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Avaliação Integrada Digestão Anaeróbia e carbonização hidrotérmica para Bioenergy Production

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DOI:

10.3791/51734

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15 de junho de 2014

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

Neste artigo

Resumo

A Solid State (UASS) Reator Anaeróbio romance foi utilizado para a produção de biogás a partir de matéria-prima fibrosa. Digestores de UASS reator foi hidrotermal carbonizada em HTC biochar em um reator de batelada pressurizado. A integração dos dois conceitos de bioenergia foi aplicado neste estudo para aumentar a produção global de bioenergia.

Resumo

A biomassa lignocelulósica é uma das fontes de energia renováveis ​​mais abundantes ainda subutilizados. Ambos digestão anaeróbica (AD) e carbonização hidrotérmica (HTC) são promissoras tecnologias para a produção de bioenergia a partir de biomassa em termos de biogás e biochar HTC, respectivamente. Neste estudo, a combinação de AD e HTC é proposto para aumentar a produção global de bioenergia. Palha de trigo foi digerido anaerobicamente em um romance reator anaeróbio de estado sólido (UASS) em ambos (55 ° C) condições mesofílicas (37 ° C) e termofílicas. Wet digerido do AD termofílicas foi carbonizada hidrotermal a 230 ° C durante 6 horas para a produção HTC biochar. À temperatura termofílica, o sistema UASS produz uma média de 165 L CH4 / kg VS (VS: sólidos voláteis) e 121 L CH4 / kg VS no AD mesófilos sobre a operação contínua de 200 dias. Enquanto isso, 43,4 g de biochar HTC com 29,6 MJ / kg dry_biochar foi obtained da HTC de 1kg de digestores (base seca) de AD mesófilos. A combinação de AD e HTC, neste conjunto particular de experiência deu 13,2 MJ de energia por cada 1 kg de palha de trigo seco, que é pelo menos 20% maior do que o HTC sozinho e 60,2% mais elevado do que apenas AD.

Introdução

Encontrando fontes de energia renováveis ​​e sustentáveis ​​são as principais preocupações do setor de energia do mundo. Recentemente, a Organização das Nações Unidas informou que até 77% da energia do mundo em 2050 se espera a partir de fontes renováveis ​​1. A biomassa lignocelulósica, como palha, capim, casca de arroz, sabugo de milho não têm conflitos com a questão alimentos versus combustível. Além disso, a biomassa é, provavelmente, a única fonte de energia renovável com carbono estrutural, em comparação com outras fontes de energia renováveis, como eólica, solar e de água 2. No entanto, a manipulação características, baixa densidade, elevado teor de cinzas, e menor teor de energia dificultam o uso de biomassa lignocelulósica para produção de energia 2.

A digestão anaeróbia (DA) é um dos principais exemplos de produção de bioenergia a partir de resíduos de biomassa 3 Em geral., Há quatro passos de degradação envolve a digestão anaeróbia, como mostrado na Figura 1 4 . Nas primeiras três etapas consecutivas, os polissacáridos de biomassa são convertidos em ácidos orgânicos. Na etapa final, os organismos metanogênicos produzir biometano. AD Tradicional é um tempo e um processo que consomem energia elétrica. A agitação contínua reduz a economia global da AD, especialmente para a AD de biomassa lignocelulósica. A novel Anaeróbio de estado sólido (UASS) reactor tem o potencial para ultrapassar os inconvenientes indicados (Figura 2) 4. Separações sólido-líquido espontânea é uma das vantagens significativas do UASS, uma vez que o concebido facilita bolhas de biogás para levantar os resíduos sólidos que não reagiram para cima 5. Isto elimina o uso de um agitador e, por conseguinte, reduz o consumo de energia no local. Além disso, a circulação do líquido assegura a distribuição de microrganismos e metabólitos ao longo do reactor, bem 5. Em comparação com os biocombustíveis sólidos, biogás é mais fácil de manusear, e deixa pouco ou nenhum resíduo. De facto, a densidade de energia específicado biogás é várias vezes maior biomassa matéria-4. No entanto, o AD favorece polissacáridos simples como amido, ácidos gordos, e hemicelulose 1. Como resultado, a celulose e lignina, grande parte da biomassa lignocelulósica fibrosos como palha de trigo, permanece como um sólido digerido após dC 5. Embora, a produção de biogás varia de a matéria-prima, tipo de microrganismos, temperatura de reacção, e tempo de reacção, uma quantidade enorme de digestores é normalmente produzido.

