 h.
    3. Après 6 heures de temps de maintien, refroidir le réacteur 15 heures à partir de 230 ° C à la température ambiante.
    4. Agiter le contenu du réacteur à 30 tours par minute tout au long du processus de HTC complète.
    5. Eteindre l'agitateur après la phase de refroidissement et pexhorter le gaz dans un sac de gaz de 20 L.
    6. Assurez-vous que le gaz passe à travers un piège à condensat ainsi que d'un filtre à charbon actif.
    7. Stocker le gaz pour une analyse ultérieure.
  6. Après le prélèvement des gaz, drainer la suspension à partir du récipient à travers un récipient à une température élevée, la soupape à bille à haute pression, puis filtrer à travers une maille ayant une taille de pore d'environ 0,5 mm.
  7. Recueillir le liquide et tarer le HTC biochar produit pour déterminer le montant de l'omble de HTC-produit par rapport à charge.

3. Analyse élémentaire de Raw, digestat, et HTC biochar de paille de blé

Remarque: Pour une analyse de combustible solide, un analyseur ou CHONS analyseur élémentaire est souvent utilisé. La composition élémentaire du carbone atomique, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le soufre peut être obtenue à partir de cette analyse. De CHONS, on peut estimer le pouvoir calorifique supérieur ou à la valeur de l'énergie du combustible. En outre, la teneur en soufre atomique sera également indicmangé la qualité du carburant. Dans cette étude, un analyseur élémentaire sera utilisée pour déterminer la valeur de carburant de HTC biochar, la paille de blé brut et du digestat. Comme l'analyseur permet seulement une très petite taille de l'échantillon, l'analyse de chaque échantillon au moins trois fois pour une meilleure reproductibilité.

  1. Dans une casserole de l'échantillon (étain, 6 x 6 x 12 mm), peser 30 mg de tungstène (VI) oxyde en utilisant l'équilibre spécifique dans le paquet élémentaire. Remarque: La précision d'un tel équilibre est généralement de 1 mg. Tungstène (VI) oxyde fonctionne comme un catalyseur dans l'analyseur élémentaire.
  2. Peser 5-10 mg d'échantillon sec et mettre dans le même moule de l'échantillon, mélanger, et l'envelopper. La taille de l'échantillon de casserole enveloppée devrait être d'environ 2 x 2 x 5 mm 3.
  3. Placer les échantillons dans l'échantillonneur automatique. Notez la position de chaque échantillon et utiliser de l'acide sulfonique dans cette analyse élémentaire comme une référence
  4. Démarrez le logiciel de Vario dans l'ordinateur connecté à l'analyseur élémentaire, définir les conditions, les flux de gaz d'échantillons, les températures de l'Deux fours (les deux fours sont à 1150 et 850 ° C, respectivement). Ensuite, définir les noms des échantillons en fonction des positions de autosampling. Démarrez le programme. La machine fonctionne automatiquement, effectue l'analyse, et stocke les résultats dans l'ordinateur.
    Note: Elemental CHNS sont la sortie de l'analyseur élémentaire et généralement sont signalés directement sur l'écran de l'ordinateur.

Résultats

La digestion anaérobie

Les expériences de production de biogaz a révélé que le système de HES est capable d'utiliser 38% et 50% du méthane potentiel former au fonctionnement mésophiles (37 ° C) et thermophile (55 ° C), respectivement. Au AD thermophile, le système d'UAS donne une moyenne de 165 L CH4 / kg VS (VS: matières volatiles) et 121 L de CH4 / kg VS à AD mésophile pendant 200 jours de fonctionnement continu (figure 4). Ces valeurs de rendement ont été calculées à partir de l'analyse quantitative et qualitative des biogaz liés à la base de matières premières sèches.

