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Bioenergy निर्माण के लिए समेकित anaerobic पाचन और जलतापीय अथ जलकर कोयला का मूल्यांकन

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

Summary

एक उपन्यास upflow अवायवीय ठोस राज्य (UASs) रिएक्टर रेशेदार फीडस्टॉक से बायोगैस उत्पादन के लिए इस्तेमाल किया गया था. UASs रिएक्टर से Digestate hydrothermally एक दबाव बैच रिएक्टर में एचटीसी बायोचार में carbonized गया था. दो bioenergy अवधारणाओं के एकीकरण के समग्र bioenergy उत्पादन को बढ़ाने के लिए इस अध्ययन में लागू किया गया था.

Abstract

Lignocellulosic बायोमास सबसे प्रचुर मात्रा में अभी तक underutilized अक्षय ऊर्जा संसाधनों में से एक है. दोनों anaerobic पाचन (ई.) और जलतापीय जलकर कोयला (एचटीसी) क्रमशः, बायोगैस और HTC बायोचार के मामले में बायोमास से bioenergy उत्पादन के लिए प्रौद्योगिकी का वादा कर रहे हैं. इस अध्ययन में, ई. और HTC के संयोजन समग्र bioenergy उत्पादन बढ़ाने का प्रस्ताव है. गेहूं के भूसे anaerobically एक उपन्यास mesophilic (37 डिग्री सेल्सियस) और thermophilic (55 डिग्री सेल्सियस) की स्थिति में दोनों anaerobic ठोस राज्य रिएक्टर (UASs) upflow में पचा गया था. Thermophilic ई. से पच गीले hydrothermally एचटीसी बायोचार उत्पादन के लिए 6 घंटे के लिए 230 डिग्री सेल्सियस पर carbonized गया था. 200 दिनों की सतत संचालन से अधिक mesophilic ई. में और 121 एल CH4 / किलो वी.एस.: thermophilic तापमान पर, UASs प्रणाली एक 165 एल CH4 / किलो वी.एस. का औसत (अस्थिर ठोस वी.एस.) अर्जित करता है. इस बीच, 29.6 MJ / किलो dry_biochar साथ एचटीसी बायोचार की 43.4 जी OBT थाmesophilic ई. से 1 किलो digestate (शुष्क आधार) के HTC से ained. प्रयोग के इस विशेष सेट में ई. और HTC के संयोजन, अकेले एचटीसी से कम से कम 20% अधिक है और केवल ई. से 60.2% अधिक है जो सूखी गेहूं के भूसे, 1 किलो प्रति ऊर्जा का 13.2 एम.जे. उपज.

Introduction

ढूँढना अक्षय और टिकाऊ ऊर्जा स्रोतों दुनिया के ऊर्जा क्षेत्र में प्रमुख चिंता कर रहे हैं. हाल ही में, संयुक्त राष्ट्र 2050 में दुनिया की ऊर्जा के ऊपर से 77% अक्षय स्रोतों 1 से उम्मीद की जाएगी कि सूचना दी. ऐसे पुआल के रूप में Lignocellulosic बायोमास, घास, चावल hulls, मकई cobs ईंधन मुद्दे बनाम भोजन के साथ कोई टकराव नहीं है. इसके अलावा, बायोमास जैसे पवन, सौर, और पानी के रूप में 2 अन्य अक्षय ऊर्जा स्रोतों की तुलना में, शायद संरचनात्मक कार्बन के साथ ही अक्षय ऊर्जा स्रोत है. हालांकि, विशेषताओं से निपटने, कम थोक घनत्व, उच्च राख की मात्रा, और कम ऊर्जा सामग्री ऊर्जा उत्पादन के लिए 2 lignocellulosic बायोमास के उपयोग में बाधा.

चित्रा 1 से 4 में दिखाया गया है अवायवीय पाचन (ई.) बेकार बायोमास से bioenergy उत्पादन के प्रमुख उदाहरण में से एक है. सामान्य में 3, चार गिरावट कदम उठाए हैं anaerobic पाचन में शामिल (चित्रा 2) 4 से उबरने की क्षमता है upflow. बनाया गया unreacted ठोस अवशेष ऊपर की तरफ 5 उठाने के लिए बुलबुले बायोगैस की सुविधा के बाद से उठना, ठोस तरल विभाजन, UASs के महत्वपूर्ण लाभ में से एक है. इस दोषी के प्रयोग को खत्म करने और इसलिए साइट पर बिजली की खपत कम कर देता है. इसके अलावा, तरल परिसंचरण अच्छी तरह के रूप में 5 रिएक्टर भर में सूक्ष्मजीवों और मेटाबोलाइट्स का वितरण सुनिश्चित करता है. ठोस जैव ईंधन की तुलना में, बायोगैस संभालना आसान है, और बहुत कम या कोई अवशेषों छोड़ देता है. वास्तव में, विशिष्ट ऊर्जा घनत्वबायोगैस के कई गुना अधिक कच्चे बायोमास 4 है. हालांकि, विज्ञापन स्टार्च, फैटी एसिड होता है, और hemicellulose 1 की तरह साधारण polysaccharides पक्ष में है. परिणामस्वरूप, सेल्यूलोज, और लिग्निन के रूप में, गेहूं के भूसे की तरह रेशेदार lignocellulosic बायोमास का बड़ा हिस्सा, ई. 5 के बाद एक ठोस digestate के रूप में बनी हुई है. बायोगैस उत्पादन सूक्ष्मजीवों का फीडस्टॉक, प्रकार, प्रतिक्रिया तापमान, और प्रतिक्रिया समय से भिन्न होता है, हालांकि, digestate की एक बड़ी राशि आमतौर पर उत्पादन किया जाता है.

