Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

تقييم الهضم اللاهوائي المتكاملة والتفحيم الحرارية المائية لإنتاج الطاقة الحيوية

Published: June 15, 2014 doi: 10.3791/51734
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1APECS Group, Leibniz Institute for Agricultural Engineering

Summary

واستخدمت رواية Upflow اللاهوائية الحالة الصلبة (عنك) مفاعل لإنتاج الغاز الحيوي من المواد الأولية ليفية. تم متفحمة Digestate من مفاعل عنك المياه الحارة في HTC الفحم النباتي في مفاعل دفعة المضغوط. تم تطبيق التكامل بين المفهومين الطاقة الحيوية في هذه الدراسة لزيادة إنتاج الطاقة الحيوية بشكل عام.

Abstract

الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية هي واحدة من مصادر الطاقة المتجددة الأكثر وفرة غير مستغلة حتى الآن. كل من الهضم اللاهوائي (AD) والكربنة الحرارية المائية (HTC) وتكنولوجيات إنتاج الطاقة الحيوية من الكتلة الحيوية واعدة من حيث الغاز الحيوي والفحم النباتي HTC، على التوالي. في هذه الدراسة، يقترح الجمع بين م وHTC لزيادة إنتاج الطاقة الحيوية بشكل عام. تم هضمها لا هوائيا القمح من القش في رواية upflow مفاعل الحالة الصلبة اللاهوائية (عنك) في كل أليف الاعتدال (37 ° C) وحرارة (55 درجة مئوية) الظروف. الرطب هضمها من حرارة م تم متفحمة المياه الحارة في 230 درجة مئوية لمدة 6 ساعة لإنتاج الفحم النباتي HTC. في درجة حرارة حرارة، ونظام عنك ينتج في المتوسط ​​165 L CH4 / كغ VS (VS: المواد الصلبة المتطايرة) و121 L CH4 / كغ VS أليف الاعتدال في م خلال عملية مستمرة من 200 يوما. وفي الوقت نفسه، كان 43.4 غرام من الفحم النباتي HTC مع 29.6 إم جي / كيلوغرام dry_biochar OBTained من HTC من 1 كجم digestate (على أساس جاف) من أليف الاعتدال م. الجمع بين م واتش تي سي، في هذا مجموعة معينة من التجربة تسفر 13.2 MJ من الطاقة لكل 1 كجم من قش القمح الجافة، وهو أعلى بنسبة 20٪ على الأقل من HTC وحده وارتفاع 60.2٪ من م فقط.

Introduction

العثور على مصادر الطاقة المتجددة والمستدامة هي الشواغل الرئيسية في قطاع الطاقة في العالم. في الآونة الأخيرة، وذكرت الأمم المتحدة أن يتوقع من مصادر الطاقة المتجددة ما يصل إلى 1 77٪ من الطاقة في العالم في عام 2050. الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية مثل القش، الأعشاب، قشر الأرز، الذرة الكيزان ليس لديهم نزاعات مع الغذاء مقابل الوقود القضية. وعلاوة على ذلك، والكتلة الحيوية وربما كان مصدر الطاقة المتجددة فقط مع الكربون الهيكلي، بالمقارنة مع غيرها من مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، والماء 2. ومع ذلك، والتعامل مع الخصائص، وانخفاض الكثافة الظاهرية، الرماد عالية، وانخفاض محتوى الطاقة تعيق استخدام الكتلة الحيوية لإنتاج الطاقة اللجنوسليلوزية 2.

الهضم اللاهوائي (AD) هو واحد من الأمثلة على إنتاج الطاقة الحيوية من نفايات الكتلة الحيوية 3 بشكل عام، هناك أربع خطوات تدهور تنطوي في الهضم اللاهوائي كما هو مبين في الشكل 1 4 (الشكل 2) 4. عفوية فصل الصلبة والسائلة هي واحدة من مزايا كبيرة من عنك، منذ صمم يسهل الغاز الحيوي فقاعات لرفع المخلفات الصلبة غير المتفاعل صعودا 5. هذا القضاء على استخدام النمام، وبالتالي يقلل من استهلاك الطاقة في الموقع. علاوة على ذلك، تداول السائل يضمن توزيع الكائنات الحية الدقيقة ونواتج الأيض في جميع أنحاء المفاعل وكذلك 5. بالمقارنة مع الوقود الحيوي الصلب، والغاز الحيوي هو أسهل في التعامل معها، ويترك بقايا ضئيلة أو معدومة. في الواقع، فإن كثافة الطاقة المحددةالغاز الحيوي هو أعلى عدة مرات الكتلة الحيوية الخام 4. ومع ذلك، AD تفضل السكريات البسيطة مثل النشا، والأحماض الدهنية، وهيميسيلولوز 1. نتيجة، السليلوز، والخشبين، جزء كبير من الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية ليفية مثل قش القمح، يبقى بمثابة digestate الصلبة بعد 5 م. وعلى الرغم من إنتاج الغاز الحيوي يختلف من المواد الخام، ونوع من الكائنات الحية الدقيقة، درجة حرارة التفاعل، وفترة رد الفعل، وعادة ما تنتج كمية كبيرة من digestate.