Le potentiel du biométhane pour la paille de blé a été déterminée (suit la directive VDI 4630) à être 304,3 L CH4 / kg VS pour thermophile et 244,2 L CH4 / kg VS pour le fonctionnement mésophile, respectivement, et présenté dans la Figure 50; 21. En termes de qualité, le biogaz produit par UAS contenaient entre 41% et 61% de méthane (Figure 5).

HTC du digestat

La figure 6 montre la paille sèche, digestat sec dérivé de la paille par AD, et HTC biochar dérivé de digestat sec par HTC. Digestat sec ressemble à la paille sèche, qui est seulement un peu de couleur plus foncée. Pour ce travail, digestat de conditions thermophiles ont été considérés pour HTC. Comme le montre le tableau 1, 63% de la masse totale reste dans le digestat (tableau 1). HTC sec biochar est plus léger que la paille première sèche, probablement en raison de la dégradation des monomères et polymères simples par des microorganismes thermophiles pendant AD.

La figure 7 montre le comportement hydrophobe, et la douceur de HTC biochar. Au cours de HTC, les structures cristallines fibreuses sont détruites et produisent un ca amorphe douxrbon riche HTC biochar 16,17,28. On peut voir d'après le tableau 1 que le rendement massique de la paille et du digestat brut dérivé HTC biochar sont de 43,4%, et 38,3%, respectivement. Le produit solide, HTC biochar est très hydrophobe 12; il peut rester en contact avec de l'eau pendant une période prolongée 13. En outre, il est très doux, car elle nécessite presque pas de pression à pulvériser. Pour l'industrie du charbon en énergie, le maintien de la douceur de la matière première est très important, car cela permet d'éliminer les étapes de pulvérisation expansive.

L'analyse élémentaire

De compositions élémentaires présentés dans le tableau 1, on peut voir que le carbone élémentaire et de l'hydrogène sont les mêmes dans le solide tout au long de la digestion anaérobie. Augmentations de carbone élémentaire et les baisses d'hydrogène au cours de HTC. La plupart de l'azote élémentaire reste dans le solide puisque la teneur en azote élémentaire est augmentée à la fois au cours de la digestion d'un processus d HTC. Etant donné que le soufre dans la paille de blé est la trace, la concentration de soufre élémentaire n'est pas présenté dans les résultats. Teneur en oxygène élémentaire a été calculé en soustrayant C, H, N et de 100% et a également présenté dans le tableau 1, en ​​supposant que la charge d'alimentation se compose de seulement CHONS. La concentration en oxygène a diminué de façon spectaculaire au cours de HTC, alors qu'il reste similaire au cours de la digestion.

figure-results-1
Figure 1. Concept et les étapes de la digestion anaérobie de base. Cette figure décrit les concepts de base de la digestion anaérobie. Dans cette figure, quatre étapes générales (hydrolyse, acedogenesis, acétogénèse, et méthanogénèse) de la digestion anaérobie sont présentés

g2highres.jpg "width =" 500 "/>
Figure 2:. Diagramme schématique du réacteur de UAS l'échelle du laboratoire pour la digestion anaérobie Ceci est le schéma d'UAS système de réacteur. Ici, le réacteur d'UAS et le filtre anaérobie (AF) sont montrés reliés par un courant de liquide, où les acides gras produits dans le réacteur d'UAS viennent à AF et du méthane est produit. Du fond de l'AF, un autre courant de liquide est attirée sur les UAS, où les micro-organismes vont de A à F dans le réacteur UAS.

figure-results-2
Figure 3. (En haut) Concept de HTC de la biomasse lignocellulosique, (en bas) le concept d'intégration de la digestion anaérobie et HTC * cellulose sera partiellement réagi 24. Dans ce diagramme, on peut voir que les différents composants de fibres entrent en contact avec de l'eau sous-critique et sont convertis en biochar HTC (CType ut).

