Summary
En roman opstrømning Anaerob Solid State (UAS) reaktor blev anvendt til biogasproduktion fra fiberholdigt råvare. Fermentat fra UAS reaktor hydrotermisk forkullede i HTC biochar i en trykbeholder batch reaktor. Integrationen af de to bioenergi begreber blev anvendt i denne undersøgelse for at øge den samlede produktion af bioenergi.
Abstract
Lignocelluloseholdige biomasse er en af de mest udbredte endnu underudnyttede vedvarende energikilder. Begge anaerob nedbrydning (AD) og hydrotermisk forkoksning (HTC) er lovende teknologier til produktion af bioenergi fra biomasse i form af biogas og HTC biochar, hhv. I denne undersøgelse er det kombinationen af AD og HTC foreslået at øge den samlede produktion af bioenergi. Hvedehalm blev anaerobt fordøjet i en roman opstrømning anaerob solid state reaktor (UAS) i både mesofile (37 ° C) og termofile (55 ° C) betingelser. Våd fordøjet fra termofile AD hydrotermisk forkullede ved 230 ° C i 6 timer til HTC biochar produktion. Ved termofil temperatur, UAS-systemet giver et gennemsnit på 165 L CH4 / kg VS (VS: flygtige faste stoffer) og 121 L CH4 / kg VS ved mesofile AD over kontinuerlig drift på 200 dage. I mellemtiden, 43,4 g HTC biochar med 29,6 MJ / kg dry_biochar var OBTained fra HTC på 1 kg fermentat (tør basis) fra mesofile AD. Kombinationen af AD og HTC i dette særlige sæt eksperiment giver 13,2 MJ energi pr 1 kg halm tør hvede, som er mindst 20% højere end HTC alene og 60,2% højere end kun AD.
Introduction
Finde vedvarende og bæredygtige energikilder er store bekymringer i verden energisektor. For nylig FN rapporterede, at op til 77% af verdens energi i 2050 forventes fra vedvarende energikilder 1. Lignocellulose biomasse såsom halm, græs, risskaller, majskolber har ingen konflikter med fødevarer versus spørgsmålet brændstof. Desuden biomasse er sandsynligvis den eneste vedvarende energikilde med strukturel carbon, sammenlignet med andre vedvarende energikilder som vind, sol og vand 2. Men køreegenskaber, lavere rumvægt, højt askeindhold, og lavere energiindhold hindre brugen af lignocellulose biomasse til energiproduktion 2.
Anaerob nedbrydning (AD) er en af de vigtigste eksempler på at producere bioenergi fra affald biomasse. 3. Generelt er der fire nedbrydningsprodukter trin involverer i bioforgasning som vist i figur 1 4 (fig. 2) 4. Spontane solid-væskeseparationer er en af de væsentlige fordele ved UAS, da designet letter biogas bobler til at løfte reagerede faste restprodukter opad 5. Denne eliminere brugen af omrører og derfor reducerer forbruget af on-site magt. Desuden væskecirkulationsanordning sikrer distribution af mikroorganismer og metabolitter i hele reaktoren samt 5. Sammenlignet med faste biobrændstoffer, biogas er lettere at håndtere, og efterlader lidt eller ingen rester. Faktisk specifik energitæthedaf biogas er flere gange højere rå biomasse 4. Men AD favoriserer enkle polysaccharider som stivelse, fedtsyrer og hemicellulose 1.. Som et resultat, cellulose og lignin, større del af fibrøse lignocelluloseholdige biomasse som halm, forbliver som et faststof fermenteret efter AD5. Selv biogasproduktionen varierer fra råmaterialet, type af mikroorganismer, reaktionstemperatur og reaktionstid er en enorm mængde af fermentat produceres normalt.