بينما يستخدم الغاز الحيوي لتوليد الطاقة، وعادة ما تكون مخزنة digestates (تصل إلى 90٪ من المياه) في تخمير بقايا مستودع لجمع ما تبقى من انبعاثات غاز الميثان. بعد ذلك يتم تجفيفها وهذه تنتشر على الأراضي الزراعية لتحسين خصوبة التربة وقدرتها على الاحتفاظ بالمياه. ارتفاع محتوى غير العضوية غالبا ما تعيق digestate مباشرة للحصول على الوقود، وكميات عالية من الخبث قد تآكل المعدات 6. الكربنة الحرارية المائية (HTC) هو عملية العلاج الحراري الرطب صمم خصيصا ل. المواد الأولية، حيث يتم تسخين الكتلة الحيوية (مع 80-90٪ ماء) تصل إلى 200-260 درجة مئوية في ضغط التشبع بالمياه وعقد لمدة 0.5-6 ساعة (الشكل 3) 7،8 دون الحرجة المياه لديه الحد الأقصى للمنتج الأيونية في 200 - 260 درجة مئوية، وهو ما يعني المياه في ظل هذه الظروف هو رد الفعل ويتصرف على انه حامض معتدل وقاعدة خفيفة في وقت واحد 9. هيميسيلولوز، جنبا إلى جنب مع الإستخراجية الأخرى، تتحلل حول 180-200 درجة مئوية، في حين السليلوز يتفاعل حوالي 220-230 درجة مئوية، ويتفاعل اللجنين في درجة حرارة مرتفعة نسبيا (> 250 درجة مئوية)، ولكن بوتيرة أبطأ بكثير من السليلوز وهيميسيلولوز 10. بسبب الجفاف ونزع الكربوكسيل كبيرة، نتائج HTC المنتج الصلبة اسمه HTC الفحم النباتي، مع العائد الشامل (HTC الجافة الفحم النباتي / الأعلاف الجافة) من 40-80٪، والمشروبات الكحولية التي تحتوي على الأحماض الكربوكسيلية ومشتقاتها الفيوران والمواد الفينولية، ومونومرات السكر، و 5 - 10٪ CO 2 المنتجات الغازية الغنية 11. خلال HTC، والأكسجين التي تحتوي على المواد الطيارة بشكل ملحوظخفضت وبالتالي ترك الغنية بالكربون الصلبة. الفحم النباتي HTC هو أيضا مستقرة، مسعور، وتفتيت مقارنة الخام المواد الخام رطبة 12،13. بسبب خصائصه مسعور، dewateribility من HTC الفحم النباتي يزيد عدة مرات مقارنة digestate الخام أو حتى الكتلة الحيوية الخام. 14-18 وعلاوة على ذلك، الفحم النباتي HTC لديها قيم وقود مماثلة لالليغنيت الفحم 16،17. ومع ذلك، السليلوز واللجنين تتحلل جزئيا في البيئة HTC 18.

الآن هيميسيلولوز والسليلوز في الكتلة الحيوية والغاز الحيوي خلال المساهمة في م، في حين السليلوز واللجنين المساهمة في الغالب إلى صلب HTC الفحم النباتي 4،5. وبالتالي، فإن الجمع بين AD-HTC يمكن أن يحتمل زيادة الغلة الطاقة الحيوية بشكل عام. هوفمان وآخرون محاكاة تركيبة مشابهة ولكن باستخدام م وHTL (تسييل المائية) بدلا من AD-HTC 19. HTL هو طريقة شائعة لتسييل جزء الكتلة الحيوية والمنتجات السائلة له قيمة عالية في استهلاك الوقود [43.1 MJ / كغ]. ومع ذلك، HTL REQUIRES الضغط العالي جدا (250 بار) مقارنة HTC (10-50 بار)، وهو ما يعني تثبيت عالية وتكاليف التشغيل من HTC. مرة أخرى، تسلسل مزيج من م وHTC يمكن التشكيك كما يرث وآخرون. ذكرت مؤخرا م من عملية HTC السائل 20. ومع ذلك، وم فعالة يعتمد على تركيز السكر في المواد الأولية. السكريات في عملية HTC السائل، التي تنتج أثناء التحلل، وغالبا ما تتحلل بسرعة تحت الماء دون الحرجة. هذا هو السبب في م قبل HTC هو أكثر ملاءمة من حيث الطاقة الحيوية. ومع ذلك، يمكن م من عملية إنتاج الطاقة الحيوية السائلة HTC إضافية، وفي هذه الحالة، فإن تسلسل مزيج يكون AD-HTC-AD.

