Summary
En roman Upflow Anaerob Solid State (UAS) reaktor användes för biogasproduktion från fibrösa råmaterial. Rötrest från UASs Reaktorn hydrotermalt karboniseras i HTC biochar i en trycksatt satsreaktor. Integrationen av de två bioenergi koncept tillämpades i denna studie för att öka den totala produktionen av bioenergi.
Abstract
Lignocellulosa är en av de vanligast förekommande men underutnyttjade förnybara energikällor. Både rötning (AD) och hydrotermisk förkolning (HTC) är lovande teknik för produktion av bioenergi från biomassa i form av biogas och HTC biochar, respektive. I denna studie, är en kombination av AD och HTC föreslås för att öka den totala produktionen av bioenergi. Vete halm var anaerobt rötas i en roman uppåtflöde anaerob halvledarreaktor (UAS) i både mesofil (37 ° C) och termofil (55 ° C) förhållanden. Våt spjälkades från termofil AD hydrotermalt karboniseras vid 230 ° C under 6 h till HTC biochar produktion. Vid termofil temperatur, ger den UASs systemet i genomsnitt 165 L CH4 / kg VS (VS: VS) och 121 L CH4 / kg VS vid mesofil AD under kontinuerlig drift på 200 dagar. Samtidigt, 43,4 g HTC biochar med 29,6 MJ / kg dry_biochar var obtained från HTC på 1 kg rötrest (torrsubstans) från mesofil AD. Kombinationen av AD och HTC, i detta speciella uppsättning av experiment ger 13,2 MJ energi per 1 kg torr vetehalm, som är minst 20% högre än enbart HTC och 60,2% högre än endast AD.
Introduction
Att hitta förnybara och hållbara energikällor är viktiga frågor i världen energisektor. Nyligen rapporterade FN att upp till 77% av världens energi år 2050 kommer att förväntas från förnybara källor 1. Lignocellulosa såsom halm, gräs, risskal, majskolvar har inga konflikter med maten kontra bränslefrågan. Dessutom är biomassa förmodligen den enda förnybara energikälla med strukturell kol, jämfört med andra förnybara energikällor som vind, sol och vatten 2. Men hanteringsegenskaper, lägre bulkdensitet, hög askhalt och lägre energiinnehåll hindrar användning av lignocellulosa för energiproduktion 2.
Rötning (AD) är en av de främsta exemplen på att producera bioenergi från avfall biomassa. 3 I allmänhet finns det fyra nedbrytningssteg involverar i anaerob nedbrytning som visas i figur 1 4 (Figur 2) 4. Spontana fast-vätske-separationer är en av de betydande fördelarna med UAS, eftersom den utformade underlättar biogasen bubblar lyfta oreagerade fasta rester uppåt 5. Detta eliminera användningen av omröraren och minskar förbrukningen av makten på plats därför. Dessutom säkerställer vätskecirkulation distribution av mikroorganismer och metaboliter hela reaktorn samt 5. Jämfört med fasta biobränslen är biogas lättare att hantera, och lämnar lite eller inga rester. I själva verket är den specifika energitäthetenav biogas är flera gånger högre rå biomassa 4. Men AD gynnar enkla polysackarider som stärkelse, fettsyror, och hemicellulosa 1. Som ett resultat, cellulosa och lignin, huvuddel av fibrösa lignocellulosa såsom vetehalm, kvarstår som ett fast biogödsel efter AD 5. Även om produktionen av biogas varierar från råvara, typ av mikroorganismer, reaktionstemperatur och reaktionstid, är en enorm mängd biogödsel vanligtvis produceras.