Mens biogassen anvendes til energi, er digestates (op til 90% vand) som regel gemt i en gæring rest-depot til at indsamle de resterende metanudslip. Bagefter disse er tørret og spredes på dyrkede arealer til at forbedre jordens frugtbarhed og vandbindingsevne. Højt askebestanddelen ofte hindre fermentat direkte til brændsel, da store mængder af slagger kan ætse udstyret 6.. Hydrotermisk forkoksning (HTC) er en termokemisk behandlingsproces specielt designet til våd. råmateriale, hvor biomasse (med 80-90% vand) opvarmes til 200-260 ° C ved vand mætningstrykket og hold i 0,5-6 timer (Figur 3) 7,8 subkritisk vand har den maksimale ioniske produkt på 200 - 260 ° C, hvilket betyder vand under disse betingelser er reaktiv og opfører sig som en mild syre og en mild base samtidigt 9. Hemicellulose, sammen med andre ekstraktiver nedbrydes omkring 180-200 ° C, medens cellulose reagerer omkring 220-230 ° C, og lignin reagerer ved relativt højere temperatur (> 250 ° C), men meget langsommere end cellulose og hemicellulose 10. På grund af kraftig dehydrering og decarboxylering, HTC resultater solidt produkt med navnet HTC biochar, med masse udbytte (tør HTC biochar / tørfoder) på 40-80%, spiritus indeholder carboxylsyrer samt furanderivater, phenolforbindelser stoffer og sukker monomerer, og 5 - 10% af CO 2 rig gasformigt produkt 11. Under HTC, er oxygenholdige flygtige stoffer betydeligtreduceres, og dermed efterlade en carbon-rig faststof. HTC biochar er også stabil, hydrofobe, og smuldres sammenligne med rå fugtig råvare 12,13. På grund af sin hydrofobe egenskaber, dewateribility af HTC biochar øger adskillige gange i forhold til rå fermenterede eller endda rå biomasse. 14-18 øvrigt HTC biochar har brændstof værdier svarende til brunkul kul 16,17. Men cellulose og lignin delvist nedbrydes i HTC miljø 18.
Nu hemicellulose og cellulose i biomasse bidrager til biogas under AD, mens cellulose og lignin meste bidrage til solid HTC biochar 4,5. Således kan kombinationen af AD-HTC potentielt øge den samlede bioenergi udbytte. Simuleret Hoffmann et al. En lignende kombination, men ved hjælp e.Kr. og HTL (hydrotermiske fortætning) snarere end AD-HTC 19. HTL er en fælles metode til fremstilling af flydende fraktion biomasse og flydende produkt har en høj brændværdi [43,1 MJ / kg]. Men HTL requIRES meget højt tryk (250 bar) sammenligne til HTC (10-50 bar), hvilket indebærer en høj installation og driftsomkostninger end HTC. Igen, kan kombinationen sekvens af AD og HTC blive afhørt som Wirth et al. Nylig rapporteret AD HTC proces væske 20. Men en effektiv AD afhænger koncentrationen af sukker i råmaterialer. Sukker i HTC proces væske, der produceres under hydrolyse, ofte nedbrydes hurtigt under subkritisk vand. Det er derfor, AD før HTC er mere gunstige i form af bioenergi. Dog kan AD HTC proces væske producere ekstra bioenergi, i hvilket tilfælde ville kombinationen sekvens være AD-HTC-AD.
Formålet med arbejdet var at evaluere integrationen af AD og HTC processer til produktion af bioenergi (Figur 3). Produktionen potentielle biogas til termofile og mesofile AD fra UAS reaktor blev evalueret på en kontinuerlig drift på mere end 200 dage. Efterfølgende HTC biochar produktion from af fermenteret blev også undersøgt. Masse-og energibalance kaskader AD-HTC blev gennemført, og sammenlignet med de enkelte processer.
Protocol
1.. Anaerob nedbrydning af hvedehalm
Bemærk: bioforgasning i 39 L UAS reaktorer, brug 5-65 mm lange strå rå hvede koteletter som foder. Den organiske tørstofindhold af råmaterialet i dette særlige eksperiment sag var 85,9% og fraktion rå fiber var 46,3%. De UAS reaktorer er lavet af rustfrit stål med en inspektion vindue lavet af akrylglas. To 30 L anaerob filter (AF) kombineres med hver 39 L UAS reaktor. AFS er bygget af transparent akryl glas. Den skematiske af reaktorsystemer er vist i figur 2 og arkitektoniske udformning beskrevet andetsteds 4. Oplysninger om pode og starte op reaktorerne er givet andetsteds 5..
