Summary
소설 상향 류 혐기성 솔리드 스테이트 (UASS) 반응기는 섬유 원료로부터 바이오 가스 생산을 위해 사용되었다. UASS 반응기에서 Digestate 열수 가압 회분식 반응기에서 HTC의 바이오 숯으로 탄화되었다. 이 바이오 에너지 개념의 통합은 전반적 바이오 에너지의 생산을 증가시키기 위해 본 연구에 적용 하였다.
Abstract
목질 계 바이오 매스는 가장 풍부한 아무런 미달 재생 에너지 자원의 하나이다. 두 혐기성 소화 (AD) 및 열수 탄화 (HTC)는 각각, 바이오 가스 및 바이오 숯 HTC의 관점에서 바이오 매스로부터 바이오 에너지 생산을위한 기술을 약속하고 있습니다. 본 연구에서는 AD 및 HTC의 조합은 전체적인 바이오 에너지의 생산을 증가시키기 위해 제안된다. 밀 밀짚은 혐기성 소설 중온 (37 ° C) 및 고온 (55 ° C) 조건 모두에서 혐기성 고체 반응기 (UASS)를 상향 류 소화했다. 고온 AD에서 소화 젖은 열수 HTC의 바이오 숯 생산을 위해 6 시간 동안 230 ° C에서 탄화 하였다. 2백일의 연속 운전에 중온 AD에서 121 L CH4 / kg VS : 고온 온도에서 UASS 시스템은 165 L CH4 / kg VS 평균 (휘발성 고체 VS)를 산출한다. 한편, 29.6 MJ / kg dry_biochar와 HTC의 바이오 숯의 43.4 g의 OBT했다중온 AD에서 1kg의 digestate (건조 기준)의 HTC에서 ained. 실험이 특정 세트의 AD와 HTC의 조합은 혼자 HTC보다 최소 20 % 이상 만 AD보다 60.2 % 높은 건조한 밀 밀짚, 1 ㎏ 당 에너지의 13.2 MJ를 얻을 수 있습니다.
Introduction
찾기 재생과 지속 가능한 에너지는 세계 에너지 분야의 주요 관심사입니다. 최근 유엔은 2050 년 세계 에너지의 최대 77 %가 재생 에너지 1 예상됩니다 보도했다. 짚과 같은 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스, 잔디, 왕겨, 옥수수 옥수수 속 연료 문제 대 음식과 충돌이 없습니다. 또한, 바이오 매스는 풍력, 태양 광, 물이 다른 재생 에너지 원에 비해 아마도 구조 카본에서만 재생 가능 에너지 원이다. 그러나, 취급 성, 낮은 벌크 밀도, 높은 회분 함량 및 낮은 에너지 함량은 에너지 생산을위한이 목질 계 바이오 매스의 사용을 방해.
그림 1 4와 같이 혐기성 소화 (AD)는 폐기물 바이오 매스로부터 바이오 에너지 생산의 주요 사례 중 하나입니다. 일반적으로 3 개의 분해 단계가 있습니다 혐기성 소화에 참여 (그림 2) 4를 극복 할 수있는 잠재력이있다 상향 류. 설계는 미 반응 고체 잔류 물 위쪽으로 5 리프트 거품 바이오 가스를 용이하게하기 때문에 자발적인 고체 - 액체 분리는 UASS의 중요한 장점 중 하나입니다. 이 교반기의 사용을 제거하기 때문에 현장의 전력 소비를 감소시킨다. 또한, 액체의 순환이 아니라 5로 반응기에 걸쳐 미생물 대사 산물의 유통을 보장합니다. 고체 바이오 연료에 비해 바이오 가스는 쉽게 처리 할 수 있으며, 거의 또는 전혀 잔류 물을 남기지. 사실, 특정 에너지 밀도바이오 가스의 몇 배 높은 원료 바이오 매스 4입니다. 그러나 AD는 전분, 지방산 및 헤미셀룰로오스 1 같은 간단한 다당류를 선호. 그 결과, 셀룰로오스, 리그닌으로, 밀 밀짚 같은 섬유 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스의 주요 부분은 AD 5 후 고체 digestate로 남아있다. 바이오 가스 생산 미생물의 원료, 종류, 반응 온도, 반응 시간에 따라 다릅니다,하지만, digestate의 엄청난 금액은 일반적으로 생산된다.
