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Evaluación de la gestión integrada de Digestión Anaerobia y carbonización hidrotermal para la producción de bioenergía

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

Summary

Una novela de estado sólido (UAS) reactor anaeróbico de flujo ascendente se utilizó para la producción de biogás a partir de materia prima fibrosa. Lodos de digestión del reactor UAS se carboniza hidrotermal en HTC biochar en un reactor discontinuo a presión. La integración de los dos conceptos de bioenergía se aplicó en este estudio para aumentar la producción global de la bioenergía.

Abstract

La biomasa lignocelulósica es uno de los más abundantes recursos de energía renovable aún subutilizadas. Tanto la digestión anaerobia (DA) y la carbonización hidrotermal (HTC) son prometedoras tecnologías para la producción de bioenergía a partir de biomasa en términos de biogás y biochar HTC, respectivamente. En este estudio, se propone la combinación de AD y HTC para aumentar la producción global de la bioenergía. La paja de trigo fue digerido anaeróbicamente en una novela de flujo ascendente del reactor anaeróbico de estado sólido (UAS) en ambos (55 ° C) condiciones mesófilas (37 ° C) y termófilas. Wet digerido de termófilo AD fue carbonizado hidrotérmicamente a 230 ° C durante 6 horas para la producción de biochar HTC. A temperatura termófila, el sistema UAS produce un promedio de 165 L de CH4 / kg VS (VS: sólidos volátiles) y 121 L de CH4 / kg SV en AD mesófila sobre el funcionamiento continuo de 200 días. Mientras tanto, 43,4 g de biochar HTC con 29.6 MJ / kg dry_biochar era obtained de HTC de 1 kg digestato (base seca) de AD mesófilos. La combinación de la EA y HTC, en este conjunto particular de experimento dió 13,2 MJ de energía por 1 kg de paja de trigo seco, que es al menos 20% más alta que HTC solo y 60,2% más alta que sólo AD.

Introduction

Encontrar fuentes de energía renovables y sostenibles son las principales preocupaciones en el sector de la energía mundial. Recientemente, la ONU informó que hasta el 77% de la energía mundial en 2050 se espera que a partir de fuentes renovables 1. La biomasa lignocelulósica, como la paja, hierbas, cáscaras de arroz, mazorcas de maíz no tienen conflictos con la comida frente a problema de combustible. Por otra parte, la biomasa es, probablemente, la única fuente de energía renovable con el carbono estructural, en comparación con otras fuentes de energía renovables como la eólica, solar y agua 2. Sin embargo, las características de manejo, menor densidad aparente, contenido de ceniza de alta y un menor contenido de energía dificultan el uso de la biomasa lignocelulósica para la producción de energía 2.

La digestión anaeróbica (AD) es uno de los principales ejemplos de la producción de bioenergía a partir de biomasa de residuos. 3 En general, hay cuatro pasos de degradación involucrar en la digestión anaeróbica, como se muestra en la Figura 1 4 (Figura 2) 4. Espontáneas separaciones sólido-líquido es una de las ventajas significativas de los UAS, ya que el diseñado facilita biogás burbujas para levantar residuos sólidos sin reaccionar hacia arriba 5. Esto elimina el uso de agitador y por lo tanto reduce el consumo de energía en el lugar. Por otra parte, la circulación de líquido asegura la distribución de los microorganismos y metabolitos todo el reactor, así 5. En comparación con los biocombustibles sólidos, biogás es más fácil de manejar, y deja poco o ningún residuo. De hecho, la densidad de energía específicade biogás es varias veces mayor biomasa en bruto 4. Sin embargo, AD favorece polisacáridos simples como almidón, ácidos grasos, y la hemicelulosa 1. Como resultado, la celulosa y lignina, mayor porción de la biomasa lignocelulósica fibrosos como paja de trigo, permanece como un digestato sólido después de AD 5. Aunque, la producción de biogás varía de la carga de alimentación, tipo de microorganismos, temperatura de reacción, y tiempo de reacción, se produce por lo general una gran cantidad de digestato.