Medan biogas används till energi, är rötrester (upp till 90% vatten) oftast lagras i en jäsningsrester-depå för att samla in återstående metanutsläpp. Efteråt dessa torkas och sprids på åkermark för att förbättra markens bördighet och vattenhållande förmåga. Hög oorganiskt innehåll hindrar ofta biogödsel direkt som bränsle, eftersom stora mängder slagg kan korrodera utrustningen 6. Hydrotermisk förkolning (HTC) är en termokemisk behandlingsprocess speciellt utformad för våta. råmaterial, där biomassa (med 80-90% vatten) värms upp till 200-260 ° C vid vattenmättnad tryck och håll i 0,5-6 h (Figur 3) 7,8 Underkritiskt vatten har den högsta joniska produkten vid 200 - 260 ° C, vilket innebär att vatten under dessa förhållanden är reaktivt och beter sig som en mild syra och en mild bas samtidigt 9. Hemicellulosa, tillsammans med andra extraktivämnen, försämra runt 180 till 200 ° C, medan cellulosa reagerar omkring 220-230 ° C, och lignin reagerar vid relativt högre temperatur (> 250 ° C), men mycket långsammare än cellulosa och hemicellulosa 10. På grund av betydande uttorkning och dekarboxylering, HTC resultat fast produkt som heter HTC biochar, med mass avkastning (torr HTC biochar / torrfoder) på 40-80%, sprit innehåller karboxylsyror, furanderivat, fenoliska ämnen och socker monomerer, och 5 - 10% CO2 rik gasformig produkt 11. Under HTC, syre innehåller flyktiga ämnen är betydligtreduceras och därmed lämna en kolrika fast. HTC biochar är också stabil, hydrofoba, och spröda jämför med rå fuktig råvara 12,13. På grund av dess hydrofoba egenskaper, ökar dewateribility av HTC biochar flera gånger jämfört med obehandlad rötrest eller rå biomassa. 14-18 Dessutom har HTC biochar bränslevärden som liknar brunkol 16,17. Men cellulosa och lignin delvis brytas ned i HTC miljö 18.
Nu hemicellulosa och cellulosa i biomassa bidra till biogas under AD, medan cellulosa och lignin främst bidra till fast HTC biochar 4,5. Således kan en kombination av AD-HTC potentiellt öka den totala bioenergi avkastning. Hoffmann et al. Simulerade en liknande kombination, men med hjälp av AD-och HTL (hydrotermisk kondensering) i stället för AD-HTC 19. HTL är en vanlig metod för kondensering biomassafraktion och flytande produkt har högt bränslevärde [43,1 MJ / kg]. Emellertid HTL requIRES mycket högt tryck (250 bar) jämfört med HTC (10-50 bar), vilket innebär en hög installations-och driftskostnader än HTC. Återigen, kan kombinationen sekvens av AD och HTC ifrågasättas som Wirth et al. Rapporterade nyligen AD av HTC processvätska 20. Men en effektiv AD beroende av sockerkoncentrationen i råvaror. Socker i HTC processvätska, som produceras under hydrolys, ofta bryts ned snabbt i underkritiskt vatten. Därför AD innan HTC är mer gynnsam när det gäller bioenergi. Däremot kan AD av HTC processvätska producera ytterligare bioenergi, i vilket fall skulle kombinationen sekvensen vara AD-HTC-AD.
Syftet med arbetet var att utvärdera integreringen av AD och HTC processer för bioenergiproduktion (Figur 3). Biogasproduktionspotential för termofila och mesofila AD från UAS reaktor utvärderades vid en kontinuerlig drift av mer än 200 dagar. Därefter HTC biochar produktion from rötrester studerades också. Massan och energibalansen i kaskad AD-HTC fördes och jämfördes med de enskilda processerna.
Protocol
1. Rötning av vete Straw
Obs: För rötning i 39 L UASs reaktorer, använd 5-65 mm lång halm rå vete kotletter som foder. Det organiska torrsubstanshalt av råmaterialet i detta speciella experiment var 85,9%, och råfiberfraktionen var 46,3%. De UASs reaktorerna är av rostfritt stål med ett inspektionsfönster tillverkat av akrylglas. Två 30 L anaerobt filter (AF) är kombinerade med vardera 39 L UASs reaktor. AFS är byggda av transparent akrylglas. Den schematiska av reaktorsystem visas i figur 2 och arkitekt beskrivs på annat håll 4. Uppgifter om inokulering och starta reaktorerna ges på annan plats 5.
- Fyll varje AF med 325 tunnformad polyeten biofilmbärare.