Enquanto o biogás é utilizado para a energia, digestates (até 90% de água) são normalmente armazenados em uma fermentação do resíduo de depósito para recolher restantes emissões de metano. Posteriormente estas são secas e espalhar sobre a área plantada para melhorar a fertilidade do solo ea capacidade de retenção de água. Conteúdo inorgânico alta muitas vezes dificultam digestores diretamente para o combustível, como grandes quantidades de escória pode corroer o equipamento 6. Carbonização hidrotérmica (HTC) é um processo de tratamento termoquímico especialmente concebido para molhado. matéria-prima, onde a biomassa (com 80-90% de água) é aquecido até 200-260 ° C, à pressão de saturação de água e manter durante 0,5-6 h (Figura 3) 7,8 Subcritical água tem o produto iónico no máximo 200 - 260 ° C, o que significa que a água sob estas condições é reactivo e comporta-se como um ácido fraco e uma base fraca, simultaneamente 9. A hemicelulose, em conjunto com outros produtos extractáveis, degradam em torno de 180-200 ° C, enquanto que a celulose reage em torno de 220-230 ° C, e a lignina reage à temperatura relativamente mais elevada (> 250 ° C), mas muito mais lento do que a celulose e hemicelulose 10. Devido à desidratação significativa e descarboxilação, os resultados HTC produto sólido chamado biocarvão HTC, com produção de massa (HTC seco biochar / ração seca) de 40-80%, licor contendo ácidos carboxílicos, derivados de furano, substâncias fenólicas, e monômeros de açúcar e 5 - 10% de CO 2 rico produto gasoso 11. Durante HTC, substâncias voláteis contendo oxigénio são significativamentereduzido e, assim, deixar um sólido rico em carbono. Biochar HTC também é estável, hidrofóbico, e friável comparar a raw 12,13 matéria-prima úmida. Devido às suas características hidrofóbicas, dewateribility de HTC biochar aumenta várias vezes em comparação com digestores cru ou mesmo biomassa crua. 14-18 Além disso, biochar HTC tem valores de combustível similares à lenhite carvão 16,17. No entanto, a celulose e lenhina parcialmente degradam no ambiente HTC 18.

Agora hemicelulose e celulose na biomassa contribuir para biogás durante AD, enquanto a celulose e lignina contribuir principalmente para biochar HTC sólida 4,5. Assim, a combinação de AD-HTC pode potencialmente aumentar o rendimento global de bioenergia. Hoffmann et al. Simulado uma combinação semelhante, mas usando AD e HTL (hidrotermal liquefação) em vez de AD-19 HTC. HTL é um método comum de liquefacção fracção de biomassa e produto líquido tem um valor alto de combustível [43,1 MJ / kg]. No entanto, HTL requires muito alta pressão (250 bar) comparar a HTC (10-50 bar), o que implica a instalação de alta e os custos de operação do HTC. Mais uma vez, a seqüência de combinação de AD e HTC pode ser questionada como Wirth et al. AD informou recentemente do processo HTC líquido 20. No entanto, um anúncio eficaz depende da concentração de açúcar nas matérias-primas. Açúcares em líquido de processo HTC, produzidos durante a hidrólise, muitas vezes degradar rapidamente sob água subcrítica. É por isso que antes de AD HTC é mais favorável em termos de bioenergia. No entanto, o AD de líquido de processo pode produzir bioenergia HTC adicional, em cujo caso, a sequência de combinação seria AD-HTC-AD.

O objetivo do trabalho foi avaliar a integração dos processos de AD e HTC para a produção de bioenergia (Figura 3). O potencial de produção de biogás para AD termofílica e mesofílica de UASS reator foi avaliada em uma operação contínua de mais de 200 dias. Posteriormente, a produção HTC biochar from digerido foi também estudada. A massa e energia equilíbrio da cascata AD-HTC foi realizada e comparada com os processos individuais.