바이오 가스가 에너지를 위해 사용되지만, digestates (최대 90 %의 물)이 일반적 잔존 메탄 배출량을 수집하는 발효 잔사 - 저장소에 저장된다. 그 후이 건조 및 토양 비옥도 및 물 보유 용량을 개선하기 위해 농경지에 확산된다. 슬래그의 높은 양의 장비 (6)를 부식 할 수 높은 무기는 흔히, 연료 직접 digestate을 방해. 열수 탄화 (HTC)는 특히 젖은 위해 디자인 된 열 화학적 처리 공정이다. 바이오 매스 (80~90%의 물) 물 포화 압력에서 200-260 °의 C까지 가열하고 0.5-6 시간 (그림 3) 7,8에 개최되는 원료, 아임 계수는 200에서 최대 이온 제품이 - 이러한 조건에서 물을 의미한다 260 ° C는, 민감하고 약한 산성과 동시에 9 온화한 기본으로 동작합니다. 셀룰로오스가 약 220 ~ 230 °의 C를 반응하고, 리그닌은 비교적 높은 온도 (> 250 오 C)에 반응하지만, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 (10)보다 훨씬 느린 동안 헤미셀룰로오스는 다른 추출액과 함께, 주변에 180 ~ 200 ° C의 저하. 인해 상당한 탈수 및 탈 카르 복 실화, 카르 복실 산, 푸란 유도체, 페놀 성 물질과 설탕 단량체, 5를 포함 40~80%, 술의 질량 수율 (건조 HTC의 바이오 숯 / 건조 사료)와 HTC의 바이오 숯이라는 HTC 결과 고체 제품 - 10 % CO 2 풍부한 가스 제품 11. HTC 동안 산소를 포함하는 휘발성 물질이 상당히 있습니다감소하기 때문에 탄소가 풍부한 고체를 둡니다. HTC 바이오 숯은 습기 원료 공급 원료 (12, 13)에 비교 또한, 안정적인 소수성 및 부서지기 쉬운 것입니다. 그것의 소수성 특성, HTC의 바이오 숯의 dewateribility 원시 digestate 또는 원료 바이오 매스에 비해 몇 배 증가한다. 14-18 또한, HTC 바이오 숯 석탄 16, 17 갈탄과 유사한 연료 값이 있습니다. 그러나, 셀룰로오스 및 리그닌 부분적 HTC 환경 (18)에서 분해.
셀룰로오스 및 리그닌은 대부분 고체 HTC의 바이오 숯 4,5에 기여하면서 이제 바이오 매스 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스, AD 동안 바이오 가스에 기여한다. 따라서, AD-HTC의 조합은 잠재적으로 전체 바이오 에너지 생산량을 증가시킬 수 있습니다. 호프만 등. 비슷한 조합을 시뮬레이션보다는 AD-HTC 19보다 AD 및 HTL (열수 액화)를 사용하여. HTL 바이오 매스의 일부를 액화 및 액체 제품은 높은 연료 값 [43.1 MJ / kg]가의 일반적인 방법입니다. 그러나, HTL requ에IRES 매우 높은 압력 (250 바) HTC에 HTC보다 높은 설치 및 운영 비용을 의미한다 (10 ~ 50 줄)를 비교합니다. 또, AD와 HTC의 조합 순서가 르트 등으로 의문을 제기 할 수 있습니다. HTC의 처리 액 (20)의 최근보고 된 AD를. 그러나, 효과적인 광고는 원료에 설탕의 농도에 따라 달라집니다. 가수 분해 동안 생성 HTC의 처리 액의 당류는 종종 아임하에 급속히 저하. HTC 전에 AD는 바이오 에너지의 측면에서 더 유리한 이유입니다. 그러나, HTC 프로세스 액의 AD는 어떤 경우에는, 배합 순서가 AD-HTC-AD 될 추가적인 바이오 에너지를 생산할 수있다.