Anmärkning: De biofilmbärare används har en ytarea av 305 m 2 / m 3. - Ställ in vattenpumpar för processvätskecirkulationi både mesofila och termofila reaktorer för en flödeshastighet av 1,15 liter / timme.
- Ställ in värme bad till önskad reaktorns temperaturnivå, 37 ° C under det mesofila och 55 ° C under den termofila reaktorn.
- För daglig utfodring av UAS reaktorerna, väger 120 g FM av vetehalm (= 99,5 g VS) för varje reaktor för att uppnå en organisk belastning på 2,5 g VS / L · dag.
- Öppna UAS "matningsröret och ta bort stämpeln.
- Häll vetehalm i den diagonala inmatningsröret och tryck in den i reaktorns botten med hjälp av utfodring stämpeln. Därifrån kommer den halm flyta upp mot en sil och bilda solid-state-säng.
- Rengör tätningsytan för att se, det är gastätt och stäng inmatningsröret.
- Pumparna kommer att köras kontinuerligt, förmedla 1,2 L / tim processvätska genom reaktorsystemet (UAS och AF).
- Mät biogasflödet kontinuerligt med trumma-typ gas meters och lagra i en 20 L gas väska.
OBS: Gör en utgång från gasen påsen till biogas analysatorn. I biogas analysator, CH4, H2S, O 2, CO 2 och H 2 mäts. Första biogas måste passera tre olika filter för att avlägsna fukt och andra toxiska föreningar som är skadliga för detektorn. Analysatorn måste kalibreras en gång i veckan för noggrann biogas kompositionen. - Mät biogas sammansättning regelbundet med hjälp av en industriell biogas analysator. OBS: Biogas analysator kan bara mäta biogas när biogaspåsen är minst halvfull. För mätning av biogas sammansättning, ventilen vid gaskudden måste öppnas och vänta på att den stadiga biogas kompositionen (det tar ungefär 20 till 30 sekunder).
- För processtyrning, mäta pH och temperatur på nätet med hjälp av installerade pH-mätare och termometer.
- Ta bort ca 3 kg av biogödsel (80-90% våt) en gång i veckan, vilket ger ett fast material uppehållstid (SRT) of 2-3 veckor. Använd denna rötrest som foder till HTC process. Den biogas som produceras i efterhand är tillräckligt för att pressa någon luft och skapa anaeroba förhållanden inom några timmar.
- Analysera process sprit och rötrester varje vecka för sina kemiska egenskaper (pH, EC, TS, VS, fettsyror, CHNS, ammoniak, spårämnen, och växttråd).
2. Hydrotermisk Förkolning av vete Straw Rötrest
Obs! Hydrotermisk pyrolys av rötrester från steg 1, rörs en 18 L satsreaktor används. Den kontrollerande och tidpunkt för processen sker via reaktorstyrenhet 4848 och mjukvaran SpecView 32 849, som körs på en dator. I programmet, kan reaktortemperaturen, värmemantel temperatur, tryck och omrörningshastighet att visas. Dessutom är programmet för processparametrarna (start temperatur, inställd temperatur, uppvärmningshastighet, omrörningshastighet) kan ställas in för varje HTC experiment.
- Väg upp 2,5 kgav halm rötrester användning av en balans med en noggrannhet av 0,1 g och överför till reaktorkärlet.
- Använd samma balans för att mäta 10 kg smink vatten, och häll det i reaktorkärlet också. Detta kommer att upprätthålla rötrester vattenförhållandet 01:04.
- Innan pneumatiskt stänger, rör manuellt innehållet reaktorn för att förhindra blockering av propeller omrörare. Stäng reaktorn och säkra den med korsvis dra åt skruvarna med en kraft på 50 Nm.
- Ställ reaktionen med följande rampen blöt:
- Nå starttemperatur på 30 ° C i 15 min från rumstemperatur.
- Ställ värmningstiden för reaktionstemperatur av 230 ° C är 100 min.
- Håll den slutliga reaktionstemperatur under 6 timmar.
- Efter 6 h av hålltiden, kyla reaktorn 15 tim från 230 ° C till rumstemperatur.
