Summary
Bir roman Yukarı akışlı anaerobik Solid State (UASS) reaktör lifli madde stokundan biyogaz üretimi için kullanıldı. UASS reaktörden Digestate hidrotermal basınçlı bir parti reaktöründe HTC biochar hâlinde karbonize edilmiştir. İki biyoenerji kavramların entegrasyonu genel biyoenerji üretimini artırmak için bu çalışmada uygulanmıştır.
Abstract
Lignocellulosic biyokütle en bol henüz atıl yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Her iki anaerobik sindirim (AD) ve hidrotermal karbonizasyon (HTC), sırasıyla, biyogaz ve HTC biochar açısından biyokütle biyoenerji üretimi için teknolojiler umut vericidir. Bu çalışmada, AD ve HTC kombinasyonu toplam biyoenerji üretimini artırmak için önerilmektedir. Buğday samanı anaerobik bir roman mezofilik (37 ° C) ve termofilik (55 ° C) koşullarında hem de anaerobik katı hal reaktörü (UASS) reaktörler içinde sindirildi. Termofilik MS sindirilmiş Islak hidrotermal HTC biochar üretimi için 6 saat boyunca 230 ° C 'de karbonize edilmiştir. 200 gün sürekli çalışma üzerinde mezofilik AD seviyesinde ve 121 L CH4 / kg VS: termofilik sıcaklıkta, UASS sistem 165 L CH4 / kg VS ortalama (uçucu katı VS) verir. Bu arada, 29.6 MJ / kg dry_biochar HTC biochar 43.4 g obt oldumezofilik MS 1 kg digestate (kuru bazda) ve HTC ained. Deneyin bu özel sette AD ve HTC kombinasyonu, tek başına HTC göre en az% 20 daha yüksek ve sadece AD göre% 60.2 daha yüksek kuru buğday samanı, 1 kg başına enerjisi 13.2 MJ verim.
Introduction
Bulma yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarının dünya enerji sektöründe önemli sorunlardır. Son zamanlarda, Birleşmiş Milletler 2050 yılında dünyanın enerji kadar% 77 yenilenebilir kaynaklardan 1. beklenen edileceği bildirildi. Saman gibi Lignocellulosic biyokütle, ot, pirinç kabuğu, mısır koçanı yakıt sorununa karşı gıda ile hiçbir çatışmalar var. Ayrıca, biyokütle, rüzgar, güneş ve su 2 gibi diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına kıyasla, muhtemelen yapısal karbon ile sadece yenilenebilir enerji kaynağıdır. Bununla birlikte, işleme özellikleri, daha düşük kütle yoğunluklu, yüksek kül içeriği ve daha düşük enerji içeriği enerji üretimi için 2 lignoselülozik biyokütle kullanımını engelleyebilir.
Şekil 1'de 4 de gösterildiği gibi anaerobik sindirim (AD) atık biyokütleden biyoenerji üretiminin başlıca örneklerinden biridir. Genelde 3, dört bozulma adım vardır anaerobik sindirim dahil (Şekil 2) 4 üstesinden gelmek potansiyeline sahiptir reaktörler. Tasarlanan reaksiyona girmemiş katı madde kalıntılarını kaldırmak için yukarı 5 kabarcıklar biyogaz kolaylaştırdığı kendiliğinden bir katı-sıvı ayırma, UASS en önemli avantajlarından biridir. Bu karıştırıcı kullanımını ortadan kaldırmak ve bu nedenle yerinde güç tüketimini azaltır. Ayrıca, sıvı dolaşım oyuk 5 ile Reaktör boyunca mikroorganizma ve metabolitlerinin dağılımını sağlar. Katı biyoyakıt ile karşılaştırıldığında, biyogaz işlemek daha kolaydır ve çok az veya hiç kalıntı bırakmaz. Aslında, belirli bir enerji yoğunluğubiyogaz birkaç kez daha yüksek ham biyokütle 4'tür. Bununla birlikte, AD nişasta, yağ asitleri ve hemiselüloz 1 gibi basit polisakaritler yanadır. Sonuç olarak, selüloz ve lignin gibi, buğday samanı gibi bir elyaflı, lignoselülozik biyokütle büyük bir kısmı, MS 5 sonra bir katı digestate olarak kalır. Biyogaz üretimi mikroorganizmaların besleme stoğu, türü, reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresi değişir, ancak Digestate büyük miktarda, genellikle üretilir.