작업의 목적은 바이오 에너지 생산을위한 AD와 HTC 프로세스의 통합 (그림 3)을 평가하는 것이었다. UASS 반응기에서 고온 및 중온 성 AD의 바이오 가스 생산 잠재력은 200 개 이상의 일간의 연속 운전에 평가 하였다. 그 후, HTC의 바이오 숯 생산 F롬 digestate도 공부했다. 캐스케이드 AD-HTC의 질량 및 에너지 균형이 수행 및 개별 프로세스들과 비교 하였다.
Protocol
밀 밀짚 1. 혐기성 소화
참고 : 39 L의 UASS 반응기에서 혐기성 소화를 들어, 사료로 긴 원시 밀 밀짚 갈비 5-65mm를 사용합니다. 특정 실험에서 공급 원료의 유기 건조 물질 함량은 85.9 %이고, 결점 섬유 분율은 46.3 %였다. UASS 반응기는 아크릴 유리로 검사 창 스테인리스로 만든다. 두 개의 30 L 혐기성 필터 (AF)은 각각 39 L의 UASS 반응기와 결합됩니다. 기능 (AF)은 투명 아크릴 유리로 내장되어 있습니다. 반응기 시스템의 개략도는 그림 2에 나타내었다 건축 디자인은 다른 4 설명했다. 원자로를 접종하고 시작에 대한 정보는 다른 곳에서 5 주어진다.
- 325 통 모양의 폴리에틸렌 바이오 필름 캐리어와 함께 각각의 AF를 입력합니다.
주 : 사용 된 생물막 담체는 305m 2 / m 3의 표면적. - 처리 액 순환을 위해 물 펌프를 설정1.15 L / hr의 유속 모두 중온 성 및 고온 원자로.
- 고온 원자로 중온 성 및 55 ° C에 대해 원하는 반응기의 온도 레벨, 37 ° C로 가열 화장실을 설정합니다.
- UASS 원자로 매일 먹이를 들어, 2.5 g VS / L의 유기 로딩 속도 · 일을 달성하기 위해 각각의 반응기에 밀 짚 (= 99.5 g VS)의 120g의 FM 무게.
- 오픈 UASS '공급 튜브와 스탬프를 제거합니다.
- 대각선 공급 튜브에 밀 밀짚을 붓고 먹이 스탬프의 도움으로 반응기의 바닥에 밀어 넣습니다. 거기부터, 짚 체에 대해 플로트 및 고체 침대를 형성 할 것이다.
- 확인하기 위해 밀봉 표면을 청소, 그것은 기밀이며, 다음 공급 튜브를 닫습니다.
- 펌프는 원자로 시스템 (UASS 및 AF)를 통해 1.2 L / HR 프로세스 술을 전달, 지속적으로 실행됩니다.
- 드럼식 가스 벼를 사용하여 연속적으로 바이오 가스 유량을 측정20 L 가스 가방에 RS 및 저장.
참고 : 바이오 가스 분석기 가스 주머니에서 출구를 확인합니다. 바이오 가스 분석기, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 및 H 2가 측정된다. 먼저 바이오 가스는 3 습기를 제거하기 위해 다양한 필터 및 검출기 해로운 다른 독성 화합물을 통과해야한다. 분석기는 정확한 바이오 가스 조성에 일주일에 한 번에 교정 할 필요가있다. - 정기적으로 산업 바이오 가스 분석기를 사용하여 바이오 가스 성분을 측정한다. 참고 : 바이오 가스 가방이 절반 이상 찼을 때 바이오 가스 분석기는 바이오 가스를 측정 할 수 있습니다. 바이오 가스 성분을 측정, 가스 주머니에서 밸브를 열고 정상 바이오 가스 조성 (대략 20 ~ 30 초 소요) 기다려야 할 필요가있다.
- 공정 제어를 위해 설치 pH 측정기 및 온도계를 사용하여 온라인으로 pH와 온도를 측정합니다.
- digestate의 약 3 kg (80~90% 젖은) 일주일에 한 번, 고형물 체류 시간 (SRT에게) (을)를 제공 제거F 2-3 주. HTC 프로세스의 사료로이 digestate를 사용합니다. 그 후 생성 된 바이오 가스는 공기를 돌출하고 몇 시간 내에 혐기성 조건을 확립하기에 충분하다.
