Methodenartikel

Evaluatie van de geïntegreerde anaërobe vergisting en Hydrothermal Carbonisatie voor bio-

27.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/51734

⸱

15 juni 2014

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

In dit artikel

Samenvatting

Een roman Upflow Anaërobe Solid State (UAS) reactor werd gebruikt voor de productie van biogas uit vezelachtige grondstof. Digestaat van UASs reactor werd hydrothermisch verkoold in HTC biochar in een onder druk batchreactor. De integratie van de twee bio-energie concepten werd toegepast in dit onderzoek om de totale productie van bio-energie te verhogen.

Samenvatting

Lignocellulosebiomassa is een van de meest voorkomende nog onderbenutte hernieuwbare energiebronnen. Beide anaerobe vergisting (AD) en hydrothermale carbonisatie (HTC) zijn veelbelovende technologieën voor bio-energie uit biomassa op het gebied van biogas en HTC biochar, respectievelijk. In deze studie wordt de combinatie van AD en HTC voorgesteld totale productie bio verhogen. Tarwestro werd anaëroob verteerd in een nieuwe opwaartse stroming anaërobe solid state reactor (UAS) in zowel mesofiele (37 ° C) en thermofiele (55 ° C) omstandigheden. Natte verteerd uit thermofiele AD werd hydrothermisch verkoold bij 230 ° C gedurende 6 uur voor HTC biochar productie. Bij thermofiele temperatuur, levert de UASs systeem gemiddeld 165 L CH4 / kg VS (VS: organische stof) en 121 L CH4 / kg OS bij mesofiele AD over de continue werking van 200 dagen. Ondertussen, 43,4 g HTC biochar met 29,6 MJ / kg dry_biochar was OBTained van HTC van 1 kg digestaat (droge basis) van mesofiele AD. De combinatie van AD en HTC, in deze specifieke reeks experimenten leveren 13,2 MJ per 1 kg droge tarwe stro, die ten minste 20% hoger dan HTC staan ​​60,2% hoger dan alleen AD.

Inleiding

Het vinden van hernieuwbare en duurzame energiebronnen zijn belangrijke zorgen in de energiesector van de wereld. Onlangs heeft de Verenigde Naties gemeld dat tot 77% van de energie in de wereld in 2050 wordt verwacht uit hernieuwbare bronnen 1. Lignocellulosebiomassa zoals stro, grassen, rijst rompen, maïskolven er geen conflicten zijn met het voedsel versus brandstof probleem. Bovendien is biomassa is waarschijnlijk de enige bron van hernieuwbare energie met structurele koolstof, in vergelijking met andere hernieuwbare energiebronnen zoals wind, zon en water 2. Echter, rijgedrag, een lagere dichtheid, hoge asgehalte, en lagere energie-inhoud belemmeren het gebruik van lignocellulose biomassa voor energieproductie 2.

Anaerobe vergisting (AD) is een van de belangrijkste voorbeelden van de productie van bio-energie uit biomassa-afval. 3 In het algemeen zijn er vier stappen degradatie te betrekken bij anaërobe afbraak zoals weergegeven in figuur 1 4 . In de eerste drie opeenvolgende stappen worden de polysacchariden van de biomassa omgezet in organische zuren. In de laatste stap, methanogene organismen biomethaan. Traditionele AD is een tijd en energie in beslag. De voortdurend roeren vermindert de totale economie van AD, vooral voor AD van lignocellulose. Een nieuwe opwaartse stroming anaerobe solid-state (UAS) reactor heeft het potentieel om de genoemde tekortkomingen (figuur 2) 4 overwinnen. Spontane vaste stof-vloeistof scheiding is een van de belangrijke voordelen van UAS, omdat het ontworpen vergemakkelijkt biogas bellen naar gereageerde vaste residuen boven 5 tillen. Deze elimineren het gebruik van roerder en daardoor vermindert het verbruik van de elektriciteitscentrales op de locatie. Bovendien vloeistof circulatie zorgt voor verspreiding van micro-organismen en metabolieten in de hele reactor ook 5. In vergelijking met vaste biobrandstoffen, biogas is gemakkelijker te hanteren, en laat weinig of geen residu achter. In feite, de specifieke energiedichtheidvan biogas is vele malen hoger ruwe biomassa 4. Echter, AD gunsten eenvoudige polysacchariden zoals zetmeel, vetzuren, en hemicellulose 1. Dientengevolge, cellulose en lignine, belangrijk deel van vezelig lignocellulose zoals tarwestro, blijft een vaste digestaat na AD 5. Hoewel de productie van biogas varieert van de grondstof, het type van micro-organismen, de reactie temperatuur en reactietijd, wordt een enorme hoeveelheid digestaat meestal geproduceerd.