Biyogaz enerji için kullanılır iken, digestates (% 90 su), genellikle kalan metan emisyonlarını toplamak için bir fermantasyon kalıntı-deposunda saklanır. Daha sonra bu kurutulmuş ve toprak verimliliği ve su tutma kapasitesini artırmak için ekim yapılan alanlara yayılır. Cüruf yüksek miktarda ekipman 6 zarar edebileceğiniz gibi yüksek inorganik içerik genellikle, yakıt doğrudan digestate engel. Hidrotermal kömürleşme (HTC) özellikle ıslak için tasarlanmış bir termo tedavi süreci. biyokütle (% 80-90 su ile) su doyma basıncında 200-260 ° C'ye kadar ısıtılır ve 0.5-6 saat (Şekil 3) 7,8 için basılı tutun hammadde, Subkritik su 200'de maksimum iyonik ürün var - Bu koşullar altında su anlamına gelmektedir 260 ° C, reaktif ve hafif bir asit ile eş zamanlı olarak, 9 yumuşak bir baz olarak davranır. Selüloz yaklaşık 220-230 ° C reaksiyona girer, ve lignin göreceli olarak daha yüksek bir sıcaklıkta (> 250 ° C) ile reaksiyona girer, fakat selüloz ve hemiselüloz 10 daha yavaş ise hemiselüloz, diğer maddelerin yanı sıra, yaklaşık 180-200 ° C düşürür. Nedeniyle önemli bir su kaybı ve dekarboksilasyona, karboksilik asitler, furan türevleri, fenolik maddeler ve şeker monomerleri ve 5 ihtiva eden% 40-80, sıvının kütle verimi (kuru HTC biochar / kuru yem) ile HTC biochar adlandırılan HTC sonucu katı ürün, - 10% CO 2 zengin gaz ürün 11. HTC sırasında, oksijen içeren uçucu maddelerin önemli olanazalır ve böylece bir C-zengin katı madde elde edildi. HTC biochar ham nemli hammadde 12,13 karşılaştırmak da kararlı hidrofobik ve kırılgan olduğunu. Nedeniyle hidrofobik özellikleri, HTC biochar dewateribility ham digestate hatta ham biyokütle kıyasla birkaç kat arttırmaktadır. 14-18 Ayrıca, HTC biochar kömür 16,17 linyit benzeri yakıt değerleri vardır. Bununla birlikte, selüloz ve lignin kısmen HTC ortamında 18 bozulmasına yol açar.
Selüloz ve lignin çoğunlukla katı HTC biochar 4,5 katkıda Şimdi ise biyokütle hemiselüloz ve selüloz, MS bir biyogaz katkıda bulunur. Böylece, AD-HTC kombinasyonu potansiyel genel biyoenerji verimini artırabilir. Hoffmann ve ark. Benzer bir kombinasyonu simüle daha çok AD-19 HTC göre AD ve HTL (hidrotermal sıvılaştırma) kullanılarak. HTL biyokütle kısmını sıvılaştırılması ve sıvı ürün yüksek yakıt değeri [43.1 MJ / kg] olan yaygın bir yöntemdir. Bununla birlikte, HTL requires çok yüksek basınç (250 bar) HTC HTC'nin daha yüksek kurulum ve işletim maliyetlerini ima (10-50 bar), karşılaştırın. Yine, AD ve HTC kombinasyonu dizisi Wirth ve ark olarak sorgulanabilir. HTC işlem sıvının 20 son bildirilen AD. Ancak, etkili bir AD ham madde şeker konsantrasyonuna bağlıdır. Hidrolizi esnasında üretilen HTC işlem sıvı şekerler, çoğu zaman kritik altı su altında hızlı bir şekilde düşer. HTC önce AD biyoenerji açısından daha olumlu olmasının nedeni budur. Ancak HTC süreç sıvı AD durumda, kombinasyon dizisi AD-HTC-AD olurdu, ek biyoenerji üretebilir.