Protocolo

1. Digestão Anaeróbia de palha de trigo

Nota: Para digestão anaeróbia em reatores de 39 L UASs, use 5-65 mm de comprimento costeletas de palha de trigo crua como feed. O teor de matéria seca da matéria-prima orgânica nesta experiência particular foi de 85,9% e a fracção de fibra em bruto foi de 46,3%. Os reatores UASs são feitos de aço inoxidável, com uma janela de inspeção feita de vidro acrílico. Dois 30 L filtro anaeróbico (AF) são combinados com 39 L cada UASS reactor. Os SAFs são construídos de vidro acrílico transparente. A esquemática dos sistemas de reactor são mostrados na Figura 2 e projecto de arquitectura descrito noutro 4. Detalhes sobre inoculação e iniciar os reatores são dadas em outro lugar 5.

  1. Encha cada AF com 325 portadores de biofilme de polietileno em forma de barril.
    Nota: Os transportadores de biofilme utilizados têm uma área superficial de 305 m 2 / m 3.
  2. Defina as bombas de água para a circulação de líquido de processoem ambos os reactores de mesófilas e termófilas por um caudal de 1,15 L / hr.
  3. Definir banhos de aquecimento a nível da temperatura do reactor desejada, 37 ° C durante a mesófilas e 55 ° C para o reactor termofílica.
  4. Para a alimentação diária dos reatores UASs, pesar 120 g FM de palha de trigo (= 99,5 g VS) para cada reator para alcançar uma taxa de carga orgânica de 2,5 g VS / L · dia.
  5. Tubo de alimentação Abrir UASS 'e remover o selo.
  6. Despeje palha de trigo para o tubo de alimentação diagonal e empurrá-lo para o fundo do reator com a ajuda do selo de alimentação. A partir daí, a palha vai flutuar para cima contra uma peneira e formar o leito de estado sólido.
  7. Limpe a superfície de vedação para ter certeza, seja estanque ao gás e, em seguida, fechar o tubo de alimentação.
  8. As bombas serão executados de forma contínua, transmitindo 1,2 L / hr processo licor através do sistema de reator (UASS e AF).
  9. Medir continuamente o fluxo de biogás usando do tipo tambor de gás meters e armazenar em um saco de gás 20 l.
    Nota: Faça uma saída do saco de gás para o analisador de biogás. No analisador de biogás, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 e H 2 são medidos. Primeiro o biogás tem de passar três filtros diferentes para remover a humidade e outros compostos tóxicos que são prejudiciais para o detector. O analisador tem de ser calibrado, uma vez por semana para a composição exacta de biogás.
  10. Meça composição do biogás regularmente utilizando um analisador de biogás industrial. Nota: O analisador de biogás só pode medir o biogás quando o saco de biogás é de pelo menos meio cheio. Para a medição da composição do biogás, a válvula para o saco de gás tem de ser aberto e esperar que o biogás composição constante (isto leva cerca de 20-30 segundos).
  11. Para controle de processos, medir o pH e temperatura em linha usando o medidor de pH instalado e termômetro.
  12. Retirar cerca de 3 kg de digestores (80-90% de humidade), uma vez por semana, o que dá um tempo de retenção de sólidos (LRF) of 2-3 semanas. Utilize este digestores como alimentação para o processo de HTC. O biogás produzido depois é suficiente para expulsar todo o ar e estabelecer condições anaeróbicas dentro de poucas horas.
  13. Analisar processo de licor e digestores em uma base semanal para suas propriedades químicas (pH, CE, TS, VS, ácidos gordos, CHNS, amônia, oligoelementos e fibra bruta).

2. Carbonização hidrotérmica de palha de trigo digestores

Nota: Para carbonização hidrotérmica de digestores do passo 1, um lote de 18 L agitado reactor é usado. O controle eo tempo de processo é realizada através do controlador do reator 4848 eo software SpecView 32 849, rodando em um computador. No programa, a temperatura do reactor, temperatura da camisa de aquecimento, pressão, e velocidade de agitação pode ser mostrado. Além disso, o programa para os parâmetros do processo (início de temperatura, ajuste de temperatura, taxa de aquecimento, velocidade de agitação) pode ser definido para cada experimento HTC.