- 화학적 특성 (산도, EC, TS, VS, 지방산, CHNS, 암모니아, 요소를 추적하고, 결점 섬유)에 대한 주간 단위 공정 주류와 digestate를 분석합니다.
밀 밀짚 Digestate 2. 열수 탄화
참고 : 1 단계에서 digestate의 열수 탄화를 들어, 18 L 배치 반응기가 사용되는 교반 하였다. 제어 및 프로세스의 타이밍은 컴퓨터에서 실행중인 원자로 컨트롤러 4848 및 소프트웨어 SpecView 32 849를 통해 수행된다. 프로그램에서, 반응기 온도, 가열 자켓 온도, 압력, 및 교반 속도가 표시 될 수있다. 또한, 프로세스 파라미터에 대한 프로그램 (온도 시작, 설정 온도, 가열 속도, 교반 속도)는 각 HTC 실험을 위해 설정 될 수있다.
- 2.5 kg의 무게를밀짚 digestate 0.1 g의 정밀도로 밸런스를 이용하여 반응 용기에 옮긴다.
- 10kg 메이크업 물을 측정뿐만 아니라 원자로 용기에 넣어 동일한 균형을 사용합니다. 이 digestate, 물 비율 1:4을 유지합니다.
- 전에 공압식 프로펠러 교반기의 막힘을 방지하기 위해 수동 반응기 함량 저어 폐쇄. 반응기를 닫고 가로 50 nm의 힘으로 볼트를 조여 고정합니다.
- 다음 램프에 의해 반응을 설정 흡수 :
- 실온에서 15 분에서 30 ° C의 시작 온도에 도달.
- 230 ° C의 반응 온도에 가열 시간을 설정하면 100 분이다.
- 6 시간의 최종 반응 온도를 잡습니다.
- 유지 시간 6 시간 후, 실내 온도 230 ° C에서의 반응 15 시간 냉각.
- 전체 HTC 과정에서 30 rpm에서 반응기의 내용을 저어.
- 냉각 단계와 P 후 교반기의 전원을 끄고20 L 가스 가방에 가스를 촉구한다.
- 가스가 응축 트랩뿐만 아니라, 활성탄 필터를 통과 확인.
- 추가 분석을 위해 가스를 저장합니다.
- 가스 샘플링 후, 고온, 고압의 볼 밸브를 통해 용기에 용기로부터 슬러리를 배수하고 주변 0.5 mm의 기공 크기를 가진 메쉬를 통해 고를.
- 유체를 수집 및 공급 원료에 비해 HTC 생산 숯의 양을 결정하기 위하여 생성 된 HTC의 바이오 숯 용기를.
3. 원시, Digestate의 원소 분석 및 밀 밀짚의 HTC 바이오 숯
참고 : 어떤 고체 연료 분석을 위해, 원소 분석기 또는 CHONS 분석기가 자주 사용됩니다. 원자 탄소, 수소, 산소, 질소, 유황의 원소 조성이 분석으로부터 얻을 수있다. CHONS에서, 하나는 높은 발열량이나 연료의 에너지 값을 추정 할 수있다. 또한, 황 원자 함유량도되는 인도어연료의 품질을 먹었다. 이 연구에서, 원소 분석기는 HTC의 바이오 숯, 원시 밀 밀짚 및 digestate의 연료 값을 결정하는 데 사용됩니다. 분석기는 매우 작은 샘플 크기를 허용하기 때문에,보다 재현성 각 샘플보기 적어도 세 번 분석.
- 샘플 팬 (주석, 6 × 6 × 12 ㎜)에서, 원소 패키지의 특정 균형을 사용하여 텅스텐의 30 밀리그램 (VI) 산화물의 무게. 참고 : 이러한 균형의 정도는 일반적으로 1 μg이다. 텅스텐 (VI) 산화물은 원소 분석기에있는 촉매로 작동합니다.
- 건조 시료 5 ~ 10 mg의 무게와 같은 샘플 팬에 넣고, 혼합하고, 포장. 포장 샘플 팬의 크기는 약 2 × 2 × 5mm 3이어야한다.