Terwijl biogas wordt gebruikt voor energie, zijn digestaat (tot 90% water) meestal opgeslagen in een fermentatie residu-depot om de resterende uitstoot van methaan te verzamelen. Daarna worden deze gedroogd en verspreid over het akkerland om bodemvruchtbaarheid en waterhoudend vermogen verbeteren. Hoog gehalte aan anorganische stoffen vaak digestaat direct belemmeren voor brandstof, als grote hoeveelheden slakken de apparatuur 6 zou aantasten. Hydrothermale carbonisatie (HTC) is een thermochemische behandelingsproces speciaal ontworpen voor natte. grondstof, waarbij biomassa (met 80-90% water) wordt verwarmd tot 200-260 ° C bij waterverzadiging druk en te houden voor 0,5-6 uur (Figuur 3) 7,8 Subkritisch water heeft het maximale ionische product bij 200 - 260 ° C, waarbij het ​​water betekent onder deze omstandigheden reactief en gedraagt ​​zich als een zwak zuur en een milde base gelijktijdig 9. Hemicellulose, samen met andere geëxtraheerde stoffen, afgebroken ongeveer 180-200 ° C, terwijl cellulose reageert ongeveer 220-230 ° C en lignine reageert bij relatief hogere temperaturen (> 250 ° C), maar veel langzamer dan cellulose en hemicellulose 10. Als gevolg van aanzienlijke uitdroging en decarboxylation, HTC resultaten solide product met de naam HTC biochar, met massa opbrengst (droge HTC biochar / droogvoer) van 40-80%, drank bestaat uit carbonzuren, furaanderivaten, fenolen en suiker monomeren, en 5 - 10% CO 2-rijke gasvormige product 11. Tijdens HTC, zuurstof bevattende vluchtige stoffen aanzienlijkverminderd en laten derhalve een koolstofrijke solide. HTC biochar is ook stabiel, hydrofoob, en brokkelig te vergelijken met ruwe vochtige grondstof 12,13. Door zijn hydrofobe eigenschappen, dewateribility van HTC biochar verhoogt meerdere malen vergeleken met ruwe digestaat of zelfs ruwe biomassa. 14-18 Bovendien HTC biochar heeft brandstof waarden vergelijkbaar met kolen 16,17 bruinkool. Echter, cellulose en lignine gedeeltelijk afgebroken in het HTC milieu 18.

Nu hemicellulose en cellulose in de biomassa bij te dragen tot biogas tijdens AD, terwijl cellulose en lignine vooral bijdragen aan solide HTC biochar 4,5. Zo kan de combinatie van AD-HTC potentieel verhoging van de totale bio-energie opbrengst. Hoffmann et al.. Gesimuleerd een gelijkaardige combinatie, maar met behulp van AD en HTL (hydrothermale liquefactie) in plaats van AD-HTC 19. HTL is een gangbare methode van het vloeibaar maken van biomassa fractie en vloeibare product heeft een hoge brandstof-waarde [43,1 MJ / kg]. Echter, HTL requIRES zeer hoge druk (250 bar) te vergelijken HTC (10-50 bar), die een hoge installatie-en bedrijfskosten dan HTC inhoudt. Nogmaals, kan de combinatie volgorde van AD en HTC worden ondervraagd als Wirth et al.. Meldde onlangs AD van HTC proces vloeistof 20. Echter, een effectieve AD afhankelijk van de suikerconcentratie in de voedingen. Suikers in HTC proces vloeistof, geproduceerd tijdens de hydrolyse, vaak degraderen snel onder subkritische water. Daarom AD voordat HTC gunstiger is in termen van bio-energie. Echter, AD van HTC proces vloeistof extra bio produceren, in dat geval, zou de combinatie sequentie AD-HTC-AD zijn.

Het doel van het werk was om de integratie van AD en HTC werkwijzen voor bio (figuur 3) te evalueren. De biogasproductie mogelijkheden voor thermofiele en mesofiele AD van UASs reactor werd geëvalueerd bij een continue werking van meer dan 200 dagen. Vervolgens HTC biochar productie from digestaat werd ook bestudeerd. De massa-en energiebalans van de cascade AD-HTC werd uitgevoerd en vergeleken met de individuele processen.

