Waiting
Login processing...

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

Environment

Оценка комплексного анаэробного сбраживания и гидротермальной карбонизации для биоэнергетики производства

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

Summary

Роман с восходящим потоком Анаэробные государства (БАС) реактор Твердое вещество используется для производства биогаза из волокнистого сырья. Дигестата от UASs реактора гидротермальной обугленные в HTC биоугля в реакторе под давлением. Интеграция двух биоэнергетических понятий был применен в данном исследовании для повышения общей производства биоэнергии.

Abstract

Лигноцеллюлозной биомассы является одним из наиболее распространенных еще недостаточно используемых возобновляемых энергоресурсов. Оба анаэробного сбраживания (AD) и гидротермальный коксования (HTC) являются перспективными технологиями для производства биоэнергии из биомассы с точки зрения биогаза и HTC биоугля соответственно. В этом исследовании, сочетание БА и HTC предлагается увеличить общую производства биоэнергии. Солому пшеницы в анаэробных переваривается в романе с восходящим потоком анаэробного твердотельный реактора (БАС) в обоих мезофильных (37 ° С) и термофильных (55 ° C) условиях. Влажный переваривают с термофильных AD подвергали гидротермальной карбонизации при 230 ° С в течение 6 часов для производства HTC биоугля. В термофильных температуры, система UASs дает в среднем 165 л / кг CH4 VS (VS: летучих твердых частиц) и 121 л / кг CH4 VS в мезофильных AD над непрерывной работы 200 дней. Между тем, 43,4 г HTC биоугля с 29,6 МДж / кг dry_biochar был ОБТained от HTC 1 кг дигестата (на сухое вещество) от мезофильных нашей эры. Сочетание БА и HTC, в данном конкретном наборе эксперименте выход 13,2 МДж энергии на 1 кг сухой пшеничной соломы, которая по меньшей мере на 20% выше, чем только HTC и 60,2% выше, чем только н.

Introduction

Нахождение возобновляемых и устойчивых источников энергии являются основными проблемами в энергетическом секторе в мире. Недавно, сообщает ООН, что до 77% энергии в мире в 2050 году, как ожидается из возобновляемых источников 1. Лигноцеллюлозной биомассы, таких как солома, травы, рисовая шелуха, кукурузные початки не имеют конфликтов с едой против выпуска топлива. Кроме того, биомасса, пожалуй, единственный возобновляемый источник энергии с конструкционной углеродистой, по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии, такие как ветер, солнечная энергия, и воды 2. Тем не менее, характеристики управляемости, ниже насыпная плотность, высокое содержание золы, и низкое содержание энергии препятствуют использованию лигноцеллюлозной биомассы для производства энергии 2.

Анаэробные пищеварения (AD) является одним из главных примеров производства биоэнергии из отходов биомассы. 3 В общем, есть четыре шага деградации привлечь к анаэробного сбраживания, как показано на рисунке 1 4 (рис. 2) 4. Спонтанные твердое тело-жидкость разделения является одним из значительных преимуществ UASs, так как предназначен облегчает биогаза пузыри, чтобы поднять непрореагировавшие твердые остатки вверх 5. Это исключить использование мешалкой и поэтому снижает потребление на месте власти. Кроме того, циркуляция жидкости обеспечивает распределение микроорганизмов и метаболитов по всему реактору, а также 5. По сравнению с твердого биотоплива, биогаза проще в обращении, и оставляет мало или без остатка. В самом деле, удельная плотность энергиибиогаза в несколько раз выше сырой биомассы 4. Тем не менее, AD способствует простые полисахариды, такие как крахмал, жирные кислоты, и гемицеллюлозы 1. В результате, целлюлозы, лигнина и, большая часть волокнистых лигноцеллюлозных биомассы, таких как пшеничная солома, остается в виде твердого вещества дигестата после 5 н. Хотя, производство биогаза зависит от сырья, типа микроорганизмов, температуры реакции и времени реакции, огромное количество дигестата обычно получают.