- Fyld hver AF med 325 tøndeformede polyethylen biofilm luftfartsselskaber.
Bemærk: De biofilm anvendte bærere har et overfladeareal på 305 m 2 / m 3. - Indstil vandpumper til proces væskecirkulationbåde mesofil og termofil reaktorer til en strømningshastighed på 1,15 l / time.
- Indstil varme bade til den ønskede reaktorens temperaturniveau, 37 ° C for mesofile og 55 ° C i den termofile reaktor.
- Til daglig fodring af UAS reaktorer, vejer 120 g FM af hvedehalm (= 99,5 g VS) for hver reaktor for at opnå en organisk belastning på 2,5 g VS / L · dag.
- Åbent UAS 'påfyldningsrør og fjern stempel.
- Hæld hvedehalm til den diagonale påfyldningsrør og skubbe den ind i reaktorens bund ved hjælp af fodring stempel. Derfra vil halmen flyde op mod en sigte og danne solid state seng.
- Rengør tætningsfladen for at sikre, det er gastæt og derefter lukke påfyldningsrør.
- Pumperne vil køre kontinuerligt, fremføring 1,2 L / time proces væske gennem reaktoren systemet (UAS og AF).
- Mål biogas flow kontinuerligt ved hjælp tromme-typen gas udmålers og gemmer i en 20 L gaspose.
Bemærk: Lav en exit fra gas posen til biogas analysatoren. I biogas analysatoren CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 og H 2 målt. Først biogas skal passere 3 forskellige filtre for at fjerne fugt og andre giftige forbindelser, der er skadelige for detektoren. Analysatoren skal kalibreres én gang i en uge for nøjagtig biogas sammensætning. - Mål biogas sammensætning regelmæssigt med en industriel biogas analysator. Bemærk: Den biogas analysatoren kan kun måle biogas når biogas posen er mindst halvt fyldt. Til måling af biogas sammensætning, skal åbnes og vente på den stadige biogas sammensætning (det tager ca 20-30 sek) ventilen på gas taske.
- For proceskontrol, måle pH og temperatur online ved hjælp af installerede pH-meter og termometer.
- Fjern cirka 3 kg af fermenteret (80-90% våd) en gang om ugen, hvilket giver et faststof retentionstid (SRT) of 2-3 uger. Brug denne fermentat som foder til HTC proces. Den producerede bagefter biogas er tilstrækkelig til at ekstrudere nogen luft og etablere anaerobe forhold inden for få timer.
- Analyser proces spiritus og fermentat på en ugentlig basis for deres kemiske egenskaber (pH, EC, TS, VS, fedtsyrer, CHNS, ammoniak, sporstoffer og rå fiber).
2.. Hydrotermisk forkoksning af hvedehalm fermentatet
Bemærk: hydrotermal forkoksning af fermentat fra trin 1, en 18 L batch omrøringsreaktor anvendes. Styringen og timingen af processen sker via reaktor controller 4848 og softwaren SpecView 32 849, der kører på en computer. I programmet kan reaktortemperaturen, varmekappe temperatur, tryk og omrøringshastighed blive vist. Desuden program for procesparametre (start temperatur, sæt temperatur, varme rate, omrøring rate) kan indstilles for hver HTC eksperimenter.
- Afvej 2,5 kghalm fermenteret ved hjælp af en balance med nøjagtighed på 0,1 g og overføres til reaktorbeholderen.
- Brug den samme balance for at måle 10 kg make-up vand, og hæld det i reaktortanken så godt. Dette vil opretholde fermentatet, vand 1:4.
- Før pneumatisk lukning, omrøres manuelt indholdet reaktor for at forhindre blokering af propelomrører. Luk reaktoren og fastgør det ved at tværs stramme boltene med en kraft på 50 Nm.
- Indstil reaktion med følgende rampen sættetid:
- Nå starttemperatur på 30 ° C i 15 min fra stuetemperatur.