Protocol

1. Anaërobe vergisting van tarwestro

Opmerking: Voor anaerobe vergisting in 39 L UASs reactoren gebruiken 5-65 mm lang ruwe tarwe stro karbonades als diervoeder. Het gehalte organische droge stof van de grondstof in dit specifieke experiment was 85,9% en ruwe celstof fractie was 46,3%. De UASs reactoren zijn gemaakt van roestvrij staal met een kijkvenster van acrylglas. Twee 30 L anaerobe filter (AF) gecombineerd met elk 39 L UAS reactor. De AF's zijn gebouwd van transparant plexiglas. Het schema van de reactorsystemen worden getoond in Figuur 2 en architectuur elders 4 beschreven. Details over het inenten en het opstarten van de reactoren worden elders 5 gegeven.

  1. Vul elke AF met 325 tonvormige polyethyleen biofilm dragers.
    Opmerking: De biofilm gebruikte dragers een oppervlak van 305 m 2 / m 3.
  2. Stel de waterpompen voor proces vloeistofcirculatiezowel mesofiele en thermofiele reactoren voor een stroomsnelheid van 1,15 l / uur.
  3. Stel verwarmingsbaden aan temperatuurniveau van de gewenste reactor, 37 ° C voor de mesofiele en 55 ° C voor de thermofiele reactor.
  4. Voor de dagelijkse voeding van de UASs reactoren, weegt 120 g FM van tarwestro (= 99.5 g VS) voor elke reactor om een organische belasting van 2,5 g VS / L · dag bereiken.
  5. Open UASs 'voedingssonde en verwijder de stempel.
  6. Giet tarwestro in de diagonale sondevoeding en duw hem in de onderkant van de reactor met de hulp van de voeding stempel. Vanaf daar zal het stro omhoog zweven tegen een zeef en vormen de solid-state bed.
  7. Reinig het oppervlak verzegelen om te controleren, het is gasdicht en sluit de sondevoeding.
  8. De pompen continu draaien, transporteren 1,2 L / hr proces-vloeistof door de reactor systeem (UASs en AF).
  9. Meet biogas stroom continu gebruik van drum-type gas meters en bewaar ze in een 20 liter gas zak.
    Opmerking: Maak een exit uit de gas zak om het biogas analyser. In het biogas analyser, CH4, H2S, O2, CO2 en H2 worden gemeten. Eerst het biogas 3 verschillende filters om het vocht te verwijderen, en andere giftige stoffen die schadelijk zijn voor de detector passen. De analysator moet een keer in de week worden gekalibreerd voor een nauwkeurige biogas samenstelling.
  10. Meet biogas samenstelling regelmatig gebruik van een industriële biogas analyser. Opmerking: Het biogas analyzer kan meten slechts het biogas als de biogas zak ten minste halfvol. Voor het meten van het biogas samenstelling, de klep aan het gas zak geopend moet worden en wachten op de gestage biogas samenstelling (het duurt ongeveer 20-30 sec).
  11. Voor procesbesturing, meet pH en temperatuur online met behulp geïnstalleerd pH-meter en thermometer.
  12. Verwijder ongeveer 3 kg digestaat (80-90% nat) een keer per week, wat een vaste-retentietijd (SRT) geeft of 2-3 weken. Gebruik deze digestaat als voeding voor HTC proces. Het biogas daarna geproduceerd is voldoende om de lucht te extruderen en stellen anaerobe omstandigheden binnen enkele uren.
  13. Analyseer proces drank en digestaat op een wekelijkse basis van hun chemische eigenschappen (pH, EC, TS, VS, vetzuren, CHNS, ammoniak, sporenelementen, en ruwe celstof).

2. Hydrothermal Carbonisatie van tarwestro Digestaat

Opmerking: Voor hydrothermale carbonisatie van digestaat uit stap 1, een 18 L batch geroerde reactor wordt gebruikt. De controle en de timing van de werkwijze wordt langs reactor controller 4848 en software SpecView 32 849, die op een computer. In het programma kan de reactortemperatuur, verwarmingsmantel temperatuur, druk en roersnelheid getoond. Bovendien is het programma voor de procesparameters (start temperatuur, ingestelde temperatuur, verwarming tarief, roeren tarief) kan worden ingesteld voor elke HTC experimenten.