В то время как биогаз используется для получения энергии, digestates (до 90% воды), как правило, хранится в ферментации вычетов-депо для сбора оставшихся выбросов метана. После этого они сушат и выкладывать на пахотных землях для улучшения плодородия почв и способности удерживать влагу. Высокая неорганическая содержание зачастую препятствуют дигестата непосредственно в качестве топлива, а большие количества шлака может разъедать оборудование 6. Гидротермальные коксования (HTC) является термохимической процесс лечения разработан специально для мокрой. сырье, где биомасса (с 80-90% воды) нагревают до 200-260 ° С при давлении насыщения воды и удерживайте в течение 0,5-6 ч (рис. 3) 7,8 Докритический вода имеет максимальную ионное произведение при 200 - 260 ° C, что означает воду при этих условиях реактивной и ведет себя как слабой кислотой и одновременно 9 слабым основанием. Гемицеллюлоза, наряду с другими экстрактивных веществ, ухудшают вокруг 180-200 ° С, в то время как целлюлоза реагирует вокруг 220-230 ° С, и лигнин реагирует при относительно высокой температуре (> 250 ° С), но значительно медленнее, чем целлюлозы и гемицеллюлозы 10. Из-за значительной дегидратации и декарбоксилирования, HTC результаты твердый продукт под названием HTC биоуголь, с массовым выходом (сухой HTC биоуголь / сухого корма) на 40-80%, жидкости, содержащей карбоновые кислоты, производные фурана, фенольные вещества и сахара, а также мономеры, 5 - 10% СО 2 богатая газообразный продукт 11. В HTC, кислородсодержащие летучие вещества значительноуменьшается, и, таким образом, оставить богатый углеродом твердого продукта. HTC биоуголь также стабильна, гидрофобными, и рыхлая по сравнению с сырой влажный сырья 12,13. Благодаря своим гидрофобными свойствами, dewateribility из HTC биоугля возрастает в несколько раз по сравнению с сырой дигестата или даже сырой биомассы. 14-18 Кроме того, HTC биоуголь имеет значения топливо, подобные бурого угля 16,17. Тем не менее, целлюлозы и лигнина частично разрушаться в HTC среды 18.

Теперь гемицеллюлоза и целлюлоза в биомассе способствовать биогаза при болезни Альцгеймера, в то время как целлюлоза и лигнин в основном способствовать твердой HTC биоугля 4,5. Таким образом, сочетание AD-HTC может потенциально увеличить общий выход биоэнергии. Гофман и др.. Моделировали подобную комбинацию, но с использованием AD и HTL (гидротермальные сжижения), а не AD-HTC 19. HTL является распространенным методом сжижения долю биомассы и жидкий продукт имеет высокое значение топлива [43,1 МДж / кг]. Тем не менее, HTL RequIRES очень высоким давлением (250 бар) по сравнению с HTC (10-50 бар), что подразумевает высокий установку и эксплуатационные расходы, чем HTC. Опять же, сочетание последовательность нашей эры и HTC может быть допрошен в качестве Вирт и др.. Недавно сообщила AD технологического HTC жидкости 20. Однако эффективная AD зависит от концентрации сахара в сырье. Сахар в процессе HTC жидкости, производимые в процессе гидролиза, часто быстро разлагаться под субкритической воды. Вот почему н.э. до HTC является более благоприятным с точки зрения биоэнергетики. Тем не менее, А. Д. технологического HTC жидкости может производить дополнительную биоэнергетики, и в этом случае, последовательность комбинация будет AD-HTC-АД.

Целью работы было оценить интеграцию AD и HTC процессов для производства биоэнергии (рис. 3). Производственный потенциал биогаза для теплолюбивых и мезофильных н.э. из UASs реактора оценивали при непрерывной работе более чем 200 дней. Впоследствии производство HTC биоуголь ером брожения также изучалась. Баланс массы и энергии из каскадной AD-HTC была проведена и по сравнению с отдельными процессами.

Protocol

1. Анаэробного сбраживания пшеничной соломы

Примечание: Для анаэробного сбраживания в 39 л UASs реакторов, использовать 5-65 мм длинные сырые пшеничной соломы отбивные в качестве корма. Органический содержание сухого вещества в исходном сырье в этом конкретном эксперименте было 85,9% сырой клетчатки и фракцию 46,3%. В UASs реакторы изготовлены из нержавеющей стали с смотровым окном, изготовленного из акрилового стекла. Два 30 л анаэробного фильтра (АФ) в сочетании с каждой 39 L UASs реактора. АФН построены из прозрачного акрилового стекла. Схема из реакторных систем показаны на рисунке 2 и архитектурное проектирование описано в другом месте 4. Подробности о прививки и запуск реакторов приведены в другом месте 5.