बायोगैस ऊर्जा के लिए प्रयोग किया जाता है, digestates (90% पानी) आमतौर पर शेष मीथेन उत्सर्जन को इकट्ठा करने के लिए एक किण्वन अवशेषों डिपो में जमा हो जाती है. बाद में इन सूखे और मिट्टी की उर्वरता और पानी सोखने की क्षमता में सुधार करने के लिए cropland पर फैले हुए हैं. लावा की उच्च मात्रा में उपकरण 6 खुरचना सकता है के रूप में उच्च अकार्बनिक सामग्री अक्सर, ईंधन के लिए सीधे digestate बाधा. जलतापीय जलकर कोयला (एचटीसी) विशेष रूप से गीला के लिए बनाया गया एक thermochemical उपचार प्रक्रिया है. बायोमास (80-90% पानी के साथ) पानी संतृप्ति दबाव में 200-260 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया और 0.5-6 घंटे (चित्रा 3) 7,8 के लिए पकड़ है, जहां फीडस्टॉक, subcritical पानी 200 पर अधिकतम आयनिक उत्पाद है - इन शर्तों के तहत पानी का मतलब है जो 260 डिग्री सेल्सियस, प्रतिक्रियाशील है और एक हल्के एसिड और एक साथ 9 एक हल्के आधार के रूप में व्यवहार करता है. सेलूलोज के आसपास 220-230 डिग्री सेल्सियस प्रति प्रतिक्रिया करता है, और लिग्निन अपेक्षाकृत उच्च तापमान (> 250 ओ सी) पर प्रतिक्रिया करते हैं, लेकिन सेलूलोज़ और hemicellulose 10 की तुलना में धीमी है, जबकि hemicellulose, अन्य extractives के साथ साथ, चारों ओर 180-200 डिग्री सेल्सियस नीचा. कारण महत्वपूर्ण निर्जलीकरण और डिकार्बोजाइलेशन करने, कार्बोक्जिलिक एसिड, furan डेरिवेटिव, phenolic पदार्थों, और चीनी monomers, और 5 से युक्त 40-80%, शराब की बड़े पैमाने पर पैदावार (सूखा एचटीसी बायोचार / ड्राई फ़ीड) के साथ एचटीसी बायोचार नामित एचटीसी परिणाम ठोस उत्पाद, - 10% सीओ 2 अमीर गैसीय उत्पाद 11. एचटीसी के दौरान ऑक्सीजन युक्त वाष्पशील पदार्थ काफी हैंकम है और इस तरह एक कार्बन युक्त ठोस छोड़ दें. एचटीसी बायोचार कच्चे नम फीडस्टॉक 12,13 के लिए तुलना भी, स्थिर हाइड्रोफोबिक, और नाज़ुक है. इसकी वजह से हाइड्रोफोबिक विशेषताओं के लिए, एचटीसी बायोचार की dewateribility कच्चे digestate या यहां तक कि कच्चे बायोमास की तुलना में कई गुना बढ़ जाती है. 14-18 इसके अलावा, एचटीसी बायोचार कोयला 16,17 लिग्नाइट के समान ईंधन मूल्यों है. हालांकि, सेल्यूलोज और लिग्निन आंशिक रूप से एचटीसी वातावरण 18 में नीचा दिखाना.

सेलुलोज और लिग्निन ज्यादातर ठोस एचटीसी बायोचार 4,5 के लिए योगदान है, जबकि अब बायोमास में hemicellulose और सेल्यूलोज, ई. के दौरान बायोगैस के लिए योगदान करते हैं. इस प्रकार, ई. एचटीसी के संयोजन संभवतः समग्र bioenergy उपज में वृद्धि कर सकते हैं. हॉफमन एट अल. एक समान संयोजन नकली बल्कि ई. एचटीसी 19 की तुलना में विज्ञापन और HTL (जलतापीय द्रवीकरण) का उपयोग कर. HTL बायोमास अंश liquefying और तरल उत्पाद उच्च ईंधन मूल्य [43.1 MJ / किलो] है की एक आम तरीका है. हालांकि, HTL requIRES बहुत ही उच्च दबाव (250 बार) HTC के लिए एचटीसी की तुलना में एक उच्च स्थापना और संचालन लागत का तात्पर्य जो (10-50 बार), की तुलना करें. फिर, ई. और HTC के संयोजन अनुक्रम Wirth एट अल के रूप में पूछताछ की जा सकती है. एचटीसी प्रक्रिया तरल 20 की हाल ही में रिपोर्ट ई.. हालांकि, एक प्रभावी विज्ञापन feedstocks में चीनी एकाग्रता पर निर्भर करता है. Hydrolysis के दौरान उत्पादन एचटीसी प्रक्रिया तरल में शर्करा, अक्सर subcritical पानी के नीचे तेजी से नीचा. एचटीसी से पहले ई. bioenergy के मामले में और अधिक अनुकूल है यही कारण है कि. हालांकि, एचटीसी प्रक्रिया तरल की ई. जो मामले में, संयोजन अनुक्रम ई. HTC-विज्ञापन होगा, अतिरिक्त bioenergy उत्पादन कर सकते हैं.

काम का उद्देश्य bioenergy उत्पादन के लिए ई. और HTC प्रक्रियाओं का एकीकरण (चित्रा 3) का मूल्यांकन करने के लिए था. UASs रिएक्टर से thermophilic और mesophilic ई. के लिए बायोगैस उत्पादन क्षमता 200 से अधिक दिनों से एक सतत संचालन में मूल्यांकन किया गया था. बाद में, एचटीसी बायोचार उत्पादन चROM digestate भी अध्ययन किया गया. cascaded ई. एचटीसी के द्रव्यमान और ऊर्जा संतुलन से बाहर किया और व्यक्तिगत प्रक्रियाओं के साथ तुलना में किया गया था.