- Rör om innehållet reaktorn vid 30 rpm under hela HTC processen.
- Stäng av omröraren efter avkylningsfasen och ptvinga gasen i en 20 L gaspåsen.
- Kontrollera att gasen passerar genom en kondensatfälla liksom ett aktivt kolfilter.
- Förvara gas för ytterligare analys.
- Efter provtagning av gas, dränera slammet från kärlet till en behållare genom en hög temperatur, högt tryck kulventil och sedan filtrera den genom ett nät med en porstorlek på ca 0,5 mm.
- Samla fluiden och tarera produceras HTC biochar att bestämma mängden av HTC-producerade char jämfört med utgångsmaterialet.
3. Elementaranalys av Raw, Rötrest och HTC Biochar av vete Straw
OBS: För alla fast bränsle analys, är en elementaranalysator eller Chons analysator används ofta. Den elementära sammansättningen av atomärt kol, väte, syre, kväve och svavel kan erhållas från denna analys. Från Chons, kan en uppskattning av det högre värmevärdet eller energivärdet hos bränslet. Dessutom kommer halten atomsvavel även indicåt kvaliteten av bränslet. I denna studie kommer en elementaranalysator användas för att bestämma bränslevärde HTC biochar, halm rå vete och biogödsel. Eftersom analysator kan endast en mycket liten provstorlek, analysera varje prov minst tre gånger bättre reproducerbarhet.
- I en provpanna (tenn, 6 x 6 x 12 mm), väger 30 mg volfram (VI) oxid med hjälp av specifika balansen i grundämnespaketet. OBS: Precisionen i en sådan balans är vanligtvis 1 mikrogram. Tungsten (VI) oxid fungerar som en katalysator i elementaranalysator.
- Väg 5-10 mg torrt prov och tas i samma prov pan, blanda, och slå in den. Den inslagna prov pan storlek ska vara ca 2 x 2 x 5 mm 3.
- Placera proverna i autosampler. Notera positionen för varje prov och använda sulfonsyra i denna elementaranalys som en referens
- Starta Vario programvara i datorn som är ansluten till elementaranalysatorn, definiera villkoren, prover gasflöde, temperaturer på2 ugnar (de två ugnarna är på 1150 och 850 ° C, respektive). Sedan definierar provnamnen enligt autosampling positioner. Starta programmet. Maskinen fungerar automatiskt, utför analysen, och lagrar resultatet i datorn.
Obs: Elemental CHNS är produktionen av elementaranalysatorn och brukar redovisas direkt på datorskärmen.
Representative Results
Rötning
Biogas experiment avslöjade att UASs systemet är kapabelt att utnyttja 38%, och 50% av metanbildande potential vid mesofil (37 ° C) och termofilt (55 ° C) drift, respektive. Vid termofil AD, ger den UASs systemet i genomsnitt 165 L CH4 / kg VS (VS: VS) och 121 L CH4 / kg VS vid mesofil AD under en 200 dagars kontinuerlig drift (Figur 4). De prestandavärden har beräknats ur kvantitativ och kvalitativ analys av biogasen som rör den torra råvaran basis.
Den biogas potential för vetehalm bestämdes (efter VDI riktlinje 4630) för att vara 304,3 L CH4 / kg VS för termofil och 244,2 L CH4 / kg VS för mesofil drift, respektive, och presenteras i fig 50, 21. När det gäller kvalitet, biogas produceras av UAS innehöll mellan 41% och 61% av metan (Figur 5).
HTC rötrestkreditering
Figur 6 visar torr halm, torra biogödsel härrör från halm av AD, och HTC biochar härstammar från torra biogödsel av HTC. Torr rötrest liknar den torr halm, vilket är bara lite mörkare i färgen. För detta arbete har biogödsel från termofila förhållanden beaktas för HTC. Såsom visas i Tabell 1, kvarstår 63% av den totala massan i rötrester (tabell 1). Torr HTC biochar är lättare än torr rå halm, förmodligen på grund av nedbrytningen av monomerer och enkla polymerer genom termofila mikroorganismer under AD.