Aunque biogás se utilizan para la energía, lodos (hasta 90% de agua) se almacenan normalmente en una fermentación residuo-depósito para recoger las emisiones de metano restantes. Posteriormente éstas se secan y se extienden sobre la tierra de cultivo para mejorar la fertilidad del suelo y la capacidad de retención de agua. Alto contenido inorgánico menudo dificultan digestato directamente como combustible, ya que grandes cantidades de escoria podrían corroer el equipo 6. La carbonización hidrotermal (HTC) es un proceso de tratamiento termoquímico especialmente diseñado para mojado. materia prima, donde la biomasa (con un 80-90% de agua) se calienta hasta 200-260 ° C a la presión de saturación de agua y mantener durante 0,5-6 h (Figura 3) 7,8 subcrítico de agua tiene el máximo producto iónico a 200 - 260 ° C, lo que significa agua en estas condiciones es reactivo y se comporta como un ácido suave y una base suave simultáneamente 9. La hemicelulosa, junto con otros extractivos, degrada alrededor de 180-200 ° C, mientras que la celulosa reacciona alrededor de 220-230 ° C, y lignina reacciona a temperatura relativamente más alta (> 250 º C), pero mucho más lento que la celulosa y la hemicelulosa 10. Debido a la deshidratación y descarboxilación significativa, los resultados de HTC llamado HTC producto sólido biochar, con rendimiento másico (HTC seco biochar / alimento seco) de 40 a 80%, el licor que contiene ácidos carboxílicos, derivados de furano, sustancias fenólicas, y monómeros de azúcar y 5 - 10% de CO 2 rica producto gaseoso 11. Durante HTC, de oxígeno que contiene sustancias volátiles son significativamentereducido y por lo tanto dejar un sólido rico en carbono. Biochar HTC también es estable, hidrofóbico, y friable en comparación con 12,13 materia prima húmeda crudo. Debido a sus características hidrofóbicas, dewateribility de HTC biochar incrementa varias veces en comparación con el digestato crudo o incluso la biomasa cruda. 14-18 Por otra parte, el biochar HTC tiene valores similares de combustible a carbón lignito 16,17. Sin embargo, la celulosa y la lignina se degradan parcialmente en el medio ambiente de HTC 18.

Ahora hemicelulosa y la celulosa de la biomasa contribuyen a biogás en AD, mientras que la celulosa y la lignina contribuyen mayormente a HTC biochar sólido 4,5. Por lo tanto, la combinación de Ad-HTC potencialmente puede aumentar el rendimiento global de la bioenergía. Hoffmann et al. Simularon una combinación similar pero utilizando AD y HTL (licuefacción hidrotérmica) en lugar de AD-HTC 19. HTL es un método común de la licuefacción de fracción de biomasa y producto líquido tiene un alto valor de combustible [43,1 MJ / kg]. Sin embargo, HTL requires muy alta presión (250 bar) en comparación con HTC (10-50 bar), lo que implica un alto costo de instalación y operación de HTC. Una vez más, la secuencia de combinación de AD y HTC puede ser cuestionada como Wirth et al. AD informó recientemente de líquido de proceso HTC 20. Sin embargo, un anuncio eficaz depende de la concentración de azúcar en las materias primas. Azúcares en líquido de proceso HTC, producidos durante la hidrólisis, a menudo se degradan rápidamente en agua subcrítica. Es por eso que antes de AD HTC es más favorable en términos de la bioenergía. Sin embargo, AD de líquido de proceso HTC puede producir bioenergía adicional, en cuyo caso, la secuencia de combinación sería AD-HTC-AD.