وكان الهدف من العمل لتقييم تكامل العمليات وم HTC لإنتاج الطاقة الحيوية (الشكل 3). تم تقييم إمكانات إنتاج الغاز الحيوي للحرارة وم أليف الاعتدال من مفاعل عنك في عملية مستمرة لأكثر من 200 يوما. في وقت لاحق، و إنتاج الفحم النباتي HTCوقد درس أيضا مدمج digestate. تم تنفيذ توازن الكتلة والطاقة من تتالي AD-HTC الخروج وبالمقارنة مع العمليات الفردية.

Protocol

1. الهضم اللاهوائي من القمح سترو

ملاحظة: للحصول على الهضم اللاهوائي في 39 مفاعلات L عنك، استخدم 5-65 مم طويل القطع الخام قش القمح كعلف. محتوى المادة الجافة العضوية من المواد الخام في هذه التجربة خاصة وكان 85.9٪ وكانت نسبة الألياف الخام 46.3٪. مصنوعة المفاعلات عنك من الفولاذ المقاوم للصدأ مع إطار التفتيش مصنوعة من زجاج الاكريليك. يتم الجمع بين اثنين 30 L اللاهوائية تصفية (AF) مع كل مفاعل عنك L 39. يتم بناؤها في AFS من زجاج الاكريليك شفافة. وترد التخطيطي للأنظمة المفاعل في الشكل (2) والتصميم المعماري وصفها في أماكن أخرى 4. وترد تفاصيل عن بتلقيح وبدء تشغيل المفاعلات في أماكن أخرى 5.

  1. ملء كل AF مع 325 على شكل برميل ناقلات البولي ايثيلين بيوفيلم.
    ملاحظة: ناقلات بيوفيلم المستخدمة لديها مساحة 305 م 2 / م 3.
  2. تعيين مضخات المياه لتوزيعها عملية السائلفي كل المفاعلات أليف الاعتدال وحرارة لمعدل التدفق من 1.15 لتر / ساعة.
  3. تعيين الحمامات التدفئة إلى مستوى درجة حرارة المفاعل المطلوب، و37 ° C للأليف الاعتدال و 55 درجة مئوية لمدة المفاعل حرارة.
  4. للتغذية اليومية للمفاعلات عنك، تزن 120 غ FM من قش القمح (= 99.5 غرام VS) لكل مفاعل لتحقيق معدل التحميل العضوية من 2.5 غرام VS / L · اليوم.
  5. مفتوحة عنك 'أنبوب التغذية وإزالة الطابع.
  6. صب قش القمح في أنبوب التغذية قطري ودفعها إلى أسفل المفاعل بمساعدة الطابع التغذية. من هناك، سوف القشة تطفو حتى ضد غربال وتشكل السرير الحالة الصلبة.
  7. تنظيف سطح الختم للتأكد، فمن gastight ثم قم بإغلاق أنبوب التغذية.
  8. سيتم تشغيل المضخات بشكل مستمر، ونقل 1.2 لتر / ساعة عملية الخمور من خلال نظام مفاعل (عنك وAF).
  9. قياس تدفق الغاز الحيوي بشكل مستمر باستخدام طبل من نوع بفرضها الغازالتمرير وتخزينها في كيس الغاز 20 L.
    ملاحظة: تأكد خروج من كيس الغاز إلى محلل الغاز الحيوي. في محلل الغاز الحيوي، ويتم قياس CH 4، H 2 S، O 2، CO 2، وH 2. لأول مرة الغاز الحيوي لديها لتمرير 3 مرشحات مختلفة لإزالة الرطوبة، والمركبات السامة الأخرى التي هي ضارة للكاشف. يحتاج المحلل إلى أن معايرة مرة واحدة في الأسبوع لمدة دقيقة التركيب الغاز الحيوي.
  10. قياس التركيب الغاز الحيوي بشكل منتظم باستخدام الغاز الحيوي محلل الصناعية. ملاحظة: محلل الغاز الحيوي يمكن قياس الغاز الحيوي فقط عندما يكون كيس الغاز الحيوي هو ما لا يقل عن نصف كامل. لقياس التركيب الغاز الحيوي، وصمام في كيس الغاز يحتاج إلى فتح وانتظر التركيب الغاز الحيوي ثابت (يستغرق حوالي 20-30 ثانية).
  11. لعملية الرقابة، وقياس درجة الحموضة ودرجة الحرارة على الانترنت باستخدام تثبيت الرقم الهيدروجيني متر ومقياس الحرارة.
  12. إزالة حوالي 3 كيلو من digestate (80-90٪ الرطب) مرة واحدة في الأسبوع، والتي تعطي الوقت الاحتفاظ المواد الصلبة (SRT) سو 2-3 أسابيع. استخدام هذا digestate مثل الأعلاف لعملية HTC. الغاز الحيوي ينتج بعد ذلك يكفي لقذف أي هواء وتهيئة الظروف اللاهوائية في غضون ساعات قليلة.
  13. تحليل الخمور العملية وdigestate على أساس أسبوعي لخصائصها الكيميائية (درجة الحموضة، والمفوضية الأوروبية، TS، VS، والأحماض الدهنية، CHNS، والأمونيا، والعناصر النزرة، والألياف الخام).