- 오토 샘플러의 샘플을 놓습니다. 각 샘플의 위치를 기록하고이를 기준으로 원소 분석에서 술폰산을 사용
- 원소 분석기에 연결된 컴퓨터에서 바리오 소프트웨어를 시작의 온도 조건, 샘플 가스 흐름을 정의2 오븐 (2 오븐은 각각 1,150과 850 ° C에서이다). 그런 다음, autosampling의 위치에 따라 샘플의 이름을 정의합니다. 프로그램을 시작합니다. 기기가 자동으로 작동 분석을 수행하고, 컴퓨터에 그 결과를 저장한다.
주 : 원소 CHNS은 원소 분석기의 출력이며, 보통 컴퓨터 화면 상에 직접보고된다.
Representative Results
혐기성 소화
바이오 가스 실험은 UASS 시스템이 각각 중온 (37 ° C) 및 고온 (55 ° C) 동작에서 38 %와 메탄 형성 가능성의 50 %를 사용 할 수있는 것으로 나타났다. 연속 운전 200 일 중온 AD에서 121 L CH4 / kg VS (그림 4) : 고온 AD에서 UASS 시스템은 165 L CH4 / kg VS 평균 (휘발성 고체 VS)를 산출한다. 그 성능 값은 건조 원료 기준에 관련된 바이오 가스의 정성 및 정량 분석에서 계산되었습니다.
밀 밀짚 바이오 메탄 가능성은 각각 중온 작동 고온 및 244.2 L의 CH4 / kg VS위한 304.3 L의 CH4 / kg VS로 (VDI 가이드 라인 4630에 따라) 결정 및 그림 5에 제시 하였다0, 21. 품질의 측면에서, UASS에 의해 생성 된 바이오 가스는 41 %와 메탄의 61 % (그림 5) 사이에 포함.
digestate의 HTC
그림 6은 건조 짚, AD 밀짚에서 파생 된 건조 digestate, 그리고 HTC에 의해 건조 digestate에서 파생 된 HTC의 바이오 숯을 보여줍니다. 드라이 digestate 색상 만 약간 어두운 건조 짚, 비슷합니다. 이 작품의 경우, 고온 조건에서 digestate는 HTC 고려 하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 총 질량의 63 % digestate (표 1)에 남아있다. 드라이 HTC의 바이오 숯은 아마 인해 AD 동안 고온 성 미생물에 의해 단량체 및 간단한 고분자의 저하, 건조 원료 밀짚보다 가볍다.
그림 7은 소수성 행동, 그리고 HTC의 바이오 숯의 부드러움을 보여줍니다. HTC 동안 섬유의 결정 구조가 파괴되고 부드러운 비정질 CA 생산된다rbon 풍부한 HTC의 바이오 숯 16,17,28. 그것은 digestate 원시 짚 HTC 유래의 바이오 숯의 질량의 수율은 각각 43.4 % 및 38.3 %임을 표 1에서 볼 수있다. 고체 생성물은, HTC의 바이오 숯 12 매우 소수성이고; 그것은 오랜 시간 (13) 물과의 접촉에 머물 수 있습니다. 간신히 그것을 분쇄 할 수있는 압력을 필요로 또한 그것은 매우 소프트입니다. 이것은 팽창성 분쇄 단계를 없앨 수있는 석탄 대 전력 산업의 경우, 공급 원료의 부드러움을 유지하는 것은 매우 중요하다.
원소 분석
표 1에 제시된 원소 조성으로부터, 원소 탄소와 수소가 혐기성 소화 걸쳐 고체에 동일하게 유지하는 것을 알 수있다. HTC 중 원소 탄소의 증가와 수소 감소. 원소 질소 함량이 모두 소화 동안 증가되기 때문에, 원소 질소의 대부분은 고체로 남아 D의 HTC 프로세스. 밀 짚 황 추적하기 때문에, 황 원소의 농도는 결과에 표시되지 않습니다. 원소 산소 함량은 C, H를 감산하여 계산 한 N 100 %로부터도 공급 원료만을 CHONS 이루어져 가정하면, 표 1에 제시 하였다. 그것을 소화하는 동안 비슷한 유지하면서 산소 농도, HTC 동안 극적으로 감소했다.