  1. Заполните каждую AF с 325 бочкообразными носителей полиэтилен биопленки.
    Примечание: Носители биопленки используются иметь площадь поверхности 305 м 2 / м 3.
  2. Установите водяные насосы для процесса циркуляции жидкостив обоих мезофильных и термофильных реакторов для скорости потока 1,15 л / час.
  3. Установить отопление бани в температурном уровне нужного реактора, 37 ° С в течение мезофильные и 55 ° С в течение термофильной реактора.
  4. Для ежедневного кормления из реакторов UASs, весят 120 г FM пшеничной соломы (= 99,5 г VS) для каждого реактора для достижения органического скорость загрузки 2,5 г VS / L · день.
  5. Open UASs 'питательная трубка и снимите отметку.
  6. Налейте пшеничную солому в диагональной трубке подачи и вставьте его в нижней реактора с помощью штампа кормления. С этого момента, солома и поплывет против сито и образуют твердотельный кровать.
  7. Очистите поверхность уплотнения, чтобы убедиться, он является газонепроницаемым и закройте питательную трубку.
  8. Насосы будут работать постоянно, передавая 1,2 л / час технологической жидкости через систему реактора (БАС и AF).
  9. Измерьте биогаза поток непрерывно с использованием газовой Мете барабанного типаRS и магазин в газовый мешок 20 л.
    Примечание: Убедитесь, выход из газового баллона в анализатор биогаза. В анализаторе биогаза, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 и Н 2 измеряются. Первая биогазовая должен пройти 3 различные фильтры для удаления влаги и других токсичных соединений, которые являются вредными для детектора. Анализатор должен быть откалиброван раз в неделю для точного составе биогаза.
  10. Измерьте биогаза состав регулярно использовать промышленный анализатор биогаза. Примечание: Анализатор биогаз может измерять только биогаз, когда биогаз мешок, по крайней мере наполовину. Для измерения составе биогаза, клапан в газовый мешок должен быть открыт и ждать устойчивого состава биогаза (это займет около 20-30 сек).
  11. Для управления процессом, измерения рН и температуру в Интернете с помощью установленного рН-метр и термометр.
  12. Снимите приблизительно 3 кг дигестата (80-90% влажности) один раз в неделю, что дает твердые вещества Время удерживания (СТО) ое 2-3 недели. Используйте этот дигестата в качестве сырья для процесса HTC. Биогаз после достаточно, чтобы выдавить весь воздух и установить анаэробные условия в течение нескольких часов.
  13. Анализ процесса ликер и дигестата на еженедельной основе для их химических свойств (рН, ЕС, TS, В.С., жирные кислоты, CHNS, аммиак, микроэлементы, и сырой клетчатки).

2. Гидротермального Карбонизацию пшеничной соломы дигестата

Примечание: Для гидротермального карбонизации дигестата со стадии 1, 18 л партия перемешивают реактор используется. Управляющий и сроки процесса осуществляется с помощью контроллера реактора 4848 и программного обеспечения SpecView 32 849, работает на компьютере. В программе, температура в реакторе, температура нагревательной рубашкой, давление и скорость перемешивания может быть показано на рисунке. Кроме того, программа для технологических параметров (температуры начала, установка температуры, скорость нагрева, скорость перемешивания) может быть установлен для каждого HTC экспериментов.

  1. Взвесьте 2,5 кгсоломы дигестата используя баланс с точностью до 0,1 г и передать в реактор.
  2. Используйте тот же баланс для измерения 10 кг подпиточной воды, и вылить ее в реактор, а также. Это будет поддерживать дигестата, соотношение воды 1:04.
  3. Перед пневматическим закрытием, перемешать вручную содержимое реактора, что предотвращает засорение пропеллерной мешалкой. Закройте реактор и закрепите его на крест-накрест затяните болты с усилием 50 Нм.
  4. Установите реакцию по следующей рампы замачивание:
  5. Reach начальную температуру 30 ° С в течение 15 мин от комнатной температуры.
    1. Установка времени нагрева для температуре реакции 230 ° С составляет 100 мин.
    2. Удерживая температуру окончательного выдерживания в течение 6 часов.
    3. Через 6 ч проведения времени, охладить реактор 15 ч от 230 ° C до комнатной температуры.
    4. Перемешайте содержимое реактора при 30 оборотах в минуту на протяжении всего процесса HTC.
    5. Выключите мешалку после фазы охлаждения и рпризываем газа в газовый мешок 20 л.
    6. Убедитесь, что газ проходит через конденсата ловушки, а также фильтр с активированным углем.
    7. Хранить газа для дальнейшего анализа.
  6. После отбора газа, слива шлама из резервуара в контейнер через высокой температуре, шаровой клапан высокого давления, а затем фильтровать через сито с размером пор около 0,5 мм.
  7. Соберите жидкость и тары произведенный HTC биоугля чтобы определить количество HTC производства полукокса по сравнению с сырьем.