Figur 7 visar den hydrofoba beteende, och mjukhet HTC bioträkol. Under HTC är de fibrösa kristallina strukturer förstörs och producerar en mjuk amorf carbon rika HTC biochar 16,17,28. Det kan ses från tabell 1 att den massutbyte av rötrester och rå halm härledd HTC biochar är 43,4% och 38,3%, respektive. Den fasta produkt, är HTC biochar mycket hydrofoba 12; det kan hålla kontakt med vatten under lång tid 13. Det är också mycket mjuk, eftersom det knappast kräver någon press att pulverisera den. För kol till kraftindustrin, är mycket viktigt att bibehålla mjukhet av råvaran, eftersom detta kan eliminera de expansiva pulveriserande steg.
Elementaranalys
Från grundläggande sammansättningen som visas i tabell 1, kan det ses att elementärt kol och väte att förbli densamma i fast hela rötning. Elementärt kol ökar och väte minskar under HTC. De flesta av elementärt kväve förblir i fast eftersom elementärt kvävehalten ökar under både matsmältningen en d HTC-processer. Eftersom svavel i vetehalm är spår, är koncentrationen av elementärt svavel som inte redovisas i resultatet. Elementar syrehalt beräknades genom subtraktion av C, H och N från 100%, och också i tabell 1, under förutsättning att utgångsmaterialet består av endast Chons. Syrekoncentrationen minskade dramatiskt under HTC, medan den förblir likartad under matsmältningen.
Figur 1. Grundläggande begrepp och steg för rötning. Siffran beskriver de grundläggande koncepten för rötning. I denna figur finns fyra generella steg (hydrolys, acedogenesis, acetogenesis och metanogenes) för rötning presenteras
g2highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 2:. Schematisk beskrivning av laboratorieskala UASs reaktor för rötning är här den schematiska av UAS reaktorsystem. Här på UAS reaktorn och anaeroba filter (AF) är visade förbundna med en vätskeström, där fettsyror som produceras i UAS reaktorn kommer till AF och metan produceras. Från botten av den AF, en annan vätskeström dras till UAS, där mikroorganismerna går från AF till UASs reaktorn.
Figur 3. (Överst) Begreppet HTC av lignocellulosa, (botten) integrera begreppet rötning och HTC * cellulosa blir delvis reagerade 24. I detta blockschema, kan det ses att olika fiberkomponenter komma i kontakt med underkritiskt vatten och omvandlas till HTC biochar (COAL typ).
Figur 4. Metanproduktion från UAS reaktorn i både termofila och mesofila förhållanden med den anaeroba filtret. Dessa experimentella resultat av UAS reaktor för 210 dagars drift för både termofila och mesofila förhållanden. X-axeln är dagars drift, medan Y-axeln är metanutbytet (L CH4 / kg VS) jämfört med flyktig fast (VS).
Figur 5. Metan bråkdel av biogas från UAS reaktor i både termofila och mesofila förhållanden. Dessa experimentella resultat av UAS reaktor för 210 dagars drift enligt både termo end mesofila förhållanden. X-axeln är dagars drift, medan Y-axeln är den metanfraktionen (%) i biogasen. Angivna värden är medelvärden från dubbletter.
Figur 6. (Vänster till höger) Torr halm vete, torr halm vete rötrest, och HTC biochar av vetehalm rötrest. Detta är den verkliga tidsbild av de olika tillstånd av vetehalm. Här i denna figur, kan effekten av rötning (AD) och HTC vara synlig. Fiberstrukturen är fortfarande synliga i rötresten, medan det blir pudrig efter HTC.
Figur 7. Hydrofobicitet HTC biochar (vänster), sprödhet av HTC biochar (höger)
Figur 8. (Överst) Bioenergi potential genom rötning (AD) från 1 kg halm rå vete och (nederst) bioenergipotentialen genom att integrera AD-HTC från 1 kg torr vetehalm. Det är en siffra för att utvärdera behovet av kombinationen begrepp. Blockdiagrammet visar hur mycket energi att utvinna av AD och HTC från råvara.