2. الحرارية المائية التفحيم من القمح سترو Digestate

ملاحظة: للحصول على المياه الساخنة الكربنة من digestate من الخطوة 1، أثارت ل18 L دفعة ويستخدم المفاعل. يتم تنفيذ السيطرة وتوقيت العملية عن طريق التحكم مفاعل 4848 والبرنامج SpecView 32 849، التي تعمل على جهاز الكمبيوتر. في البرنامج، ودرجة حرارة المفاعل، ودرجة الحرارة سترة التدفئة، والضغط، ومعدل التحريك يمكن أن تظهر. وعلاوة على ذلك، فإن برنامج للمعلمات العملية (بدء درجات الحرارة، ضبط درجة الحرارة، ومعدل التدفئة، ومعدل التحريك) يمكن تعيين كل التجارب HTC.

  1. تزن 2.5 كجممن digestate القش باستخدام ميزان مع دقة 0.1 غرام ونقل إلى وعاء المفاعل.
  2. استخدام الرصيد ذاته لقياس 10 كجم المياه ماكياج، وسكبه في وعاء المفاعل كذلك. هذا وسوف تحافظ digestate، ونسبة المياه 01:04.
  3. قبل أن يغلق بالهواء المضغوط، وإثارة يدويا محتوى المفاعل لمنع انسداد المروحة النمام. إغلاق المفاعل وضمان الحصول عليها من خلال تشديد بالعرض البراغي مع قوة من 50 نيوتن متر.
  4. تعيين رد فعل من جانب منحدر نقع التالية:
  5. تصل درجة الحرارة بداية 30 درجة مئوية في 15 دقيقة من درجة حرارة الغرفة.
    1. ضبط الوقت التدفئة لدرجة حرارة التفاعل من 230 ° C هو 100 دقيقة.
    2. عقد درجة حرارة التفاعل النهائي لمدة 6 ساعة.
    3. بعد 6 ساعة من عقد الوقت، تبريد المفاعل 15 ساعة لمن 230 درجة مئوية إلى درجة حرارة الغرفة.
    4. يقلب محتوى المفاعل في 30 دورة في الدقيقة في جميع مراحل عملية HTC كاملة.
    5. إيقاف النمام بعد مرحلة التبريد وعنحث الغاز في كيس الغاز 20 L.
    6. تأكد من يمر الغاز من خلال فخ المكثفات فضلا عن فلتر الكربون المنشط.
    7. تخزين الغاز لمزيد من التحليل.
  6. بعد أخذ العينات الغاز، واستنزاف الطين من السفينة إلى حاوية من خلال ارتفاع في درجة الحرارة، وارتفاع ضغط صمام الكرة ومن ثم تحديد ذلك من خلال شبكة مع حجم المسام من حوالي 0.5 ملم.
  7. جمع السائل والفارغة من الفحم النباتي HTC أنتجت لتحديد كمية المنتجة HTC شار مقارنة سيطة.

3. تحليل عنصري من الخام، Digestate، وHTC الفحم النباتي من القمح سترو

ملاحظة: للحصول على أي تحليل الوقود الصلب، وغالبا ما يتم استخدام محلل أو محلل CHONS عنصري. التركيب العنصري الذري للكربون والهيدروجين، والأكسجين، والنيتروجين، والكبريت ويمكن الحصول عليها من هذا التحليل. من CHONS، يمكن للمرء أن تقدير قيمة التدفئة أو أعلى قيمة الطاقة من الوقود. علاوة على ذلك، سوف محتوى الكبريت الذرية الهندية أيضايأكلون نوعية الوقود. في هذه الدراسة، سيتم استخدام محلل عنصري لتحديد قيمة الوقود من الفحم النباتي HTC، قش القمح الخام وdigestate. كما محلل يسمح فقط حجم العينة صغير جدا، وتحليل كل عينة ثلاث مرات على الأقل لأفضل التكاثر.

