Name: Évaluation de la digestion anaérobie intégré et hydrothermale carbonisation pour production de bioénergie (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 34 s
Description: Découvrez l'intégration du réacteur UASS et de la carbonisation hydrothermale pour optimiser la production de bioénergie à partir de biomasse fibreuse. Cette méthode augmente le rendement énergétique global jusqu'à 70 %.

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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.

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&#39;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&#39;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&#39;inoculation et le démarrage des réacteurs sont donnés ailleurs 5. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Définir des bains de chauffage au niveau de température du réacteur souhaitée, 37 ° C pendant la mésophile et 55 ° C pour le réacteur thermophile. </li><li> Pour l&#39;alimentation quotidienne des réacteurs UAS, peser 120 g FM de la paille de blé (= 99,5 g VS) pour chaque réacteur d&#39;atteindre un taux de charge organique de 2,5 g VS / L · jour. </li><li> Tube d&#39;alimentation ouvert UAS »et enlever le timbre. </li><li> Verser la paille de blé dans le tube d&#39;alimentation en diagonale et de la pousser dans le fond du réacteur à l&#39;aide du tampon d&#39;avance. A partir de là, la paille flotter sur un tamis et former le lit à l&#39;état solide. </li><li> Nettoyer la surface d&#39;étanchéité pour s&#39;assurer, il est étanche et fermez le tube d&#39;alimentation. </li><li> 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). </li><li> Mesurer le débit de biogaz en continu à l&#39;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&#39;analyseur de biogaz. Dans l&#39;analyseur de biogaz, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 et H 2 sont mesurées. D&#39;abord, le biogaz doit passer trois filtres différents pour éliminer l&#39;humidité et d&#39;autres composés toxiques qui sont nocifs pour le détecteur. L&#39;analyseur doit être étalonné une fois par semaine pour la composition du biogaz précise. </li><li> Mesurer la composition du biogaz en utilisant régulièrement un analyseur de biogaz industriel. Remarque: L&#39;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). </li><li> Pour le contrôle de processus, mesurer le pH et la température à l&#39;aide en ligne installée pH-mètre et thermomètre. </li><li> 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&#39;alimentation pour le processus de HTC. Le biogaz produit par la suite est suffisante pour extruder l&#39;air et créer des conditions anaérobies dans quelques heures. </li><li> 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&#39;ammoniac, oligo-éléments, et fibres brutes). </li></ol> 2. Hydrothermale carbonisation de paille de blé digestat Remarque: Pour hydrothermale carbonisation du digestat issu de l&#39;étape 1, un 18 L lot réacteur agité est utilisé. Le contrôle et le calendrier des processus s&#39;effectue via le contrôleur de réacteur 4848 et le logiciel SpecView 32 849, en cours d&#39;exécution sur un ordinateur. Dans le programme, la température du réacteur, la température de chemise de chauffage, la pression et la vitesse d&#39;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&#39;agitation) peut être définie pour chaque expériences HTC. <ol><li> Peser 2,5 kgdigestat de paille au moyen d&#39;un équilibre avec la précision de 0,1 g et le transférer à la cuve du réacteur. </li><li> 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&#39;eau 1:4. </li><li> Avant de fermer pneumatique, remuer manuellement le contenu du réacteur pour empêcher le blocage de l&#39;hélice agitateur. Fermer le réacteur et le fixer en serrant les boulons en croix avec une force de 50 Nm. </li><li> Régler la réaction par la rampe suivante tremper: </li><li> Atteindre la température de départ de 30 ° C en 15 min de la température ambiante. <ol><li> Régler le temps de chauffage de la température de réaction de 230 ° C est de 100 min. </li><li> Maintenir la température finale de réaction pendant 6 h. </li><li> Après 6 heures de temps de maintien, refroidir le réacteur 15 heures à partir de 230 ° C à la température ambiante. </li><li> Agiter le contenu du réacteur à 30 tours par minute tout au long du processus de HTC complète. </li><li> Eteindre l&#39;agitateur après la phase de refroidissement et pexhorter le gaz dans un sac de gaz de 20 L. </li><li> Assurez-vous que le gaz passe à travers un piège à condensat ainsi que d&#39;un filtre à charbon actif. </li><li> Stocker le gaz pour une analyse ultérieure. </li></ol></li><li> 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&#39;environ 0,5 mm. </li><li> Recueillir le liquide et tarer le HTC biochar produit pour déterminer le montant de l&#39;omble de HTC-produit par rapport à charge. </li></ol> 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&#39;hydrogène, l&#39;oxygène, l&#39;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&#39;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&#39;analyseur permet seulement une très petite taille de l&#39;échantillon, l&#39;analyse de chaque échantillon au moins trois fois pour une meilleure reproductibilité. <ol><li> Dans une casserole de l&#39;échantillon (étain, 6 x 6 x 12 mm), peser 30 mg de tungstène (VI) oxyde en utilisant l&#39;équilibre spécifique dans le paquet élémentaire. Remarque: La précision d&#39;un tel équilibre est généralement de 1 mg. Tungstène (VI) oxyde fonctionne comme un catalyseur dans l&#39;analyseur élémentaire. </li><li> Peser 5-10 mg d&#39;échantillon sec et mettre dans le même moule de l&#39;échantillon, mélanger, et l&#39;envelopper. La taille de l&#39;échantillon de casserole enveloppée devrait être d&#39;environ 2 x 2 x 5 mm 3. </li><li> Placer les échantillons dans l&#39;échantillonneur automatique. Notez la position de chaque échantillon et utiliser de l&#39;acide sulfonique dans cette analyse élémentaire comme une référence </li><li> Démarrez le logiciel de Vario dans l&#39;ordinateur connecté à l&#39;analyseur élémentaire, définir les conditions, les flux de gaz d&#39;échantillons, les températures de l&#39;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&#39;analyse, et stocke les résultats dans l&#39;ordinateur. Note: Elemental CHNS sont la sortie de l&#39;analyseur élémentaire et généralement sont signalés directement sur l&#39;écran de l&#39;ordinateur. </li></ol>