  1. Pesar 2,5 kgde palha digerido usando uma balança com a precisão de 0,1 g, e transferir para o recipiente de reactor.
  2. Use o mesmo equilíbrio para avaliar 10 kg de água maquiagem, e deite-o no vaso do reator também. Isto irá manter o digerido, proporção de água de 1:4.
  3. Antes de fechar pneumaticamente, misture manualmente o conteúdo do reator para impedir o bloqueio de hélice agitador. Feche o reator e prenda-o em cruz de apertar os parafusos com uma força de 50 Nm.
  4. Defina a reação pelo seguinte rampa de molho:
  5. Chega-se à temperatura de início de 30 ° C em 15 minutos a temperatura ambiente.
    1. Ajustar o tempo de aquecimento para uma temperatura de reacção de 230 ° C é de 100 min.
    2. Mantenha a temperatura da reacção final para 6 horas.
    3. Após 6 horas de tempo de retenção, arrefecer o reactor 15 h entre 230 ° C até à temperatura ambiente.
    4. Agita-se o conteúdo do reactor a 30 rpm em todo o processo de HTC completa.
    5. Desligue o agitador após a fase de resfriamento e pexortar o gás em um saco de gás 20 L.
    6. Certifique-se de que o gás passa através de uma armadilha de condensados, bem como um filtro de carvão activado.
    7. Armazenar o gás para posterior análise.
  6. Após a recolha de amostras de gás, drenar a pasta a partir do recipiente para um recipiente por meio de uma temperatura elevada, a válvula de esfera de alta pressão e, em seguida, filtra-se por uma tela com um tamanho de poro de cerca de 0,5 mm.
  7. Recolher o fluido e rasgou o biochar HTC produzido para determinar a quantidade de carvão produzido em HTC comparação com matéria-prima.

3. Análise elementar da Raw, digestores, e HTC biocarvão de palha de trigo

Nota: Para qualquer análise combustível sólido, um analisador ou Chon analisador elementar é frequentemente utilizado. A composição elementar de carbono atômico, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre podem ser obtidas a partir desta análise. De Chon, pode-se estimar o valor de aquecimento mais elevado ou o valor da energia do combustível. Além disso, o teor de enxofre atômica também será indicComeram a qualidade do combustível. Neste estudo, um analisador elementar vai ser utilizado para determinar o valor do combustível de biocarvão HTC, palha de trigo em bruto e digerido. Como o analisador só permite um tamanho muito reduzido da amostra, analisar cada uma das amostras, pelo menos, três vezes para uma melhor reprodutibilidade.

  1. Em um recipiente de amostra (estanho, 6 x 6 x 12 mm), pesar 30 mg de tungsténio (VI), utilizando o óxido de equilíbrio específico no pacote elementar. Nota: A precisão de um tal equilíbrio é geralmente 1 mg. Tungsténio (VI), óxido funciona como um catalisador no analisador elementar.
  2. Pesar 5-10 mg de amostra seca e colocar na mesma panela amostra, misture, e envolvê-la. O tamanho do recipiente para amostras embrulhado deve ser de cerca de 2 x 2 x 5 mm 3.
  3. Coloque as amostras no amostrador automático. Note-se a posição de cada amostra e usar o ácido sulfónico na análise elementar como uma referência
  4. Inicie o software Vario no computador conectado ao analisador elementar, definir as condições, o fluxo de gás amostras, as temperaturas da2 fornos (os dois fornos são a 1.150 e 850 ° C, respectivamente). Em seguida, defina os nomes das amostras de acordo com as posições autosampling. Inicie o programa. A máquina funciona automaticamente, realiza a análise e armazena os resultados no computador.
    Nota: Elemental CHNS são a saída do analisador elementar e geralmente são relatados no ecrã do computador.