  1. في مقلاة العينة (القصدير، 6 × 6 × 12 ملم)، ويزن 30 ملغ من التنغستن (VI) باستخدام أكسيد التوازن محددة في الحزمة الأولي. ملاحظة: إن دقة هذا التوازن هو عادة 1 ميكروغرام. أكسيد التنغستن (VI) يعمل كمحفز في محلل عنصري.
  2. تزن 5-10 ملغ من العينة الجافة ووضعها في نفس العينة عموم، ومزجها، والتفاف عليه. يجب أن تكون ملفوفة حجم العينة عموم حوالي 2 × 2 × 5 مم 3.
  3. وضع العينات في الاوتوماتيكى. لاحظ موقف كل عينة واستخدام حامض السلفونيك في هذا التحليل الأولي كمرجع
  4. بدء البرنامج فاريو في الكمبيوتر متصلا محلل عنصري، وتحديد الشروط، وتدفق عينات الغاز، ودرجات حرارة من2 أفران (2 الأفران هي في 1،150 و 850 درجة مئوية، على التوالي). ثم، وتحديد أسماء العينة وفقا لمواقف autosampling. بدء تشغيل البرنامج. الجهاز يعمل تلقائيا، ويؤدي التحليل، ويخزن النتائج في الكمبيوتر.
    ملاحظة: عنصري CHNS هي إخراج محلل عنصري وعادة ما يتم الإبلاغ مباشرة على شاشة الكمبيوتر.

Representative Results

الهضم اللاهوائي

وكشفت التجارب أن نظام الغاز الحيوي عنك قادر على الاستفادة من 38٪ و 50٪ من إمكانات تشكيل الميثان في أليف الاعتدال (37 ° C) وحرارة (55 درجة مئوية) عملية، على التوالي. في حرارة م، ونظام عنك ينتج في المتوسط ​​165 L CH4 / كغ VS (VS: المواد الصلبة المتطايرة) و121 L CH4 / كغ VS أليف الاعتدال في م ل200 يوما من التشغيل المستمر (الشكل 4). وقد حسبت هذه القيم الأداء من التحليل الكمي والنوعي للغاز الحيوي تتعلق أساسا المواد الأولية الجافة.

تم تحديد إمكانات biomethane لقش القمح (VDI التالية التوجيهي 4630) ليكون 304.3 L CH4 / كغ VS لحرارة و244.2 L CH4 / كغ VS لعملية أليف الاعتدال، على التوالي، وقدم في الشكل 50؛ 21. من حيث الجودة، والغاز الحيوي التي تنتجها عنك الواردة بين 41٪ و 61٪ من غاز الميثان (الشكل 5).

HTC من digestate

ويبين الشكل 6 القش الجاف، digestate الجافة المستمدة من القش التي كتبها م، وHTC الفحم النباتي المستمدة من digestate الجافة من قبل HTC. digestate جاف يشبه القش الجاف، والذي هو أكثر قتامة فقط قليلا في اللون. لهذا العمل، واعتبرت digestate من ظروف حرارة لHTC. كما هو مبين في الجدول رقم 1، 63٪ من مجموع كتلة يبقى في digestate (الجدول 1). HTC الجافة الفحم النباتي أخف من القش الخام الجافة، وربما يرجع ذلك إلى تدهور مونومرات والبوليمرات بسيطة عن طريق الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة أثناء م.

ويبين الشكل 7 سلوك مسعور، ونعومة HTC الفحم النباتي. خلال HTC، ويتم تدمير الهياكل البلورية ليفية وتنتج كاليفورنيا لينة غير متبلور-rbon الغنية HTC الفحم النباتي 16،17،28. يمكن أن ينظر إليه من الجدول 1 أن العائد كتلة digestate والقش الخام المستمدة الفحم النباتي HTC هي 43.4٪، 38.3٪ وعلى التوالي. المنتج الصلبة، HTC الفحم النباتي هو مسعور جدا 12؛ فإنه يمكن البقاء على اتصال مع الماء لفترة طويلة 13. كما أنها لينة جدا، لأنه يتطلب بالكاد أي ضغط لتدمير ذلك. لصناعة الفحم إلى الطاقة، والحفاظ على ليونة من المواد الخام مهم جدا، لأن ذلك يمكن القضاء على الخطوات تحطيم توسعية.

تحليل العناصر

من تركيب عناصر الواردة في الجدول 1، فإنه يمكن ملاحظة أن الكربون والهيدروجين عنصر لا تزال هي نفسها في جميع أنحاء الصلبة الهضم اللاهوائي. زيادات الكربون عنصري الهيدروجين والنقصان خلال HTC. معظم النيتروجين عنصري يبقى في صلب منذ يتم زيادة محتوى النيتروجين عنصري خلال كل من الهضم د العمليات HTC. منذ الكبريت في قش القمح هو تتبع، لا يتم عرض تركيز الكبريت في النتائج. تم حساب محتوى الاكسجين من خلال طرح عنصري C، H، N ومن 100٪ وقدمت أيضا في الجدول رقم 1، على افتراض يتكون كمادة وسيطة من CHONS فقط. انخفض تركيز الأكسجين بشكل كبير خلال HTC، في حين أنها لا تزال مماثلة أثناء عملية الهضم.