  1. Weegt 2,5 kgstro digestaat behulp van een balans met de nauwkeurigheid van 0,1 g en transfer naar het reactorvat.
  2. Gebruik dezelfde balans tot 10 kg make-up water te meten, en giet het in het reactorvat ook. Dit zal digestaat, water in de verhouding 1:4 te handhaven.
  3. Voordat pneumatisch sluiten, roer handmatig de reactor inhoud van verstopping van propellerroerder voorkomen. Sluit de reactor en zet deze vast door kruislings aandraaien van de bouten met een kracht van 50 Nm.
  4. Stel de reactie van de volgende helling geniet:
  5. Bereik de start temperatuur van 30 ° C in 15 minuten van kamertemperatuur.
    1. Stel de verhittingstijd bij reactietemperatuur van 230 ° C is 100 minuten.
    2. Houd de uiteindelijke reactiemengsel gedurende 6 uur.
    3. Na 6 uur van die tijd, koel de reactor 15 uur van 230 ° C tot kamertemperatuur.
    4. Roer de inhoud van de reactor bij 30 rpm gedurende de gehele HTC proces.
    5. Schakel de roerder na de afkoelfase en pdringen het gas in een 20 liter gas zak.
    6. Zorg ervoor dat het gas gaat door een sifon en een actief koolfilter.
    7. Sla het gas voor verdere analyse.
  6. Na bemonstering gas, afvoer de slurry van het schip naar een container door middel van een hoge temperatuur, hoge druk kogelkraan en dan filteren door een maas met een poriegrootte van ongeveer 0,5 mm.
  7. Verzamel de vloeistof en tarra de geproduceerde HTC biochar aan de hoeveelheid-HTC geproduceerde char in vergelijking met grondstoffen te bepalen.

3. Elementaire analyse van Rauw, digestaat en HTC Biochar van tarwestro

Opmerking: Voor alle vaste brandstof analyse, is een elementaire analyser of Chons analyzer vaak gebruikt. De elementaire samenstelling van atomaire koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof en zwavel kan worden verkregen bij deze analyse. Van Chons, kan men een schatting van de hogere verbrandingswaarde of de energetische waarde van de brandstof. Bovendien zal de inhoud atomaire zwavel ook indicat de kwaliteit van de brandstof. In deze studie zal een elementaire analyser worden gebruikt om de brandstof waarde van HTC biochar, ruwe tarwe stro en digestaat te bepalen. Omdat de analysator staat slechts een zeer kleine steekproef analyseren van een ten minste drie keer betere reproduceerbaarheid.

  1. In een monsterpan (tin, 6 x 6 x 12 mm) Weeg 30 mg wolfraam (VI) oxide op de daartoe evenwicht in de elementaire pakket. Opmerking: De nauwkeurigheid van dergelijke weegschaal is gewoonlijk 1 ug. Wolfraam (VI) oxide werkt als een katalysator in de elementaire analysator.
  2. Weeg 5-10 mg droog monster en in hetzelfde monster pan, meng het, en wikkel het. De verpakte monster pan maat zal ongeveer 2 x 2 x 5 mm 3 zijn.
  3. Plaats de monsters in de autosampler. Let op de positie van elk monster en gebruikt sulfonzuur deze elementaire analyse als referentie
  4. Start de Vario software in de computer is aangesloten op de elementaire analyser, bepalen de voorwaarden, monsters gasstroom, temperaturen van de2 ovens (de 2 ovens op 1150 en 850 ° C, respectievelijk). Vervolgens definieert de steekproef namen volgens autosampling posities. Start het programma. De machine werkt automatisch de analyse uitvoert, en slaat de resultaten in de computer.
    Opmerking: Elemental CHNS zijn de output van de elementaire analyser en meestal worden direct gemeld op het computerscherm.

Resultaten

Anaërobe vergisting

Het biogas experimenten bleek dat de UAS systeem gebruik kan maken van 38% en 50% van het methaan vormende potentiaal op mesofiele (37 ° C) en thermofiele (55 ° C) bewerking, respectievelijk. Bij thermofiele AD, geeft de UAS systeem gemiddeld 165 L CH4 / kg VS (VS: organische stof) en 121 L CH4 / kg OS bij mesofiele AD 200 dagen continu bedrijf (figuur 4). Deze prestaties waarden berekend uit de kwantitatieve en kwalitatieve analyse van het biogas betrekking tot de droge voeding basis.