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Réacteurs UAS sont capables d&#39;atténuer les lacunes évoquées dans l&#39;introduction. Cependant, il ya beaucoup de place pour l&#39;amélioration. Système d&#39;alimentation et le digestat de retrait sont toujours manuel. Le système d&#39;UAS confronté à des problèmes de manutention des charges d&#39;alimentation de plus de 60 mm. Le système fonctionne mieux avec des matières premières fibreuses comme ils flottent dans le liquide, mais d&#39;autres matières premières comme le fumier et de boues pourrait ne pas favoriser le système UAS. Le système d&#39;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&#39;AF ou de bloquer l&#39;entrée de la canalisation et entravent la circulation du liquide. L&#39;analyse chimique du liquide de traitement est importante, car la production d&#39;acides gras libres et de l&#39;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&#39;eau dans le bain d&#39;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&#39;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&#39;assurer qu&#39;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&#39;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&#39;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&#39;échantillon, il est recommandé d&#39;effectuer au moins trois répétitions et moyenne d&#39;utilisation. Une autre limite de l&#39;analyse élémentaire est la mesure de substrats solides à forte teneur en cendres. Analyseurs élémentaires ne mesurent CHONS, et pas d&#39;autres matières inorganiques. Ainsi, l&#39;analyse élémentaire de haute cendres substrats solides pourrait pas reveal les concentrations de Chon réels. La préparation des échantillons pour l&#39;analyse élémentaire est essentiel, comme l&#39;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&#39;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&#39;alimentation. Le total solide ou organique volatil solide de la paille de blé sec était de 86,9%. Digestat a sec de l&#39;oxygène et de l&#39;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&#39;eau 6. Ce sont hydrophile et de l&#39;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&#39;énergie. Par exemple, 2 kg de digestat sec lie 8 kg d&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;augmentation significative de l&#39;hydrophobie, il peut littéralement plonger dans de l&#39;eau pendant des mois sans que sa structure physique et chimique étant affecté 12,25. L&#39;hydrophobie améliore également la déshydratation de HTC biochar 14. Structure de la paille n&#39;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&#39;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&#39;utilisation de matériaux de haute valeur ou l&#39;utiliser comme amendement du sol. Pour le point de vue séquestration du carbone ou le cycle du carbone, l&#39;utilisation des matériaux de HTC biochar est plus facile que la production d&#39;énergie. &lt;/ P&gt; 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&#39;une évaluation économique, est nécessaire pour valider ce processus. Les recherches futures devraient inclure l&#39;utilisation de HTC alcool et de post-traitement (chimique ou biologique) de HTC biochar. En outre, l&#39;automatisation des deux systèmes UAS HTC et sera nécessaire. Cette étude a été réalisée sur l&#39;utilisation d&#39;un UAS l&#39;échelle du laboratoire et le réacteur HTC, mais l&#39;intensification du processus serait nécessaire si le processus doit être commercialisé.