Tabell 1. Elementaranalys, HHV, massutbyte, och fiberanalys av halm rå vete, biogödsel (termofil), och motsvarande HTC biochar. HHV beräknas från CHNS sammansättning som visas i litteraturen 18,24. Tabell 1 är de experimentella resultaten av elementaranalys och mass-utbyte efter AD och HTC. Lignin, cellulosa och hemicellulosa mäts av van Soest fiberanalys [12]. Anmärkning:. Na analyseras inte Klicka här för att se en större version av den här tabellen.
Discussion
UAS reaktorer är kapabla att mildra de brister som tas upp i inledningen. Men det finns mycket utrymme för förbättringar. Matningssystem och rötrester återkallande fortfarande manuellt. Det UAS-system står inför problem som hanterar råvaror som är större än 60 mm. Systemet fungerar bättre med fibrösa råvaror eftersom de flyter över vätskan, men andra råvaror såsom stallgödsel och slam kanske inte gynnar UAS-system. Den UASs systemet är utformat på ett sådant sätt att processvätskan cirkulerar från reaktor till AF till reaktorn igen. Emellertid var även 2-5% fast material i den cirkulerande vätskan visat sig vara problematiskt, eftersom de sätter in i AF eller blockera röret ingång och hindrar vätskecirkulationen. Kemisk analys av processvätskan är viktig, eftersom produktionen av fria fettsyror och kväve kan förändra den mikrobiella systemet resulterar i otypiskt biogasproduktion. Det UASs Systemet är robust, och kan köra mer än 200 dagar utan att visa någon significant problem. Rören som ansluter från pumpar till reaktorer AFS behöver bytas varje alternativ månad. Vattennivån i vattenbadet måste kontrolleras en gång i veckan och fyllas på vid behov.
HTC våt biogödsel är mycket effektiv för avfallsbehandling samt producera fasta biobränslen. Den dewateribility av den fasta produkten kommer också att underlättas av HTC processen som visas i Figur 7. Behöver emellertid HTC rötrestkreditering som skall utföras så snart som möjligt, helst samma dag som rötrester avlägsnas. Annars startar den biogödsel förnedrande biologiskt, vilket inte är gynnsamt för HTC. Eftersom HTC är en hög temperatur (200-260 ° C) och högt tryck (20-50 bar) processen, vidta nödvändiga försiktighetsåtgärder under hela HTC förfarandet är mycket viktig. Alla anslutningar kontrolleras minst en gång i månaden för att se till att de är gastät. HTC processvätskan har en högre koncentration av furfural, 5-HMF och fenol compounds, som är klassificerade som toxiska ämnen. Så, är det rekommenderat att använda en ansiktsmask och handskar vid hantering HTC processvätska, speciellt när HTC processvätskan dräneras från reaktortanken till en annan behållare. Även HTC har många fördelar för hantering av våt råvara som biogödsel, är det fortfarande en satsvis process. I en ekonomisk utvärdering, kommer HTC satsvis process vara svårt att motivera. Mer forskning krävs alltså för att underlätta kontinuerlig drift av HTC.
Elementaranalys är en effektiv metod för homogena fasta substrat, men inte för heterogena substrat. Som fasta biobränslen är oftast heterogena och elementaranalysatorn bara tillåter 5-10 mg av provstorlek, rekommenderas att utföra minst tre replikat och användning genomsnitt. En annan begränsning hos elementaranalys mäter fasta substrat med hög askhalt. Elementaranalysator bara mäta Chons, och inga andra oorganiska ämnen. Så, elementaranalys av hög aska fasta substrat kanske inte reveal de faktiska Chons koncentrationer. Provberedning i grundämnesanalys är avgörande och provet måste slås in exakt, annars kommer det att finnas en inkonsekvens i analyser. Bränslevärdet av det fasta bränslet kan uppskattas från Chons, men det rekommenderas att använda en bombkalorimeter för exakt bränslevärde beslutsamhet.