Çalışmanın amacı, biyoenerji üretimi için AD ve HTC süreçlerin entegrasyonunu (Şekil 3) değerlendirmektir. UASS reaktörden termofilik ve mezofilik AD için biyogaz üretim potansiyeli fazla 200 gün sürekli çalışma değerlendirildi. Daha sonra, HTC biochar üretim from digestate da incelenmiştir. Basamaklı AD-HTC bir kitle ve enerji dengesi gerçekleştirilmiştir ve tek tek işlemler ile karşılaştırılmıştır.
Protocol
Buğday Sapı 1. Anaerobik
Not: 39 L UASS reaktörlerde anaerobik sindirim için, yem olarak uzun ham buğday samanı pirzola 5-65 mm kullanın. Bu özel deneyde ham malzemenin organik kuru madde içeriği% 85.9 idi ve ham lif fraksiyonu% 46.3 idi. UASS reaktörler akrilik camdan yapılmış bir inceleme penceresi ile paslanmaz çelikten imal edilmiştir. Iki 30 L anaerobik filtre (AF) her biri 39 L UASS reaktör ile birleştirilir. AFS saydam akrilik cam inşa edilir. Reaktör sistemlerinin şematik Şekil 2'de gösterilmiştir ve mimari tasarım 4 başka bir yerde tarif edildiği. Reaktörlerin aşılanması ve yukarı başlayan detayları başka bir yerde 5 verilmiştir.
- 325 varil şeklinde polietilen biyofilm taşıyıcıları ile her AF doldurun.
Not: Kullanılan biyofilm taşıyıcılar 305 m 2 / m 3 arasında bir yüzey alanına sahiptir. - Süreci sıvı dolaşımı için su pompaları ayarlayın1.15 L / sa 'lık bir akış hızı için Hem mezofilik ve hem de termofilik reaktörlerde.
- Termofilik reaktör için mezofilik ve 55 ° C'de arzu edilen reaktör sıcaklık seviyesinde, 37 ° C'ye kadar ısıtma banyoları ayarlayın.
- UASS reaktörlerin her gün beslenmesi için, 2.5 g VS / L arasında organik bir yükleme hızı · gün elde etmek için her bir reaktör için buğday samanı (= 99.5 g VS) 120 g FM tartın.
- Açık UASS 'beslenme tüpü ve damga kaldırmak.
- Çapraz besleme borusu içine buğday samanı dökün ve besleme damga yardımıyla reaktörün dibine itin. Orada itibaren, saman bir elek karşı yüzer ve katı-hal yatak oluşturacak.
- Emin olmak için sızdırmazlık yüzeyini temizlemek, bu gaz geçirmez ve daha sonra besleme tüpü kapatın.
- Pompalar, reaktör sistemi (UASS ve AF) ile 1.2 L / saat işlem sıvısının taşıma sürekli çalışır.
- Davul-tipi gaz mete kullanarak sürekli biyogaz akımını ölçmek20 L gaz torbaya rs ve mağaza.
Not: biyogaz analizörü gaz torbadan bir çıkış yapın. Biyogaz analizör, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 ve H 2 ölçülür. İlk olarak biyogaz 3 nemi çıkarmak için farklı filtreler ve dedektör için zararlı olan diğer toksik bileşikler geçmek zorundadır. Analizör doğru biyogaz bileşim için haftada bir defa kalibre edilmesi gerekir. - Düzenli bir endüstriyel biyogaz analizörü kullanılarak biyogaz bileşimi ölçün. Not: biyogaz torba en az yarısı dolu olduğunda biyogaz analizörü sadece biyogaz ölçebilirsiniz. Biyogaz bileşimin ölçülmesi için, gaz torbası de valf açılır ve bu durum sabit biyogaz bileşim (yaklaşık 20-30 saniye sürer) beklemek gerekir.
- Süreç kontrolü için, yüklü pH metre ve termometre kullanarak online pH ve sıcaklık ölçümü.
- Digestate yaklaşık 3 kg (80-90 yaş)% haftada bir kez, bir katı tutma süresi (SRT) o verir kaldırf 2-3 hafta. HTC süreci için besleme olarak bu digestate kullanın. Daha sonra üretilen biyogaz herhangi bir hava ekstrüde ve birkaç saat içinde anaerobik koşulları oluşturmak için yeterlidir.