Trouver des sources d&#39;énergie renouvelables et durables sont des préoccupations majeures dans le secteur de l&#39;énergie dans le monde. Récemment, l&#39;Organisation des Nations Unies a signalé que jusqu&#39;à 77% de l&#39;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&#39;ont pas de conflits avec la nourriture contre problème de carburant. De plus, la biomasse est probablement la seule source d&#39;énergie renouvelable avec le carbone de structure, par rapport aux autres sources d&#39;énergie renouvelables telles que l&#39;éolien, le solaire et l&#39;eau 2. Cependant, les caractéristiques de manipulation, faible densité en vrac, à haute teneur en cendres, et le contenu énergétique plus faible entravent l&#39;utilisation de la biomasse lignocellulosique pour la production d&#39;énergie 2. La digestion anaérobie (DA) est l&#39;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 </sup&gt;. 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&#39;énergie. L&#39;agitation continue réduit économie globale de la MA, en particulier pour les AD de la biomasse lignocellulosique. Un roman flux ascendant anaérobie à l&#39;état solide (UAS) réacteur a le potentiel de combler les lacunes mentionnées (figure 2) 4. Séparations solide-liquide spontanée est l&#39;un des avantages importants de UAS, depuis la destinée facilite biogaz bulles de lever résidus solides n&#39;ayant pas réagi à la hausse 5. Ceci élimine l&#39;utilisation de l&#39;agitateur et réduit la consommation d&#39;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&#39;énergie massiquede biogaz est plusieurs fois plus élevé de la biomasse brute 4. Cependant, AD favorise polysaccharides simples comme l&#39;amidon, des acides gras, et l&#39;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&#39;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&#39;énergie, les digestats (jusqu&#39;à 90% d&#39;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&#39;eau. Haute teneur minérale entravent souvent digestat directement pour le carburant, que de grandes quantités de scories pourraient corroder l&#39;équipement 6. Hydrothermale carbonisation (HTC) est un procédé de traitement thermochimique spécialement conçu pour humide. charge d&#39;alimentation, où la biomasse (avec 80 à 90% d&#39;eau) est chauffé à 200-260 ° C sous la pression de saturation de l&#39;eau et pour maintenir de 0,5 à 6 h (figure 3) 7,8 sous-critique de l&#39;eau a le produit ionique maximale à 200 - 260 ° C, ce qui signifie que l&#39;eau dans ces conditions est réactif et se comporte comme un acide faible et une base faible en même temps 9. L&#39;hémicellulose, ainsi que d&#39;autres produits d&#39;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 (&gt; 250 ° C), mais beaucoup plus lentement que la cellulose et l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;hydrolyse, se dégradent souvent rapidement sous l&#39;eau sous-critique. C&#39;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&#39;évaluer l&#39;intégration des processus d&#39;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&#39;énergie de l&#39;AD-HTC en cascade a été effectuée et comparée avec les processus individuels.