De biomethaan potentieel voor de tarwe stro werd bepaald (volgende VDI-richtlijn 4630) tot 304,3 L CH4 / kg OS voor thermofiele en 244,2 L CH4 / kg OS voor mesofiele werking, respectievelijk, en weergegeven in figuur 50, 21. In termen van kwaliteit, biogas geproduceerd door UASs bevatten tussen de 41% en 61% uit methaan (figuur 5).

HTC van digestaat

Figuur 6 toont droog stro, droge digestaat afkomstig van stro door AD, en HTC biochar afgeleid van droge digestaat door HTC. Droog digestaat lijkt op het droge stro, dat is slechts een beetje donkerder van kleur. Voor dit werk werden digestaat van thermofiele omstandigheden beschouwd voor HTC. Zoals getoond in Tabel 1, 63% van de totale massa blijft het digestaat (tabel 1). Droog HTC biochar lichter dan droge ruwe stro, waarschijnlijk door de afbraak van monomeren en simpele polymeren door thermofiele micro-organismen bij AD.

Figuur 7 toont het hydrofobe gedrag en zachtheid van HTC biochar. Tijdens HTC, worden de vezelachtige kristalstructuren vernietigd en produceert een zachte amorfe carbon-rijke HTC biochar 16,17,28. Het blijkt uit tabel 1 dat de massa opbrengst van digestaat en ruwe stro afgeleide HTC biochar zijn 43,4% en 38,3%, respectievelijk. Het vaste product, HTC biochar is zeer hydrofoob 12; het kan in contact blijven met water voor een langere tijd 13. Ook is het erg zacht, zoals vereist nauwelijks enige druk te verpulveren. Voor kolen naar energie-industrie, zachtheid handhaven van de voeding is erg belangrijk, omdat dit het uitgestrekte verpulverende stappen elimineren.

Elementanalyse

Van elementaire samenstellingen in Tabel 1 kan men zien dat elementaire koolstof en waterstof gelijk blijven de vaste gehele anaerobe vergisting. Elementaire koolstof toeneemt en waterstof dalingen tijdens HTC. De meeste elementaire stikstof blijft in de vaste aangezien de elementaire stikstofgehalte wordt verhoogd zowel bij een digestie d HTC processen. Aangezien zwavel in tarwe stro is spoor, wordt het gehalte aan elementaire zwavel niet opgenomen in de resultaten. Elemental zuurstofgehalte werd berekend door C, H, N en 100% en ook in tabel 1, uitgaande van het uitgangsmateriaal uit slechts Chons. De zuurstofconcentratie daalde drastisch tijdens HTC, terwijl het vergelijkbaar tijdens de spijsvertering blijft.

figure-results-1
Figuur 1. Basisconcept en de stappen van anaerobe vergisting. Deze figuur beschrijft de basisconcepten van anaerobe vergisting. In deze figuur zijn vier algemene stappen (hydrolyse, acedogenesis, acetogenese en methanogenese) van anaerobe vergisting gepresenteerd

g2highres.jpg "width =" 500 "/>
Figuur 2:. Schematische weergave van laboratoriumschaal UAS reactor voor anaerobe vergisting Dit is het schema van UAS reactorsysteem. Hier de UAS reactor en anaerobe filter (AF) getoond verbonden door een vloeistofstroom, waarbij vetzuren geproduceerd in de UAS reactor komen AF en methaan wordt geproduceerd. Van de bodem van de AF, wordt een vloeistofstroom aangetrokken UAS, waar micro-organismen gaan van AF UAS reactor.

figure-results-2
Figuur 3. (Top) Concept van HTC van lignocellulose, (onder) integratie concept van de anaërobe vergisting en HTC * cellulose wordt gedeeltelijk gereageerd 24. In dit blok diagram kan worden gezien dat verschillende vezelcomponenten in contact met subkritische water en worden omgezet in HTC biochar (COAL type).

figure-results-3
Figuur 4. Methaan productie van UASs reactor in zowel thermofiele en mesofiele omstandigheden met de anaërobe filter. Dit zijn experimentele resultaten van UASs reactor gedurende 210 dagen van de werking van zowel thermofiele en mesofiele omstandigheden. De X-as is dagen in bedrijf, terwijl de Y-as is het rendement methaan (CH4 L / kg VS) tegenover vluchtige vaste stof (VS).