الشكل 1
الشكل 1. مفهوم الأساسية وخطوات عملية الهضم اللاهوائي. يصف هذا الرقم المفاهيم الأساسية لعملية الهضم اللاهوائي. في هذا الشكل، وتعرض أربع خطوات عامة (التحلل، acedogenesis، acetogenesis، وتوليد الميثان) من الهضم اللاهوائي

g2highres.jpg "العرض =" 500 "/>
الشكل 2: رسم تخطيطي لمفاعل عنك نطاق المختبر لعملية الهضم اللاهوائي هذا هو التخطيطي للنظام مفاعل عنك. هنا يتم عرض المفاعل عنك ومرشح اللاهوائية (AF) متصلة بواسطة تيار السائل، حيث الأحماض الدهنية التي تنتج في المفاعل عنك حان لAF ويتم إنتاج غاز الميثان. من الجزء السفلي من AF، يوجه تيار السائل آخر لعنك، حيث الكائنات الحية الدقيقة تسير من AF إلى مفاعل عنك.

الرقم 3
الرقم 3. (أعلى) مفهوم HTC الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية، (القاع) مفهوم التكامل الهضم اللاهوائي وHTC * سيكون رد فعل جزئيا السليلوز 24. في هذا المخطط كتلة، فإنه يمكن ملاحظة أن مكونات ألياف مختلفة تتلامس مع الماء دون الحرجة ويتم تحويلها إلى الفحم النباتي HTC (Cنوع OAL).

الرقم 4
الشكل 4. إنتاج غاز الميثان من مفاعل عنك في كل الظروف حرارة وأليف الاعتدال مع مرشح اللاهوائية. هذه هي النتائج التجريبية من مفاعل عنك ل210 أيام من العملية لكلا ظروف حرارة وأليف الاعتدال. المحور X هو أيام من العملية، في حين أن المحور Y هو العائد الميثان (CH4 L / كغ VS) مقارنة المتطايرة الصلبة (VS).

الرقم 5
الرقم 5. جزء الميثان من الغاز الحيوي من مفاعل عنك في كل الظروف حرارة وأليف الاعتدال، وهذه هي النتائج التجريبية من مفاعل عنك ل210 أيام من العملية تحت كلا من حرارةشروط أليف الاعتدال د. المحور X هو أيام من العملية، في حين Y-المحور هو جزء الميثان (٪) في الغاز الحيوي. القيم المعطاة هي متوسطات من التكرارات.

الرقم 6
الرقم 6. (من اليسار إلى اليمين) القش الجاف القمح وجافة digestate قش القمح، والفحم النباتي HTC digestate من قش القمح. هذه هي الصورة في الوقت الحقيقي من ولايات مختلفة من قش القمح. هنا في هذا الرقم، وتأثير الهضم اللاهوائي (AD) وHTC يمكن أن تكون مرئية. هيكل الألياف لا تزال واضحة في digestate، في حين يصبح مساحيق بعد HTC.

الرقم 7
الرقم 7. للا مائية من الفحم النباتي HTC (يسار)، تفتيت الفحم النباتي من HTC (يمين)

الرقم 8
الرقم 8. (أعلى) الطاقة الحيوية المحتملة من قبل الهضم اللاهوائي (م) من 1 كيلو من قش القمح الخام و(القاع) قدرة الطاقة الحيوية من خلال دمج AD-HTC من 1 كيلو من قش القمح الجافة، وهذا هو الرقم لتقييم ضرورة الجمع المفاهيم. ويبين الرسم البياني كتلة مقدار الطاقة يتم استخراج من قبل م وHTC من المواد الخام.

الجدول 1
الجدول 1. تحليل عنصري، سموV، العائد الشامل، وتحليل الألياف من القش الخام القمح، digestate (حرارة)، والمقابلة HTC الفحم النباتي. يتم احتساب HHV من تكوين CHNS كما هو مبين في الأدب 18،24. هو الجدول 1 النتائج التجريبية من تحليل العناصر، والعائد الشامل بعد م وHTC. يتم قياس اللجنين والسليلوز وهيميسيلولوز التي كتبها فان سست تحليل الألياف [12]. ملاحظة: لا يتم تحليل غ الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الجدول.

Discussion

المفاعلات عنك قادرون على تخفيف أوجه القصور التي نوقشت في المقدمة. ومع ذلك، هناك مجال كبير للتحسين. نظام التغذية وسحب digestate لا تزال اليدوي. نظام عنك تواجه مشاكل التعامل مع المواد الأولية أكبر من 60 ملم. يعمل النظام بشكل أفضل مع المواد الأولية ليفية لأنها تطفو في جميع أنحاء السائل، ولكن المواد الأولية الأخرى مثل روث الحيوانات وحمأة قد لا يحبذ نظام عنك. تم تصميم نظام عنك في مثل هذه الطريقة أن الخمور عملية يدور من المفاعل لAF إلى المفاعل مرة أخرى. ومع ذلك، وقد ثبت حتى 2-5٪ الصلبة في السائل تعميم لتكون إشكالية، لأنها تودع في AF أو منع دخول الأنابيب وتعيق الدورة الدموية السائل. التحليل الكيميائي السائل العملية مهمة، حيث أن إنتاج الأحماض الدهنية الحرة والنيتروجين يمكن تغيير النظام الميكروبية الناتجة في إنتاج الغاز الحيوي غير معهود. نظام عنك قوية، ويمكن تشغيل أكثر من 200 يوما دون أن تظهر أي significaالإقليم الشمالي المشاكل. ربط الأنابيب من المضخات لمفاعلات لAFS يجب أن تستبدل كل شهر البديلة. مستوى المياه في بالحمام المائي يحتاج إلى أن يتم التحقق على أساس أسبوعي وتعبئتها إذا لزم الأمر.