<table><tbody><tr><td>Réacteur</td><td></td><td></td> UASS <td>Conception brevetée</td></tr><tr><td>Balance</td><td>KERN</td><td>440-55N</td><td>Précision 0,2 g</td></tr><tr><td>Support de biofilm</td><td>RVT Process Equipment GmbH, Allemagne</td><td>Bioflow 40</td><td>Establish 305 m2/m3</td></tr><tr><td>Bain chauffant</td><td>Lauda-Königshofen, Allemagne</td><td>Lauda Ecoline 011</td><td>Assurer une température mésophile et thermophile</td></tr><tr><td>Pompe de recirculation</td><td>Heidolph pumpdrive</td><td>5201</td><td></td></tr><tr><td>Paille de blé</td><td>Dittmannsdorfer Milch GmbH, Allemagne</td><td></td><td>Longueur 5-65 mm</td></tr><tr><td>Analyseur de biogaz</td><td>Pronova, Allemagne</td><td>SSM 6000</td><td></td></tr><tr><td>Compteur de gaz</td><td>Ritter, Allemagne</td><td></td><td>Réacteur</td></tr><tr><td>HTC</td> à tambour <td>Parr instrument, Moline, IL USA</td><td>Parr 4555</td><td>Volume de 5 gallons</td></tr><tr><td>HTC Régulateur de température</td><td>Parr instrument, Moline, IL USA</td><td>4848</td><td>Thermocouple de type K</td></tr><tr><td>Balance</td><td></td><td>KERN FKB</td><td>0,1 g</td></tr><tr><td>de précision Système de chauffage</td><td>Parr</td><td>A1600EEE</td><td>Chauffage à bande, 2 &deg ; C/min</td></tr><tr><td>Logiciel</td><td>SpecView</td><td>32849</td><td>Interface numérique de surveillance et de programmation</td></tr><tr><td>Catalyseur</td><td></td><td>Oxyde de tungstène(VI)</td><td>Analyseur élémentaire</td></tr><tr><td>Balance</td><td>Mettler Toledo</td><td>SN-1128123281</td><td>1 &micro ; g précision</td></tr><tr><td>Plateau d’échantillonnage</td><td>Elemental Analyssystem GmbH</td><td>Moule en étain 6 x 6 x 12 mm</td><td>Analyse élémentaire</td></tr><tr><td>Étuve de séchage</td><td>Binder GmbH, Allemagne</td><td>FP 115</td><td>105 &deg ; Four C</td></tr><tr><td>Analyseur élémentaire</td><td>Analyseur Vario</td><td>EL III</td><td>CHNS</td></tr></tbody></table>

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

Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

La biomasse lignocellulosique est l&#39;une des sources d&#39;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&#39;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&#39;expérience donné 13,2 MJ d&#39;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.

La digestion anaérobie Les expériences de production de biogaz a révélé que le système de HES est capable d&#39;utiliser 38% et 50% du méthane potentiel former au fonctionnement mésophiles (37 ° C) et thermophile (55 ° C), respectivement. Au AD thermophile, le système d&#39;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&#39;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&#39;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&#39;eau pendant une période prolongée 13. En outre, il est très doux, car elle nécessite presque pas de pression à pulvériser. Pour l&#39;industrie du charbon en énergie, le maintien de la douceur de la matière première est très important, car cela permet d&#39;éliminer les étapes de pulvérisation expansive. L&#39;analyse élémentaire De compositions élémentaires présentés dans le tableau 1, on peut voir que le carbone élémentaire et de l&#39;hydrogène sont les mêmes dans le solide tout au long de la digestion anaérobie. Augmentations de carbone élémentaire et les baisses d&#39;hydrogène au cours de HTC. La plupart de l&#39;azote élémentaire reste dans le solide puisque la teneur en azote élémentaire est augmentée à la fois au cours de la digestion d&#39;un<html> processus d HTC. Etant donné que le soufre dans la paille de blé est la trace, la concentration de soufre élémentaire