figure-results-4
Figuur 5. Methaan fractie van biogas uit UASs reactor in zowel thermofiele en mesofiele omstandigheden. Dit zijn experimentele resultaten van UASs reactor gedurende 210 dagen werken onder zowel thermofiele eend mesofiele omstandigheden. De X-as is dagen in bedrijf, terwijl de Y-as de methaan fractie (%) in het biogas. Gegeven waarden zijn gemiddelden van duplicaten.

figure-results-5
Figuur 6. (Links naar rechts) Droge tarwe stro, droge tarwe stro digestaat, en HTC biochar van tarwestro digestaat. Dit is de real-time beeld van de verschillende staten van tarwestro. Hier in deze figuur, kan het effect van anaerobe vergisting (AD) en HTC zichtbaar. De vezelstructuur is nog steeds zichtbaar in het digestaat, terwijl het wordt poederachtige na HTC.

figure-results-6
Figuur 7. Waterafstotendheidsindex van de HTC biochar (links), brosheid van de HTC biochar (rechts) . Dit is weer de real-time beeld van hydrofobiciteit en brosheid van HTC biochar. In de eerste afbeelding, is HTC biochar gezonken onder water, terwijl de volgende twee beelden van de conditie van biochar voor en na hard-pletten worden getoond.

figure-results-7
Figuur 8. (Top) Bio-energie potentieel van anaerobe vergisting (AD) van 1 kg ruwe tarwe stro en (onder) bio-energie potentieel door de integratie van AD-HTC van 1 kg droog tarwestro. Dit is een figuur om de noodzaak van een combinatie evalueren concepten. Het blok diagram toont hoeveel energie extraheren door AD en HTC van de grondstof.

figure-results-8
Tabel 1. Elementanalyse, HHV, massa opbrengst, en vezels analyse van ruwe tarwe stro, digestaat (thermofiele), en de bijbehorende HTC biochar. HHV wordt berekend uit CHNS samenstelling zoals aangegeven in de literatuur 18,24. Tabel 1 is de experimentele resultaten van elementaire analyse en massaopbrengst na AD en HTC. Lignine, cellulose en hemicellulose worden gemeten door van Soest fiber analyse [12]. Opmerking:. Na wordt niet geanalyseerd Klik hier om een grotere versie van deze tabel bekijken.

Discussie

UAS reactoren kunnen de tekortkomingen besproken inleiding beperken. Echter, er is veel ruimte voor verbetering. Voersysteem en digestaat intrekking nog handmatig. De UASs systeem gezichten problemen omgaan grondstoffen groter dan 60 mm. Het systeem werkt beter met vezelachtige grondstoffen als ze zweven in de vloeistof, maar ook andere grondstoffen zoals dierlijke mest en slib kan het UASs systeem niet bevoordelen. Het UAS systeem is zodanig dat het proces-vloeistof circuleert uit reactor weer AF naar de reactor. Maar zelfs 2-5% vaste stof in de circulerende vloeistof werd bewezen problematisch te zijn, omdat ze deponeren in de AF of de pijp ingang te blokkeren en belemmeren vloeistof circulatie. Chemische analyse van de procesvloeistof is belangrijk, omdat de productie van vrije vetzuren en stikstof de microbiële systeem waardoor atypische biogas kan veranderen. Het UASs systeem is robuust en kan meer dan 200 dagen draaien zonder enige significant problemen. De buizen aansluiten van pompen om de reactoren te AF's moeten worden vervangen elk alternatief maand. Het waterniveau in het waterbad moet worden gecontroleerd wekelijks en bijgevuld indien nodig.