HTC من digestate الرطب هو فعالة جدا لمعالجة النفايات فضلا عن إنتاج الوقود الحيوي الصلب. كما سيتم تسهيل dewateribility المنتج الصلبة عن طريق عملية HTC كما هو مبين في الشكل 7. ومع ذلك، HTC من digestate يحتاج إلى أن يقوم في أقرب وقت ممكن، ويفضل في نفس اليوم الذي يتم إزالة digestate. خلاف ذلك، فإن digestate يبدأ مهينة بيولوجيا، والتي ليست مواتية لHTC. كما HTC هو درجة حرارة عالية (200-260 ° C)، وارتفاع ضغط العملية (20-50 بار)، اتخاذ الاحتياطات اللازمة في جميع أنحاء الداخلي HTC مهم جدا. ويتم فحص جميع التوصيلات مرة واحدة في الشهر على الأقل للتأكد من أنها هي الغاز محكم. السائل عملية HTC لديها تركيز أعلى من فورفورال، 5-HMF، والفينول المشتركmpounds، والتي تصنف على أنها المواد السامة. لذلك، فمن المستحسن استخدام قناع الوجه والقفازات أثناء التعامل مع عملية HTC السائل، وخصوصا عندما ينضب عملية HTC الخمور من السفينة المفاعل إلى حاوية أخرى. على الرغم من HTC لديها العديد من المزايا للتعامل مع المواد الخام الرطب مثل digestate، فإنه لا يزال عملية دفعية. في تقييم الاقتصادي، وسوف عملية دفعة HTC يكون من الصعب تبرير. وبالتالي تحتاج إلى مزيد من البحث لتسهيل عملية مستمرة من HTC.

تحليل العناصر هو وسيلة فعالة لركائز صلبة متجانسة، ولكن ليس لركائز غير المتجانسة. الوقود الحيوي الصلب عادة ما يكون غير متجانسة وعنصري محلل يسمح فقط 5-10 ملغ من حجم العينة، فمن المستحسن لأداء لا يقل عن ثلاثة مكررات واستخدام متوسط. قيود أخرى من تحليل العناصر وقياس ركائز متينة مع الرماد عالية. تحليل عنصري قياس فقط CHONS، وليس غير العضوي وغيرها. لذلك، تحليل العناصر من الرماد عالية ركائز صلبة قد لا صeveal تركيزات CHONS الفعلية. إعداد العينات في تحليل العناصر أمر حيوي، كما يحتاج عينة أن تكون ملفوفة على وجه التحديد، وإلا سيكون هناك عدم تناسق في التحليلات. ويمكن تقدير قيمة الوقود من الوقود الصلب من CHONS، ولكن من المستحسن استخدام المسعر قنبلة دقيقة لتحديد قيمة الوقود.

تم إنتاج حوالي 92-161 L من غاز الميثان لكل كيلوغرام من المتطايرة الصلبة في الأعلاف. بلغ مجموع صلبة أو العضوية المتطايرة الصلبة من قش القمح الجافة 86.9٪. digestate الجافة لديه أقل من الأوكسجين والهيدروجين تركيز الذرية، والذي هو مؤشر آخر على تدهور السكريات وتدهور سكر بسيط أثناء عملية الهضم اللاهوائي 22،23. وعلاوة على ذلك، وانخفاض H، O وزيادة تركيزات HHV من digestate 24. HHV من digestate الجافة أعلى 22٪ من المواد الأولية الخام الجافة. ويتم الحصول على نتائج مماثلة مع تحليل إحصائي مفصل من قبل بول وآخرون 23.

Digestates من الهضم اللاهوائي يحتوي على 80-90٪ ماء 6. هذه هي ماء والماء لا بد جزئيا في الخلايا الميكروبية أو النباتية. باعتباره نتيجة نزح المياه أو تجفيف digestates مرهقة والطاقة مكثفة جدا. على سبيل المثال، 2 كيلو من digestate الجافة يربط 8 كجم من الماء (80٪ الرطب)، الأمر الذي يتطلب 20.7 MJ الحرارة لتجف digestate. وعلاوة على ذلك، فإنه يميل إلى الحيوي تتحلل بسرعة نسبيا في الظروف المحيطة، ويفقد المغذيات النباتية، ويطلق غازات الدفيئة (غازات الدفيئة) الانبعاثات مثل N 2 O CH 4 و. لذلك، على الرغم من إمكانات الطاقة العالي، digestate جديدة لا يمكن استخدامها مباشرة كوقود صلب. فإنه بحاجة إلى أن تجفف مباشرة بعد عملية الهضم 20.