n&#39;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&#39;alimentation se compose de seulement CHONS. La concentration en oxygène a diminué de façon spectaculaire au cours de HTC, alors qu&#39;il reste similaire au cours de la digestion. <img alt="Figure 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig1highres.jpg" width="500" /> 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 &quot;width =&quot; 500 &quot;/&gt; Figure 2:. Diagramme schématique du réacteur de UAS l&#39;échelle du laboratoire pour la digestion anaérobie Ceci est le schéma d&#39;UAS système de réacteur. Ici, le réacteur d&#39;UAS et le filtre anaérobie (AF) sont montrés reliés par un courant de liquide, où les acides gras produits dans le réacteur d&#39;UAS viennent à AF et du méthane est produit. Du fond de l&#39;AF, un autre courant de liquide est attirée sur les UAS, où les micro-organismes vont de A à F dans le réacteur UAS. <img alt="Figure 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig3highres.jpg" width="500" /> Figure 3. (En haut) Concept de HTC de la biomasse lignocellulosique, (en bas) le concept d&#39;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&#39;eau sous-critique et sont convertis en biochar HTC (CType ut). <img alt="Figure 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig4highres.jpg" width="500" /> 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&#39;axe des X représente jours de fonctionnement, tandis que l&#39;axe des Y est le rendement en méthane (CH4 L / kg VS) par rapport au solide volatil (VS). <img alt="Figure 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig5highres.jpg" width="500" /> 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&#39;axe des X représente jours de fonctionnement, tandis que l&#39;axe Y est la fraction du méthane (%) dans le biogaz. Les valeurs données sont des moyennes de doublons. <img alt="Figure 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig6highres.jpg" width="500" /> 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&#39;est l&#39;image en temps réel des différents états de la paille de blé. Ici, dans cette figure, l&#39;effet de la digestion anaérobie (DA) et HTC peut être visible. La structure de la fibre est encore visible dans le digestat, alors qu&#39;il devient poudreuse après HTC. <img alt="Figure 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig7highres.jpg" width="500" /> Figure 7. Hydrophobie du HTC biochar (à gauche), la friabilité du HTC biochar (à droite) </strong&gt;. C&#39;est encore l&#39;image en temps réel de l&#39;hydrophobie et friabilité de HTC biochar. Dans la première image, le biochar HTC est coulé sous l&#39;eau, tandis que les deux images suivantes l&#39;état du biochar avant et après dur écrasement sont présentés. <img alt="Figure 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig8highres.jpg" width="500" /> 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&#39;est un chiffre d&#39;évaluer la nécessité de combinaison concepts. Le diagramme montre combien d&#39;énergie est extraire par AD et HTC de la charge. <img alt="Tableau 1" fo:content-width="7in" src="/files/ftp_upload/51734/51734table1v2.jpg" width="700" /> Tableau 1. Analyse élémentaire, HHV, le rendement de masse, et l&#39;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&#39;analyse élémentaire, et le rendement de masse après JC et HTC. La lignine, la cellulose et l&#39;hémicellulose sont mesurés par van Soest analyse des fibres [12]. Remarque: na. N&#39;est pas analysée <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51734/51734table1.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette table.</a>