El objetivo del trabajo fue evaluar la integración de los procesos antidumping y HTC para la producción de bioenergía (Figura 3). El potencial de producción de biogás para la EA termófilas y mesófilas del reactor UAS se evaluó en una operación continua de más de 200 días. Posteriormente, la producción de biochar HTC fTambién se estudió el digestato rom. Se realizó el balance de masa y energía del AD-HTC en cascada hacia fuera y se compara con los procesos individuales.

Protocol

1. Digestión Anaerobia de la paja del trigo

Nota: Para la digestión anaerobia en 39 reactores L UAS, use 5-65 mm de largo chuletas de paja de trigo crudo como pienso. El contenido de materia seca orgánica de la materia prima en este experimento particular fue de 85.9% y la fracción de fibra cruda fue de 46,3%. Los reactores de los UAS son de acero inoxidable con una mirilla de vidrio acrílico. Dos 30 L de filtro anaerobio (AF) se combinan con cada reactor UAS 39 L. Las aflatoxinas son construidas de cristal acrílico transparente. El esquemática de los sistemas de reactores se muestran en la Figura 2 y el diseño arquitectónico describe en otra parte 4. Los detalles de la inoculación y la puesta en marcha de los reactores se dan en otros lugares 5.

  1. Llene cada AF con 325 portadores del biofilm de polietileno en forma de barril.
    Nota: Los portadores de biofilm utilizados tienen una superficie de 305 m 2 / m 3.
  2. Establezca las bombas de agua para la circulación de líquido de procesoen ambos reactores mesófilas y termófilas para un caudal de 1,15 l / h.
  3. Establecer baños de calefacción a nivel de temperatura del reactor deseada, 37 ° C para el mesofílico y 55 ° C para el reactor termófilo.
  4. Para la alimentación diaria de los reactores de los UAS, pesan 120 g de FM de la paja del trigo (= 99,5 g VS) para cada reactor para conseguir una velocidad de carga orgánica de 2,5 g VS / L · día.
  5. Sonda de alimentación abierto UAS 'y retire el sello.
  6. Vierta la paja del trigo en el tubo de alimentación diagonal y empuje en la parte inferior del reactor con la ayuda de la marca de alimentación. A partir de ahí, la paja flotará en contra de un tamiz y formar el lecho de estado sólido.
  7. Limpie la superficie de sellado para asegurarse, es estanca al gas y cierre el tubo de alimentación.
  8. Las bombas funcionarán continuamente, transportando 1,2 l / h de licores de proceso a través del sistema de reactor (UAS y AF).
  9. Medir el flujo de biogás de forma continua utilizando mete gas de tamborrs y guardar en una bolsa de gas de 20 litros.
    Nota: Haga una salida de la bolsa de gas en el analizador de biogás. En el analizador de biogás, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 y H 2 se miden. Primero, el biogás tiene que pasar 3 filtros diferentes para eliminar la humedad y otros compuestos tóxicos que son perjudiciales para el detector. El analizador necesita ser calibrado una vez en una semana para la composición exacta de biogás.
  10. Medir la composición del biogás con regularidad utilizando un analizador de biogás industrial. Nota: El analizador de biogás sólo puede medir el biogás cuando la bolsa de biogás es de al menos la mitad. Para la medición de la composición del biogás, la válvula de la bolsa de gas tiene que ser abierto y esperar a que la composición del biogás estable (tarda unos 20-30 segundos).
  11. Para el control de procesos, medir el pH y la temperatura en línea con medidor de pH se instala y termómetro.
  12. Retire aproximadamente 3 kg de digestato (80-90% de humedad) una vez a la semana, lo que da un tiempo de retención de sólidos (SRT) of 2-3 semanas. Utilice este digestato como alimentación para el proceso de HTC. El biogás producido después es suficiente para extruir el aire y establecer condiciones anaeróbicas dentro de pocas horas.
  13. Analizar licores de proceso y el digestato semanalmente por sus propiedades químicas (pH, CE, TS, VS, ácidos grasos, CHNS, amoníaco, oligoelementos y fibra cruda).