- Kimyasal özellikleri (pH, EC, TS, VS, yağ asitleri, CHNS, amonyak, eser elementler ve ham lif) için bir haftalık bazda işlem içki ve digestate analiz.
Buğday Straw Digestate 2.. Hidrotermal Karbonizasyonu
Not: Aşama 1 Digestate hidrotermal kömürleşme, bir 18 L yığın reaktörü kullanılır karıştırılmıştır. Kontrol ve sürecin zamanlaması bir bilgisayarda çalışan, reaktör denetleyici 4848 ve yazılım SpecView 32 849 aracılığıyla gerçekleştirilir. Programda, reaktör sıcaklığı, ısıtma ceketi sıcaklık, basınç, ve karıştırma hızı gösterilebilir. Ayrıca, işlem parametreleri için program (başlangıç sıcaklığı, sıcaklık ayarı, ısıtma hızı, karıştırma oranı) her HTC deneyler için ayarlanabilir.
- 2,5 kg ağırlığındasaman Digestate 0.1 g doğrulukla bir denge kullanarak ve reaktör kabına aktarılır.
- 10 kg ikmal suyu ölçmek ve aynı zamanda reaktör kabı içine dökün için aynı dengesini kullanın. Bu digestate, su oranı 1:04 koruyacaktır.
- Önce pnömatik pervane karıştırıcının tıkanmasını önlemek için, el ile reaktör içeriği karıştırın, kapatın. Reaktörünü kapatma ve çapraz 50 Nm'lik bir kuvvet ile cıvataları sıkarak sabitleyin.
- Aşağıdaki rampa tarafından tepki Set emmek:
- Oda sıcaklığı, 15 dakika içinde 30 ° C'lik bir başlangıç sıcaklığına ulaşır.
- 230 ° C'lik reaksiyon sıcaklığına için ısıtma zamanı ayarlayın 100 dk.
- 6 saat için son reaksiyon sıcaklığının tutun.
- Tutma süresi 6 saat sonra, oda sıcaklığında 230 ° C reaktör 15 saat soğumaya.
- Tam HTC süreci boyunca 30 rpm'de reaktör içeriği karıştırın.
- Soğutma aşaması ve p sonra karıştırıcıyı kapatın20 L gaz torbaya gazı çağırıyorum.
- Gaz bir nem tutucu hem de aktive edilmiş bir karbon filtreden geçirilir emin olun.
- Daha fazla analiz için gaz saklayın.
- Doğal gaz örnekleme sonra, yüksek sıcaklık, yüksek basınç küresel valf aracılığıyla, bir kaba kabından bulamacı drenaj ve daha sonra yaklaşık 0.5 mm'lik bir gözenek büyüklüğüne sahip bir elek aracılığıyla filtre.
- Sıvıyı toplamak ve ham malzeme ile karşılaştırıldığında HTC üretilen karakter miktarını belirlemek için üretilen HTC biochar dara.
3.. Raw, Digestate Element Analizi ve Buğday Sapı HTC Biochar
Not: Herhangi bir katı yakıt analizi için, bir element analizörü ya CHONS analizörü sıklıkla kullanılmaktadır. Atomik karbon, hidrojen, oksijen, azot ve kükürt temel bileşimi bu analizden elde edilebilir. CHONS itibaren, bir yüksek ısıtma değeri veya yakıtın enerji değerini tahmin edebilir. Ayrıca, atomik kükürt içeriği de olacak indicyakıtın kalitesini yedi. Bu çalışmada, bir elementel analiz HTC biochar, ham buğday samanı ve Digestate yakıt değerini belirlemek için kullanılacaktır. Analizörün sadece çok küçük bir numune boyutu sağlar: olarak, daha iyi yeniden üretilebilirliği üzere her bir numune için en az üç kez analiz.
- Bir örnek tavası (kalay, 6 x 6 x 12 mm) olarak, elemental paketindeki özel terazisi kullanılarak 30 mg tungsten (VI) oksit tartın. Not: Böyle bir denge hassas genellikle 1 mcg olduğunu. Tungsten (VI) oksit, elemental analiz, katalizatör olarak çalışır.
- Kuru numunenin 5-10 mg ağırlığında ve aynı örnek tavaya koyun, karıştırın ve sarın. Sarılmış numune kefesi büyüklüğü yaklaşık 2 x 2 x 5 mm 3 olmalıdır.
