Waiting
Login processing...

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

Biochemistry

מרת ביומסה לייצר פחמימני נוזלי דלק Via חם-אד מסונן פירוליזה מהיר וניקוי באמצעות מים קטליטי

Published: December 25, 2016 doi: 10.3791/54088

Summary

שיטות ניסיוניות עבור פירוליזה מהיר של ביומסה lignocellulosic לייצר ביו-שמנים עבור באמצעות מים קטליטי של שמנים ביו להפיק פחמימנים מגוון הדלק מוצגים. סינון חם-אדי במהלך פירוליזה מהר על מנת להסיר חלקיקי char בסדר ומזהמים אורגניים מן שמן ביו הוערך גם.

Introduction

החברה שלנו תלוי בכבדות על דלקים מאובנים (למשל, נפט, גז טבעי, פחם וכו '). משאבים אלה אינם מקורות אנרגיה בת קיימא והם מתרוקנים בקצב גדל במהירות, מה שמובילים חששות בנוגע המידלדלת משאבי דלק מחצבים, השלכות סביבתיות של פליטת CO 2, ובעיות כלכליות. 1,2,3,4 יש ביקוש הגובר מקורות אנרגיה חלופיים ברי קיימא. ביומסה היא המשאב מתחדש ופחמן ניטראלי רק לייצור דלקים נוזליים (דלק ביולוגי) וכימיקלים מבוססי פחמן להחליף דלקים מאובנים במערכת הייצור והמרות אנרגיה הנוכחית. 3,4

ביומסה Lignocellulosic (למשל, ביער, דשא, לחתוך אנרגיה, פסולת חקלאית, וכו '), אשר היא כיום המקור ביומסה הנפוץ ביותר והזול ביותר, משכה את תשומת הלב הרבה ביותר כדרך לייצר דלק ביולוגי דרך נתיבים תרמו-וביולוגיים שונים. 3,4

המסלול הראשון יכול רק לנצל את החלק התאי hemicellulose של ביומסה lignocellulosic. פירוליזה משולב עם שדרוג נחשב טכנולוגיה בת קיימא לטווח קרוב לייצור הישיר של דלק ביולוגי.

פירוליזה הוא פירוק תרמי של ביומסה lignocellulosic בטמפרטורות שבין 400 לבין 550 מעלות צלזיוס בהיעדר חמצן. 4,5,6 מספר התגובות, כגון depolymerization, התייבשות, מחשוף האג"ח C-C, המתרחשים במהלך פירוליזה ו להוביל להיווצרות של o תערובת מורכבתf יותר מ -200 תרכובות מחומצן. 4,5,6 ביו-שמנים בתשואות גבוהות (עד 75% WT של מזון יבש) יכול להיות מיוצר עם עד 70% מהאנרגיה מאוחסנת חומר הזינה ביומסה עודפת. 4,5 עם זאת, שימוש ישיר של פירוליזה מיוצר ביו-שמן כמו דלקים לתחבורה בציוד סטנדרטי הוא בעייתי בגלל החמצן הגבוה תכול מים, אשר להוביל תכונות פיסיקליות וכימיות שונות כגון צמיגות גבוהה, corrosiveness, התנודתיות גרוע, נמוכה ערך קלורי, ויציבות עניה. 6,7,8,9 לכן, הסרת חמצן נרחב נדרש לשדרג שמנים ביו דלק לטווח פחמימנים. באמצעות מים קטליטי באמצעות זרזים מוצקים במימן הוא הדרך הנפוצה ביותר לשדרג שמן ביו ידי הסרת חמצן דרך תגובות hydrodeoxygenation ו הידרוגנציה. 6,7,8,9