2. Hidrotermal carbonización de la paja del trigo Digestate

Nota: Para hidrotermal carbonización de digestato de la etapa 1, un lote de 18 L agitada se utiliza reactor. El control y el tiempo de proceso se efectúa a través del controlador del reactor 4848 y el software SpecView 32 849, que se ejecuta en un ordenador. En el programa, la temperatura del reactor, temperatura de la camisa de calentamiento, presión, y velocidad de agitación pueden ser mostrados. Por otra parte, el programa de los parámetros del proceso (temperatura de inicio, la temperatura del sistema, velocidad de calentamiento, velocidad de agitación) se puede configurar para cada experimentos HTC.

  1. Pesar 2,5 kgdigestato de paja usando una balanza con la precisión de 0,1 g y transferir al recipiente del reactor.
  2. Utilice el mismo equilibrio para medir 10 kg de agua de reposición, y se vierte en la vasija del reactor, así. Esto mantendrá el digestato, relación agua 01:04.
  3. Antes de cerrar neumáticamente, revolver manualmente el contenido del reactor para evitar el bloqueo de agitador de hélice. Cierre el reactor y asegúrela apretando los tornillos en cruz con una fuerza de 50 Nm.
  4. Ajuste la reacción por el siguiente rampa remojo:
  5. Llegar a la temperatura inicial de 30 º C en 15 min desde la temperatura ambiente.
    1. Establezca el tiempo de calentamiento de la temperatura de reacción de 230 ° C es de 100 min.
    2. Mantenga la temperatura de reacción final durante 6 horas.
    3. Después de 6 h de tiempo de retención, enfriar el reactor 15 h desde 230 ° C a la temperatura ambiente.
    4. Se agita el contenido del reactor a 30 rpm durante todo el proceso de HTC completa.
    5. Apagar el agitador después de la fase de enfriamiento y pinstar al gas en una bolsa de gas de 20 litros.
    6. Asegúrese de que el gas pasa a través de una trampa de condensado así como un filtro de carbón activado.
    7. Almacenar el gas para su posterior análisis.
  6. Después del muestreo de gas, drenar la suspensión desde el buque a un contenedor a través de una alta temperatura, válvula de bola de alta presión y después se filtra a través de una malla con un tamaño de poro de alrededor de 0,5 mm.
  7. Recoger el líquido y tarar el biochar HTC producido para determinar la cantidad de caracteres HTC-producida en comparación con la materia prima.

3. Análisis elemental de Raw, digestato, y HTC biochar de la paja del trigo

Nota: Para cualquier análisis de combustibles sólidos, a menudo se utiliza un analizador elemental o chons analizador. La composición elemental de carbono atómico, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, y azufre puede obtenerse a partir de este análisis. Desde chons, se puede estimar el poder calorífico superior o valor energético del combustible. Por otra parte, el contenido de azufre atómico también se indiccomió la calidad del combustible. En este estudio, un analizador elemental se utiliza para determinar el valor de combustible de biocarbón HTC, paja de trigo en bruto y el digestato. A medida que el analizador sólo permite un pequeño tamaño de la muestra, el análisis, efectuado al menos tres veces para una mejor reproducibilidad.

  1. En un plato de muestras (estaño, 6 x 6 x 12 mm), pesar 30 mg de tungsteno (VI) óxido utilizando el equilibrio específico en el paquete elemental. Nota: La precisión de una balanza de este tipo es normalmente de 1 g. Tungsteno (VI) óxido funciona como un catalizador en el analizador elemental.
  2. Pesar de 5-10 mg de muestra seca y poner en el mismo platillo de la muestra, se mezcla, y se envuelve. El tamaño de la cacerola de la muestra envuelta debe estar alrededor de 2 x 2 x 5 mm 3.
  3. Colocar las muestras en el inyector automático. Tenga en cuenta la posición de cada muestra y usar el ácido sulfónico en este análisis elemental como referencia
  4. Inicie el software Vario en el ordenador conectado al analizador elemental, definir las condiciones, el flujo de gas de las muestras, las temperaturas de la2 hornos (hornos son los 2 a 1150 y 850 ° C, respectivamente). A continuación, defina los nombres de las muestras de acuerdo a las posiciones autosampling. Inicie el programa. La máquina funciona de forma automática, realiza el análisis y almacena los resultados en el ordenador.
    Nota: Los Elementales CHNS son la salida del analizador elemental y por lo general se reportan directamente en la pantalla del ordenador.