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&#39;intégration des deux concepts bioénergie a été appliqué dans cette étude pour augmenter la production globale de la bioénergie.

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal ...

Il existe quatre étapes de dégradation dans toute digestion anaérobie. Tout d'abord, les polysaccharides sont hydrolysés en monomères. Les monomères se transforment ensuite en acides gras à faible teneur en carbone, en lactates et en alcools par agénésie.Dans une cétogenèse. Le produit issu de l'agénèse se convertit et se forme. La dernière étape est la myogenèse, au cours de laquelle des microorganismes métanogènes produisent du méthane à partir du produit Aceto SSIS.La digestion anaérobie traditionnelle de la biomasse solide est un processus consommateur de temps et d'énergie. Toutefois, un nouveau réacteur à flux ascendant et en état solide aérobie possède tout le potentiel nécessaire pour surmonter ces inconvénients. L'avantage majeur de ce type de réacteur réside dans la séparation spontanée entre les phases solide et liquide.En outre, la circulation du liquide peut éliminer la nécessité d'un système de direction coûteux. La carbonisation hydrothermale est un procédé de traitement thermo-chimique au cours duquel la biomasse résiduaire est chauffée entre 200 et 260 degrés Celsius, sous pression de saturation de l'eau, pendant 4,5 à six heures. Dans ces conditions, l'eau subcritique est très réactive. En conséquence, l'hémicellulose, ainsi que d'autres extraits, se dégradent aux alentours de 180 à 200 degrés Celsius, tandis que la cellulose réagit vers 220 à 230 degrés Celsius et que la lignine reste dans le biochar issu de la carbonisation hydrothermale (HTC).Le produit solide de la CTH est très friable, hydrophobe et stable. Il possède des caractéristiques calorifiques similaires à celles du charbon lignite. L'objectif de ce travail était de combiner ces deux procédés de production de bioénergie ensemble.Dans cette vidéo, nous présenterons le principe de fonctionnement et l'utilisation d'un nouveau réacteur UASS pour la production de biogaz. Ensuite, nous montrerons également la carbonisation hydrothermale du digestat pour la production de biocarburant pour une digestion aérobie. Un réacteur UASS de 39 litres a été utilisé, avec des éléments de 5 à 65 millimètres de longueur.Des morceaux de paille de blé bruts sont utilisés comme aliment. La teneur en matière sèche organique de la matière première était de 85,9 %, tandis que la fraction en fibres brutes était de 46,3 %. Les réacteurs UASS étaient en acier inoxydable, munis d'une fenêtre d'inspection en verre acrylique. Un filtre anaérobie de 30 litres était associé à chaque réacteur UASS de 39 litres.Chaque filtre anaérobie a été rempli avec 325 porteurs de biofilm en polyéthylène. Le porteur de biofilm présentait une surface de 305 mètres carrés par mètre cube. Une pompe Dolf Pump Drive 5 2 0 1 a été utilisée dans les conditions mésophiles et thermophiles. Pour le liquide de procédé, les éléments chauffants ont été réglés à la température souhaitée du réacteur afin d'alimenter quotidiennement les réacteurs UASS.120 grammes de paille de bois sont pesés. Le tube d'alimentation de l'UASS est ouvert et le moignon est retiré. La paille de bois est introduite dans le tube d'alimentation en diagonale et poussée vers le bas du réacteur.La surface du plafond est scellée de manière à être étanche aux gaz et le tube d'alimentation est fermé. Les pompes fonctionnent en continu, acheminant 1,2 litre par heure de produit fuité à travers le système du réacteur. La composition du biogaz est mesurée régulièrement à l'aide de l'analyseur industriel de biogaz.Environ trois kilogrammes de digestat sont retirés une fois par semaine. Des échantillons du procédé, du liquide et du digestat ont été analysés chaque semaine pour leurs propriétés chimiques. Un réacteur en série de 18 litres 4 5 5 5 avec un contrôleur par 4 8 4 8 a été utilisé pour les expériences de HTC.Le logiciel Spec view 3 2 8 4 9 a été utilisé dans cette étude. La paille digérée a été pesée. La même balance a servi à mesurer 10 kilogrammes d'eau.Le digestat et l'eau ont été introduits dans le récipient avant la fermeture médicale de NU. Le contenu du réacteur a été agité manuellement afin d'éviter le blocage de l'agitateur à pale. Le réacteur a été fermé et sécurisé à l'aide du dispositif transversal.Serrer le boulon avec une force de 50 newtons-mètres. Les conditions de réaction ont été fixées dans cette expérience particulière. La température a été réglée à 230 degrés Celsius avec une vitesse de chauffage de deux degrés Celsius par minute, puis maintenue à cette température pendant six heures.Après la phase de refroidissement, l'appareil a été éteint et le gaz a été recueilli dans un sac de 20 litres. La suspension a été évacuée à travers une vanne sphérique haute pression et haute température. Le liquide a été récupéré puis filtré.Le biochar produit a été déchiré. Le biochar humide est placé dans un four à 105 degrés Celsius. Un analyseur élémentaire Vari EL III a été utilisé dans ce travail.Dans un creuset, 30 milligrammes de trioxide de tungstène ont été pesés. Entre 5 et 10 milligrammes d'échantillon sec ont été introduits dans le creuset. Mélangez et enveloppez.L'échantillon de panneau est placé dans un échantillonneur automatique vari EL. L'analyse est lancée et les données sont stockées sur un ordinateur. Le rendement maximal de méthane était de 270,4 litre par kilogramme pour une opération thermophile et de 216,9 litre par kilogramme pour une opération mésophile.Le biogaz contenait entre 41 et 61 % de méthane, le reste étant du dioxyde de carbone. Le digestat sec ressemble à de la paille sèche, seulement un peu plus foncé en couleur. La structure fibreuse est détruite dans le biochar issu de la carbonisation hydrothermale (HTC).En l'absence de structure fibreuse, le biocharbon HTC devient friable. Il suffit de très peu de pression pour le pulvériser. Le biocharbon HTC est très hydrophobe.Il peut rester en contact avec l'eau pendant une période prolongée. Si un kilogramme de paille brute est carbonisé par voie hydrothermale, le biochar produit aura un potentiel de 11 mégajoules. Toutefois, avec le procédé combiné, un total de 12,1 mégajoules d'énergie bio peut être obtenu.La digestion anaérobie a un rendement énergétique de 20 à 25 %, tandis qu'avec la combinaison de la CHT, le rendement énergétique peut atteindre jusqu'à 70 %.

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