Resultados

A digestão anaeróbia

As experiências revelaram que o biogás UASS sistema é capaz de utilizar 38% e 50% do potencial de formação de metano (37 ° C) e termofílicas (55 ° C) a operação mesófilos, respectivamente. No AD termofílica, o sistema UASS produz uma média de 165 L de CH4 / kg VS (VS: sólidos voláteis) e 121 L de CH4 / kg de AD VS mesófilos durante 200 dias de operação contínua (Figura 4). Esses valores de desempenho foram calculados a partir da análise quantitativa e qualitativa do biogás relacionados com a base de matéria-prima seca.

O potencial de biometano para a palha de trigo foi determinada (seguindo orientação VDI 4630), a ser 304,3 L CH4 / kg VS para thermophilic e 244,2 L CH4 / kg VS para operação mesófilos, respectivamente, e apresentado na Figura 50, 21. Em termos de qualidade, o biogás produzido pelo UASS continha entre 41% e 61% de metano (Figura 5).

HTC de digestores

A Figura 6 mostra a palha seca, digestores seco derivado de palha por AD e HTC biochar derivado de digestores seco pela HTC. Digestores a seco é semelhante à palha seca, que é apenas um pouco de cor mais escura. Para este trabalho, digestores de condições termofílicas foram considerados para HTC. Como mostrado na Tabela 1, 63% da massa total permanece na digerido (Tabela 1). Biochar HTC seca é mais leve do que a palha crua seca, provavelmente devido à degradação de monômeros e polímeros simples por microorganismos termofílicos durante AD.

A Figura 7 mostra o comportamento hidrofóbico, e macieza de HTC biocarvão. Durante HTC, as estruturas cristalinas fibrosos são destruídos e produzir um ca amorfa molerico em rbon HTC biochar 16,17,28. Pode ser visto a partir da Tabela 1 que a produção de massa dos digestores e palha bruto derivada biocarvão HTC são 43,4% e 38,3%, respectivamente. O produto sólido, HTC biochar é muito hidrofóbica 12; ele pode ficar em contato com a água por um tempo prolongado 13. Além disso, é muito macio, enquanto que apenas requer qualquer pressão para pulverizar. Para a indústria de carvão-para-poder, mantendo a suavidade da matéria-prima é muito importante, pois isso pode eliminar as etapas de pulverização expansiva.

Análise elementar

De composições elementares apresentados na Tabela 1, pode ser visto que o carbono elementar e hidrogénio permanecer a mesma no sólido em toda a digestão anaeróbica. Aumentos de carbono elementar e diminuições de hidrogênio durante a HTC. A maioria do azoto elementar permanece na fase sólida uma vez que o teor de azoto elementar é aumentada durante tanto uma digestão processos d HTC. Uma vez que o enxofre em palha de trigo é de rastreio, a concentração de enxofre elementar não é apresentada nos resultados. Teor de oxigénio elementar foi calculada subtraindo-se C, H, e N a partir de 100%, e também apresentado na Tabela 1, assumindo que a matéria-prima consiste de apenas Chon. A concentração de oxigénio diminuíram drasticamente durante HTC, ao mesmo tempo que continua a ser semelhante durante a digestão.

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Figura 1. Conceito básico e as etapas da digestão anaeróbia. Esta figura descreve os conceitos básicos da digestão anaeróbia. Nesta figura, quatro etapas gerais (hidrólise, acedogenesis, acetogênese e metanogênese) de digestão anaeróbia são apresentados

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Figura 2:. Diagrama esquemático do reactor UASS escala laboratorial para a digestão anaeróbica Este é o diagrama esquemático do sistema de reactor UASS. Aqui o reactor UASS e filtro anaeróbico (AF) são mostradas ligadas por uma corrente de líquido, em que os ácidos gordos produzidos no reactor UASS vir a FA e metano é produzido. A partir da parte inferior da AF, um outro fluxo líquido é retirado para UASS, onde os microorganismos vão desde a AF UASS reactor.

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Figura 3. (Superior) Conceito de HTC de biomassa lignocelulósica, (em baixo) conceito de integração de digestão anaeróbia e HTC * celulose será reagiram parcialmente 24. Neste diagrama em blocos, pode ser visto que os diferentes componentes da fibra entrar em contacto com a água subcrítico e são convertidos em biocarvão HTC (CTipo OAL).