figure-results-3
Figure 4. Production de méthane du réacteur UAS dans les deux conditions thermophiles et mésophiles avec le filtre anaérobie. Ce sont des résultats expérimentaux de réacteur UAS pour 210 jours de fonctionnement pour les deux conditions thermophiles et mésophiles. L'axe des X représente jours de fonctionnement, tandis que l'axe des Y est le rendement en méthane (CH4 L / kg VS) par rapport au solide volatil (VS).

figure-results-4
Figure 5. Fraction de méthane du biogaz de réacteur UAS dans les deux conditions thermophiles et mésophiles. Ce sont des résultats expérimentaux de réacteur UAS pour 210 jours de fonctionnement au titre à la fois un thermophiled conditions mésophiles. L'axe des X représente jours de fonctionnement, tandis que l'axe Y est la fraction du méthane (%) dans le biogaz. Les valeurs données sont des moyennes de doublons.

figure-results-5
Figure 6. (De gauche à droite) de la paille de blé sec, sec digestat de la paille de blé, et le biochar HTC de la paille de blé digestat. C'est l'image en temps réel des différents états de la paille de blé. Ici, dans cette figure, l'effet de la digestion anaérobie (DA) et HTC peut être visible. La structure de la fibre est encore visible dans le digestat, alors qu'il devient poudreuse après HTC.

figure-results-6
Figure 7. Hydrophobie du HTC biochar (à gauche), la friabilité du HTC biochar (à droite) . C'est encore l'image en temps réel de l'hydrophobie et friabilité de HTC biochar. Dans la première image, le biochar HTC est coulé sous l'eau, tandis que les deux images suivantes l'état du biochar avant et après dur écrasement sont présentés.

figure-results-7
Figure 8. (En haut) le potentiel de la bioénergie par digestion anaérobie (DA) de 1 kg de paille de blé brut et (en bas) le potentiel de la bioénergie en intégrant AD-HTC de 1 kg de paille de blé sec. C'est un chiffre d'évaluer la nécessité de combinaison concepts. Le diagramme montre combien d'énergie est extraire par AD et HTC de la charge.

figure-results-8
Tableau 1. Analyse élémentaire, HHV, le rendement de masse, et l'analyse des fibres de la paille de blé brut, digestat (thermophile), et correspondant biochar de HTC. HHV est calculée à partir de la composition CHNS comme indiqué dans la littérature 18,24. Le tableau 1 les résultats expérimentaux de l'analyse élémentaire, et le rendement de masse après JC et HTC. La lignine, la cellulose et l'hémicellulose sont mesurés par van Soest analyse des fibres [12]. Remarque: na. N'est pas analysée S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette table.

Discussion

Réacteurs UAS sont capables d'atténuer les lacunes évoquées dans l'introduction. Cependant, il ya beaucoup de place pour l'amélioration. Système d'alimentation et le digestat de retrait sont toujours manuel. Le système d'UAS confronté à des problèmes de manutention des charges d'alimentation de plus de 60 mm. Le système fonctionne mieux avec des matières premières fibreuses comme ils flottent dans le liquide, mais d'autres matières premières comme le fumier et de boues pourrait ne pas favoriser le système UAS. Le système d'UAS est conçu de manière à ce que la liqueur de procédé circule de réacteur à la FA dans le réacteur à nouveau. Cependant, même 2-5% solide dans le liquide circulant a été prouvé pour être problématique, car ils déposent dans l'AF ou de bloquer l'entrée de la canalisation et entravent la circulation du liquide. L'analyse chimique du liquide de traitement est importante, car la production d'acides gras libres et de l'azote peut modifier le système microbienne résultant de la production de biogaz non caractéristique. Le système de HES est robuste, et peut fonctionner plus de 200 jours sans montrer aucune significant problèmes. Les tuyaux de raccordement de pompes à réacteurs à AFS doivent être remplacés tous les mois alternative. Le niveau d'eau dans le bain d'eau doit être contrôlée sur une base hebdomadaire et rempli à nouveau si nécessaire.