3. Элементарный анализ Raw, дигестата и HTC Биоуголь пшеничной соломы

Примечание: Для любого твердого анализа топлива, элементный анализатор анализатор или Чонс часто используется. Элементный состав атомного углерода, водорода, кислорода, азота и серы могут быть получены из этого анализа. От Чонс, можно оценить более высокое значение отопления или энергетической ценности топлива. Кроме того, содержание атомной серы также будет Indicели качества топлива. В этом исследовании, элементный анализатор будет использоваться для определения стоимости топлива HTC биоугля, сырье пшеничной соломы и дигестата. Как анализатор позволяет лишь очень небольшого размера выборки, анализа каждого образца по крайней мере, три раза для лучшего воспроизводимости.

  1. В выборочной кастрюлю (олово, 6 х 6 х 12 мм), весит 30 мг вольфрама (VI) оксида, используя определенный баланс в элементарной пакета. Примечание: Точность такого баланса, как правило, 1 мкг. Вольфрама (VI) оксид работает в качестве катализатора в элементном анализаторе.
  2. Взвесьте 5-10 мг сухого образца и положить в ту же образца кастрюлю, смешать его, и оберните его. Завернутые размер выборки пан должна быть около 2 х 2 х 5 мм 3.
  3. Поместите образцы в автосамплера. Обратите внимание на положение каждого образца и использовать сульфоновой кислоты в этой элементного анализа в качестве ссылки
  4. Запустите программу Vario в компьютер, подключенный к Elemental анализатора, определить условия, поток пробы газа, температуры2 печи (эти 2 печи при 1150 и 850 ° С соответственно). Затем определить названия образцов в соответствии с autosampling позиций. Запустите программу. Машина работает автоматически, осуществляет анализ и сохраняет результаты в компьютере.
    Примечание: Elemental CHNS являются выход элементного анализатора и, как правило, как сообщается непосредственно на экране компьютера.

Representative Results

Анаэробные пищеварения

В биогаза эксперименты показали, что система UASs способен утилизировать 38% и 50% от формовочной потенциала метана в мезофильных операции (37 ° С) и термофильные (55 ° C), соответственно. В термофильных н.э., система UASs дает в среднем 165 л CH4 / кг VS (VS: летучие твердых) и 121 L CH4 / кг VS в мезофильных объявление для 200 суток непрерывной работы (рис. 4). Эти значения эксплуатационных показателей были рассчитаны из количественного и качественного анализа биогаза, связанных с сухой сырья основе.

Биометан потенциал для соломы пшеницы была определена (после VDI Рекомендацию 4630) 304,3 быть L CH4 / кг VS для термофильные и 244,2 л CH4 / кг VS для мезофильных работы, соответственно, и представлены на фигуре 50; 21. С точки зрения качества, биогаз, произведенные UASs содержится от 41% и 61% метана (рис. 5).

HTC из бродильного субстрата

На рисунке 6 показан сухую солому, сухую дигестата, полученный из соломы нашей эры, и HTC биоугля, полученный из сухого дигестата на HTC. Сухой брожения похож на сухой соломы, который находится всего немного более темный цвет. За эту работу, брожения из термофильных условиях были рассмотрены на HTC. Как показано в таблице 1, 63% от общей массы остается в дигестата (табл. 1). Сухой HTC биоуголь легче сухого сырья соломы, вероятно, связано с деградацией мономеров и простых полимеров по термофильных микроорганизмов во время нашей эры.