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Produção Figura 4. Metano de UASS reator em ambas as condições termófilas e mesófilos com o filtro anaeróbio. Estes são os resultados experimentais de UASS reator de 210 dias de operação para as duas condições termofílicas e mesófilos. O eixo-X representa dias de funcionamento, enquanto o eixo Y representa a produção de metano (CH4 L / kg VS) em relação ao sólido volátil (VS).

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Figura 5. Fração de metano do biogás de UASS reator em ambas as condições termófilas e mesófilos. Estes são os resultados experimentais de UASS reator de 210 dias de operação em ambos uma thermophilicd condições mesofílicas. O eixo-X representa dias de funcionamento, enquanto o eixo Y representa a fracção de metano (%) no biogás. Os valores apresentados são médias de duplicatas.

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Figura 6. (Esquerda para direita) palha seca de trigo, palha de trigo seca digestores, e biochar HTC de palha de trigo digestores. Esta é a imagem dos diferentes estados de palha de trigo em tempo real. Aqui, nesta figura, o efeito da digestão anaeróbica (AD) e HTC pode ser visível. A estrutura de fibra é ainda visível no digestores, enquanto torna-se pó após HTC.

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Figura 7. Hidrofobicidade do biochar HTC (esquerda), friabilidade do biochar HTC (à direita) . Esta é mais uma vez a imagem de hidrofobia e friabilidade da HTC biochar tempo real. Na primeira imagem, biochar HTC é afundado debaixo da água, enquanto que as próximas duas a condição do biochar antes e depois do hard-esmagamento são mostrados.

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Figura 8. (Superior) potencial de bioenergia por digestão anaeróbica (AD) a partir de 1 kg de palha de trigo crua e (em baixo) potencial de bioenergia através da integração AD-HTC a partir de 1 kg de palha de trigo seca. Esta é uma figura para avaliar a necessidade de combinação conceitos. O diagrama de blocos mostra quanta energia é extrair por AD e HTC a partir de matéria-prima.

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Tabela 1 Análise elementar., HHV, o rendimento de massa e análise de fibras de palha crua de trigo, digestores (termofílicas) e correspondente biochar HTC. HHV é calculada a partir da composição CHNS, como mostrado na literatura 18,24. Tabela 1 são os resultados experimentais de análise elementar, e rendimento de massa após AD e HTC. A lignina, celulose e hemicelulose são medidos por análise de fibra Van Soest, [12]. Nota:. Na não é analisado por favor clique aqui para ver uma versão maior desta tabela.

Discussão

Reatores UASs são capazes de atenuar as deficiências discutidas na introdução. No entanto, há muito espaço para melhorias. Sistema de alimentação e digestores retirar ainda são manuais. O sistema UASS enfrenta problemas em lidar com matérias-primas maiores do que 60 mm. O sistema funciona melhor com matérias-primas fibrosas enquanto flutuam em todo o líquido, mas outras matérias-primas, como o estrume animal e lodo pode não favorecer o sistema UASS. O sistema UASS é concebido de tal forma que o licor de processo circula a partir do reactor de AF para o reactor de novo. No entanto, mesmo 2-5% de sólidos no líquido circulando foi provado ser problemática, uma vez que depositar no AF ou bloquear a entrada do tubo e impedir a circulação de líquido. A análise química do líquido de processo é importante, pois a produção de ácidos graxos livres e nitrogênio pode mudar o sistema microbiano resultando na produção de biogás incaracterístico. O sistema UASS é robusto, e pode executar mais de 200 dias sem mostrar qualquer significant problemas. Os tubos de ligação a partir de bombas de reatores para o AFS precisam ser substituídos a cada mês alternativo. O nível da água no banho-maria deve ser verificado semanalmente e recarregados, se necessário.