Protocol

गेहूँ की बालियों के 1. Anaerobic पाचन

नोट: 39 एल UASs रिएक्टरों में anaerobic पाचन के लिए, चारे के रूप में लंबे समय तक कच्चे गेहूं के भूसे चोप्स 5-65 मिमी का उपयोग करें. यह विशेष रूप से प्रयोग में फीडस्टॉक के जैविक शुष्क पदार्थ सामग्री 85.9% थी और कच्चे फाइबर अंश 46.3% थी. UASs रिएक्टरों ऐक्रेलिक कांच के बने एक निरीक्षण खिड़की के साथ स्टेनलेस स्टील के बने होते हैं. दो 30 एल अवायवीय फिल्टर (वायुसेना) प्रत्येक 39 एल UASs रिएक्टर के साथ संयुक्त कर रहे हैं. एएफएस पारदर्शी ऐक्रेलिक कांच का निर्माण कर रहे हैं. रिएक्टर प्रणालियों का योजनाबद्ध चित्रा 2 में दिखाया गया है और वास्तुशिल्प डिजाइन कहीं और 4 में वर्णित है. रिएक्टरों inoculating और शुरू करने पर विवरण कहीं और 5 दिया जाता है.

  1. 325 प्रति बैरल के आकार पॉलीथीन biofilm वाहकों के साथ प्रत्येक वायुसेना भरें.
    नोट: प्रयुक्त biofilm वाहक 305 एम 2/3 मीटर की एक सतह क्षेत्र है.
  2. प्रक्रिया तरल परिसंचरण के लिए पानी पंप सेट1.15 एल / घंटा के प्रवाह की दर के लिए दोनों mesophilic और thermophilic रिएक्टरों में.
  3. Thermophilic रिएक्टर के लिए mesophilic और 55 डिग्री सेल्सियस के लिए वांछित रिएक्टर के तापमान स्तर, 37 डिग्री सेल्सियस तक गर्म स्नान सेट करें.
  4. UASs रिएक्टरों के दैनिक भोजन के लिए, 2.5 जी वी एस / एल के एक कार्बनिक लदान दर · दिन प्राप्त करने के लिए प्रत्येक रिएक्टर के लिए गेहूं के भूसे (= 99.5 जी वी एस) की 120 ग्राम एफएम तौलना.
  5. ओपन UASs 'खिला ट्यूब और स्टांप हटा दें.
  6. विकर्ण भोजन नली में गेहूं के भूसे डालो और खिला स्टाम्प की मदद से रिएक्टर के नीचे में धक्का. वहाँ से, पुआल एक चलनी के खिलाफ नाव और ठोस राज्य बिस्तर बनेगी.
  7. बनाना सील सतह को साफ, यह gastight है और फिर भोजन नली बंद करें.
  8. पंप रिएक्टर सिस्टम (UASs और वायुसेना) के माध्यम से 1.2 एल / घंटा प्रक्रिया शराब संदेश, लगातार चलेगा.
  9. ड्रम प्रकार गैस परिधि का उपयोग लगातार बायोगैस प्रवाह को मापनेएक 20 एल गैस बैग में रुपये और दुकान.
    नोट: बायोगैस विश्लेषक के लिए गैस बैग से एक बाहर निकलें. बायोगैस विश्लेषक में, सीएच 4, एच 2 एस, ओ 2, सीओ 2, और एच 2 मापा जाता है. पहला बायोगैस 3 नमी को दूर करने के लिए विभिन्न फिल्टर, और डिटेक्टर के लिए हानिकारक हैं कि अन्य जहरीले यौगिकों गुजरना पड़ता है. विश्लेषक सटीक बायोगैस रचना के लिए एक बार एक सप्ताह में calibrated किया जाना चाहिए.
  10. नियमित रूप से एक औद्योगिक बायोगैस विश्लेषक का उपयोग बायोगैस संरचना को मापने. नोट: बायोगैस बैग कम से कम आधा भरा हुआ है जब बायोगैस विश्लेषक केवल बायोगैस उपाय कर सकते हैं. बायोगैस रचना को मापने के लिए, गैस बैग में वाल्व खोला और स्थिर बायोगैस रचना (इसके बारे में 20-30 सेकंड लेता है) के लिए प्रतीक्षा करने की आवश्यकता है.
  11. प्रक्रिया नियंत्रण के लिए, स्थापित पीएच मीटर और थर्मामीटर का उपयोग कर ऑनलाइन पीएच और तापमान को मापने.
  12. Digestate के लगभग 3 किलो (80-90% गीला) एक सप्ताह में एक बार, एक ठोस प्रतिधारण समय (SRT) ओ देता है जो निकालेंच 2-3 सप्ताह. एचटीसी प्रक्रिया के लिए चारे के रूप में इस digestate का प्रयोग करें. बाद में उत्पादित बायोगैस किसी भी हवा बाहर निकालना और कुछ ही घंटों के भीतर अवायवीय स्थितियों की स्थापना के लिए पर्याप्त है.
  13. उनके रासायनिक गुणों (पीएच, चुनाव आयोग, टीएस, वी.एस., फैटी एसिड, CHNS, अमोनिया, तत्वों का पता लगाने, और कच्चे फाइबर) के लिए एक साप्ताहिक आधार पर प्रक्रिया शराब और digestate का विश्लेषण करें.