- Numune alıcısı içinde numuneler. Her bir örnek konumunu not edin ve bir referans olarak, bu element analizi sülfonik asit kullanımı
- Elemental analizörü bağlı bilgisayar Vario yazılımını başlatın, sıcaklıklar, koşulları, numuneler gaz akışını tanımlamak2 fırınlar (2 fırınlar sırasıyla 1.150 ve 850 ° C'de vardır). Sonra, autosampling pozisyonlarına göre örnek adlarını tanımlar. Programını başlatın. Makine otomatik olarak çalışır, analiz yapar, ve bilgisayar sonuçlarını saklar.
Not: Elemental CHNS element analizörü çıktı ve genellikle bilgisayar ekranında doğrudan raporlanır.
Representative Results
Anaerobik çürütme
Biyogaz deneyler UASS sistemi, sırasıyla, mezofilik (37 ° C) ve termofilik (55 ° C) işlemi de% 38 ve metan oluşturan potansiyelinin% 50 kullanma kapasitesine sahip olduğunu ortaya koydu. Sürekli çalışma 200 gün mezofilik AD seviyesinde ve 121 L CH4 / kg VS (Şekil 4): termofilik AD de, UASS sistem 165 L CH4 / kg VS ortalama (uçucu katı VS) verir. Bu performans değerleri kuru ham madde esasına ilişkin biyogaz nicel ve nitel analizi hesaplanmıştır.
Buğday samanı için biyometan potansiyel sırasıyla mezofilik işlemi için termofilik ve 244,2 L CH4 / kg VS 304,3 L CH4 / kg VS olduğu (VDI 4630 Aşağıdaki) belirlenir, ve Şekil 5'te sunulmuştur0; 21. Kalite açısından, UASS tarafından üretilen biyogaz% 41 metan ve% 61 (Şekil 5) arasında ihtiva etmiştir.
Digestate HTC
Şekil 6, kuru saman, AD ile saman türetilen kuru digestate ve HTC tarafından kuru digestate türetilen HTC Biochar gösterir. Kuru digestate renkli, sadece biraz daha koyu, kuru saman, benzer görünüyor. Bu iş için, termofilik koşullar digestate HTC için kabul edildi. Tablo 1 'de gösterildiği gibi, toplam kütlenin% 63, digestate (Tablo 1) kalır. Kuru HTC biochar muhtemelen MS bir termofilik mikroorganizmaların monomer ve basit polimerlerin bozulma, kuru ham saman daha hafiftir.
Şekil 7, hidrofobik davranış ve HTC biochar yumuşaklık gösterir. HTC sırasında lifli kristal yapılar tahrip ve yumuşak bir amorf ca üretmekrbon zengin HTC biochar 16,17,28. Bu digestate ve ham saman elde HTC biochar kütle verimi sırasıyla% 43.4 ve% 38.3 olduğu Tablo 1 'de görüleceği. Katı ürün, HTC biochar 12 çok hidrofobiktir; Bu uzun bir süre 13 su ile temas halinde olabilir. Bu ancak onu ezmek için herhangi bir baskı gerektirir Ayrıca, çok yumuşaktır. Bu geniş pulverizing adımları ortadan kaldırmak gibi kömür-güç endüstrisi için, hammaddenin yumuşaklığını korumak çok önemlidir.
Element analizi
Tablo 1 'de elemental bileşimler itibaren, elemental karbon ve hidrojen anaerobik sindirim boyunca katı olarak aynı kalır olduğu görülebilir. HTC sırasında Elemental C artar ve hidrojen azalır. Elemental azot içeriği hem de sindirim acil durumlarda artar çünkü temel azot çoğu katı kalır d HTC süreçler. Buğday samanı kükürt iz olduğu için, elemental kükürt konsantrasyonu sonuçları sunulmamıştır. Elemental oksijen içeriği: C, H çıkarılarak hesaplanır ve N% 100 ve aynı zamanda besleme tek CHONS oluşur varsayarak, Tablo 1 'de sunulmuştur. Bu sindirim sırasında benzer kalırken oksijen konsantrasyonu, HTC sırasında önemli ölçüde azalmıştır.