HTC du digestat humide est très efficace pour le traitement des déchets ainsi que la production de biocarburants solides. Le dewateribility du produit solide sera également facilitée par le processus de HTC comme indiqué sur la figure 7. Cependant, HTC du digestat doit être effectuée le plus tôt possible, de préférence le même jour que le digestat est retiré. Sinon, le digestat commence dégrader biologiquement, ce qui n'est pas favorable pour HTC. Comme HTC est une température élevée (200-260 ° C) et haute pression (20-50 bars) processus, en prenant les précautions nécessaires tout au long de la procédure de HTC est très important. Tous les raccordements sont vérifiés au moins une fois par mois pour s'assurer qu'ils sont bien serrés au gaz. HTC liquide de traitement a une concentration plus élevée en furfural, le 5-HMF, et phénolique compounds, qui sont classés comme toxiques. Ainsi, il est recommandé d'utiliser un masque et des gants lors de la manipulation du liquide de procédé HTC, en particulier lorsque le processus de HTC liqueur est évacuée de la cuve du réacteur à un autre conteneur. Bien que HTC a de nombreux avantages pour la manipulation de matière première humide comme digestat, il est encore un processus de traitement par lots. Dans une évaluation économique, processus de lot HTC sera difficile à justifier. Plus la recherche est donc nécessaire pour faciliter le fonctionnement continu de HTC.

L'analyse élémentaire est une méthode efficace pour des substrats solides homogènes, mais pas pour les substrats hétérogènes. Biocarburant solide est généralement hétérogène et élémentaire analyseur permet seulement de 5-10 mg de taille de l'échantillon, il est recommandé d'effectuer au moins trois répétitions et moyenne d'utilisation. Une autre limite de l'analyse élémentaire est la mesure de substrats solides à forte teneur en cendres. Analyseurs élémentaires ne mesurent CHONS, et pas d'autres matières inorganiques. Ainsi, l'analyse élémentaire de haute cendres substrats solides pourrait pas reveal les concentrations de Chon réels. La préparation des échantillons pour l'analyse élémentaire est essentiel, comme l'échantillon doit être enveloppé précisément, sinon, il y aura une incohérence dans les analyses. valeur de carburant du combustible solide peut être estimée à partir CHONS, mais il est recommandé d'utiliser une bombe calorimétrique pour la détermination précise de la valeur de carburant.

A propos de 92 à 161 L de méthane a été produit par kilogramme de solide volatile dans l'alimentation. Le total solide ou organique volatil solide de la paille de blé sec était de 86,9%. Digestat a sec de l'oxygène et de l'hydrogène atomique concentration inférieure, qui est une autre indication de la dégradation des polysaccharides et de la dégradation des sucres simples lors de la digestion anaérobie 22,23. En outre, plus faible H et O concentrations augmentent le HHV du digestat 24. HHV du digestat sec est de 22% supérieur à celui de matière première brute sec. Les résultats similaires sont obtenus avec une analyse statistique détaillée par Pohl et al 23.

Digestats de méthanisation contient 80-90% d'eau 6. Ce sont hydrophile et de l'eau est partiellement lié à des cellules microbiennes ou végétales. Comme une déshydratation de résultat ou le séchage des digestats est lourd et très consommatrice d'énergie. Par exemple, 2 kg de digestat sec lie 8 kg d'eau (80% humide), ce qui nécessite de 20,7 MJ de chaleur pour sécher le digestat. En outre, il a tendance à la bio-dégrader relativement rapidement dans des conditions ambiantes, perd des éléments nutritifs, et libère de GES (gaz à effet de serre) des émissions tels que le N 2 O et CH 4. Ainsi, malgré un potentiel énergétique élevé, digestat frais ne peut pas être utilisé directement comme un combustible solide. Il devrait être séché juste après la digestion 20.