गेहूं स्ट्रॉ Digestate के 2. जलतापीय अथ जलकर कोयला

नोट: चरण 1 से digestate की जलतापीय जलकर कोयला के लिए, एक 18 एल बैच रिएक्टर प्रयोग किया जाता है हड़कंप मच गया. नियंत्रित करने और इस प्रक्रिया में लगने वाला समय एक कंप्यूटर पर चल रहे हैं, रिएक्टर नियंत्रक 4848 और सॉफ्टवेयर SpecView 32 849 के माध्यम से प्रभावित है. कार्यक्रम में रिएक्टर के तापमान, हीटिंग जैकेट तापमान, दबाव, और सरगर्मी दर दिखाया जा सकता है. इसके अलावा, प्रक्रिया और मानकों के लिए कार्यक्रम (तापमान शुरू, सेट तापमान, हीटिंग दर, क्रियाशीलता दर) प्रत्येक एचटीसी प्रयोगों के लिए निर्धारित किया जा सकता है.

  1. 2.5 किलो वजनभूसे digestate की 0.1 ग्राम की सटीकता के साथ एक संतुलन का उपयोग और रिएक्टर पोत को हस्तांतरण.
  2. 10 किलो श्रृंगार पानी को मापने, और साथ ही रिएक्टर पोत में डालना करने के लिए एक ही शेष राशि का उपयोग. इस digestate, पानी अनुपात 01:04 बनाए रखना होगा.
  3. इससे पहले pneumatically प्रोपेलर दोषी की रुकावट को रोकने के लिए मैन्युअल रूप से, रिएक्टर की सामग्री हलचल बंद. रिएक्टर को बंद करें और आड़े 50 एनएम की एक शक्ति के साथ बोल्ट कस द्वारा सुरक्षित.
  4. निम्नलिखित रैंप से प्रतिक्रिया सेट सोख:
  5. कमरे के तापमान से 15 मिनट में 30 डिग्री सेल्सियस की शुरुआत तापमान तक पहुँचने.
    1. 230 डिग्री सेल्सियस की प्रतिक्रिया तापमान के लिए हीटिंग समय निर्धारित 100 मिनट है.
    2. 6 घंटे के लिए अंतिम प्रतिक्रिया तापमान पकड़ो.
    3. समय के आयोजन की 6 घंटे के बाद, कमरे के तापमान को 230 डिग्री सेल्सियस से रिएक्टर 15 घंटा शांत.
    4. पूरा एचटीसी प्रक्रिया के दौरान 30 rpm पर रिएक्टर सामग्री हिलाओ.
    5. ठंडा चरण और पी के बाद दोषी स्विच बंदएक 20 एल गैस बैग में गैस का आग्रह करता हूं.
    6. गैस एक घनीभूत जाल के साथ ही एक सक्रिय कार्बन फिल्टर के माध्यम से गुजरता सुनिश्चित करें.
    7. आगे के विश्लेषण के लिए गैस की दुकान.
  6. गैस नमूना के बाद, एक उच्च तापमान, उच्च दबाव गेंद वाल्व के माध्यम से एक कंटेनर जहाज से घोल नाली और फिर चारों ओर 0.5 मिमी की एक छेद के आकार के साथ एक जाल के माध्यम से यह फिल्टर.
  7. तरल पदार्थ ले लीजिए और फीडस्टॉक की तुलना में एचटीसी का उत्पादन चार की राशि का निर्धारण करने के लिए उत्पादन एचटीसी बायोचार धड़ा.

3. कच्चे, Digestate के मौलिक विश्लेषण, और गेहूँ की बालियों के एचटीसी Biochar

नोट: कोई ठोस ईंधन विश्लेषण के लिए, एक मौलिक विश्लेषक या CHONS विश्लेषक अक्सर प्रयोग किया जाता है. परमाणु कार्बन, हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर और मौलिक रचना इस विश्लेषण से प्राप्त किया जा सकता है. CHONS से, एक उच्च ताप मूल्य या ईंधन की ऊर्जा मूल्य अनुमान कर सकते हैं. इसके अलावा, परमाणु सल्फर सामग्री भी इंडिकईंधन की गुणवत्ता खा लिया. इस अध्ययन में, एक मौलिक विश्लेषक एचटीसी बायोचार, कच्चे गेहूं के भूसे और digestate का ईंधन मूल्य निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा. विश्लेषक केवल एक बहुत छोटा सा नमूना आकार की अनुमति देता है के रूप में, बेहतर reproducibility के लिए प्रत्येक नमूने में कम से कम तीन बार का विश्लेषण.

  1. एक नमूना पैन (टिन, 6 x 6 x 12 मिमी) में, मौलिक पैकेज में विशिष्ट संतुलन का उपयोग टंगस्टन के 30 मिलीग्राम (छठी) ऑक्साइड तौलना. नोट: इस तरह के एक संतुलन की शुद्धता आमतौर पर 1 ग्राम है. टंगस्टन (छठी) ऑक्साइड मौलिक विश्लेषक में एक उत्प्रेरक के रूप में काम करता है.
  2. सूखा नमूना 5-10 मिलीग्राम वजन और एक ही नमूना पैन में डाल दिया, यह मिश्रण है, और इसे लपेटो. लिपटे नमूना पैन आकार में लगभग 2 एक्स 2 एक्स 5 मिमी 3 होना चाहिए.
  3. Autosampler में नमूने रखें. प्रत्येक नमूने की स्थिति पर ध्यान दें और एक संदर्भ के रूप में इस मौलिक विश्लेषण में सल्फोनिक एसिड का उपयोग
  4. मौलिक विश्लेषक से जुड़ा कंप्यूटर में Vario सॉफ्टवेयर शुरू करो, के तापमान, शर्तों, नमूने गैस के प्रवाह को परिभाषित2 ओवन (2 ओवन क्रमश: 1,150 और 850 डिग्री सेल्सियस पर कर रहे हैं). फिर, autosampling पदों के अनुसार नमूना नामों को परिभाषित. कार्यक्रम की शुरुआत करें. मशीन स्वचालित रूप से काम करता है, विश्लेषण करता है, और कंप्यूटर में परिणाम संग्रहीत करता है.
    नोट: मौलिक CHNS मौलिक विश्लेषक का उत्पादन कर रहे हैं और आम तौर पर कंप्यूटर स्क्रीन पर सीधे रिपोर्ट कर रहे हैं.