Şekil 1. Temel kavram ve anaerobik sindirim adımlar. Bu rakam anaerobik sindirim temel kavramlar açıklanmaktadır. Bu şekilde, anaerobik sindirim dört genel adımlar (hidroliz, acedogenesis, asetogenez, metanojenesisin) sunulmaktadır
g2highres.jpg "width =" 500 "/>
Şekil 2:. Anaerobik sindirimi için laboratuar ölçekli UASS reaktörün şematik diyagramı Bu UASS reaktör sisteminin şematik bir görünümüdür. Burada UASS reaktör ve anaerobik filtre (AF) UASS reaktörde üretilen yağ asitleri AF gelip metan üretilen bir sıvı akımı ile bağlı gösterilmiştir. AF alttan başka bir sıvı akışı mikroorganizmalar AF UASS reaktöre olacak UASS, çizilir.
Anaerobik sindirim ve HTC Şekil 3.. Lignocellulosic biyokütle HTC (üst) Kavram, (alt) entegrasyon konsepti * selüloz olacak kısmen 24 tepki gösterdi. Bu blok diyagramda, farklı fiber parçaları kritik altı su ile temas haline gelir ve C (HTC biochar dönüştürülür olduğu görülebiliroal tipi).
Anaerobik filtresi ile termofilik ve mezofilik koşullarda UASS reaktörden Şekil 4,. Metan üretimi. Termofilik Bu mezofilik ve hem de operasyon koşulları sonraki 210 gün için UASS reaktörün deney sonuçları bulunmaktadır. Y-ekseni (VS) uçucu bir katı kıyasla metan verimi (CH4 L / kg VS) ise X ekseni, operasyon gündür.
Şekil 5,. Termofilik ve mezofilik koşullarda hem de UASS reaktörden biyogazın metan fraksiyonu. Her ikisi de termofilik Bir altında işleminin 210 gün boyunca UASS reaktörün deney sonuçlarıd mezofilik koşullar. Y-ekseni, biyogazın metan fraksiyonu (%) ise X ekseni, operasyon gündür. Verilen değerler kopyalardan ortalamasıdır.
Şekil 6. (Soldan sağa) Kuru buğday samanı, kuru buğday samanı digestate ve buğday samanı Digestate HTC biochar. Bu buğday samanı farklı devletlerin gerçek zamanlı görüntü. İşte bu şekilde, anaerobik sindirim (AD) ve HTC etkisi görülebilir. Bu HTC sonra toz olurken fiber yapısı, digestate hala görülebilir.
HTC biochar Şekil 7. HTC biochar Hidrofobisite (solda), ufalanabilirlik (sağ)
Kuru buğday samanı 1 kg AD-HTC entegre ederek ham buğday samanı ve (alt) biyoenerji potansiyelinin 1 kg anaerobik sindirim (AD) tarafından Şekil 8.. (Üst) Biyoenerji potansiyel. Bu arada gerekliliğini değerlendirmek için bir rakam kavramlar. Blok şeması hammaddenin AD ve HTC tarafından açılan ne kadar enerji gösterir.
Tablo 1. Element analizi, HHV, kütle verimi ve ham buğday samanı, digestate (termofilik) ve karşılık gelen HTC biochar lifi analizi. Literatürde gösterildiği gibi, 18,24 HHV CHNS bileşimden hesaplanır. Tablo 1 elemental analiz deneysel sonuçlar ve kütle verimi, AD ve HTC sonra. Lignin, selüloz ve hemiselüloz van Soest fiber analizi [12] tarafından ölçülür. Not:. Na analiz değil , bu tablonun daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.
Discussion
UASS reaktör tartışıldığı eksiklikleri azaltmak için yeteneğine sahiptir. Ancak, gelişme için çok oda var. Çekilmesi besleme sistemi ve digestate hala elle vardır. UASS sistem sorunları 60 mm'den büyük hammaddelerine işleme karşı karşıyadır. Bu sıvı üzerinde yüzer gibi sistem lifli feedstocks ile daha iyi çalışır, ancak hayvan gübresi ve çamur gibi diğer beslemeler UASS sistemi tercih olmayabilir. UASS sistemi işlemi sıvı yeniden reaktöre af reaktöre dolaşır şekilde tasarlanmıştır. Ancak, dolaşımdaki sıvı katı bile% 2-5 onlar AF yatırmak veya boru girişini engellemek ve sıvı dolaşımını engelleyecek kadar sorunlu olduğu kanıtlanmış oldu. Serbest yağ asidi ve azot üretimi tipik olmayan biyogaz üretimi ile sonuçlanan mikrobiyal sistemini değiştirmek gibi işlem sıvının kimyasal analizi, önemlidir. UASS sistemi sağlam ve herhangi bir significa göstermeden fazla 200 gün çalıştırabilirsinizsorunları nt. AF'lerin için reaktörlere pompaları bağlayan tüpleri her alternatif ay değiştirilmesi gerekir. Su banyosu içinde su seviyesi, bir haftalık olarak kontrol edildi ve gerektiğinde yeniden doldurulması gerekir.