그림 1. 기본 개념과 혐기성 소화의 단계.이 그림은 혐기성 소화의 기본 개념을 설명합니다. 이 그림에서, 혐기성 소화의 네 가지 일반적인 단계 (가수 분해, acedogenesis, acetogenesis 및 메탄)가 제공됩니다
g2highres.jpg "폭 ="500 "/>
그림 2. 혐기성 소화에 대한 실험실 규모의 UASS 반응기의 개략도이 UASS 반응기 시스템의 개략도이다. 여기 UASS 반응기 및 혐기성 필터 (AF)는 UASS 반응기에서 생산 된 지방산 AF 올 메탄이 생성되는 액체 흐름에 의해 접속 나타낸다. AF의 바닥에서, 다른 액체 스트림은 미생물 AF에서 UASS 반응기로가는 UASS에 그려집니다.
혐기성 소화와 HTC의 그림 3. 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스의 HTC의 (위) 개념, (아래)의 통합 개념 * 셀룰로오스가 될 것 부분적으로 24 반응. 이 블록도에서, 다른 섬유 성분 아임 계수에 접촉 및 C (HTC 바이오 숯으로 변환되어있는 것을 알 수있다OAL 타입).
혐기성 필터를 모두 고온 및 중온 조건에서 UASS 반응기에서 그림 4. 메탄 생산. 이러한 고온 및 중온 조건 모두에 대한 작업 210 일 UASS 반응기의 실험 결과입니다. Y-축 (VS) 휘발성 고체에 비해 수율 메탄 (CH4 L / kg VS) 동안 X 축은 작업의 일이다.
그림 5. 고온 및 중온 조건 모두에서 UASS 반응기에서 바이오 가스의 메탄 분획물. 이들은 모두 고온에서 운전 210 일 UASS 반응기의 실험 결과입니다D 중온 조건. Y-축이 바이오 가스에 메탄 분획 (%) 동안 X 축은 작업의 일이다. 주어진 값은 중복의 평균이다.
그림 6. (왼쪽에서 오른쪽으로) 드라이 밀 밀짚, 드라이 밀 밀짚 digestate, 밀 밀짚 digestate의 HTC 바이오 숯이.이 밀 밀짚의 다른 상태의 실시간 이미지입니다. 다음은이 그림에서, 혐기성 소화 (AD)과 HTC의 효과를 볼 수 있습니다. 이 HTC 후 분말이되어있는 동안 섬유 구조는 digestate 여전히 볼 수있다.
HTC의 바이오 숯의 그림 7. HTC의 바이오 숯의 소수성 (왼쪽), 파쇄 (오른쪽)
건조한 밀 밀짚 1 ㎏에서 AD-HTC를 통합하여 원료 밀 짚과 (아래) 바이오 에너지 잠재력 1 ㎏에서 혐기성 소화 (AD)에 의해 그림 8. (위) 바이오 에너지의 잠재력은.이 조합의 필요성을 평가하는 인물이다 개념. 블록 다이어그램은 원료에서 AD와 HTC에 의해 추출되는 에너지 양을 보여줍니다.
표 1. 원소 분석, HHV, 질량 수율 및 원료 밀 밀짚, digestate (고온), 및 해당 HTC의 바이오 숯의 섬유 분석. 문학 18,24 같이 HHV는 CHNS 조성물로부터 계산된다. 표 1은 원소 분석의 실험 결과이며, 질량 수율 AD 및 HTC 후에. 리그닌, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 반 스트 섬유 분석 [12]에 의해 측정됩니다. 참고 :. NA 분석되지 않은 이 테이블의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
UASS 원자로 도입에 기술 된 단점을 완화 할 수있다. 그러나, 개선의 여지가있다. 철수 공급 시스템과 digestate은 여전히 수동입니다. UASS 시스템은 문제가 60mm보다 큰 원료 처리에 직면 해있다. 그들은 액체에 걸쳐 뜨는 시스템은 섬유 원료와 잘 작동하지만, 동물 분뇨 및 슬러지와 같은 다른 원료는 UASS 시스템을 선호하지 않을 수 있습니다. UASS 시스템은 프로세스 액은 다시 반응기로 AF로 반응기로부터 순환되는 방식으로 설계된다. 그러나, 순환하는 액체에 고체도 2-5%들은 AF에 예금 또는 관의 입구를 차단하고 액체 순환을 방해하는 등 문제가 될 입증했다. 유리 지방산 및 질소의 생산답지 바이오 가스 생산에서 얻어진 미생물 시스템을 변경할 수있는 처리 액의 화학 분석이 중요하다. UASS 시스템은 강력하고, 어떤 뜻인지를 표시하지 않고 이상 2백일 실행할 수 있습니다문제를 NT. 기능 (AF)에 원자로 펌프에서 연결 관은 모든 다른 달에 교체해야합니다. 수조 내의 수위는 매주 검사하고 필요한 경우 재충전 될 필요가있다.