Representative Results

Anaerobic पाचन

बायोगैस प्रयोगों UASs प्रणाली क्रमशः, mesophilic (37 डिग्री सेल्सियस) और thermophilic (55 डिग्री सेल्सियस) आपरेशन में 38% और मीथेन बनाने की क्षमता का 50% का उपयोग करने में सक्षम है कि पता चला. सतत संचालन से एक 200 दिनों के लिए mesophilic ई. में और 121 एल CH4 / किलो वी.एस. (चित्रा 4): thermophilic ई. में, UASs प्रणाली एक 165 एल CH4 / किलो वी.एस. का औसत (अस्थिर ठोस वी.एस.) अर्जित करता है. उन प्रदर्शन मूल्यों ड्राई फीडस्टॉक आधार से संबंधित बायोगैस का मात्रात्मक और गुणात्मक विश्लेषण से गणना की गई है.

गेहूं के भूसे के लिए biomethane क्षमता क्रमश: mesophilic आपरेशन के लिए thermophilic और 244.2 एल CH4 / किलो वी.एस. के लिए 304.3 एल CH4 / किलो वी.एस. होने के लिए (वीडीआई दिशानिर्देश 4630 के बाद) निर्धारित किया है, और चित्रा 5 में पेश किया गया0; 21. गुणवत्ता के मामले में, UASs द्वारा निर्मित बायोगैस 41% और मीथेन का 61% (चित्रा 5) के बीच होता है.

Digestate की एचटीसी

चित्रा 6 सूखा पुआल, ई. से भूसे से निकाली गई सूखी digestate, और HTC द्वारा सूखा digestate से व्युत्पन्न एचटीसी बायोचार से पता चलता है. सूखी digestate रंग में केवल एक थोड़ा गहरा है जो सूखे भूसे के समान लग रहा है. इस काम के लिए, thermophilic स्थितियों से digestate HTC के लिए विचार किया गया. तालिका 1 में दिखाया गया है, कुल द्रव्यमान का 63% digestate (1 टेबल) में रहता है. सूखी HTC बायोचार शायद कारण ईस्वी के दौरान thermophilic सूक्ष्मजीवों द्वारा monomers और सरल पॉलिमर का क्षरण करने के लिए, शुष्क कच्चे भूसे की तुलना में हल्का है.

चित्रा 7 हाइड्रोफोबिक व्यवहार, और HTC बायोचार की कोमलता से पता चलता है. एचटीसी के दौरान, रेशेदार क्रिस्टलीय संरचना को नष्ट कर दिया और एक नरम अनाकार सीए का उत्पादन कर रहे हैंrbon युक्त एचटीसी बायोचार 16,17,28. यह digestate और कच्चे भूसे व्युत्पन्न एचटीसी बायोचार की बड़े पैमाने पर पैदावार क्रमश: 43.4%, और 38.3% है कि तालिका 1 से देखा जा सकता है. ठोस उत्पाद, एचटीसी बायोचार 12 बहुत हाइड्रोफोबिक है; यह एक लंबे समय के 13 के लिए पानी के साथ संपर्क में रह सकते हैं. यह मुश्किल से यह छिटकाना करने के लिए किसी भी दबाव की आवश्यकता के रूप में भी यह बहुत नरम है. इस विशाल pulverizing कदम को खत्म कर सकते हैं के रूप में कोयले से बिजली उद्योग के लिए, फीडस्टॉक की कोमलता को बनाए रखने, बहुत महत्वपूर्ण है.

मौलिक विश्लेषण

तालिका 1 में प्रस्तुत मौलिक रचनाओं से, यह मौलिक कार्बन और हाइड्रोजन anaerobic पाचन के दौरान ठोस में ही रहते हैं कि देखा जा सकता है. एचटीसी के दौरान मौलिक कार्बन बढ़ जाती है और हाइड्रोजन कम हो जाती है. मौलिक नाइट्रोजन सामग्री दोनों पाचन एक के दौरान वृद्धि हुई है के बाद से मौलिक नाइट्रोजन का सबसे ठोस में रहता है डी एचटीसी प्रक्रियाओं. गेहूं के भूसे में सल्फर का पता लगाने के बाद से, मौलिक सल्फर की एकाग्रता परिणाम में प्रस्तुत नहीं किया गया है. मौलिक ऑक्सीजन सामग्री सी, एच घटाकर की जाती है, और एन 100% से और भी फीडस्टॉक केवल CHONS के होते हैं, यह सोचते हैं तालिका 1 में प्रस्तुत किया गया था. यह पाचन के दौरान इसी तरह की बनी हुई है, जबकि ऑक्सीजन एकाग्रता, एचटीसी के दौरान नाटकीय रूप से कमी आई है.