HTC de digestores molhado é muito eficaz para o tratamento de resíduos, bem como a produção de biocombustível sólido. O dewateribility do produto sólido será igualmente facilitada pelo processo HTC como mostrado na Figura 7. No entanto, HTC de digestores precisa ser realizado o mais rapidamente possível, de preferência no mesmo dia que o digerido é removido. Caso contrário, o digerido começa degradar biologicamente, o que não é favorável para a HTC. Como HTC é uma temperatura elevada (200-260 ° C) e elevada pressão (20-50 bar) processo, tomando as precauções necessárias durante o procedimento HTC é muito importante. Todas as ligações são verificados pelo menos uma vez por mês para se certificar de que eles são à prova de gás. Líquido processo HTC tem uma maior concentração de furfural, 5-HMF, e co fenólicompounds, que são classificados como tóxicos. Assim, recomenda-se usar uma máscara de face e luvas durante o manuseio de líquidos processo HTC, especialmente quando o processo HTC licor é drenada do vaso do reator para outro recipiente. Embora HTC tem muitas vantagens para o tratamento de matéria-prima húmida como digestores, é ainda um processo descontínuo. Em uma avaliação econômica, processo em lote HTC vai ser difícil de justificar. Mais pesquisas são, portanto, necessárias para facilitar o funcionamento contínuo da HTC.

Análise elementar é um método eficaz para substratos sólidos homogêneos, mas não para substratos heterogêneos. Como biocombustível sólido é geralmente heterogênea e elementar analisador só permite 5-10 mg do tamanho da amostra, recomenda-se realizar pelo menos três repetições e uso médio. Outra limitação da análise elementar é medir substratos sólidos com elevado teor de cinzas. Analisadores elementares só medir Chon, e nenhum outro inorgânicos. Assim, a análise elementar de substratos sólidos alta cinzas não pode reveal as concentrações reais Chon. A preparação das amostras em análise elementar é vital, como amostra tem de ser embrulhado com precisão, caso contrário, haverá uma inconsistência nas análises. Valor do combustível do combustível sólido pode ser calculada a partir Chon, mas recomenda-se a utilização de um calorímetro de bomba para a determinação exacta do valor do combustível.

Sobre 92-161 L de metano foi produzido por quilo de sólidos voláteis na alimentação. O total sólidos ou orgânicos voláteis sólida da palha de trigo seca foi de 86,9%. Digestores a seco tem menor concentração atômica de oxigênio e hidrogênio, que é outra indicação de degradação de polissacarídeos e degradação simples de açúcar durante a digestão anaeróbia 22,23. Além disso, a menor H, e O concentrações aumentar o HHV do digestores 24. HHV de digestores seco é 22% maior do que matéria-prima crua seca. Os resultados semelhantes são obtidos com uma análise estatística detalhada por Pohl et al 23.

Digestates de digestão anaeróbia contém 80-90% de água 6. Estes são hidrofílicos e água é parcialmente ligada nas células microbianas ou vegetais. Como resultado de desidratação ou secagem de digestates é pesado e muita energia. Por exemplo, 2 kg de digestores seca liga 8 kg de água (80% molhado), o que requer 20,7 MJ de calor para secar digestores. Além disso, ele tende a bio-degrade de forma relativamente rápida, em condições ambientais, perde nutrientes para as plantas, e libera as emissões de GEE (gases de efeito estufa), como N 2 O e CH 4. Assim, apesar de maior potencial energético, digestores fresco não pode ser usado diretamente como combustível sólido. Terá que ser secas imediatamente após a digestão de 20.

A partir da Tabela 1, pode ser mostrado que o digerido seco tem um teor de carbono atómico semelhante como palha crua, e que são visualmente semelhante antes e após a digestão anaeróbica (Figura 6). Isto sugere que a lignina e celulose incrustado de ligninaestão principalmente não reagiu. No entanto, a produção de massa de 63% observado, ou seja, palha processado é 37% mais leve do que a palha crua seca. Concentração de carbono elementar Similar não significa nenhuma carbonização ocorreu durante a digestão anaeróbia 22. Como mostrado na Figura 7, o biochar HTC de digestores (termófila) é muito estável e suave. Devido ao aumento significativo na hidrofobicidade, ele pode literalmente submergir em água por meses sem a sua estrutura física e química sendo afetados 12,25. A hidrofobicidade também aumenta a desidratação da HTC biochar 14. Estrutura da palha não é perceptível na biocarvão HTC mais, o que significa que a celulose podem ter sido reagido. Uma carbonização significativa é observada em biocarvão HTC, juntamente com a redução do oxigénio atómico. Esta é mais uma indicação de celulose a ser feito reagir, em vez de lignina. A concentração de carbono atómico em lignina é muito mais elevada do que a da celulose 24-29. Como resultado, a HTC bioqAR tem uma HHV de 29,6 MJ / kg, que são 61% mais elevada do que a palha em bruto e 32% maior do que o digerido seca, respectivamente.