HTC natte digestaat is zeer effectief voor de behandeling van afval alsmede het produceren van vaste biobrandstof. De dewateribility van het vaste product wordt ook vergemakkelijkt door de HTC werkwijze zoals in de figuur 7. Echter HTC digestaat moet zo snel mogelijk worden uitgevoerd, bij voorkeur op dezelfde dag dat de digestaat verwijderd. Anders start de digestaat biologisch afbrekende, die niet gunstig is voor HTC. Als HTC is een hoge temperatuur (200-260 ° C) en hoge druk (20-50 bar) proces, waarbij de nodige voorzorgsmaatregelen gedurende de HTC procedure is zeer belangrijk. Alle verbindingen worden ten minste eenmaal per maand gecontroleerd om ervoor te zorgen dat ze gasdicht. HTC werkwijze vloeistof een hogere concentratie van furfural, 5-HMF en fenolische compounds, die geclassificeerd zijn als toxische stoffen. Dus, is het raadzaam om een ​​masker en handschoenen tijdens het hanteren van HTC proces vloeistof, vooral wanneer HTC proces-vloeistof wordt afgetapt uit reactorvat naar een andere container. Hoewel HTC heeft vele voordelen voor de afhandeling van natte grondstof zoals digestaat, het is nog steeds een batch proces. In een economische evaluatie, zal HTC batch proces moeilijk te rechtvaardigen zijn. Meer onderzoek is dus nodig om een ​​continue werking van de HTC vergemakkelijken.

Elementanalyse is een effectieve methode voor homogene vaste substraten, maar niet voor heterogene substraten. Als vaste biobrandstof meestal heterogeen en elementaire analyser staat slechts 5-10 mg van steekproefgrootte, is het raadzaam om ten minste drie herhalingen en het gebruik gemiddeld presteren. Een andere beperking van elementaire analyse is het meten van vaste substraten met een hoog asgehalte. Elementaire analyser alleen meten Chons, en geen andere anorganische stoffen. Dus, elementaire analyse van hoge as vaste substraten misschien niet reveal de werkelijke Chons concentraties. Monstervoorbereiding in elementaire analyse is van vitaal belang, als monster moet nauwkeurig worden gewikkeld, anders zal er een inconsistentie in analyses zijn. Brandstof waarde van de vaste brandstoffen kan worden geschat uit Chons, maar het wordt aanbevolen om een ​​bom calorimeter voor nauwkeurige brandstof-waarde-bepaling.

Ongeveer 92-161 L methaan geproduceerd per kilogram vluchtige vaste stof in de voeding. De vluchtige vaste of organische totale solide van de droge tarwe stro was 86.9%. Droog digestaat heeft een lagere atomaire zuurstof en waterstof concentratie, dat is een andere indicatie van afbraak van polysacchariden en eenvoudige suiker afbraak tijdens de anaerobe vergisting 22,23. Bovendien, lagere H en O-concentraties verhogen de HHV van het digestaat 24. HHV droge digestaat is 22% hoger dan droge ruwe grondstof. De vergelijkbare resultaten worden verkregen met een uitgebreide statistische analyse van Pohl et al. 23.

Digestaat van de anaërobe vergisting bevat 80-90% water 6. Dit zijn hydrofiele en water wordt gedeeltelijk in microbiële of plantencellen gebonden. Hierdoor ontwatering of drogen van digestaten is omslachtig en zeer energie-intensief. Bijvoorbeeld 2 kg droge digestaat bindt 8 kg water (80% nat), waarvan 20,7 MJ vereist van warmte om te drogen digestaat. Bovendien heeft het de neiging om bio-degraderen relatief snel in omgevingscondities, verliest voedingsstoffen voor planten, en releases broeikasgassen (broeikasgas) emissies zoals N 2 O en CH 4. Dus, ondanks hogere energiepotentieel, vers digestaat niet direct worden gebruikt als brandstof. Het zou moeten worden gedroogd direct na de vertering 20.

Uit tabel 1 kan worden aangetoond dat de droge digestaat een soortgelijk atoom koolstofgehalte als grondstof stro en ze visueel vergelijkbaar voor en na anaerobe vergisting (figuur 6). Dit suggereert dat lignine en lignine cellulose encrustedmeestal ongereageerd. Echter, een massa opbrengst van 63% waargenomen, wat betekent dat het verwerkte stro is 37% lichter dan droge ruwe stro. Vergelijkbare elementaire koolstof concentratie betekent geen carbonisatie opgetreden tijdens anaërobe afbraak 22. Zoals getoond in figuur 7, HTC biochar van digestaat (thermofiele) is zeer stabiel en zacht. Vanwege de aanzienlijke stijging van de hydrofobiciteit, kan het letterlijk onderdompelen in water voor maanden zonder de fysische en chemische structuur wordt aangetast 12,25. De hydrofobe verbetert ook ontwatering van HTC biochar 14. Structuur van het stro is niet waarneembaar in de HTC biochar meer, wat betekent dat cellulose had kunnen hebben gereageerd. Een belangrijke carbonisering wordt waargenomen in HTC biochar samen met geringere atomaire zuurstof. Dit is een andere indicatie van cellulose wordt gereageerd in plaats van lignine. Atomic koolstofconcentratie in lignine is veel hoger dan die van cellulose 24-29. Hierdoor HTC Biochar heeft een HHV van 29,6 MJ / kg, die zijn 61% hoger dan die van ruwe stro en 32% hoger dan droog digestaat, respectievelijk.