На рисунке 7 показана гидрофобный поведение, и мягкость HTC биоугля. Во время HTC, волокнистые кристаллические структуры разрушаются и производить мягкую аморфный окrbon богатых HTC биоуголь 16,17,28. Как видно из таблицы 1, массовый выход дигестата и сырой соломы, полученной HTC биоугля являются 43,4% и 38,3%, соответственно. Твердый продукт, HTC биоуголь очень гидрофобным 12; она может оставаться в контакте с водой в течение длительного времени 13. И это очень мягкий, как он едва требуется никакого давления, чтобы распылить его. Для угля в электроэнергетике, сохраняя мягкость сырья очень важно, так как это может устранить экспансивные действия измельчения.

Элементарный анализ

Из элементарной композиций, представленных в таблице 1, видно, что элементарный углерод и водород остаются теми же в твердой фазе в течение всего анаэробное сбраживание. Элементарного углерода увеличивается и уменьшается водорода во время HTC. Большая часть элементарного азота остается в твердом теле, так как элементарная содержание азота увеличивается как во время пищеварения ап г HTC процессов. Так как сера в пшеничной соломы след, концентрация элементарной серы не представлена ​​в результатах. Элементный содержание кислорода рассчитывали вычитанием C, H, N и от 100% и также представлены в таблице 1, при условии, сырье состоит только из Чонс. Концентрация кислорода резко сократилось во HTC, в то время как она остается похожи в процессе пищеварения.

Рисунок 1
Рисунок 1. Основные концепции и этапы анаэробного сбраживания. Эта цифра описывает основные понятия анаэробного сбраживания. На этом рисунке, четыре основные шаги (гидролиз, acedogenesis, acetogenesis и метаногенеза) из анаэробного сбраживания представлены

g2highres.jpg "ширина =" 500 "/>
Рисунок 2:. Принципиальная схема лабораторной UASs реактора для анаэробного сбраживания Это схема реакторной системы UASs. Здесь реактор UASs и анаэробный фильтр (AF) показаны соединены жидкого потока, где жирные кислоты, полученные в реакторе UASs прийти к AF и метан производится. Из нижней части AF, другой поток жидкости обращается на UASs, где микроорганизмы, идущей от AF для UASs реактора.

Рисунок 3
Рисунок 3. (Сверху) Концепция HTC биомассы лигноцеллюлозы, (внизу) интеграция концепция анаэробного сбраживания и HTC * целлюлозы будет частично отреагировали 24. В этой блок-схеме, можно видеть, что различные компоненты волокон вступают в контакт с докритического водой и превращаются в HTC биоугля (COAL тип).

Рисунок 4
Рисунок 4. Производство метана из UASs реактора в обоих термофильных и мезофильных условиях с анаэробной фильтра. Эти экспериментальные результаты UASs реактора для 210 дней работы для обеих термофильных и мезофильных условиях. X-ось дней работы, в то время как Y-ось выход метана (CH4 L / кг VS) по сравнению с неустойчивыми твердого вещества (VS).

Рисунок 5
Рисунок 5. Метан доля биогаза из UASs реактора в обоих термофильных и мезофильных условиях. Эти экспериментальные результаты UASs реактора для 210 дней работы в рамках как термофильных апг мезофильные условия. X-ось дней работы, в то время как Y-ось доля метана (%) в биогазе. Значения даны средние от дубликатов.

Рисунок 6
Рисунок 6. (Слева направо) Сухой пшеничной соломы, сухой пшеничной соломы брожения, и HTC биоуголь из пшеничной соломы дигестата. Это в режиме реального времени изображение различных состояний пшеничной соломы. Здесь на этой фигуре, эффект анаэробное сбраживание (AD) и HTC могут быть видны. Структура волокна до сих пор видны в дигестата, в то время как она становится мучнистой после HTC.

Рисунок 7
На рисунке 7. Гидрофобности HTC биоугля (слева), хрупкость в HTC биоугля (справа)

Рисунок 8
Рисунок 8. (Сверху) Биоэнергетика потенциал по анаэробного сбраживания (AD) от 1 кг сырого пшеничной соломы и (внизу) биоэнергетического потенциала путем интеграции AD-HTC от 1 кг сухой пшеничной соломы. Это фигура, чтобы оценить необходимость сочетания понятия. Блок-схема показывает, сколько энергии извлечения на АД и HTC от исходного сырья.