נכון לעכשיו, אחד האתגרים העיקריים עבור פירוליזה ואחריו באמצעות מים הוא להשיג פעולה יציבה לטווח ארוך, במיוחד עבורתהליך באמצעות מים שבו יציבות תרמית של ביו שמן ושאריות אורגניים וגופרית שמן ביו לגרום שחרור משרות זרז משמעותי. 10,11 חוסר יציבות התרמית של שמן ביו טופל על ידי הידרוגנציה בטמפרטורה נמוכה כדי לייצב את המינים הפעילים שמן ביו. ניקוי 11,12 של ביו-שמן על ידי הסרת שאריות אורגניות, אשר יכול לזרז repolymerization של שברים ביו-נפט לבטל זרזים באמצעות מים על ידי בתצהיר, עשוי להיות בעל ערך. סינון החם-אדי הוא אחת הטכניקות כדי להפחית את התכולה האורגנית ביעילות ביו-שמן על ידי הסרת חלקיקי char במהלך פירוליזה. 13,14,15 סינון חם-אדים משמש במורד זרם של כור פירוליזה להפריד קנסות char מנחל פירוליזה הגז / אדים בטמפרטורה גבוהה לפני העיבוי של אדי. 13,14,15

אנו מדווחים כאן את הפרוטוקול המשמש במעבדת הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) עבור pyrol ביומסה מהריסיס עם או בלי סינון חם-אדים לייצר ביו-שמנים באמצעות מיטת כור-מרחף במעבדה הלאומית מערב האוקיינוס ​​שקט (PNNL) עבור באמצעות מים ביו-שמן לייצור דלק ביולוגי בתוך כור קטליטי זרימה רציפה וגדוש מיטה. התצורות של מערכות כור, את תפיסת ההפעלה, ואת העיבוד והניתוח של חומר זינה, שמני ביו, דלק ביולוגי מתוארות בפירוט. תוצאות של עיבוד פירוליזה של זינה ביומסה נציג עם או בלי סינון חם-אדים וניקוי באמצעות מים של השמן ביו-מיוצר גם מוצגות יחד עם הערכה של ההשפעה של סינון החם-אדי.