HHV HTC verwerkte stro 28,8 MJ / kg, die ook vergelijkbaar met die van HTC verwerkte stro digestaat (29,6 MJ / kg). Echter, massa opbrengst is in HTC stro 40,7% hoger dan die van de HTC digestaat met het vergelijken van ruwe grondstof. Als resultaat, als 1 kg ruwe stro (18,4 MJ) wordt hydrothermisch verkoold, HTC stro biochar het potentieel van 11,0 MJ. Anders, als hetzelfde is van toepassing op AD en HTC, totaal 13,2 MJ bio, in vormen biomethaan (5.2 MJ) en HTC biochar van digestaat (8.0 MJ), kan worden geproduceerd (figuur 8). Ook vloeibare fase van het UAS taak is een potentiële vloeibare meststof. Bovendien zou HTC biochar hoger potentieel hebben voor een hoge waarde materiaal gebruik of gebruiken als grondverbeteraar. Voor de koolstofvastlegging of koolstofcyclus oogpunt, materiaalgebruik van HTC biochar is meer haalbaar is dat de productie van energie.

Anaerobe vergisting in combinatie met hydrothermale carbonisatie kan meer bio-energie dan de individuele processen opleveren. Er is echter een cascade ontwerp nodig voor een betere efficiëntie. De totale energiebalans, gevolgd door een evaluatie, nodig om dit te valideren. Toekomstig onderzoek moet onder meer gebruik van de HTC drank en na de behandeling (chemische of biologische) van HTC biochar. Ook zal automatisering van zowel UAS en HTC systemen nodig. Deze studie werd uitgevoerd voor het dragen laboratoriumschaal UAS en HTC reactor, maar opschaling van de werkwijze zou noodzakelijk zijn indien het proces wordt gecommercialiseerd.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd ondersteund door het Duitse Federaal Ministerie van Onderzoek en Onderwijs aan Project Management Julich (PtJ). De auteurs danken de heer Ulf Lüder voor technische ondersteuning in het biochar laboratorium. De auteurs zijn ook dankbaar aan mevrouw Maria Sanchez en de heer Jonas Nekat voor hun vrijwilligerswerk in respectievelijk het biogas- en het analytisch laboratorium. Marcel Schmidt en Antje Schmidt worden ook erkend voor hun waardevolle inspanningen op het gebied van videografie en bewerking.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
UASS reactorGepatenteerd ontwerp
BalanceKERN440-55N0,2 g precisie
Biofilm carrierRVT Process Equipment GmbH, DuitslandBioflow 40305 m2/m3 installeren
VerwarmingsbadLauda-Königshofen, DuitslandLauda Ecoline 011Mesofiele en thermofiele temperatuur waarborgen
RecirculatiepompHeidolph pumpdrive5201
TarwestroDittmannsdorfer Milch GmbH, Duitsland5-65 mm lengte
Biogas analyazerPronova, DuitslandSSM 6000
GasmeterRitter, DuitslandTrommeltype
HTC reactorParr instrument, Moline, IL VSParr 45555 gallon volume
HTC TemperatuurregelaarParr instrument, Moline, IL VS4848K type thermokoppel
BalanceKERN FKB0,1 g precisie
VerwarmingssysteemParrA1600EEEBandverwarming, 2 °C/min
SoftwareSpecView32849Digitaal bewakings- en programmeerinterface
KatalysatorWolfraam(VI)oxideElementaire analyzator
BalanceMettler ToledoSN-11281232811 µg precisie
MonsterpanElemental Analyssystem GmbHTin 6 x 6 x 12 mm panElementaire analyse
DroogovenBinder GmbH, DuitslandFP 115105 °C oven
Elementale analyzatorVarioEL IIICHNS analyzator

Referenties

  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).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Upflow Ana robe Solid State ReactorTarwestroThermofiele OmstandighedenMesofiele OmstandighedenHTC biocharBiogasopbrengstEnergieopbrengst

Gerelateerde artikelen