Islak Digestate HTC atık tedavisi yanı sıra üreten katı biyoyakıt için çok etkilidir. Şekil 7'de gösterildiği gibi, bir katı ürün de dewateribility HTC işlemi ile sağlanacaktır. Ancak Digestate HTC digestate kaldırılır tercihen aynı gün, en kısa sürede gerçekleştirilmesi gerekir. Aksi takdirde, digestate HTC için uygun olmadığı, biyolojik olarak alçaltıcı başlar. HTC yüksek sıcaklık (200-260 ° C) ve yüksek basınç (20-50 bar) süreci, HTC prosedürü boyunca gerekli önlemleri alarak olduğu gibi çok önemlidir. Tüm bağlantıları da gaz geçirmez olduğundan emin olmak için en az ayda bir kez kontrol edilir. HTC süreci sıvı yüksek bir furfuralin konsantrasyonu, 5-HMF ve fenolik co varToksik olarak derecelendirilir mpounds. Yani, HTC süreç likör reaktör kabından başka bir kaba boşaltılır, özellikle HTC süreç sıvı taşıma sırasında bir yüz maskesi ve eldiven kullanılması tavsiye edilir. HTC digestate gibi ıslak hammaddeyi işlemek için pek çok avantajı olmasına rağmen, hala bir toplu süreçtir. Bir ekonomik değerlendirmede, HTC toplu süreci haklı zor olacaktır. Bu şekilde daha fazla araştırma HTC sürekli çalışmasını sağlamak için gereklidir.
Element analizi değil heterojen alt tabakalar için, homojen bir katı yüzeyler için etkili bir yöntemdir. Gibi katı biyoyakıt analizörü sadece örneklem büyüklüğü 5-10 mg, en az üç suret ve kullanımı ortalama gerçekleştirmek için tavsiye edilir sağlar genellikle heterojen ve element olduğunu. Element analizi, diğer bir sınırlama, yüksek kül içerikli katı yüzeylerde ölçülmesidir. Elemental analiz cihazları yalnızca CHONS ölçmek ve başka hiçbir inorganikler. Yani, yüksek kül katı yüzeylerde element analizi r olmayabilirgerçek CHONS konsantrasyonları eveal. Örnek aksi, analizlerde bir tutarsızlık olacak, tam sarılmış olması gerekiyor gibi element analizi örnek hazırlama, hayati önem taşımaktadır. Katı yakıt yakıt değeri CHONS tahmin edilebilir, ancak kesin yakıt değeri tayini için bir bomba kalorimetre kullanılması tavsiye edilir.
Metan yaklaşık 92-161 L besleme uçucu katı madde kilogramı başına üretildi. Kuru buğday samanı katı uçucu katı veya organik toplam% 86.9 idi. Kuru digestate anaerobik sindirim 22,23 sırasında polisakkaritler bozulması ve basit şeker bozulmanın bir göstergesi alt atomik oksijen ve hidrojen konsantrasyonuna sahiptir. Ayrıca, daha düşük H ve O konsantrasyonları digestate 24 HHV artar. Kuru Digestate HHV kuru ham hammaddenin% 22 daha yüksektir. Benzer sonuçlar Pohl ve ark 23 ile detaylı bir istatistiksel analiz ile elde edilir.