Representative Results

La digestión anaeróbica

Los experimentos de biogás revelaron que el sistema UAS es capaz de utilizar 38% y 50% del potencial de la formación de metano a (37 ° C) y termofílica (55 ° C) la operación mesófila, respectivamente. En AD termófilo, el sistema UAS produce un promedio de 165 L de CH4 / kg VS (VS: sólidos volátiles) y 121 L de CH4 / kg SV en AD mesófila durante 200 días de operación continua (Figura 4). Esos valores de rendimiento se han calculado a partir del análisis cuantitativo y cualitativo del biogás relacionados con la base de materia prima seca.

El potencial de biometano para la paja de trigo se determinó (siguiendo la directriz VDI 4630) para ser 304,3 L CH4 / kg VS para termófilo y 244,2 L CH4 / kg VS para su funcionamiento mesófilos, respectivamente, y se presenta en la Figura 50; 21. En términos de calidad, el biogás producido por los UAS encuentran entre el 41% y el 61% de metano (Figura 5).

HTC de digestato

La figura 6 muestra la paja seca, digestato seco procedente de la paja por AD, y HTC biochar derivado de digestato seco por HTC. Digestato seco tiene una apariencia similar a la paja seca, que es sólo un poco de color más oscuro. Para este trabajo, el digestato de condiciones termófilas fueron considerados para HTC. Como se muestra en la Tabla 1, 63% de la masa total permanece en el digestato (Tabla 1). Biocarbón HTC en seco es más ligero que la paja prima seca, probablemente debido a la degradación de los monómeros y polímeros simples por microorganismos termófilos durante AD.

La figura 7 muestra el comportamiento hidrófobo, y la suavidad de HTC biocarbón. Durante HTC, las estructuras cristalinas fibrosos se destruyen y producen una ca amorfa blandarbon ricos HTC biochar 16,17,28. Se puede observar en la Tabla 1 que el rendimiento másico de digestato y paja prima derivada biochar HTC son 43,4% y 38,3%, respectivamente. El producto sólido, HTC biochar es muy hidrofóbica 12; puede permanecer en contacto con el agua durante un tiempo prolongado 13. También es muy suave, ya que casi no requiere ningún tipo de presión para pulverizarlo. Para la industria de carbón a la energía, el mantenimiento de la suavidad de la materia prima es muy importante, ya que puede eliminar los pasos pulverizadores expansivas.

Análisis elemental

De las composiciones elementales presentados en la Tabla 1, se puede ver que el carbono elemental y de hidrógeno siguen siendo los mismos en el sólido durante todo el digestión anaerobia. Aumenta el carbono elemental y disminuciones de hidrógeno durante HTC. La mayor parte del nitrógeno elemental permanece en el sólido ya que el contenido de nitrógeno elemental se aumentó durante tanto una digestión procesos d HTC. Desde azufre en la paja de trigo es de traza, la concentración de azufre elemental no se presenta en los resultados. Contenido elemental de oxígeno se calculó restando C, H y N de 100% y también presenta en la Tabla 1, suponiendo que la materia prima se compone de sólo chons. La concentración de oxígeno se redujo dramáticamente durante HTC, mientras que sigue siendo similar durante la digestión.