- Indstil opvarmningstiden reaktionstemperatur på 230 ° C er 100 minutter.
- Hold den endelige reaktionstemperatur i 6 timer.
- Efter 6 timer af holdetid afkøles reaktoren 15 timer fra 230 ° C til stuetemperatur.
- Rør reaktoren indhold ved 30 rpm under hele HTC processen.
- Sluk for omrører efter kølefasen og popfordre gassen i en 20 L gaspose.
- Sørg for gassen passerer gennem en kondensatfælde samt et aktivt kulfilter.
- Opbevar gas til yderligere analyse.
- Efter gasprøver, dræne opslæmningen fra beholderen til en beholder gennem en høj temperatur, højt tryk kugleventil og derefter filtrere det gennem en sigte med en porestørrelse på omkring 0,5 mm.
- Saml væsken og tarere producerede HTC biochar at bestemme mængden af HTC-producerede char forhold til råmateriale.
3.. Elemental Analyse af Raw, fermentatet og HTC Biochar af hvedehalm
Bemærk: ethvert brændstof analyse fast, er en grundstofanalysator eller Chons analysator ofte brugt. Grundstofsammensætningen af atomart carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen og svovl kan opnås fra denne analyse. Fra Chons, kan man anslå højere brændværdi eller energi værdien af brændstoffet. Desuden vil den atomare svovlindhold også Indicspiste kvaliteten af brændstof. I denne undersøgelse vil en grundstofanalysator anvendes til at bestemme varmeværdi HTC biochar, halm rå hvede og fermentat. Da analysatoren kun tillader en meget lille stikprøve, analysere hver prøve mindst tre gange for bedre reproducerbarhed.
- I en prøve pan (tin, 6 x 6 x 12 mm) afvejes 30 mg af wolfram (VI) oxid via den specifikke balance i elementært pakke. Bemærk: Den præcision af en sådan balance er normalt 1 ug. Wolfram (VI) oxid fungerer som en katalysator i grundstofanalysator.
- 5-10 mg tør prøve afvejes og sættes i den samme prøve gryde, bland det, og pak det. Den indpakkede prøve pan størrelse bør være omkring 2 x 2 x 5 mm 3.
- Placer prøverne i autosampleren. Bemærk placeringen af hver prøve og bruge sulfonsyre i denne elementæranalyse som reference
- Start Vario software i computer tilsluttet grundstofanalysatoren definere betingelserne, prøver gasstrømmen, temperaturer i2 ovne (de 2 ovne er på 1.150 og 850 ° C). Derefter definerer prøvenavne efter autosampling positioner. Starte programmet. Maskinen virker automatisk udfører analyse og lagrer resultatet i computeren.
Bemærk: Elemental CHNS er produktionen af grundstofanalysator og normalt indberettes direkte på computerskærmen.
Representative Results
Anaerob udrådning
Biogas eksperimenter viste, at UAS-systemet er i stand til at udnytte 38% og 50% af methan danner potentiale ved mesofile (37 ° C) og termofil (55 ° C) drift, hhv. Ved termofil AD, den UAS systemet giver et gennemsnit på 165 L CH4 / kg VS (VS: flygtige faste stoffer) og 121 L CH4 / kg VS ved mesofile AD for en 200 dages kontinuerlig drift (Figur 4). Disse ydeevne værdier er beregnet ud fra den kvantitative og kvalitative analyse af biogas i forbindelse med tørre råvare basis.
Den biogas potentiale for halm hveden blev bestemt (efter VDI-retningslinje 4630) for at være 304,3 L CH4 / kg VS for termofile og 244,2 L CH4 / kg VS for mesofile drift henholdsvis og præsenteret i figur 50; 21. Med hensyn til kvalitet, biogas fremstillet ved UAS indeholdt mellem 41% og 61% af metan (figur 5).