Таблица 1
Таблица 1. Элементарный анализ, HHВ, массовый выход, и волоконно-анализ сырой соломы пшеницы, дигестата (термофильных), и соответствующего HTC биоугля. ВТС рассчитывается из CHNS состава, как показано в литературе 18,24. Таблица 1 экспериментальные результаты элементного анализа, и массовый выход после нашей эры и HTC. Лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза измеряются ван Soest анализа волокна [12]. Примечание:. Па не анализируется Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой таблице.

Discussion

UASs реакторы способны смягчить недостатки, описанные в введения. Однако, есть много возможностей для улучшения. Система откорма и брожения снятия по-прежнему ручной. Система UASs сталкивается с проблемами обработку сырья больше, чем 60 мм. Система работает лучше с волокнистых сырья, поскольку они плавают по жидкости, но и другие виды сырья, как навоза и ила, возможно, не в пользу системы UASs. Система UASs сконструирован таким образом, что процесс раствор циркулирует от реактора к М в реактор снова. Тем не менее, даже 2-5% твердых веществ в циркулирующей жидкости было доказано, что проблематично, так как они на хранение в AF или блокировать вход в трубы и препятствовать циркуляции жидкости. Химический анализ технологической жидкости важно, так как производство свободных жирных кислот и азота можете изменить микробную систему, что приводит к нехарактерной производства биогаза. Система UASs является надежной, и может работать более 200 дней, не проявляя significaнт проблемы. Трубы, соединяющие с насосами для реакторов АФН должны быть заменены каждый альтернативой месяц. Уровень воды в водяной бане должен быть проверен на еженедельной основе и пополнен при необходимости.

HTC мокрого дигестата является очень эффективным для переработки отходов, а также по производству твердого биотоплива. Dewateribility твердого продукта также будет способствовать процессу HTC, как показано на рисунке 7. Тем не менее, HTC от дигестата должна быть выполнена как можно скорее, предпочтительно в тот же день, что брожения удаляется. В противном случае, брожения начинается ухудшения биологически, которые не благоприятен для HTC. Как HTC является высокая температура (200-260 ° С) и под высоким давлением (20-50 бар) процесс, принимая необходимые меры предосторожности в течение всей процедуры HTC является очень важным. Все соединения проверяются не реже одного раза в месяц, чтобы убедиться, что они утечки газа. HTC жидкость процесс имеет более высокую концентрацию фурфурола, 5-HMF и фенольных COmpounds, которые оцениваются как токсикантов. Так, рекомендуется использовать маску и перчатки лица при обращении процесса HTC жидкости, особенно когда процесс HTC раствор сливают из реактора в другой контейнер. Хотя HTC имеет много преимуществ для обработки мокрой сырья как дигестата, он по-прежнему периодическим процессом. В экономической оценки, HTC периодический процесс будет трудно оправдать. Необходимы дополнительные исследования, таким образом, требуется, чтобы облегчить непрерывное функционирование HTC.

Элементарный анализ является эффективным методом для однородных твердых подложках, но не для гетерогенных субстратов. Как твердое биотопливо, как правило, неоднородны и элементный анализатор позволяет только 5-10 мг размера выборки, рекомендуется выполнить по крайней мере три повторов и использовать среднее значение. Другим ограничением элементного анализа является измерение твердых субстратов с высоким содержанием золы. Элементные анализаторы только не измерить Чонс, и никакие другие неорганические вещества. Так, элементный анализ высокого золы твердых подложках не могли бы гeveal фактических концентраций Чонс. Подготовка образца в элементного анализа является жизненно важным, так как образец должен быть обернут точно, в противном случае, будет несоответствие в анализах. Значение топлива твердого топлива можно оценить по Чонс, но рекомендуется использовать бомбы калориметр для определения точного топлива значение.

О 92-161 л метана был произведен на килограмм летучих твердых веществ в сырье. Летучий твердый или органическое всего твердого сухого пшеничной соломы было 86,9%. Сухой брожения имеет более низкую атомную концентрацию кислорода и водорода, которая является еще одним свидетельством деградации полисахаридов и простой деградации сахара во время анаэробного сбраживания 22,23. Кроме того, ниже H и O концентрации увеличить ВТС о дигестата 24. ВТС сухого дигестата 22% выше, чем сухого исходного сырья. Аналогичные результаты были получены с подробным статистического анализа по Pohl и др. 23.