चित्रा 1
चित्रा 1. मूल अवधारणा और anaerobic पाचन के कदम. यह आंकड़ा anaerobic पाचन की बुनियादी अवधारणाओं का वर्णन करता है. इस चित्र में, anaerobic पाचन की चार सामान्य चरणों (हाइड्रोलिसिस, acedogenesis, acetogenesis, और methanogenesis) प्रस्तुत कर रहे हैं

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चित्रा 2:. Anaerobic पाचन के लिए प्रयोगशाला पैमाने UASs रिएक्टर के योजनाबद्ध आरेख इस UASs रिएक्टर प्रणाली का योजनाबद्ध है. यहाँ UASs रिएक्टर और anaerobic फिल्टर (वायुसेना) UASs रिएक्टर में उत्पादित फैटी एसिड वायुसेना के लिए आते हैं और मीथेन का उत्पादन किया जाता है, जहां एक तरल धारा, से जुड़े हुए दिखाया गया है. वायुसेना के नीचे से, एक और तरल धारा सूक्ष्मजीवों वायुसेना से UASs रिएक्टर के लिए जा रहे हैं, जहां UASs, के लिए तैयार है.

चित्रा 3
Anaerobic पाचन और एचटीसी का आंकड़ा 3. Lignocellulosic बायोमास की एचटीसी की (ऊपर) संकल्पना, (नीचे) एकता की अवधारणा * सेलूलोज होगा आंशिक रूप से 24 से प्रतिक्रिया व्यक्त की. इस ब्लॉक आरेख में, यह अलग फाइबर घटकों subcritical पानी के संपर्क में आते हैं और सी (HTC बायोचार में परिवर्तित कर रहे हैं कि देखा जा सकता हैOAL प्रकार).

चित्रा 4
अवायवीय फिल्टर के साथ दोनों thermophilic और mesophilic स्थितियों में UASs रिएक्टर से चित्रा 4. मीथेन उत्पादन. ये thermophilic और mesophilic स्थितियां दोनों के लिए आपरेशन के 210 दिनों के लिए UASs रिएक्टर की प्रयोगात्मक परिणाम हैं. शाफ़्ट (एस) अस्थिर ठोस की तुलना में मीथेन उपज (एल CH4 / किलो वी.एस.) है, जबकि एक्स अक्ष, आपरेशन का दिन है.

चित्रा 5
चित्रा 5. Thermophilic और mesophilic स्थितियां दोनों में UASs रिएक्टर से बायोगैस का मीथेन अंश. ये दोनों thermophilic एक के तहत आपरेशन के 210 दिनों के लिए UASs रिएक्टर की प्रयोगात्मक परिणाम हैंडी mesophilic शर्तों. शाफ़्ट बायोगैस में मीथेन अंश (%) है, जबकि एक्स अक्ष, आपरेशन का दिन है. दिए गए मानों डुप्लिकेट से औसत हैं.

चित्रा 6
चित्रा 6. (बाएं सही करने के लिए) सूखी गेहूं के भूसे, सूखी गेहूं के भूसे digestate, और गेहूं के भूसे digestate की एचटीसी बायोचार. इस गेहूं के भूसे के विभिन्न राज्यों के वास्तविक समय छवि है. यहाँ इस चित्र में, anaerobic पाचन (ई.) और एचटीसी का असर दिखाई दे सकते हैं. यह एचटीसी के बाद ख़स्ता हो जाता है, जबकि फाइबर संरचना, digestate में अभी भी दिख रहा है.

चित्रा 7
एचटीसी बायोचार का आंकड़ा 7. एचटीसी बायोचार की hydrophobicity (बाएं), भुरभुरापन (दाएं)

8 चित्रा
सूखी गेहूं के भूसे की 1 किलो से ई. एचटीसी एकीकरण द्वारा कच्चे गेहूं के भूसे और (नीचे) bioenergy क्षमता की 1 किलो से anaerobic पाचन (ई.) द्वारा 8 चित्रा. (ऊपर) Bioenergy संभावित. इस संयोजन की आवश्यकता का मूल्यांकन करने के लिए एक आंकड़ा है अवधारणाओं. ब्लॉक आरेख फीडस्टॉक से विज्ञापन और HTC से निकालने कितनी ऊर्जा से पता चलता है.

तालिका 1
तालिका 1. मौलिक विश्लेषण, एचएचवी, जन उपज, और कच्चे गेहूं के भूसे, digestate (thermophilic), और इसी एचटीसी बायोचार की फाइबर विश्लेषण. साहित्य 18,24 रूप में दिखाया गया HHV CHNS रचना से गणना की है. तालिका 1 मौलिक विश्लेषण की प्रयोगात्मक परिणाम है, और बड़े पैमाने पर पैदावार ई. और एचटीसी के बाद. लिग्निन, सेलूलोज़ और hemicellulose वैन Soest फाइबर विश्लेषण [12] द्वारा मापा जाता है. नोट:. NA विश्लेषण नहीं किया है इस तालिका का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

Discussion

UASs रिएक्टरों शुरूआत में चर्चा की कमियों को दूर करने में सक्षम हैं. हालांकि, सुधार के लिए बहुत कमरा है. वापस लेने खिला प्रणाली और digestate अभी भी मार्गदर्शन कर रहे हैं. UASs सिस्टम समस्याओं को 60 मिमी से भी बड़ा feedstocks से निपटने के चेहरे. वे तरल भर में नाव के रूप में प्रणाली रेशेदार feedstocks के साथ बेहतर काम करता है, लेकिन पशु खाद और कीचड़ की तरह अन्य feedstocks UASs प्रणाली के पक्ष में नहीं हो सकता है. UASs प्रणाली प्रक्रिया शराब फिर रिएक्टर के लिए वायुसेना को रिएक्टर से circulates है कि इस तरह से बनाया गया है. हालांकि, परिसंचारी तरल में ठोस भी 2-5% वे वायुसेना में जमा या पाइप प्रवेश द्वार ब्लॉक और तरल परिसंचरण में बाधा के रूप में, समस्याग्रस्त होना सिद्ध किया गया था. फ्री फैटी एसिड और नाइट्रोजन का उत्पादन अस्वाभाविक बायोगैस उत्पादन में जिसके परिणामस्वरूप माइक्रोबियल प्रणाली को बदल सकते हैं के रूप में प्रक्रिया तरल के रासायनिक विश्लेषण, महत्वपूर्ण है. UASs प्रणाली मजबूत है, और किसी भी significa दिखाने के बिना 200 से अधिक दिनों से चला सकते हैंसमस्याओं NT. एएफएस के लिए रिएक्टरों को पंप से जोड़ने ट्यूबों हर वैकल्पिक महीने के लिए जगह की जरूरत है. waterbath में पानी का स्तर एक साप्ताहिक आधार पर जाँच की है और यदि आवश्यक हो तो refilled किया जाना चाहिए.