D'après le tableau 1, il peut être montré que le digestat sec a une teneur en carbone atomique similaire à celle de la paille brute, et ils sont visuellement similaires avant et après la digestion anaérobie (figure 6). Ceci suggère que la lignine et de la cellulose de la lignine incrustésont pour la plupart n'ayant pas réagi. Toutefois, un rendement massique de 63% observée, ce qui signifie la paille traitée est 37% plus léger que la paille brute sec. Signifie concentration similaire élémentaire de carbone sans carbonisation s'est produite lors de la digestion anaérobie 22. Comme le montre la figure 7, le biochar HTC de digestat (thermophile) est très stable et doux. En raison de l'augmentation significative de l'hydrophobie, il peut littéralement plonger dans de l'eau pendant des mois sans que sa structure physique et chimique étant affecté 12,25. L'hydrophobie améliore également la déshydratation de HTC biochar 14. Structure de la paille n'est pas discernable dans la HTC biochar plus, ce qui signifie que la cellulose peut avoir été mis en réaction. Une carbonisation significative est observée dans HTC biochar avec la réduction de l'oxygène atomique. Ceci est une autre indication de la cellulose fait réagir plutôt que de la lignine. Concentration du carbone atomique dans la lignine est beaucoup plus élevée que celle de la cellulose 24 à 29. En conséquence, HTC Biochar a une HHV de 29,6 MJ / kg, qui sont 61% plus élevé que la paille brut et 32% de plus que le digestat sec, respectivement.

HHV HTC de paille traitée est de 28,8 MJ / kg, ce qui est également similaire à celle de HTC traité digestat de paille (29,6 MJ / kg). Toutefois, le rendement de masse est de 40,7% supérieur à HTC paille que celle de HTC digestat de comparer à de matières premières brutes. Par conséquent, si 1 kg de paille brut (18,4 MJ) sont carbonisées par voie hydrothermique, HTC paille biochar aura le potentiel de 11,0 MJ. Sinon, si même montant est appliqué à AD et HTC, un total de 13,2 MJ bioénergie, sous formes de biométhane (5.2 MJ) et le biochar HTC de digestat (8,0 MJ), peut être produite (figure 8). En outre, la phase liquide du procédé UAS est un engrais liquide potentiel. En outre, HTC biochar pourrait avoir un potentiel élevé sur l'utilisation de matériaux de haute valeur ou l'utiliser comme amendement du sol. Pour le point de vue séquestration du carbone ou le cycle du carbone, l'utilisation des matériaux de HTC biochar est plus facile que la production d'énergie.

La digestion anaérobie combiné avec hydrothermale carbonisation peut donner plus bioénergie que les processus individuels. Cependant, une conception en cascade est nécessaire pour une meilleure efficacité. Le bilan énergétique global, suivie d'une évaluation économique, est nécessaire pour valider ce processus. Les recherches futures devraient inclure l'utilisation de HTC alcool et de post-traitement (chimique ou biologique) de HTC biochar. En outre, l'automatisation des deux systèmes UAS HTC et sera nécessaire. Cette étude a été réalisée sur l'utilisation d'un UAS l'échelle du laboratoire et le réacteur HTC, mais l'intensification du processus serait nécessaire si le processus doit être commercialisé.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Cette recherche a été soutenue par le ministère fédéral allemand de la Recherche et de l’Éducation à la gestion de projet Julich (PtJ). Les auteurs remercient M. Ulf Lüder, pour le soutien technique dans le laboratoire de biochar. Les auteurs sont également reconnaissants à Mme Maria Sanchez et à M. Jonas Nekat pour leurs activités bénévoles dans le laboratoire de biogaz et d’analyse, respectivement. Marcel Schmidt et Antje Schmidt sont également reconnus pour leurs précieux efforts en matière de vidéographie et de montage.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
RéacteurConception brevetée
BalanceKERN440-55NPrécision 0,2 g
Support de biofilmRVT Process Equipment GmbH, AllemagneBioflow 40Establish 305 m2/m3
Bain chauffantLauda-Königshofen, AllemagneLauda Ecoline 011Assurer une température mésophile et thermophile
Pompe de recirculationHeidolph pumpdrive5201
Paille de bléDittmannsdorfer Milch GmbH, AllemagneLongueur 5-65 mm
Analyseur de biogazPronova, AllemagneSSM 6000
Compteur de gazRitter, AllemagneRéacteur
HTCParr instrument, Moline, IL USAParr 4555Volume de 5 gallons
HTC Régulateur de températureParr instrument, Moline, IL USA4848Thermocouple de type K
BalanceKERN FKB0,1 g
de précision Système de chauffageParrA1600EEEChauffage à bande, 2 ° ; C/min
LogicielSpecView32849Interface numérique de surveillance et de programmation
CatalyseurOxyde de tungstène(VI)Analyseur élémentaire
BalanceMettler ToledoSN-11281232811 µ ; g précision
Plateau d’échantillonnageElemental Analyssystem GmbHMoule en étain 6 x 6 x 12 mmAnalyse élémentaire
Étuve de séchageBinder GmbH, AllemagneFP 115105 ° ; Four C
Analyseur élémentaireAnalyseur VarioEL IIICHNS
UASS à tambour