HTC of fermentatet
Figur 6 viser tørre strå, tørre af fermenteret stammer fra halm fra AD, og HTC biochar stammer fra tørre fermentat af HTC. Tør fermenteret ligner tør halm, som kun er en smule mørkere i farven. For dette arbejde blev Fermentat fra termofile betingelser anses for HTC. Som vist i tabel 1, er 63% af den samlede masse i fermenterede (tabel 1). Tør HTC biochar er lettere end tør rå halm, sandsynligvis på grund af nedbrydning af monomerer og enkle polymerer ved termofile mikroorganismer under AD.
Figur 7 viser den hydrofobe adfærd og blødhed HTC biochar. Under HTC er de fibrøse krystallinske strukturer ødelagt og producere en blød amorf carbon-rige HTC biochar 16,17,28. Det kan ses af tabel 1, at massen udbyttet af fermenteret rå halm afledt HTC biochar er 43,4% og 38,3%, hhv. Det faste produkt, HTC biochar er meget hydrofob 12; det kan være i kontakt med vand i længere tid 13. Det er også meget blød, da det kræver noget pres til at pulverisere det næppe. For kul-til-magt industrien, vedligeholdelse blødhed af råmaterialet er meget vigtigt, da det kan fjerne den ekspansive pulverisering trin.
Grundstofanalyse
Fra elementært sammensætninger er vist i tabel 1 kan det ses, at elementært kulstof og hydrogen forblive den samme i den faste hele anaerob nedbrydning. Elementært kulstof stiger og brint aftager i løbet af HTC. De fleste af elementært nitrogen forbliver i den faste, da elementært nitrogenindhold øges under fordøjelsen en d HTC processer. Da svovl i hvedehalm er spor, er koncentrationen af svovl ikke præsenteret på resultaterne. Elemental iltindhold blev beregnet ved at fratrække C, H og N fra 100%, og også præsenteret i tabel 1, under forudsætning af råmaterialet kun består af Chons. Iltkoncentrationen faldet drastisk i løbet af HTC, mens den forbliver ens under fordøjelsen.
Figur 1.. Grundlæggende koncept og trin af bioforgasning. Dette tal beskriver de grundlæggende begreber i forrådnelse. I denne figur er fire generelle trin (hydrolyse acedogenesis, acetogenesis og methanogenese) af anaerob nedbrydning præsenteret
g2highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 2:. Skematisk diagram af laboratorieskala UAS reaktor til anaerob nedbrydning Dette er den skematiske af UAS reaktor system. Her er vist UAS reaktoren og anaerob filter (AF) forbundet via en væskestrøm, hvor fedtsyrer, der fremstilles i UAS reaktoren kommer til AF og methan produceres. Fra bunden af AF, er en anden væskestrøm henledes UAS, hvor mikroorganismer går fra AF til UAS reaktoren.
Figur 3.. (Øverst) Begrebet HTC af lignocellulose biomasse, (nederst) integration begrebet anaerob nedbrydning og HTC * cellulose vil være delvist reagerede 24. I dette blokdiagram, kan det ses, at forskellige fiberkomponenter kommer i kontakt med subkritisk vand og omdannes til HTC biotrækul (COAL type).
Figur 4.. Metan produktion fra UAS reaktor i både termofile og mesofile forhold med den anaerobe filter. Disse er eksperimentelle resultater af UAS reaktor til 210 dage efter operation for både termofile og mesofile forhold. X-aksen er dages drift, mens Y-aksen er den metanudbyttet (L CH4 / kg VS) i forhold til flygtigt faststof (VS).
Figur 5.. Metan brøkdel af biogas fra UAS reaktor i både termofile og mesofile forhold. Disse er eksperimentelle resultater af UAS reaktor til 210 dage efter operation under både termofile end mesofile betingelser. X-aksen er dages drift, medens Y-aksen er methan (%) i biogas. Værdier angivet er gennemsnit fra dubletter.
Figur 6.. (Venstre til højre) halm tør hvede, tør halm fermentat og HTC biochar af hvedehalm fermentat. Dette er den virkelige tid billedet af de forskellige tilstande af hvedehalm. Her i denne figur, kan effekten af anaerob udrådning (AD) og HTC være synlige. Den fiber struktur er stadig synlige i det fermenterede, mens det bliver pudret efter HTC.