गीला digestate की एचटीसी अपशिष्ट उपचार के साथ ही उत्पादन ठोस जैव ईंधन के लिए बहुत प्रभावी है. 7 चित्र में दिखाया गया के रूप में ठोस उत्पाद का dewateribility भी HTC प्रक्रिया द्वारा सुविधा होगी. हालांकि, digestate की एचटीसी digestate निकाल दिया जाता है कि यथासम्भव उसी दिन, जितनी जल्दी हो सके निष्पादित करने की जरूरत है. अन्यथा, digestate HTC के लिए अनुकूल नहीं है, जो जैविक रूप से अपमानजनक शुरू होता है. HTC एक उच्च तापमान (200-260 डिग्री सेल्सियस) और उच्च दबाव (20-50 बार) प्रक्रिया, एचटीसी प्रक्रिया के दौरान आवश्यक सावधानियों लेने के रूप में बहुत महत्वपूर्ण है. सभी कनेक्शनों वे गैस तंग कर रहे हैं सुनिश्चित करने के लिए कम से कम महीने में एक बार जाँच की जाती है. एचटीसी प्रक्रिया तरल एक उच्च furfural की एकाग्रता, 5 HMF, और phenolic सहविषैले पदार्थ के रूप में मूल्यांकन कर रहे हैं जो mpounds,. इसलिए, यह एचटीसी प्रक्रिया शराब रिएक्टर पोत से एक और कंटेनर को सूखा है, खासकर जब एचटीसी प्रक्रिया तरल से निपटने जबकि एक चेहरे नकाब और दस्ताने का उपयोग करने के लिए सिफारिश की है. एचटीसी digestate तरह गीला फीडस्टॉक से निपटने के लिए कई फायदे हैं, यह अभी भी एक बैच प्रक्रिया है. एक आर्थिक मूल्यांकन में, एचटीसी बैच प्रक्रिया को सही ठहराने के लिए मुश्किल हो जाएगा. और अधिक शोध इस प्रकार एचटीसी के सतत संचालन की सुविधा के लिए आवश्यक है.

मौलिक विश्लेषण नहीं बल्कि विषम substrates के लिए, सजातीय ठोस substrates के लिए एक प्रभावी तरीका है. के रूप में ठोस जैव ईंधन विश्लेषक केवल नमूना आकार के 5-10 मिलीग्राम, यह कम से कम तीन replicates और उपयोग के औसत प्रदर्शन करने की सिफारिश की है की अनुमति देता है आमतौर पर विषम और मौलिक है. मौलिक विश्लेषण का एक और सीमा उच्च राख सामग्री के साथ ठोस substrates मापने है. मौलिक analyzers केवल CHONS उपाय है, और कोई अन्य inorganics. तो, उच्च राख ठोस substrates के मौलिक विश्लेषण आर नहीं हो सकतावास्तविक CHONS सांद्रता eveal. नमूना अन्यथा, विश्लेषण में एक विसंगति हो जाएगा, ठीक लिपटे होने की जरूरत के रूप में मौलिक विश्लेषण में नमूना तैयार करने, महत्वपूर्ण है. ठोस ईंधन का ईंधन मूल्य CHONS से ​​अनुमान लगाया जा सकता है, लेकिन यह सटीक ईंधन मूल्य निर्धारण के लिए एक बम कैलोरीमीटर उपयोग करने के लिए सिफारिश की है.

मीथेन के बारे में 92-161 एल फीड में अस्थिर ठोस प्रति किलोग्राम उत्पादन किया गया था. सूखी गेहूं के भूसे की ठोस अस्थिर ठोस या जैविक कुल 86.9% थी. सूखी digestate anaerobic पाचन 22,23 दौरान polysaccharides की गिरावट और सरल शर्करा गिरावट का एक और संकेत है जो कम परमाणु ऑक्सीजन और हाइड्रोजन एकाग्रता है. इसके अलावा, कम एच, और हे सांद्रता digestate 24 की HHV वृद्धि हुई है. शुष्क digestate की HHV ड्राई कच्चे फीडस्टॉक से 22% अधिक है. इसी तरह के परिणाम Pohl एट अल 23 द्वारा एक विस्तृत सांख्यिकीय विश्लेषण के साथ प्राप्त कर रहे हैं.