من الجدول رقم 1، فإنه يمكن أن تظهر أن digestate الجافة يحتوي على نسبة الكربون ذرية مماثلة من القش الخام، وأنها تشبه بصريا قبل وبعد عملية الهضم اللاهوائي (الشكل 6). هذا يشير إلى أن اللجنين ومرصع اللجنين السليلوزوغير المتفاعل في الغالب. ومع ذلك، فإن العائد كتلة من 63٪ لاحظت، وهذا يعني معالجة القش هو أخف 37٪ من القش الخام الجافة. تركيز عنصري الكربون مماثلة وقعت لا يعني الكربنة خلال الهضم اللاهوائي 22. كما هو مبين في الشكل 7، الفحم النباتي من HTC digestate (حرارة) مستقرة جدا وناعمة. بسبب الزيادة الكبيرة في للا مائية، فإنه يمكن أن يغرق حرفيا في الماء لمدة أشهر من دون بنية الفيزيائية والكيميائية تتأثر 12،25. وللا مائية كما يعزز نزح المياه من HTC الفحم النباتي 14. هيكل القش ليس ملحوظ في الفحم النباتي HTC بعد الآن، مما يعني أن السليلوز قد تم رد فعل. ويلاحظ وجود الكربنة كبيرة في HTC الفحم النباتي جنبا إلى جنب مع الحد من الأكسجين الذري. هذا هو دليل آخر على السليلوز يجري رد فعل بدلا من اللجنين. تركيز الكربون الذري في اللجنين هو أعلى بكثير من السليلوز 24-29. نتيجة، HTC biochع لديه HHV من 29.6 إم جي / كيلوغرام، والتي هي أعلى 61٪ من القش الخام وارتفاع 32٪ من digestate الجافة، على التوالي.

HHV من HTC المصنعة من القش هو 28.8 إم جي / كيلوغرام، والذي هو أيضا مماثلة لتلك التي من HTC المصنعة digestate القش (29.6 إم جي / كيلوغرام). ومع ذلك، العائد الشامل هو أعلى 40.7٪ في HTC القش من ذلك من HTC digestate مقارنة مع المواد الأولية الخام. ونتيجة لذلك، إذا 1 كجم من القش الخام (18.4 MJ) ومتفحمة المياه الحارة، وسوف HTC الفحم النباتي من القش لديها القدرة على 11.0 MJ. خلاف ذلك، إذا تم تطبيق نفس المبلغ لم وHTC، ما مجموعه 13.2 MJ الطاقة الحيوية، في أشكال biomethane (5.2 MJ) والفحم النباتي من HTC digestate (8.0 MJ)، يمكن أن تنتج (الشكل 8). أيضا، الطور السائل من عملية عنك هو السماد السائل المحتملة. علاوة على ذلك، HTC الفحم النباتي قد تنطوي على إمكانات أعلى على قيمة عالية استخدام المواد أو يستعمل مثل التعديل التربة. لنقطة تنحية الكربون أو دورة الكربون نظر، واستخدام مواد من HTC الفحم النباتي هو اجدى أن إنتاج الطاقة. </ ع>

الهضم اللاهوائي جنبا إلى جنب مع الكربنة الحرارية المائية يمكن أن تسفر عن مزيد من الطاقة الحيوية من العمليات الفردية. ومع ذلك، هناك حاجة إلى تصميم تتالي لتحسين الكفاءة. توازن الطاقة الإجمالية، تليها تقييم الاقتصادي، مطلوب للتحقق من صحة هذه العملية. وينبغي أن تشمل الأبحاث المستقبلية استخدام HTC الخمور وبعد العلاج (الكيميائي أو البيولوجي) من HTC الفحم النباتي. أيضا، سوف تكون هناك حاجة إلى أتمتة كلا النظامين HTC عنك و. وقد أجريت هذه الدراسة على استخدام عنك المختبر على نطاق ومفاعل HTC، ولكن على نطاق والمتابعة للعملية يكون من الضروري إذا كانت العملية أن يكون تجاريا.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

العلوم البيئية، العدد 88، Biomethane، الكربنة الحرارية المائية (HTC)، القيمة الحرارية، اللجنوسليلوزية الكتلة الحيوية، عنك، الهضم اللاهوائي
تقييم الهضم اللاهوائي المتكاملة والتفحيم الحرارية المائية لإنتاج الطاقة الحيوية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Reza, M. T., Werner, M., Pohl, M.,… More

Reza, M. T., Werner, M., Pohl, M., Mumme, J. Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production. J. Vis. Exp. (88), e51734, doi:10.3791/51734 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter