Summary
En roman Upflow Anaerob Solid State (UASS) reaktoren ble brukt til biogassproduksjon fra fiberholdig råstoff. Biorest fra UASS reaktoren ble hydrothermally karbonisert inn HTC biokull i en trykk batch reaktor. Integrasjonen av de to bioenergi begrepene ble brukt i denne studien er å øke den samlede produksjonen av bioenergi.
Abstract
Lignocellulose biomasse er en av de mest tallrike, men dårlig utnyttede fornybare energiressurser. Både anaerob fordøyelse (AD) og hydrotermale karbo (HTC) er lovende teknologier for bioenergiproduksjon fra biomasse i form av biogass og HTC biokull, henholdsvis. I denne studien, er kombinasjonen av AD og HTC foreslått å øke den samlede produksjonen av bioenergi. Hvetehalm ble anaerobisk digerert i en roman oppstrøms anaerob fast tilstand reaktoren (UASS) i begge mesofile (37 ° C) og termofile (55 ° C) betingelser. Våt fordøyd fra termofile AD ble hydrothermally forkullet ved 230 ° C i 6 timer for HTC biokull produksjon. Ved termofile temperaturer, gir den UASS systemet et gjennomsnitt på 165 L CH4 / kg VS (VS: flyktige faste stoffer) og 121 L CH4 / kg VS ved mesofile AD løpet av den kontinuerlige driften av 200 dager. I mellomtiden, 43,4 g HTC biokull med 29,6 MJ / kg dry_biochar var OBTained fra HTC av 1 kg biorest (tørr basis) fra mesofile AD. Kombinasjonen av AD og HTC, i dette spesielle sett av eksperimenter ga 13,2 MJ energi per 1 kg tørr halm, som er minst 20% høyere enn HTC alene og 60,2% høyere enn kun AD.
Introduction
Finne fornybare og bærekraftige energikilder er store bekymringer i verdens energisektoren. Nylig rapporterte FN at opptil 77% av verdens energi i 2050 vil bli forventet fra fornybare kilder en. Lignocellulose biomasse som halm, gress, ris skrog, maiskolbene har ingen konflikter med mat kontra drivstoff problemet. Dessuten er biomasse sannsynligvis den eneste fornybare energikilden med strukturelle karbon, sammenlignet med andre fornybare energikilder som vind, sol og vann to. Imidlertid håndtering egenskaper, lavere romvekt, høyt askeinnhold og lavere energiinnhold hindrer bruken av lignocelluloseholdig biomasse for energiproduksjon 2.
Anaerob fordøyelse (AD) er en av de viktigste eksempler på fremstilling av bioenergi fra avfalls biomasse. Tre Generelt er det fire degraderings trinn involverer i anaerob nedbrytning som vist i figur 1. 4. (figur 2) 4. Spontan faststoff-væske-separasjoner er en av de betydelige fordeler ved UASS, siden utformet letter biogass bobler til å løfte ikke-reagerte faste reststoffer oppover 5. Dette eliminerer bruken av røreverket og derfor reduserer forbruket av kraft på stedet. Videre sikrer væskesirkulasjonsfordelingen av mikroorganismer og metabolitter i hele reaktoren, så vel 5. Sammenlignet med solide biodrivstoff, er biogass lettere å håndtere, og etterlater liten eller ingen rester. Faktisk er den spesifikke energitetthetav biogass er flere ganger høyere rå biomasse fire. Men favoriserer AD enkle polysakkarider som stivelse, fettsyrer, og hemicellulose en. Som et resultat av cellulose og lignin, hoveddel av fibrøse lignocelluloseholdige biomassen som hvetehalm, forblir som et fast stoff digestate etter 5 AD. Selv om biogassproduksjon varierer fra råstoff, type mikroorganismer, reaksjonstemperatur, og reaksjonstiden, er en enorm mengde biorest vanligvis produsert.
Når biogassen anvendes som energikilde, blir digestates (opptil 90% vann) vanligvis lagret i en gjærings rest-depot for å samle gjenværende metan. Etterpå disse er tørket og spredt på dyrket mark for å forbedre jordens fruktbarhet og vannretensjon kapasitet. Høy uorganisk innhold ofte hindre biorest direkte for drivstoff, som store mengder slagg kan korrodere utstyret seks. Hydrotermale karbo (HTC) er en termokjemisk behandling prosess, spesielt designet for vått. råstoff, der biomasse (med 80 til 90% vann) blir varmet opp til 200-260 ° C ved vannmetningstrykk og hold i 0,5 til 6 timer (figur 3) 7,8 kritisk vann har maksimalt ionisk produktet ved 200 - 260 ° C, noe som betyr at vann under disse betingelser er reaktiv, og oppfører seg som en mild syre og en svak base for samtidig ni. Hemicellulose, sammen med andre ekstraktiver, nedbrytes i området rundt 180 til 200 ° C, mens cellulose reagerer rundt 220 til 230 ° C, og lignin reagerer ved relativt høyere temperaturer (> 250 ° C), men mye langsommere enn cellulose og hemicellulose 10.. På grunn av betydelig dehydrering og dekarboksylering, HTC resultater solid produkt som heter HTC biokull, med masse yield (tørr HTC biokull / tørrfôr) på 40-80%, brennevin som inneholder karboksylsyrer, furan derivater, fenoliske stoffer og sukker monomerer, og 5 - 10% CO 2 rik gass produkt 11. Under HTC, oksygen inneholder flyktige stoffer er betydeligreduseres og dermed igjen en karbon-rik, fast stoff. HTC biokull er også stabil, hydrofobe, og friable sammenligne med rå fuktig råstoff 12,13. På grunn av sine hydrofobe egenskaper, dewateribility av HTC biokull øker flere ganger i forhold til rå biorest eller rå biomasse. 14-18 Videre har HTC biokull drivstoff verdier tilsvarende brunkull kull 16,17. Men, cellulose og lignin delvis brytes ned i HTC miljø 18.
Nå hemicellulose og cellulose i biomassen bidra til biogass ved AD, mens cellulose-og lignin hovedsakelig bidrar til god HTC biokull 4,5. Således kan en kombinasjon av AD-HTC potensielt øke generell bioenergi utbytte. Hoffmann et al. Simulert en tilsvarende kombinasjon, men ved hjelp av AD og HTL (hydrotermal LNG) i stedet for AD-HTC 19. HTL er en vanlig metode for kondensering av biomassefraksjon og flytende produkt har høy brennverdi [43,1 MJ / kg]. Men HTL requIRES svært høyt trykk (250 bar) sammenlignet med HTC (10-50 bar), hvilket innebærer en høy installasjon og driftskostnader enn HTC. Igjen, kan kombinasjonen sekvens av AD og HTC bli avhørt som Wirth et al. Nylig rapportert AD av HTC prosess væske 20. Men en effektiv AD avhenger av sukkerkonsentrasjonen i de råmaterialer. Sukker i HTC prosess væske, produsert under hydrolyse, ofte nedbrytes raskt i henhold til underkritisk vann. Det er derfor AD før HTC er mer gunstig med tanke på bioenergi. Imidlertid kan AD av HTC prosess væske produsere ekstra bioenergi, i så fall, ville kombinasjonen sekvensen være AD-HTC-AD.
Målet med arbeidet var å vurdere integrering av AD og HTC prosesser for produksjon av bioenergi (figur 3). Den biogassproduksjon potensialet for varmekrevende og mesofile AD fra UASS reaktoren ble evaluert ved en kontinuerlig drift av mer enn 200 dager. Deretter HTC biokull produksjon fROM biorest ble også studert. Den masse og energibalanse i kaskade AD-HTC ble utført og sammenlignet med de enkelte prosesser.
Protocol
En. Anaerob Fordøyelse av hvetehalm
Merk: For anaerob fordøyelsen i 39 L UASS reaktorer, bruke 5-65 mm lange rå halm koteletter som fôr. Det organiske tørrstoffinnholdet i råmaterialet i dette forsøk var 85,9%, og rå fiberfraksjon var 46,3%. De UASS reaktorer er laget av rustfritt stål med et inspeksjonsvindu laget av akrylglass. To 30 L anaerobt filter (AF) er kombinert med hver 39 l UASS reaktoren. AFS er bygget av gjennomsiktig akrylglass. Den skjematiske av reaktorsystemer er vist i figur 2 og arkitektonisk utforming som er beskrevet andre steder 4.. Detaljer om inoculating og starte opp reaktorene er gitt andre steder 5.
- Fyll hver AF med 325 tønneformet polyetylen biofilmbærere.
Merk: De biofilmbærere som benyttes har et areal på 305 m 2 / m 3. - Sett vannpumper for prosessvæskesirkulasjoni begge mesofile og termofile reaktorer for en strømningshastighet på 1,15 l / time.
- Sett varmebad til ønsket reaktorens nivå temperatur, 37 ° C i det mesofile og 55 ° C for termofil reaktoren.
- For daglig foring av UASS reaktorer, veier 120 g FM av hvetehalm (= 99,5 g VS) for hver reaktor for å oppnå en organisk lasterate på 2,5 g VS / L · dag.
- Åpen UASS 'materøret og fjerne stempelet.
- Hell halm inn i den diagonal foringsrøret og skyver den inn i reaktorens bunn ved hjelp av matestempel. Derfra vil halmen flyte opp mot en sil og danner solid-state seng.
- Rengjør tetningsflaten for å være sikker, er det gasstett og deretter lukke materøret.
- Pumpene vil kjøre kontinuerlig, formidle 1,2 L / t prosess brennevin gjennom reaktorsystemet (UASS og AF).
- Mål biogass flyt kontinuerlig ved hjelp av tromme-type gass Meters og lagrer i en 20 L gass bag.
Merk: Lag en avkjørsel fra gasspose til biogass analysatorer. I biogass analysator, er CH 4, H 2 S, O 2, CO 2, og H 2 målt. Først biogass må passere tre forskjellige filtre for å fjerne fuktighet og andre giftige forbindelser som er skadelige for detektoren. Instrumentet må kalibreres en gang i uken for nøyaktig biogass sammensetning. - Mål biogass sammensetning regelmessig med en industriell biogass analysator. Merk: biogass analysatorer kan bare måle biogass når biogass posen er minst halvfull. For måling av biogass sammensetning, ventilen på gass posen må åpnes og vente på den stadige biogass sammensetning (det tar ca 20-30 sek).
- For prosesskontroll, måle pH og temperatur på nettet ved hjelp installert pH-meter og termometer.
- Fjern ca 3 kg av biorest (80-90% våt) en gang i uken, noe som gir et tørrstoff oppholdstid (SRT) of 2-3 uker. Bruk denne biorest som fôr til HTC prosess. Biogassen som produseres etterpå er tilstrekkelig til å ekstrudere en hvilken som helst luft-og etablere anaerobe betingelser i løpet av få timer.
- Analyser prosess brennevin og biorest på en ukentlig basis for sine kjemiske egenskaper (pH, EC, TS, VS, fettsyrer, CHNS, ammoniakk, sporstoffer og fiber).
2. Hydrothermal Semente of Wheat Straw biorest
Merk: For hydrotermisk karbonisering av digestate fra trinn 1, en 18 l omrørt batch reaktor anvendes. Den kontrollerende og timing av prosessen skjer via reaktor kontrolleren 4848 og programvaren SpecView 32 849, kjører på en datamaskin. I programmet kan reaktortemperaturen, varmekappe temperatur, trykk, og omrøringshastigheten bli vist. Videre program for prosessparametre (start temperatur, innstilt temperatur, oppvarming rate, røring rate) kan stilles inn for hver HTC eksperimenter.
- Vei 2,5 kgav halm digestate ved hjelp av en balanse med nøyaktighet på 0,1 g og overføres til reaktorbeholderen.
- Bruk samme balanse for å måle 10 kg sminke vann, og hell den i reaktortanken også. Dette vil opprettholde biorest, vann forholdet 1:04.
- Før pneumatisk lukking, røre manuelt reaktoren innhold for å hindre blokkering av propellrører. Lukk reaktoren og fest den ved tvers stramme boltene med en kraft på 50 Nm.
- Sett reaksjonen ved følgende rampe suge:
- Nå starttemperatur på 30 ° C i 15 min fra romtemperatur.
- Sett oppvarmingstiden for reaksjonstemperatur på 230 ° C er 100 min.
- Hold den endelige reaksjonstemperatur i 6 timer.
- Etter 6 timers for holdetid, avkjøles reaktoren 15 timer fra 230 ° C til romtemperatur.
- Omrør reaktorinnholdet ved 30 rpm i løpet av hele HTC prosessen.
- Stans omrører etter avkjøling fase og ptrang gass i en 20 L gasspose.
- Kontroller at gassen passerer gjennom en kondensatfelle, så vel som et aktivert karbon-filter.
- Oppbevar gass for videre analyse.
- Etter at gassprøver, drenere slurryen fra fartøyet til en beholder gjennom en høytemperatur, høytrykks-kuleventil, og deretter filtrere det gjennom en maske med en porestørrelse på omkring 0,5 mm.
- Samle væsken og kalibrer produsert HTC biokull for å bestemme mengden av HTC-produsert røye i forhold til råstoff.
Tre. Elemental Analyse av Raw, biorest, og HTC Biokull of Wheat Straw
Merk: For alle fast brensel analyse, er en elementær analysator eller Chons analysator ofte brukt. Kan fås Den elementære sammensetning av atomært karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen og svovel fra denne analysen. Fra Chons, kan man beregne det høyere varmeverdi eller energiverdien av brennstoffet. Videre vil atomsvovelinnhold også indiskspiste kvaliteten på drivstoffet. I denne studien, vil en elementær analysator brukes til å bestemme den brennverdi på HTC biokull, rå hvetehalm og biorest. Som analysatoren tillater bare en svært liten utvalgsstørrelse, analysere hver prøve minst tre ganger for bedre reproduserbarhet.
- I et eksempel pan (tinn, 6 x 6 x 12 mm), veier 30 mg av wolfram (VI) oksyd ved hjelp av den spesifikke balanse i elementpakken. Merk: Presisjonen av en slik balanse er vanligvis 1 mikrogram. Wolfram (VI)-oksyd virker som en katalysator i den elementære analysator.
- Vei 5-10 mg tørrprøve og satt inn i den samme prøve pan, blandes, og vikle den. Den innpakket prøven pan størrelse bør være rundt 2 x 2 x 5 mm 3.
- Plasser prøven i autosampler. Legg merke til at plasseringen av hver prøve og bruke sulfonsyre i denne elementanalyse som referanse
- Start Vario programvare i datamaskinen er koblet til Elemental analysator, definere forholdene, prøver gasstrømmen, temperaturer på2 ovner (de to ovnene er på 1150 og 850 ° C, henholdsvis). Deretter definerer eksempel navn i henhold til autosampling posisjoner. Start programmet. Maskinen fungerer automatisk, utfører analysen, og lagrer resultatene i datamaskinen.
Note: Elemental CHNS er resultatet av de elementære analysator og vanligvis meldes direkte på dataskjermen.
Representative Results
Anaerob nedbrytning
Biogassen eksperimenter viste at UASS system er i stand til å utnytte 38% og 50% av metandannende potensiale ved mesofile (37 ° C) og varmekrevende (55 ° C) drift, respektivt. På varmekrevende AD, gir den UASS systemet et gjennomsnitt på 165 L CH4 / kg VS (VS: glødetap) og 121 L CH4 / kg VS ved mesofile annonse for en 200 dager med kontinuerlig drift (figur 4). Disse ytelsesverdier er beregnet på grunnlag av den kvantitative og kvalitative analyser av biogassen som er relatert til den tørre råstoff-basis.
Den biometan potensial for hvete halm ble bestemt (etter VDI Guideline 4630) til å være 304,3 L CH4 / kg VS for varmekrevende og 244,2 L CH4 / kg VS for mesofile drift, henholdsvis, og presentert i figur 50; 21. Når det gjelder kvalitet, biogass produsert av UASS inneholdt mellom 41% og 61% av metan (figur 5).
HTC biorest
Figur 6 viser tørr halm, tørr biorest avledet fra halm av AD, og HTC biokull avledet fra tørr biorest av HTC. Tørr biorest ligner på tørr halm, som er bare litt mørkere i fargen. For dette arbeidet ble biorest fra termofile forhold anses for HTC. Som vist i tabell 1, 63% av den totale massen forblir i digestate (tabell 1). Tørr HTC biokull er lettere enn tørr rå halm, sannsynligvis på grunn av nedbrytning av monomerer og enkle polymerer av termofile mikroorganismer under AD.
Figur 7 viser den hydrofobe atferd, og mykhet av HTC biokull. Under HTC, blir den fibrøse krystallinske strukturer ødelagt og produserer en myk amorf carbon rike HTC biokull 16,17,28. Det kan ses fra tabell 1 at massen utbyttet av digestate og rå halm avledet HTC biokull er 43,4% og 38,3%, respektivt. Det faste produkt, er HTC biokull meget hydrofobe 12; det kan holde kontakt med vann over en lengre tid 13. Også det er veldig myk, så det krever knapt noe press for å pulverisere det. For kull-til-kraftbransjen, opprettholde mykhet av råstoff er svært viktig, da dette kan eliminere de ekspansive pulverisere trinnene.
Elementæranalyse
Fra elementær sammensetningene angitt i tabell 1, kan det sees at elementært karbon og hydrogen er de samme i den faste hele anaerob nedbrytning. Elementært karbon øker og hydrogen reduseres under HTC. Mesteparten av elementært nitrogen forblir i den faste siden elementært nitrogen-innholdet øker i løpet av både fordøyelse en d HTC prosesser. Ettersom svovel i hvetehalm er spor, er konsentrasjonen av elementært svovel ikke vist i resultatene. Elementæroksygeninnhold ble beregnet ved å trekke fra C, H, N og 100%, og også presentert i Tabell 1, under forutsetning av at råstoffet består av Chons kun. Oksygenkonsentrasjonen sank dramatisk i løpet av HTC, mens det fortsatt er lik under fordøyelsen.
Figur 1. Grunnleggende konseptet og trinn på anaerob fordøyelsen. Dette tallet beskriver de grunnleggende begrepene anaerob fordøyelsen. I denne figur er fire generelle trinn (hydrolyse, acedogenesis, acetogenesis og methanogenesis) for anaerob gjæring frem
g2highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 2:. Skjematisk fremstilling av laboratorieskala UASS reaktor for anaerob nedbrytning Dette er skjematisk av UASS reaktorsystemet. Her UASS reaktoren og anaerobe filter (AF) er vist forbundet med en væskestrøm, hvor fettsyrer produsert i UASS reaktoren kommer til AF og metan produseres. Fra bunnen av AF, en annen væskestrøm trukket til UASS, hvor mikroorganismer går fra A til F til UASS reaktoren.
Figur 3. (Øverst) Concept of HTC av lignocellulose biomasse, (nederst) integrering begrepet anaerob fordøyelsen og HTC * cellulose vil være delvis reagerte 24. I dette blokkskjema, kan det ses at forskjellige fiberkomponenter kommer i kontakt med underkritisk vann og blir omdannet til HTC biokull (Coal type).
Fig. 4. Metan produksjon fra UASS reaktoren i begge termofile og mesofile betingelser med det anaerobe filter. Dette er eksperimentelle resultater av UASS reaktoren for 210 dagers drift for begge termofile og mesofile betingelser. X-aksen er dagers drift, mens Y-aksen er metanutbyttet (L CH4 / kg VS) sammenlignet med flyktig fast stoff (VS).
Figur 5. Metan brøkdel av biogass fra UASS reaktoren i både varmekjære og mesofile forhold. Disse er eksperimentelle resultatene av UASS reaktoren for 210 dagers drift under både varmekjære end mesofile forhold. X-aksen er dagers drift, mens Y-aksen er den metanfraksjon (%) i biogass. Verdier oppgitt er gjennomsnitt fra duplikater.
Figur 6. (Venstre til høyre) Tørr halm, tørr halm biorest, og HTC biokull av hvetehalm biorest. Dette er den reelle tiden bildet av de forskjellige tilstander av hvetehalm. Her i denne figur, kan effekten av anaerob nedbrytning (AD) og HTC være synlig. Den fiberstrukturen er fortsatt synlig i biorest, mens det blir pulver etter HTC.
Figur 7. Hydrofobitet av HTC biokull (til venstre), friability av HTC biokull (høyre)
Figur 8. (Øverst) Bioenergi potensial ved anaerob nedbrytning (AD) fra 1 kg rå hvetehalm og (nederst) bioenergi potensial ved å integrere AD-HTC fra 1 kg tørr halm. Dette er et tall for å vurdere nødvendigheten av kombinasjonen konsepter. Den blokkdiagram viser hvor mye energi som utpakking av AD og HTC fra råstoff.
Tabell 1. Elemental analyse, HHV, masse yield, og fiber analyse av rå hvetehalm, biorest (varmekjære), og tilsvarende HTC biokull. HHV beregnes fra CHNS sammensetning som vist i litteraturen 18,24. Tabell 1 viser de eksperimentelle resultatene av elementanalyse og masse utbytte etter AD og HTC. Lignin, cellulose og hemicellulose er målt ved van Soest fiber analyse [12]. Merk:. Na er ikke analysert Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne tabellen.
Discussion
UASS reaktorer er i stand til å redusere svakhetene diskutert i innledningen. Det er imidlertid mye rom for forbedring. Fôringssystem og biorest uttak er fortsatt manuell. Den UASS systemet står overfor problemer med å håndtere råstoff større enn 60 mm. Systemet fungerer bedre med fiber råstoff som de flyter over væsken, men andre råmaterialer som husdyrgjødsel og slam kan ikke favorisere UASS system. Den UASS Systemet er utformet på en slik måte at prosessvæske sirkulerer fra reaktoren til af til reaktoren på nytt. Det ble til og med 2-5% faststoff i den sirkulerende væsken vist seg å være problematisk, da de innskudd i AF eller blokkere inngangen røret og hindrer væskesirkulasjon. Kjemisk analyse av fremkallervæske er viktig, da produksjonen av fri fettsyre og nitrogen kan endre den mikrobielle system resulterer i ukarakteristisk biogassproduksjon. Den UASS systemet er robust, og kan kjøre mer enn 200 dager uten å vise noen significant problemer. Rørene kobler fra pumpene til reaktorene til AFs må byttes hver alternative måned. Vannstanden i vannbad må kontrolleres på en ukentlig basis, og etterfylt om nødvendig.
HTC av våt biorest er svært effektiv for avfallsbehandling samt produsere solid biodrivstoff. Den dewateribility av det faste produkt vil også bli lettere ved HTC prosessen som vist i figur 7. Imidlertid må HTC av digestate som skal utføres så snart som mulig, fortrinnsvis på samme dag som den digestate fjernes. Hvis ikke, startes digestate nedbryte biologisk, noe som ikke er gunstig for HTC. Som HTC er en høy temperatur (200-260 ° C) og høyt trykk (20-50 bar) prosess, idet det nødvendige forholdsregler i hele HTC prosedyren er svært viktig. Alle tilkoblinger er sjekket minst en gang i måneden for å sørge for at de er gasstett. HTC prosessvæsken har en høyere konsentrasjon av furfural, 5-HMF og fenolisk kompounds, som er vurdert som miljøgifter. Så, er det anbefalt å bruke en ansiktsmaske og hansker ved håndtering av HTC prosess væske, spesielt når HTC prosess brennevin tappes fra reaktortanken til en annen container. Selv om HTC har mange fordeler for håndtering av vått råstoff som biorest, er det fortsatt en batch prosess. I en økonomisk vurdering, vil HTC batch prosessen være vanskelig å rettferdiggjøre. Mer forskning er derfor nødvendig å legge til rette for kontinuerlig drift av HTC.
Elementæranalyse er en effektiv metode for homogene faste underlag, men ikke for heterogene substrater. Som fast biobrensel er vanligvis heterogen og elementær analysator tillater bare 5-10 mg av utvalgsstørrelse, anbefales det å utføre minst tre gjentak og bruk gjennomsnittet. En annen begrensning av elementanalyse måler faste underlag med høyt askeinnhold. Elemental analysatorer bare måle Chons, og ingen andre uorganiske partikler. Så, elementanalyse av høy aske faste underlag kanskje ikke reveal selve Chons konsentrasjoner. Prøveopparbeidelse i elementær analyse er viktig, som prøve trenger å bli pakket presist, ellers vil det være en inkonsekvens i analysene. Fuel verdien av fast brensel kan estimeres fra Chons, men det anbefales å bruke en bombe kalorimeteret for presis drivstoffverdiberegning.
Om 92-161 L av metan ble produsert per kilo volatile solid i fôret. Det flyktige faste eller organisk totale faststoff av den tørre hvetehalm var 86.9%. Tørr digestate har lavere atomært oksygen og hydrogen-konsentrasjon, som er en annen indikasjon på nedbrytning av polysakkarider og enkle sukker nedbrytning under anaerob nedbrytning 22,23. Videre lavere H, og O-konsentrasjoner øker HHV av digestate 24.. HHV tørr biorest er 22% høyere enn tørr rå råstoff. De tilsvarende resultater oppnås med en detaljert statistisk analyse av Pohl et al 23..
Digestates fra anaerob nedbrytning inneholder 80-90% vann 6. Disse er hydrofile og vann er delvis bundet i mikrobielle-eller planteceller. Som et resultat av awanning eller tørking av digestates er tungvint og meget energikrevende. For eksempel, 2 kg tørr digestate binder 8 kg vann (80% våt), noe som krever 20,7 MJ for varme for å tørke digestate. Dessuten pleier det å bio-degradere relativt raskt i omgivelsene, mister plantenæringsstoffer, og utgivelser klimagass (klimagass) utslipp som N 2 O og CH 4. Derfor, til tross for høyere energipotensial, frisk digestate kan ikke brukes direkte som et fast brensel. Det ville være nødvendig å tørkes rett etter fordøyelse 20..
Fra tabell 1 kan det vises at den tørre digestate har en tilsvarende atom-karboninnhold som rå halm, og de er visuelt likt før og etter anaerob nedbrytning (figur 6). Dette tyder på at lignin og lignin besatte celluloseer for det meste ureagert. Men en masse yield på 63% observert, noe som betyr behandlet halm er 37% lettere enn tørr rå halm. Lignende elementært karbon konsentrasjon betyr ingen karbo skjedde under anaerob fordøyelsen 22. Som vist på figur 7, er HTC biokull fra digestate (termofil) meget stabil og myk. På grunn av den betydelige økning i hydrofobisitet kan det bokstavelig talt senke ned i vann i flere måneder uten at det er fysisk og kjemisk struktur som blir påvirket 12,25. Den hydrofobitet forbedrer også lensing av HTC biokull 14. Oppbygging av halm er ikke merkbar i HTC biokull lenger, noe som betyr at cellulose kan ha blitt reagert. En betydelig karbonise er observert i HTC biokull sammen med reduksjonen av atomært oksygen. Dette er en annen indikasjon på cellulose som blir reagert i stedet for lignin. Atom carbon-konsentrasjonen i lignin er mye høyere enn den for cellulose 24-29. Som et resultat, HTC Biochar har en HHV på 29,6 MJ / kg, noe som er 61% høyere enn rå halm og 32% høyere enn tørr biorest, henholdsvis.
HHV av HTC behandlet halm er 28,8 MJ / kg, som også er lik som HTC behandlet halm biorest (29,6 MJ / kg). Men er masse avkastning 40,7% høyere i HTC strå enn HTC biorest med å sammenligne med rå råstoff. Som et resultat, hvis 1 kg rå halm (18,4 MJ) er hydrotermisk karbonisert, vil HTC halm biokull har potensial på 11,0 MJ. Ellers, hvis samme beløpet er brukt til AD og HTC, totalt 13,2 MJ bioenergi, i form av biometan (5,2 MJ) og HTC biokull fra biorest (8,0 MJ), kan produseres (Figur 8). Dessuten er væskefase UASS prosessen en potensiell flytende gjødsel. Videre kan HTC biokull har høyere potensial på høy verdi materialbruk eller bruke som jord endring. For karbonbinding eller karbonsyklusen synspunkt, er mer gjennomførbart material bruk av HTC biokull at energiproduksjon. </ P>
Anaerob fordøyelsen kombinert med hydrotermale karbo kan gi mer bioenergi enn de enkelte prosesser. Imidlertid er en kaskade utforming som er nødvendig for bedre effektivitet. Den samlede energibalanse, etterfulgt av en økonomisk vurdering, er nødvendig for å validere denne prosessen. Fremtidig forskning bør inkludere bruk av HTC brennevin og etterbehandling (kjemisk eller biologisk) av HTC biokull. Dessuten vil automatisering av både UASS og HTC systemer være nødvendig. Denne studien ble gjennomført på ved hjelp av en lab-skala UASS og HTC reaktoren, men oppskalering av prosessen ville være nødvendig hvis prosessen er å bli kommersialisert.
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).