Références

  1. Edenhofer, O., Pichs-Madruga, R., Sokona, Y., Seyboth, K., Arvizu, D., Bruckner, T. IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation- Summary for Policy Makers. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2011).
  2. Karlsson, M. Sustainable Bioenergy: A Framework for Decision Maker. UN-Energy report. , (2007).
  3. Eastman, J. A., Ferguson, J. F. Solubilization of particulate organic-carbon during the acid phase of anaerobic-digestion. Journal of Water Pollution Control Federation. 53, 352-366 (1981).
  4. Mumme, J., Linke, B., Toelle, R. Novel upflow anaerobic solid state (UASS) reactor. Bioresource Technology. 101, 592-599 (2010).
  5. Pohl, M., Mumme, J., Heeg, K., Nettmann, E. Thermo- and mesophilic anaerobic digestion of wheat straw by the upflow anaerobic solid-state (UASS) process. Bioresource Technology. 124, 321-327 (2012).
  6. J Mumme,, et al. Hydrothermal carbonization of anaerobically digested maize silage. Bioresource Technology. 102, 9255-9260 (2011).
  7. Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels Bioprod Bioref. 4, 160-177 (2010).
  8. Yan, W., Hastings, J. T., Acharjee, T. C., Coronella, C. J., Vasquez, V. R. Mass and energy balance of wet torrefaction of lignocellulosic biomass. Energy Fuels. 24, 4738-4742 (2010).
  9. Bandura, A., Lvov, A. The ionization constant of water over wide range of temperature and density. Journal of Physical Chemistry. 35, 793-800 (2006).
  10. Tal Reza, M., et al. Reaction kinetics and particle size effect on hydrothermal carbonization of loblolly pine. Bioresource Technology. , 139161-139169 (2013).
  11. Reza, M. T., Uddin, M. H., Lynam, J. G., Hoekman, S. K., Coronella, C. J. Hydrothermal Carbonization: Reaction chemistry and water balance. Biomass Conv. Bioref. , (2013).
  12. Reza, M. T., Lynam, J. G., Vasquez, V. R., Coronella, C. J. Pelletization of biochar from hydrothermally carbonized wood. Environmental Progress & Sustainable Energy. 31 (2), 225-234 (2012).
  13. Acharjee, T. C., Coronella, C. J., Vasquez, V. R. Effect of thermal pretreatment on equilibrium moisture content of lignocellulosic biomass. Bioresource Tech. 102, 4849-4854 (2011).
  14. Escala, M., Zumbuhl, T., Koller, C. h, Junge, R., Krebs, R. Hydrothermal carbonization as an enegry-efficient alternative to establish drying technologies for sewage sludge: A feasibility study on a laboratory scale. Energy Fuels. 27 (1), 454-460 (2012).
  15. Berge, N., Ro, K., Mao, J., Flora, J., Chappell, M., Bae, S. Hydrothermal Carbonization of Municipal Waste Streams. Environmental Science & Technology. 45 (13), 5696-5703 (2011).
  16. Hoekman, S., Broch, A., Robbins, C. Hydrothermal Carbonization (HTC) of Lignocellulosic Biomass. Energy Fuels. 25, 1802-1810 (2011).
  17. Reza, M. T., et al. Hydrothermal carbonization for energy and crop production. Applied Bioenergy. 1, 11-28 (2014).
  18. Reza, M. T., Becker, W., Sachsenheimer, K., Mumme, J. Hydrothermal Carbonization (HTC): Near Infrared spectroscopy and Partial Least-Squares Regression for determination of Selective Components in HTC Solid and Liquid Products Derived from Maize Silage. Bioresource Technology. 161, 91-101 (2014).
  19. Hoffmann, J., Rudra, S., Toor, S. S., Nielsen, J. B. H., Rosendahl, L. A. Conceptual design of an integrated hydrothermal liquefaction and biogas plant for sustainable bioenergy production. Bioresource Technology. 129, 402-410 (2013).
  20. Wirth, B., Mumme, J. Anaerobic Digestion of Waste Water from Hydrothermal Carbonization of Corn Silage. Applied Bioenergy. 1, 1-10 (2013).
  21. VDI Department of Energy Conversion and Application. VDI 4630 Fermentation of organic materials - Characterisation of the substrate, sampling, collection of material data, fermentation tests. Verein Deutscher Ingenieure (VDI), VDI-Society Energy and Environment. 56, Düsseldorf. (2006).
  22. Rehl, T., Müller, J. Life cycle assessment of biogas digestate processing technologies. Resources. Conserv. Recycling. 56, 92-104 (2011).
  23. Pohl, M., Heeg, K., Mumme, J. Anaerobic digestion of wheat straw - performance of continuous solid-state digestion. Bioresource Technology. 146, 408-415 (2013).
  24. Funke, A., Mumme, J., Koon, M., Diakite, M. Cascaded production of biogas and hydrochar from wheat straw: energetic potential and recovery of carbon and plant nutrients. Biomass Bioenergy. 58, 229-237 (2013).
  25. Reza, M. T., Uddin, M. H., Lynam, J. G., Coronella, C. J. Engineered pellet from HTC and torrefied biochar blend. Biomass Bioenergy. 49, 86-94 (2013).
  26. Funke, A., Ziegler, F. Hydrothermal carbonization of biomass: A literature survey focusing on its technical application and prospects. 17th European Biomass Conference and Exhibition. , Hamburg, Germany. (2009).
  27. B Wirth,, et al. Hydrothermal carbonization: influence of plant capacity, feedstock choice and location on product cost. Proceedings of the 19th European Biomass Conference and Exhibition. , Berlin. (2011).
  28. Peterson, A. A., Vogel, F., Lachance, R. P., Fröling, M., Antal, M. J. Thermochemical biofuel production in hydrothermal media: A review of sub- and supercritical water technologies. Energ Environ Sci. 1, 32-65 (2008).
  29. Lynam, J. G., Reza, M. T., Vasquez, V. R., Coronella, C. J. Effect of salt addition on hydrothermal carbonization of lignocellulosic biomass. Fuel. 99, 271-273 (2012).

Réimpressions et autorisations

Demander l’autorisation de réutiliser le texte ou les figures de cet article JoVE

Demander une autorisation

Mots-clés

R acteur lit fixe ana robie flux ascendantpaille de blconditions thermophilesconditions m sophilesbiochar HTCrendement en biogazrendement nerg tique

Articles connexes