Figur 7.. Hydrofobicitet af HTC biochar (til venstre), skørhed af HTC biochar (til højre)
Figur 8.. (Øverst) Bioenergi potentiale ved anaerob nedbrydning (AD) fra 1 kg halm rå hvede og (nederst) potentiel bioenergi ved at integrere AD-HTC fra 1 kg halm tør hvede. Dette er et tal til at vurdere nødvendigheden af kombinationen koncepter. Blokdiagrammet viser, hvor meget energi at udvinde ved AD og HTC fra råmaterialet.
Tabel 1. Elementaranalyse HHV, masseudbytte, og fiber analyse af halm rå hvede, fermentat (termofil), og tilsvarende HTC biochar. HHV beregnes CHNS sammensætning som vist i litteraturen 18,24. Tabel 1 er de eksperimentelle resultater af grundstofanalyse og masse udbytte efter AD og HTC. Lignin, cellulose og hemicellulose måles ved van Soest fiberanalyse [12]. Bemærk:. Na er ikke analyseret Klik her for at se en større version af denne tabel.
Discussion
UAS reaktorer er i stand til at afbøde de mangler, der diskuteres i introduktion. Imidlertid er der meget plads til forbedring. Fodringsanlæg og fermentat tilbagetrækning er stadig manual. Det UAS systemet står over for problemer med at håndtere råmaterialer større end 60 mm. Systemet fungerer bedre med fiberholdige råmaterialer som de flyder over væsken, men andre råvarer som husdyrgødning og slam måske ikke favorisere UAS systemet. Den UAS systemet er designet på en sådan måde, at processen væske cirkulerer fra reaktoren til AF til reaktoren igen. Imidlertid var selv 2-5% faststof i den cirkulerende væske vist sig at være problematisk, da de sætter i AF eller blokere rørets indgang og hindre væskecirkulation. Kemisk analyse af procesvæsken er vigtigt, da produktionen af frie fedtsyrer og kvælstof kan ændre det mikrobielle system, hvilket resulterer i usædvanlig biogas. Det UAS systemet er robust, og kan køre mere end 200 dage uden at vise nogen significant problemer. Rørene forbinder fra pumper til reaktorer AFS skal udskiftes hver anden måned. Vandstanden i vandbad skal kontrolleres på en ugentlig basis, og efterfyldes om nødvendigt.
HTC våd fermentatet er meget effektiv til behandling af affald samt producere fast biobrændsel. Den dewateribility af det faste produkt vil også blive fremmet af HTC proces som vist i fig. 7. HTC af fermentatet imidlertid behov, som skal udføres så hurtigt som muligt, helst samme dag, som det fermenterede fjernes. Ellers fermenterede begynder at nedbryde biologisk, hvilket ikke er gunstigt for HTC. Da HTC er en høj temperatur (200-260 ° C) og højt tryk (20-50 bar) proces, der tager de nødvendige forholdsregler i hele HTC procedure er meget vigtigt. Alle tilslutninger kontrolleres mindst en gang om måneden for at sikre, at de er gastæt. HTC proces væsken har en højere koncentration af furfural, 5-HMF og phenolisk compounds, der er vurderet som giftstoffer. Så er det anbefales at bruge et ansigt maske og handsker ved håndtering af HTC proces væske, især når HTC proces spiritus er drænet fra reaktor beholder til en anden beholder. Selvom HTC har mange fordele for håndtering af våd råmateriale ligesom fermentatet, er det stadig en batch proces. I en økonomisk evaluering, vil HTC batchproces være svært at retfærdiggøre. Mere forskning er således forpligtet til at sikre en fortsat drift af HTC.
Grundstofanalyse er en effektiv metode til homogene faste substrater, men ikke for heterogene substrater. Som fast biobrændsel er normalt heterogen og grundstofanalysator tillader kun 5-10 mg prøve størrelse, anbefales det at udføre mindst tre gentagelser og brug gennemsnit. En anden begrænsning ved grundstofanalyse måler faste substrater med højt askeindhold. Elemental analysatorer måler kun Chons, og ingen andre uorganiske stoffer. Så elementaranalyse høj aske faste substrater måske ikke reveal de faktiske Chons koncentrationer. Prøveforberedelse i grundstofanalyse er af afgørende betydning, da prøven skal indpakkes præcist, ellers vil der være en uoverensstemmelse i analyser. Brændstof værdien af fast brændsel kan estimeres ud fra Chons, men det anbefales at bruge en bombe kalorimeter til præcis varmeværdi beslutsomhed.