Anaerobik sindirimden Digestates% 80-90 su 6 içerir. Bu hidrofilik ve suda kısmen mikrobik veya bitki hücrelerinde bağlıdır. Digestates bir sonucu su alma ve kurutma zahmetlidir ve çok enerji yoğun olarak. Örneğin, kuru Digestate 2 kg digestate kuru ısı 20.7 MJ gerektiren su 8 kg (% 80 ıslak), bağlanır. Ayrıca, çevre koşullarında nispeten hızlı bir şekilde biyo-indirgeme eğilimi bitki besinleri kaybeder ve bu N2 O ve CH 4 gibi sera gazı (sera gazı) serbest bırakır. Yani, yüksek enerji potansiyeline rağmen, taze digestate katı yakıt olarak doğrudan kullanılamaz. Bu doğru sindirim 20 sonra kurutulmuş olması gerekir.
Tablo 1 'den de anlaşılacağı gibi, kuru saman digestate ham edilene benzer bir atom karbon içeriğine sahip olduğu gösterilebilir ve bunlar (Şekil 6) önce ve sonra görsel olarak anaerobik benzerdir. Bu durum, lignin ve lignin-kaplı selülozÇoğunlukla tepkimeye girmemiş edilir. Ancak,% 63 bir kitle verim işlenmiş saman anlam kuru ham saman% 37 daha hafiftir, gözlemledik. Benzer karbon elementinden konsantrasyonu hiçbir kömürleşme anaerobik sindirim 22 sırasında meydana gelir. Şekil 7'de gösterildiği gibi, digestate HTC biochar (termofilik) çok kararlı ve yumuşaktır. Çünkü hidrofobiklikte önemli artış, bu anlamıyla 12,25 etkilenen fiziksel ve kimyasal yapısı olmadan aylarca suya batırmak. Hidrofobiklik de HTC biochar 14 suyunun çıkarılması artırır. Kamışın yapısı selüloz reaksiyona edilmiş olabilir anlamına gelir ki, artık HTC biochar de ayırt edilebilir değildir. Önemli bir karbonizasyon atomik oksijen azalması ile birlikte HTC biochar gözlenmiştir. Bu selüloz yerine linyinden daha reaksiyona olmanın bir başka göstergesidir. Lignin Atomic karbon konsantrasyonu, 24-29 selüloz çok daha yüksektir. Sonuç olarak, HTC Bioch olarakar sırasıyla ham saman göre% 61 daha yüksek ve kuru digestate göre% 32 daha yüksek olan 29.6 MJ / kg 'lık bir HHV sahiptir.
HTC işlenmiş saman HHV da HTC işlemden saman digestate (29.6 MJ / kg) ile benzerdir 28.8 MJ / kg 'dir,. Ancak, kitle verimi ham ham malzeme karşılaştırarak HTC Digestate daha HTC saman içinde% 40.7 daha fazladır. Ham saman (18.4 MJ) 1 kg hidrotermal kömürleşmiş eğer bir sonucu olarak, HTC saman biochar 11.0 MJ potansiyeline sahip olacaktır. Aynı miktarda digestate (8.0 MJ) dan biyometanla (5.2 MJ) ve HTC biochar formları, AD ve HTC, toplam 13.2 MJ biyoenerji uygulanır Aksi takdirde, (Şekil 8) üretilebilir. Ayrıca, UASS işleminin sıvı faz potansiyel sıvı gübredir. Ayrıca, HTC biochar değeri yüksek malzeme kullanımı daha yüksek potansiyele sahip veya toprak değişiklik olarak kullanabilirsiniz. Görüş karbon tutma veya karbon döngüsü noktası için, HTC biochar malzeme kullanımı daha uygun olduğunu, enerji üretimi. </ P>
Hidrotermal karbonlaşmadan ile birlikte anaerobik çürütme bireysel süreçlerin daha biyoenerji verebilir. Ancak, cascaded tasarım daha iyi verim için gereklidir. Bir ekonomik değerlendirme ardından genel enerji dengesi, bu süreci doğrulamak için gereklidir. Gelecekteki araştırmalar HTC içki kullanımı ve HTC biochar tedavi sonrasında (kimyasal veya biyolojik) içermelidir. Ayrıca, UASS ve HTC sistemleri hem otomasyonu gerekli olacaktır. Bu çalışma, bir laboratuvar ölçekli UASS ve HTC reaktör kullanarak yapılmıştır, ancak süreç ticari gerekiyorsa sürecinin ölçek-up gerekli olacaktır.
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).