HHV de HTC palha processada é de 28,8 MJ / kg, o que também é semelhante à da HTC digerido palhas (29,6 MJ / kg). No entanto, a produção em massa é 40,7% maior em HTC palha do que a de digestores HTC com comparação com matéria-prima bruta. Como resultado, se 1 kg de palha crua (18,4 MJ) é hidrotérmico carbonizada, HTC biochar palha terá o potencial de 11,0 MJ. Caso contrário, se a mesma quantidade é aplicada a AD e HTC, um total de bioenergia 13,2 MJ, em formas de biometano (5,2 MJ) e biocarvão HTC de digestores (8,0 MJ), pode ser produzido (Figura 8). Além disso, a fase líquida do processo UASS é um potencial fertilizante líquido. Além disso, HTC biochar pode ter maior potencial de alto valor de uso material ou usar como correção do solo. Para o seqüestro de carbono ou ciclo do carbono ponto de vista, o uso de material de HTC biochar é mais viável que a produção de energia.

A digestão anaeróbia combinada com carbonização hidrotérmica pode render mais de bioenergia do que os processos individuais. No entanto, um projeto em cascata é necessário para uma melhor eficiência. O balanço de energia global, seguido de uma avaliação económica, é necessário para validar o processo. Pesquisas futuras devem incluir o uso de bebidas alcoólicas HTC e pós-tratamento (químico ou biológico) da HTC biochar. Além disso, será necessária a automação de ambos UASS e sistemas HTC. Este estudo foi realizado em laboratório utilizando um UASS escala e reator HTC, mas scale-up do processo seria necessário se o processo está a ser comercializado.

Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Esta pesquisa foi apoiada pelo Ministério Federal Alemão de Pesquisa e Educação para Gerenciamento de Projetos Julich (PtJ). Os autores agradecem ao Sr. Ulf Lüder, pelo suporte técnico no laboratório de biochar. Os autores também agradecem à Sra. Maria Sanchez e ao Sr. Jonas Nekat por suas atividades voluntárias no laboratório de biogás e analítico, respectivamente. Marcel Schmidt e Antje Schmidt também são reconhecidos por seus valiosos esforços em videografia e edição.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
ReatorProjeto patenteado
EquilíbrioKERN440-55N0,2 g de precisão
Transportador de biofilmeRVT Process Equipment GmbH, AlemanhaBioflow 40Estabelecer 305 m2/m3
Banho de aquecimentoLauda-Königshofen, AlemanhaLauda Ecoline 011Garantir temperatura mesófila e termofílica
Bomba de recirculaçãoHeidolph pumpdrive5201
Palha de trigoDittmannsdorfer Milch GmbH, Alemanha5-65 mm de comprimento
Pronova, AlemanhaSSM 6000
Medidor de gásRitter, AlemanhaReator HTC tipo tambor
Instrumento Parr, Moline, IL EUAParr 4555Volume de 5 galões
Controlador de temperatura HTCParr instrument, Moline, IL EUA4848K tipo termopar
BalanceKERN FKB0,1 g precisão
de aquecimentoParrA1600EEEAquecedor de banda, 2 & C/min
SoftwareSpecView32849Monitoramento digital e interface de programação
CatalisadorÓxido de tungstênio(VI)Analisador elementar
Balance Mettler ToledoSN-11281232811 µ g precision
Bandeja de amostrasElemental Analyssystem GmbHEstanho 6 x 6 x 12 mm bandejaAnálise elementar
Forno de secagemBinder GmbH, AlemanhaFP 115105 ° Analisador elementar de forno C
VarioEL IIIAnalisador CHNS
UASS Analisador de biogás de Sistema

Referências

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