Figura 1
Figura 1. Conceptos básicos y los pasos de la digestión anaerobia. Esta figura describe los conceptos básicos de la digestión anaerobia. En esta figura, se presentan cuatro pasos generales (hidrólisis, acedogenesis, Acetogenesis, y metanogénesis) de la digestión anaeróbica

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Figura 2:. Diagrama esquemático del reactor UAS escala de laboratorio para la digestión anaerobia Este es el esquema de sistema de reactor de UAS. Aquí el reactor de UAS y filtro anaeróbico (AF) se muestran conectados por una corriente de líquido, donde los ácidos grasos producidos en el reactor UAS vienen a AF y se produce metano. Desde el fondo de la AF, otra corriente de líquido se extrae a UAS, donde los microorganismos van de FA a reactor UAS.

Figura 3
Figura 3. (Arriba) Concepto de HTC de la biomasa lignocelulósica, (abajo) el concepto de integración de la digestión anaeróbica y HTC * celulosa será parcialmente reaccionaron 24. En este diagrama de bloques, se puede observar que los diferentes componentes de fibra entran en contacto con agua subcrítica y se convierten en biocarbón HTC (CTipo OAL).

Figura 4
Figura 4. La producción de metano procedente del reactor UAS, tanto en condiciones termófilas y mesófilas con el filtro anaeróbico. Estos son los resultados experimentales del reactor UAS para 210 días de operación para ambas condiciones termófilas y mesófilas. El eje X es días de operación, mientras que el eje Y es el rendimiento de metano (CH4 L / kg SV) en comparación con el sólido volátil (VS).

La figura 5
Figura 5. Fracción de metano del biogás procedente del reactor UAS, tanto en condiciones termófilas y mesófilas. Estos son los resultados experimentales del reactor UAS para 210 días de funcionamiento en tanto un termófilod condiciones mesofílicas. El eje X es días de operación, mientras que el eje Y es la fracción de metano (%) en el biogás. Los valores indicados son promedios de los duplicados.

La figura 6
Figura 6. (Izquierda a derecha) Paja seca de trigo, paja de trigo seco digestato y biochar HTC de digestato de paja de trigo. Esta es la imagen en tiempo real de los diferentes estados de la paja del trigo. Aquí, en esta figura, el efecto de la digestión anaerobia (DA) y HTC puede ser visible. La estructura de la fibra es todavía visible en el digestato, mientras se convierte en polvo después de HTC.

La figura 7
Figura 7. Hidrofobicidad del biochar HTC (izquierda), la friabilidad del biochar HTC (derecha)

Figura 8
Figura 8. (Arriba) el potencial de bioenergía de la digestión anaerobia (DA) de 1 kg de paja de trigo en bruto y (abajo) el potencial de la bioenergía mediante la integración de AD-HTC de 1 kg de paja de trigo seco. Esto es una figura para evaluar la necesidad de la combinación conceptos. El diagrama de bloques muestra cuánta energía se extrae por AD y HTC de la materia prima.

Tabla 1
Tabla 1. Análisis elemental, HHV, rendimiento de masa, y el análisis de la fibra de paja de trigo, la digestión (termófilos), y la correspondiente biochar HTC. HHV se calcula a partir de la composición C H N como se muestra en la literatura 18,24. Tabla 1 es los resultados experimentales de análisis elemental, y el rendimiento en masa después de AD y HTC. La lignina, celulosa y hemicelulosa se miden por análisis de la fibra Van Soest [12]. Nota:. Na no se analiza por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta tabla.