Anaerobic पाचन से Digestates 80-90% पानी 6 होता है. ये हाइड्रोफिलिक हैं और पानी आंशिक रूप से सूक्ष्म जैविक या संयंत्र कोशिकाओं में ही है. Digestates का एक परिणाम dewatering या सुखाने बोझिल है और बहुत ऊर्जा गहन रूप में. उदाहरण के लिए, शुष्क digestate के 2 किलो digestate सुखाने के लिए गर्मी की 20.7 एमजे की आवश्यकता है, जो पानी की 8 किलोग्राम (80% गीला), बांध. इसके अलावा, यह, परिवेश की स्थिति में अपेक्षाकृत जल्दी से जैव नीचा करने के लिए जाता संयंत्र पोषक तत्वों खो देता है, और इस तरह के 2 एन हे और सीएच 4 के रूप में जीएचजी (ग्रीन हाउस गैस) उत्सर्जन विज्ञप्ति. तो, उच्च ऊर्जा क्षमता के बावजूद, ताजा digestate एक ठोस ईंधन के रूप में सीधे इस्तेमाल नहीं किया जा सकता. यह सही पाचन 20 के बाद सूख जाने की जरूरत होगी.

तालिका 1 से, यह सूखी digestate कच्चे भूसे के रूप में एक ऐसी ही परमाणु कार्बन सामग्री है कि दिखाया जा सकता है, और वे (चित्रा 6) से पहले और anaerobic पाचन के बाद नेत्रहीन समान हैं. यह पता चलता है कि लिग्निन और लिग्निन-encrusted सेलूलोजज्यादातर unreacted रहे हैं. हालांकि, 63% की एक जन उपज संसाधित पुआल अर्थ शुष्क कच्चे भूसे 37% से हल्का है, मनाया. इसी तरह के मौलिक कार्बन एकाग्रता नहीं जलकर कोयला anaerobic पाचन 22 के दौरान हुई मतलब है. 7 चित्र में दिखाया गया है, digestate से एचटीसी बायोचार (thermophilic) बहुत ही स्थिर और नरम है. क्योंकि hydrophobicity में उल्लेखनीय वृद्धि की, यह सचमुच 12,25 प्रभावित किया जा रहा है इसकी भौतिक और रासायनिक संरचना के बिना महीनों के लिए पानी में डूब सकते हैं. hydrophobicity भी HTC बायोचार 14 की dewatering को बढ़ाता है. भूसे की संरचना सेलूलोज प्रतिक्रिया व्यक्त की गई है कि हो सकता है, जिसका अर्थ है, अब और एचटीसी बायोचार में discernable नहीं है. एक महत्वपूर्ण जलकर कोयला परमाणु ऑक्सीजन की कमी के साथ साथ एचटीसी बायोचार में मनाया जाता है. इस सेलुलोज बल्कि लिग्निन से प्रतिक्रिया व्यक्त की जा रही है की एक और संकेत है. लिग्निन में परमाणु कार्बन एकाग्रता सेलूलोज 24-29 की तुलना में काफी ज्यादा है. परिणामस्वरूप, एचटीसी bioch के रूप मेंए.आर. क्रमशः, कच्चे भूसे से 61% अधिक है और सूखी digestate से 32% अधिक है जो 29.6 MJ / किलो के एक HHV है.

एचटीसी संसाधित भूसे की HHV भी HTC संसाधित पुआल digestate (29.6 MJ / किग्रा) के समान है, जो 28.8 MJ / किलो है. हालांकि, बड़े पैमाने पर पैदावार कच्चे फीडस्टॉक की तुलना करने के साथ एचटीसी digestate की तुलना में एचटीसी भूसे में 40.7% अधिक है. कच्चे भूसे (18.4 एम.जे.) की 1 किलो hydrothermally carbonized है अगर नतीजतन, एचटीसी पुआल बायोचार 11.0 एमजे की क्षमता होगी. एक ही राशि digestate (8.0 एम.जे.) से biomethane (5.2 MJ) और HTC बायोचार के रूपों में, ई. और HTC, एक कुल 13.2 एम.जे. bioenergy के लिए आवेदन किया है अगर नहीं तो, चित्रा (8) का उत्पादन किया जा सकता है. इसके अलावा, UASs प्रक्रिया के तरल चरण एक संभावित तरल उर्वरक है. इसके अलावा, एचटीसी बायोचार उच्च मूल्य सामग्री के उपयोग पर उच्च क्षमता है या मिट्टी संशोधन के रूप में उपयोग कर सकते हैं. देखने के कार्बन ज़ब्ती या कार्बन चक्र बिंदु के लिए, HTC बायोचार की सामग्री का उपयोग अधिक संभव है कि ऊर्जा उत्पादन. </ P>

जलतापीय जलकर कोयला के साथ संयुक्त अवायवीय पाचन व्यक्तिगत प्रक्रियाओं से अधिक bioenergy प्राप्ति कर सकते हैं. हालांकि, एक cascaded डिजाइन बेहतर दक्षता के लिए आवश्यक है. एक आर्थिक मूल्यांकन के बाद समग्र ऊर्जा संतुलन,, इस प्रक्रिया को मान्य करने के लिए आवश्यक है. भविष्य के अनुसंधान एचटीसी शराब के उपयोग और HTC बायोचार के बाद इलाज (रासायनिक या जैविक) को शामिल करना चाहिए. इसके अलावा, UASs और HTC प्रणालियों दोनों के स्वचालन की जरूरत होगी. यह अध्ययन एक प्रयोगशाला पैमाने UASs और HTC रिएक्टर के प्रयोग पर किया गया था, लेकिन इस प्रक्रिया commercialized हो सकता है अगर इस प्रक्रिया का बड़े पैमाने अप आवश्यक होगा.

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

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References

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पर्यावरण विज्ञान अंक 88 biomethane जलतापीय अथ जलकर कोयला (HTC) कैलोरी मान lignocellulosic बायोमास UASs anaerobic पाचन
Bioenergy निर्माण के लिए समेकित anaerobic पाचन और जलतापीय अथ जलकर कोयला का मूल्यांकन
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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).

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