젖은 digestate의 HTC는 폐기물 처리뿐만 아니라 생산 고체 바이오 연료에 매우 효과적이다. 도 7에 나타낸 바와 같이 고체 생성물 dewateribility 또한 HTC 공정에 의해 용이하게 될 것이다. 그러나 digestate의 HTC가 digestate가 제거 바람직 당일, 가능한 빨리 수행 될 필요가있다. 그렇지 않으면, digestate는 HTC에 유리하지 않은, 생물학적의 성능이 저하되기 시작합니다. HTC는 높은 온도 (200-260 ℃) 및 고압 (20 ~ 50 줄) 과정, HTC의 절차를 통해 필요한 예방 조치이기 때문에 매우 중요합니다. 모든 연결들은 기밀 있는지 확인하기 위해 적어도 한 달에 한 번 확인합니다. HTC 처리 액은 높은 푸르 푸랄의 농도, 5-HMF, 페놀 공동이독성 물질로 평가된다 mpounds. 그래서, 그것은 HTC 프로세스 주류는 원자로 용기에서 다른 용기에 배출된다 특히, HTC의 처리 액을 처리하는 동안 얼굴에 마스크와 장갑을 사용하는 것이 좋습니다. HTC는 digestate 같은 젖은 원료를 처리하기위한 많은 장점을 가지고 있지만, 아직 배치 과정이다. 경제성 평가에서, HTC 일괄 처리 정당화하기 어려울 것입니다. 더 많은 연구가 이렇게 HTC의 연속 운전을 용이하게하기 위해 필요합니다.
원소 분석은 그러나 이종 기판에 대한 균일 한 고체 기판을위한 효과적인 방법입니다. 고체 바이오 연료는 분석기는 샘플 크기의 5 ~ 10 ㎎을, 그것은 적어도 세 복제하고 사용 평균을 수행하는 것이 좋습니다 수 있습니다 일반적으로 이종 원소이다. 원소 분석의 또 다른 제한은 높은 회분과 고체 기판을 측정한다. 원소 분석기는 CHONS을 측정하지 않으며, 다른 무기물. 따라서, 높은 재 고체 기판의 원소 분석은 R 그렇지 않습니다실제 CHONS 농도 eveal. 샘플 그렇지 않으면, 분석에 일관성이있을 것이다, 정확하게 포장 할 필요가 같은 원소 분석 샘플 준비는 매우 중요합니다. 고체 연료의 연료 가치 CHONS로부터 추정 될 수 있지만, 정확한 연료 값 검지 폭탄 열량계를 사용하는 것이 추천된다.
메탄의 약 92-161 L는 공급 휘발성 고체의 kg 당 생산되었다. 건조한 밀 밀짚의 고체 휘발성 고체 또는 유기 합계는 86.9 %였다. 드라이 digestate은 혐기성 소화 (22, 23) 중 다당류의 분해와 간단한 설탕 저하의 또 다른 표시이다 낮은 산소 원자와 수소 농도가있다. 또한, 낮은 H 및 O 농도는 digestate (24)의 HHV을 높일 수 있습니다. 건조 digestate의 HHV 건조 원료 공급 원료 22 % 이상 높은 수준이다. 비슷한 결과는 댄 폴 등 (23)에 의해 상세한 통계 분석을 얻을 수 있습니다.