Discussion

Reactores UAS son capaces de mitigar las deficiencias discutidas en la introducción. Sin embargo, hay mucho margen de mejora. Sistema de alimentación y la retirada de digestato son todavía manual. El sistema de los UAS se enfrenta a problemas de manipulación de materias primas de más de 60 mm. El sistema funciona mejor con materias primas fibrosas ya que flotan a través del líquido, pero otras materias primas como el estiércol y lodos podría no favorecer el sistema UAS. El sistema de UAS está diseñado de tal manera que el licor de proceso circula desde el reactor a AF al reactor de nuevo. Sin embargo, incluso un 2-5% sólido en el líquido circulante fue demostrado ser problemático, ya que se depositan en el AF o bloquean la entrada de la tubería y dificultan la circulación de líquido. El análisis químico del líquido de proceso es importante, como la producción de ácidos grasos libres y de nitrógeno puede cambiar el sistema microbiana que resulta en la producción de biogás no característica. El sistema de los UAS es robusto, y se puede ejecutar más de 200 días sin mostrar ningún significant problemas. Los tubos de conexión de las bombas de los reactores a las aflatoxinas deben ser reemplazados cada mes alternativo. El nivel del agua en el baño de agua necesita ser comprobada de forma semanal y rellenar si es necesario.

HTC de digestato húmeda es muy eficaz para el tratamiento de residuos, así como la producción de biocombustibles sólidos. El dewateribility del producto sólido también se verá facilitado por el proceso HTC como se muestra en la Figura 7. Sin embargo, HTC del digestato se debe realizar lo antes posible, preferiblemente el mismo día en que se retira el digestato. De lo contrario, la digestión empieza degradar biológicamente, que no es favorable para HTC. Como HTC es una alta temperatura (200-260 ° C) y alta presión de proceso (20-50 bar), tomar las precauciones necesarias durante todo el procedimiento de HTC es muy importante. Todas las conexiones se comprueban al menos una vez al mes para asegurarse de que son los gases. Líquido de proceso HTC tiene una mayor concentración de furfural, 5-HMF, y co fenólicompounds, que están clasificados como tóxicos. Por lo tanto, se recomienda utilizar una máscara de cara y guantes durante la manipulación de líquido de proceso HTC, especialmente cuando licor de proceso HTC es drenado desde el recipiente del reactor a otro contenedor. Aunque HTC tiene muchas ventajas para el manejo de la materia prima en húmedo como digestato, todavía es un proceso por lotes. En una evaluación económica, el proceso por lotes HTC va a ser difícil de justificar. Más investigación es por lo tanto necesaria para facilitar la operación continua de HTC.

Análisis elemental es un método eficaz para sustratos sólidos homogéneos, pero no para sustratos heterogéneos. Como biocombustible sólido suele ser heterogénea y elemental analizador sólo permite 5-10 mg de tamaño de la muestra, se recomienda realizar al menos tres repeticiones y un uso promedio. Otra limitación de análisis elemental es la medición de sustratos sólidos con alto contenido de cenizas. Analizadores elementales sólo miden chons, y no hay otros compuestos inorgánicos. Así, el análisis elemental de sustratos sólidos alta de ceniza podría no reveal las concentraciones chons reales. Preparación de la muestra para el análisis elemental es vital, ya que la muestra tiene que ser envuelta, precisamente, de lo contrario, habrá una falta de coherencia en los análisis. Valor de combustible del combustible sólido puede estimarse a partir de chons, pero se recomienda utilizar un calorímetro de bomba para la determinación del valor preciso de combustible.

Acerca de 92-161 L de metano fue producido por kilogramo de sólidos volátiles en la alimentación. El total de sólidos o sólidos orgánicos volátiles de la paja de trigo seco fue 86,9%. Digestato seco tiene menor concentración de oxígeno y el hidrógeno atómico, que es otro indicio de degradación de polisacáridos y la degradación sencilla de azúcar durante la digestión anaerobia 22,23. Por otra parte, inferior H, y O concentraciones aumentan el HHV del digestato 24. HHV del digestato seco es 22% superior a la materia prima cruda seca. Los resultados similares se obtienen con un análisis estadístico detallado por Pohl et al 23.