Om 92-161 L methan produceres per kilogram flygtigt faststof i foderet. Den flygtige fast eller organisk total fast af halmen tør hvede var 86,9%. Tør af fermenteret har lavere atomart ilt og brint koncentration, som er en anden indikation af nedbrydning af polysaccharider og simpelt sukker nedbrydning under anaerob nedbrydning 22,23. Desuden lavere H, og O-koncentrationer øger HHV af fermentatet 24.. HHV tør fermenteret 22% højere end tør rå råvare. De tilsvarende resultater opnås med en detaljeret statistisk analyse af Pohl et al 23.
Digestates fra anaerob nedbrydning indeholder 80-90% vand 6. Disse er hydrofile og vand er delvis bundet i mikrobielle eller planteceller. Som et resultat afvanding eller tørring af digestates er besværligt og meget energikrævende. For eksempel 2 kg tørt fermenteret binder 8 kg vand (80% våd), hvorefter 20,7 MJ varme til at tørre fermenteret. Desuden er det en tendens til bio-nedbrydes relativt hurtigt i de omgivende forhold, mister plantenæringsstoffer, og frigiver drivhusgasser (drivhusgas) emissioner såsom N 2 O og CH 4. Så på trods af en højere potentiel energi, frisk fermenteret materiale kan ikke anvendes direkte som et fast brændsel. Det vil være nødvendigt at være tørret lige efter fordøjelsen 20.
Fra tabel 1, kan det påvises, at det tørre fermenterede har en lignende atomart kulstofindhold som rå halm, og de ligner hinanden visuelt før og efter anaerob udrådning (figur 6). Dette antyder, at lignin og lignin-indlagte celluloseer for det meste uomsat. , En masse udbytte på 63% bemærkede dog, hvilket betyder forarbejdede strå er 37% lettere end tør rå halm. Lignende elementært kulstof koncentration betyder ingen forkulning opstået under bioforgasning 22. Som vist i figur 7, HTC biotrækul fra fermenteret (termofile) er meget stabil og blød. På grund af den betydelige stigning i hydrofobicitet, kan det bogstaveligt talt dykke i vand i månedsvis uden dens fysiske og kemiske struktur påvirkes 12,25. Hydrofobiciteten øger også afvanding af HTC biochar 14. Struktur af halmen er ikke mærkbar i HTC biochar længere, hvilket betyder, at cellulose kan være blevet omsat. Der konstateres en væsentlig forkulning i HTC biochar sammen med nedsættelsen af atomare ilt. Dette er en anden indikation af cellulose bliver reageret snarere end lignin. Atomart carbon koncentration i lignin er meget højere end for cellulose 24-29. Som et resultat, HTC Biochar har en HHV på 29,6 MJ / kg, hvilket er 61% højere end rå halm og 32% højere end tør fermentat hhv.