Digestates от анаэробного сбраживания содержит 80-90% воды 6. Эти гидрофильные и вода частично связаны в микробных или растительных клеток. В результате обезвоживания или сушка digestates является громоздкой и очень энергоемким. Например, 2 кг сухого дигестата связывается 8 кг воды (80% влажный), которая требует 20,7 МДж тепла, чтобы высушить дигестата. Более того, она стремится к био-деграде относительно быстро в условиях окружающей среды, теряет питательные вещества для растений, и релизы ПГ (парниковых газов) выбросов, такие как N 2 O и CH 4. Таким образом, несмотря на более высокой потенциальной энергии, свежий брожения не может быть использован непосредственно в качестве твердого топлива. Это должны быть сушат сразу после пищеварения 20.

Из таблицы 1 можно показать, что сухой брожения имеет аналогичную атомную содержание углерода в качестве исходного соломы, и они визуально похожи до и после анаэробное сбраживание (рис. 6). Это предполагает, что лигнин и лигнин инкрустированных целлюлозав основном непрореагировавший. Тем не менее, массовый выход 63% наблюдалось, то есть обработанный соломы на 37% легче, чем сухой целлюлозы соломы. Похожие элементный концентрация углерода в коем случае не карбонизации не произошло во время анаэробного сбраживания 22. Как показано на рисунке 7, HTC биоуголь от дигестата (термофильные) является очень стабильным и мягким. Из-за значительного увеличения гидрофобности, он может буквально погрузиться в воду в течение нескольких месяцев без его физической и химической структуры под воздействием 12,25. Гидрофобность также повышает обезвоживание HTC биоугля 14. Структура соломы не различимы в HTC биоугля больше, это означает, что целлюлоза может быть превращена. Значительное карбонизации наблюдается в HTC биоугля вместе с уменьшением атомарного кислорода. Это является еще одним свидетельством целлюлозы взаимодействовать, а не лигнина. Атомной концентрации углерода в лигнина гораздо выше, чем у целлюлозы 24-29. В результате, HTC Biochар имеет ВТС 29,6 МДж / кг, которые являются 61% выше, чем сырой соломы и 32% выше, чем сухого дигестата соответственно.

HHV из HTC обработанной соломы 28,8 МДж / кг, который также аналогичен HTC обработанной соломы дигестата (29,6 МДж / кг). Тем не менее, массовый выход в HTC соломы 40,7% выше, чем у HTC дигестата с по сравнению с исходного сырья. В результате, если 1 кг сырого соломы (18,4 МДж) гидротермически обугленные, HTC соломы биоуголь будет иметь потенциал 11,0 МДж. В противном случае, если же сумма применяется к нашей эры и HTC, общей 13,2 МДж биоэнергетики, в формах биометане (5.2 МДж) и HTC биоугля из бродильного субстрата (8,0 МДж), могут быть получены (рис. 8). Кроме того, жидкая фаза процесса UASs является потенциальным жидких удобрений. Кроме того, HTC биоуголь могут иметь более высокий потенциал по высокой стоимости материала использования или использования в качестве удобрения для почвы. Для поглощения углерода или углеродного цикла точки зрения, материал использование HTC биоугля более реальным, что производство энергии. </ Р>

Анаэробные пищеварения в сочетании с гидротермальной карбонизации может дать больше биоэнергии, чем отдельных процессов. Тем не менее, каскадно конструкция необходима для лучшей эффективности. Общий баланс энергии, а затем экономической оценки, требуется для подтверждения этого процесса. Будущие исследования должны включать в себя использование HTC ликера и пост-обработку (химическое или биологическое) от HTC биоугля. Кроме того, автоматизация как UASs и HTC систем будет необходимо. Это исследование было проведено на использовании лабораторного масштаба UASs и HTC реактор, но масштабов процесса будет необходимо, если процесс должен быть коммерческим.

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

Науки об окружающей среде выпуск 88 Биометан Гидротермальная Карбонизацию (HTC) теплота сгорания лигноцеллюлозной биомассы UASs анаэробного сбраживания
Оценка комплексного анаэробного сбраживания и гидротермальной карбонизации для биоэнергетики производства
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