De lodos procedentes de la digestión anaeróbica contiene un 80-90% de agua 6. Estos son hidrófilos y el agua está parcialmente consolidadas en las células microbianas o de plantas. Como resultado de deshidratación o secado de lodos ya es complicado y requiere mucha energía. Por ejemplo, 2 kg de digestato seco une 8 kg de agua (80% de humedad), lo que requiere 20,7 MJ de calor para secar digestato. Por otra parte, tiende a bio-degradan relativamente rápido en las condiciones ambientales, pierde nutrientes de las plantas, y libera de GEI (gases de efecto invernadero) tales como N 2 O y CH 4. Así, a pesar de un mayor potencial de energía, digestato fresco no se puede utilizar directamente como combustible sólido. Se tendría que ser secado después de la digestión 20.

De la Tabla 1, se puede demostrar que el digestato seco tiene un contenido de carbono atómico similar a la paja en bruto, y son visualmente similares antes y después de la digestión anaerobia (Figura 6). Esto sugiere que la lignina y la celulosa de la lignina con incrustacionesson en su mayoría sin reaccionar. Sin embargo, un rendimiento másico del 63% observada, es decir, la paja procesada es 37% más ligero que la paja cruda seca. Concentración de carbono elemental similares significa que no hay carbonización se produjo durante la digestión anaerobia 22. Como se muestra en la Figura 7, el biocarbón HTC de digestato (termófila) es muy estable y suave. Debido al aumento significativo en la hidrofobicidad, se puede sumergir literalmente en el agua durante meses sin su estructura física y química ser afectado 12,25. La hidrofobicidad también mejora la deshidratación de HTC biocarbón 14. Estructura de la paja no es discernible en el biocarbón HTC más, lo que significa que la celulosa se podría haber reaccionado. Un carbonización significativa se observa en biocarbón HTC junto con la reducción de oxígeno atómico. Esta es otra indicación de celulosa se hace reaccionar en lugar de lignina. Concentración de carbono Atómica en lignina es mucho mayor que la de la celulosa 24-29. Como resultado, HTC Biochar tiene un HHV de 29,6 MJ / kg, que son 61% más que la paja en bruto y el 32% más alto que el digestato seco, respectivamente.

HHV de paja de procesado HTC es 28,8 MJ / kg, que es también similar a la de HTC procesado digestato paja (29,6 MJ / kg). Sin embargo, la producción en masa es un 40,7% mayor en paja de HTC que la de digestato de HTC con la comparación de la materia prima en bruto. Como resultado, si 1 kg de paja en bruto (18,4 MJ) se carboniza hidrotérmicamente, biocarbón paja HTC tendrá el potencial de 11,0 MJ. De lo contrario, si es la misma cantidad se aplica a AD y HTC, un total de bioenergía 13,2 MJ, en las formas de biometano (5,2 MJ) y el biochar HTC de digestato (8,0 MJ), puede ser producida (Figura 8). Además, la fase líquida del proceso de UAS es un potencial fertilizante líquido. Por otra parte, HTC biochar podría tener un mayor potencial en el uso de materiales de alto valor o el uso como enmienda del suelo. Para el punto de vista de la captura de carbono o el ciclo del carbono, el uso de materiales de HTC biochar es más factible que la producción de energía. </ P>

La digestión anaerobia combinada con la carbonización hidrotermal puede rendir más de bioenergía de los procesos individuales. Sin embargo, se necesita un diseño en cascada para una mejor eficiencia. El balance energético global, seguido por una evaluación económica, se requiere para validar este proceso. La investigación futura debe incluir el uso de licor HTC y post-tratamiento (químico o biológico) de HTC biochar. Además, será necesaria la automatización de tanto los UAS y sistemas de HTC. Este estudio fue realizado en el uso de un UAS a escala de laboratorio y el reactor de HTC, pero escalado del proceso sería necesario si el proceso va a ser comercializado.

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).

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Evaluación de la gestión integrada de Digestión Anaerobia y carbonización hidrotermal para la producción de bioenergía
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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).

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