Om 92 till 161 L av metan har producerats per kilogram av flyktig fast substans i fodret. Den flyktiga fasta eller organisk totalt fast i den torra vetehalm var 86,9%. Torr biogödsel har lägre atomärt syre och väte koncentration, vilket är ytterligare ett tecken på nedbrytning av polysackarider och enkel nedbrytning socker under rötning 22,23. Dessutom lägre H och O koncentrationerna ökar HHV av rötrest 24. HHV torr biogödsel är 22% högre än torr rå råvara. De likartade resultat uppnås med en detaljerad statistisk analys av Pohl et al 23.
Rötrester från rötning innehåller 80-90% vatten 6. Dessa är hydrofila och vatten är delvis bunden i mikrobiella eller växtceller. Som ett resultat av avvattning eller torkning av rötrester är besvärligt och mycket energikrävande. Till exempel 2 kg torrt rötrester binder 8 kg vatten (80% våt), som kräver 20,7 MJ av värme för att torka rötrester. Dessutom tenderar det att biologiskt försämra relativt snabbt under omgivande förhållanden, förlorar växtnäringsämnen, och släpper av växthusgaser (växthusgaser) utsläpp såsom N 2 O och CH 4. Så trots högre potentiell energi, färska rötrester kan inte användas direkt som ett fast bränsle. Det skulle behöva torkas direkt efter uppslutningen 20.
Av tabell 1, kan man visa att den torra biogödsel har en liknande atom kolhalt som rå strå, och de är visuellt lika före och efter rötning (Figur 6). Detta tyder på att lignin och lignin-krönta cellulosamestadels oreagerade. Men en massa avkastning på 63% observerades, vilket innebär bearbetat halm är 37% lättare än torr rå halm. Liknande koncentration elementärt kol innebär ingen förkolning inträffade under rötning 22. Såsom visas i figur 7, är HTC biochar från rötrester (termofil) mycket stabil och mjuk. På grund av den betydande ökningen av hydrofoba, kan det bokstavligen dränka i vatten i månader utan att dess fysiska och kemiska struktur påverkas 12,25. Hydrofobiciteten förbättrar också avvattning av HTC biochar 14. Uppbyggnad av halm är inte urskiljbara i HTC biochar längre, vilket innebär att cellulosa kan ha reagerat. En betydande förkolning observeras i HTC biochar tillsammans med minskningen av atomärt syre. Detta är ytterligare ett tecken på cellulosa som reagerade istället lignin. Atomärt kol koncentrationen i lignin är mycket högre än för cellulosa 24-29. Som ett resultat av HTC Biochar har en HHV av 29,6 MJ / kg, vilket är 61% högre än rå halm och 32% högre än torr rötrester, respektive.
HHV av HTC stråberedning är 28,8 MJ / kg, vilket är också liknande den för HTC stråberedning rötrester (29,6 MJ / kg). Dock är mass avkastningen 40,7% högre i HTC halm än för HTC rötrest med jämförelse med rå råvara. Som ett resultat om 1 kg rå halm (18,4 MJ) är hydroterm förkolnade, kommer HTC halm biochar har potential på 11,0 MJ. Annars, om samma belopp tillämpas på AD och HTC, totalt 13,2 MJ bioenergi, i form av biometan (5,2 MJ) och HTC biochar från rötrester (8,0 MJ), kan produceras (Figur 8). Dessutom är flytande fasen i UASs processen en potentiell flytande gödning. Dessutom kan HTC biochar har högre potential på högt värde material användning eller användning som jordförbättring. För kolbindning eller kolcykel synvinkel, är mer realistiskt material användning av HTC biochar att energiproduktionen. </ P>
Rötning i kombination med hydrotermiska förkolning kan ge mer bioenergi än de enskilda processerna. Det behövs dock en kaskad design för bättre effektivitet. Den totala energibalansen, följt av en ekonomisk utvärdering, krävs för att bekräfta denna process. Framtida forskning bör omfatta användning av HTC sprit och efterbehandling (kemisk eller biologisk) i HTC biokol. Dessutom behövs automatisering av både UAS och HTC system. Denna studie genomfördes på att använda ett lab-skala UAS och HTC reaktor, men uppskalning av processen skulle vara nödvändigt om processen ska kommersialiseras.
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).