HHV HTC forarbejdede strå er 28,8 MJ / kg, hvilket også svarer til HTC forarbejdede strå fermenteret (29,6 MJ / kg). , Masseudbytte er dog 40,7% højere i HTC halm end HTC fermentat med at sammenligne med rå råvare. Som et resultat, hvis 1 kg rå halm (18,4 MJ) er hydrothermally forkullede, vil HTC halm biochar har potentiale på 11,0 MJ. Ellers, hvis der anvendes samme beløb til AD og HTC, i alt 13,2 MJ bioenergi i form af biogas (5,2 MJ) og HTC biotrækul fra fermenteret (8,0 MJ), kan fremstilles (figur 8). Også flydende fase af UAS-processen er en potentiel flydende gødning. Desuden kan HTC biochar har større potentiale på høj værdi materiale brug eller bruge som jord ændringsforslag. For kulstofbinding eller kulstofkredsløbet synspunkt materialeforbrug af HTC biochar er mere realistisk, at energiproduktion. </ P>
Anaerob nedbrydning kombineret med hydrotermisk forkulning kan give mere bioenergi end de enkelte processer. Men en kaskade design for en bedre effektivitet. Den samlede energibalance, efterfulgt af en økonomisk vurdering, er forpligtet til at validere denne proces. Fremtidig forskning bør omfatte brug af HTC spiritus og post-behandling (kemisk eller biologisk) HTC biochar. Desuden vil der være behov automatisering af både UAS og HTC-systemer. Denne undersøgelse blev udført på ved hjælp af en lab-skala UAS og HTC reaktor, men ville være nødvendigt opskalering af processen, hvis processen er at blive kommercialiseret.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| UASS reactor | Patented design | ||
| Balance | KERN | 440-55N | 0.2 g precision |
| Biofilm carrier | RVT Process Equipment GmbH, Germany | Bioflow 40 | Establish 305 m2/m3 |
| Heating bath | Lauda-Konigshofen, Germany | Lauda Ecoline 011 | Ensure mesophilic and thermophilic temperature |
| Recirculation pump | Heidolph pumpdrive | 5201 | |
| Wheat straw | Dittmannsdorfer Milch GmbH, Germany | 5-65 mm length | |
| Biogas analyzer | Pronova, Germany | SSM 6000 | |
| Gas meter | Ritter, Germany | Drum type | |
| HTC reactor | Parr instrument, Moline, IL USA | Parr 4555 | 5 gallon volume |
| HTC Temperature controller | Parr instrument, Moline, IL USA | 4848 | K type thermocouple |
| Balance | KERN FKB | 0.1 g precision | |
| Heating system | Parr | A1600EEE | Band heater, 2 °C/min |
| Software | SpecView | 32849 | Digital monitoring and programming interface |
| Catalyst | Tungsten(VI) oxide | Elemental analyzer | |
| Balance | Mettler Toledo | SN-1128123281 | 1 µg precision |
| Sample pan | Elemental Analyssystem GmbH | Tin 6 x 6 x 12 mm pan | Elemental analysis |
| Drying oven | Binder GmbH, Germany | FP 115 | 105 °C oven |
| Elemental analyzer | Vario | EL III | CHNS analyzer |
References
- 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).
- Karlsson, M. Sustainable Bioenergy: A Framework for Decision Maker. UN-Energy report. , (2007).
- 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).
- Mumme, J., Linke, B., Toelle, R. Novel upflow anaerobic solid state (UASS) reactor. Bioresource Technology. 101, 592-599 (2010).
- 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).
- J Mumme,, et al. Hydrothermal carbonization of anaerobically digested maize silage. Bioresource Technology. 102, 9255-9260 (2011).
- 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).
- 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).
- Bandura, A., Lvov, A. The ionization constant of water over wide range of temperature and density. Journal of Physical Chemistry. 35, 793-800 (2006).
- Tal Reza, M., et al. Reaction kinetics and particle size effect on hydrothermal carbonization of loblolly pine. Bioresource Technology. , 139161-139169 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hoekman, S., Broch, A., Robbins, C. Hydrothermal Carbonization (HTC) of Lignocellulosic Biomass. Energy Fuels. 25, 1802-1810 (2011).
- Reza, M. T., et al. Hydrothermal carbonization for energy and crop production. Applied Bioenergy. 1, 11-28 (2014).
- 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).
- 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).
- Wirth, B., Mumme, J. Anaerobic Digestion of Waste Water from Hydrothermal Carbonization of Corn Silage. Applied Bioenergy. 1, 1-10 (2013).
- 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).
- Rehl, T., Müller, J. Life cycle assessment of biogas digestate processing technologies. Resources. Conserv. Recycling. 56, 92-104 (2011).
- Pohl, M., Heeg, K., Mumme, J. Anaerobic digestion of wheat straw - performance of continuous solid-state digestion. Bioresource Technology. 146, 408-415 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