혐기성 소화에서 Digestates 80-90 %의 물 (6)가 포함되어 있습니다. 이러한 친수성 물을 부분적으로 미생물 또는 식물 세포에 바인딩됩니다. digestates의 결과 탈수 또는 건조는 복잡하고 매우 에너지 집약적으로. 예를 들어, 건조 digestate 2 kg의 digestate 건조에 열을 20.7 MJ가 필요합니다 물 8kg (80 % 습식)를 바인딩합니다. 또한, 주위 조건에서 비교적 신속하게 바이오 저하 경향이 식물의 영양분을 상실하고 N 2 O와 CH 4 등의 온실 가스 (온실 가스) 배출량을 해제 할 수 있습니다. 따라서, 높은 에너지 잠재력에도 불구하고, 신선한 digestate은 고체 연료로 직접 사용할 수 없습니다. 그것은 바로 소화 20 후 건조해야합니다.
표 1로부터, 드라이 digestate 원시 빨대와 유사한 원자 탄소 함량을 가지고 보여 질 수 있으며 (도 6) 전 및 혐기성 소화 후의 시각 유사하다. 이 제안하는 리그닌 및 리그닌 박힌 셀룰로오스대부분 반응하지 않습니다. 그러나, 63 %의 질량 수율 처리 빨대를 의미하는 건조 원료 짚보다 37 % 가볍고, 관찰했다. 비슷한 원소 탄소 농도가 더 탄화가 혐기성 소화 22 일 동안 발생되지 않음을 의미합니다. 도 7에 도시 된 바와 같이, digestate에서 HTC 바이오 숯 (고온)는 매우 안정적이고 부드러운. 때문에 소수성의 상당한 증가, 그것은 말 그대로 12,25가 영향을받지는 물리적, 화학적 구조없이 개월 물 속으로 잠수 할 수 있습니다. 소수성은 HTC의 바이오 숯 (14)의 탈수를 향상시킵니다. 밀짚의 구조는 셀룰로오스가 반응했을 수 있습니다 즉, 더 이상 HTC의 바이오 숯에 뚜렷한 없습니다. 중요한 탄화 산소 원자의 감소와 함께 HTC의 바이오 숯에서 관찰된다. 이 셀룰로오스가 아니라 리그닌보다 반응하는 또 다른 표시이다. 리그닌의 탄소 원자 농도는 셀룰로오스 24-29보다 훨씬 높다. 그 결과, HTC의 생화학 등Ar은 각각 원시 밀짚보다 61 % 더 높은 건조 digestate보다 32 % 높은 29.6 MJ / kg의 HHV을 가지고 있습니다.
HTC 처리 짚 HHV는 HTC 처리 밀짚 digestate (29.6 MJ / kg)의 그것과 유사하다 28.8 MJ / kg이다. 그러나, 대량 수율은 원료 공급 원료에 비교와 HTC의 digestate보다 HTC 빨 40.7 % 높은 수준이다. 원시 짚 (18.4 MJ) 1 ㎏을 열수 탄화하면 결과적으로, HTC 짚 바이오 숯은 11.0 MJ의 가능성이있을 것이다. 같은 양의 digestate (8.0 MJ)에서 바이오 메탄 (5.2 MJ)과 HTC 바이오 숯의 형태로, AD와 HTC, 총 13.2 MJ의 바이오 에너지에 적용되는 경우, 그렇지 않으면, (그림 8)을 제조 할 수있다. 또한 UASS 프로세스의 액상 전위 액체 비료이다. 또한, HTC의 바이오 숯은 고 부가가치 소재 사용에 높은 가능성이 토양 개정으로 사용할 수 있습니다. 보기의 탄소 격리 또는 탄소 순환 포인트, HTC의 바이오 숯의 소재 사용이 더 가능하다 에너지 생산. </ P>
열수 탄화와 함께 혐기성 소화는 개별 프로세스보다 더 많은 바이오 에너지를 얻을 수 있습니다. 그러나, 캐스케이드 디자인은 향상된 효율성을 위해 필요하다. 경제성 평가에 따라 전체 에너지 균형은,이 과정을 확인하는 데 필요합니다. 미래 연구는 HTC 술의 사용과 HTC의 바이오 숯의 후 처리 (생화학)를 포함해야한다. 또한, UASS과 HTC 시스템 모두의 자동화가 필요합니다. 본 연구는 실험실 스케일 UASS 및 HTC 반응기를 사용하여 수행되었지만, 프로세스가 상용화 될 경우 공정의 규모 확대가 필요하다.
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).