Protocol

1. פירוליזה מהיר עם סינון החמקן חם

  1. הכנת חומרי גלם ביומסה
    1. מיל ביומסה לגודל החלקיקים של <2 מ"מ. אחסן במקום קריר ויבש.
  2. להרכיב מערכת פירוליזה
    1. להרכיב כור פירוליזה.
      1. כור הר בתוך תנור. חבר חנקן fluidizing, חנקן במקדחה, וקווי אוויר הכור. הכנס במקדחה ליציאת במקדחה במעיל. חבר קירור אוויר לז'קט.
      2. הר והמוטורי במקדחה Connect.
      3. מזין הר מוצק 30 עד 60 סנטימטרים ישירות מעל הפתח האנכי של הנמל במקדחה.
      4. הופר מנעול הר בין שקע המזין המוצק והפתיחה האנכית של היציאה במקדחה. חבר ליציאה במקדחה עם צמת ניילון, חזק צינורות ויניל בקוטר פנימי של 25 מ"מ. אבטח את הצינורות ליציאה במקדחה עם מהדק צינור. חבר מזין עם קל משקל, ברורה, התאמה תלושה פלסטיק רופפת.
      5. להרכיב ציקלון ולסנן חם.
        1. הר ציקלון ולהתחבר כניסת ציקלון לשקע כור. מקלט קלוז זוג ציקלון.
        2. מסנן חם הר (עשוי נירוסטה עם גודל נקבובי של 2 מיקרומטר) ב בית המסנן. חבר לשקע ציקלון כדי כניסת חם-פילטר. חבר טיהור חנקן קל בלחץ לשקע ציקלון.
        3. השתמש קלטת חום ושמיכות בידוד לחמם את עקבות מכניסת ציקלון אל מפרצון הקבל.
      6. להרכיב מערכת קבל.
        הערה: התקן את החלקים של מערכת מעבה במנדף באמצעות-שקעי מעבדה, טבעת-דוכנים, מלחציים מעבדה.
        1. עבור הקבל הראשון, זוג 15 עד 30 ס"מ של 1.2 ס"מ (קוטר חיצוני) צינורות נירוסטה בורוסיליקט צינורות עם ג'וינט להתחדד סטנדרטי. חבר את הקבל הראשון 500 מ"ל, שתי עורף (להתחדד סטנדרטי), עגול תחתית הבקבוק (מקלט) להציב tha מיכלt ישמש באמבט קרח. צור קשרים בין הכלי במורד הזרם של נקודה זו עם 9- עד 12 מ"מ צינורות ויניל ברור מאובטחים עם מהדק צינור על מפרקי זכוכית גרוסים, מפרקים כדוריים, עקיצות צינור על כלי הזכוכית.
        2. חבר היציאה של בקבוק הקבל הראשון ליציאה בצד התחתונה (כניסה) של המשקע אלקטרוסטטי (ESP).
        3. חברו את היציאה בצד העליון (שקע) של ESP לחיבור העליון קטן של מלכודת קרח יבש (מעבה קר אצבעות).
        4. חבר פניית צינור לקו בין ESP ואת המלכודת-הקרח היבש. מלאו את חצי U-tube מלא במים.
        5. חבר את מלכודת קרח יבש על 500 מ"ל, שתי עורף, עגול תחתית הבקבוק (מקלט) במיכל כי ישמש באמבט קרח יבש.
        6. חבר היציאה של הבקבוק 500 מיליליטר אל (נמל המרכז) המפרצון של הדיור של המסנן התגבש.
        7. מניחים במיכל לקיום קרח יבש סביב החלק התחתון של המסנן.
        8. חבר את מסנן outlet למונה יבש בדיקה ומכשירי ניתוח גז אחרות (למשל, אינפרא אדום ללא נפיצה מנתחי לסרבן, 2 CO, ו- CH 4, גלאי מוליכות תרמית עבור מימן, כרומטוגרפיה מיקרו-גז (מיקרו-GC) לסרבן , CO 2, חנקן, מימן, ופחמימנים C1-C4) ולאחר מכן לפרוק.
          הערה: סכמטי של מערכת פירוליזה הכור מוצגת באיור 1. תמונות של מזין ביומסה, pyrolyzer, ציקלון, מסנן חם-אדי, ואת מעבים של כור מערכת פירוליזה מוצגים איורים S1 כדי S5 בקובץ משלים.
    2. כור פירוליזה טען
      1. יוצקים 200 מ"ל של חול (330 גרם) לתוך הכור.
      2. יוצקים 2 ק"ג של ביומסה לתוך הקרקע הופר להאכיל.
    3. מערכת פירוליזה בדיקת דליפות
      1. כובע מערכת על כניסת המעבה.
      2. לשמור על לחץ קבוע של 0.05 מגפ"ס או ללחץ עבודה מרבי צפוי, לפיהוא גבוה. ודא כי התזרים הנדרש בכדי לשמור על הלחץ הוא <200 מיליליטר / דקה. אם לא, לאתר ולתקן דליפה, וחזרו על שלב זה.
      3. שחרר את הלחץ, מערכת uncap, להתחבר למערכת עיבוי, כובע בסוף היציאה של מערכת עיבוי.
      4. לחצים כדי 0.01 מגפ"ס. ודא זרימה של <200 מ"ל / דקה שומר על הלחץ. אם לא, לאתר ולתקן את הדליפה, וחזרו על שלב זה.
      5. לְהַפִיג לַחַץ וחבר מחדש את מערכת עיבוי מכשירים.
    4. חמם כור
      1. הפעל קירור אוויר, זרימת חנקן fluidizing מוגדר 3 זרימת חנקן תקן L / min ו במקדחה עד 1 תקן L / min.
      2. טמפרטורת יעד תנור סט ל -500 מעלות צלזיוס, מחממי אחרים 400 ל- C ° 500.
      3. טמפרטורה יעלה למקד בטמפרטורות בשיעור של 1 עד 10 ° C / min.
    5. הכן לפעול
      1. להגדיל את שיעור זרימת חנקן fluidizing ל -14 L סטנדרטי / min, פלה חנקן במקדחהשיעור w ל -1.4 L סטנדרטי / min, ולהציג גז טיהור בקצב זרימה של 0.5 ליטר / דקה סטנדרטית. רוב הטיהור הולך ליציאה-דיסק קרע על לשקע ציקלון.
      2. מלאו אמבטיה תחת הקבל הראשון עם קרח. מלאו מלכודת קרח יבש, מכל תחת כונס הנכסים שלה, מיכל סביב התגבש מסנן עם קרח יבש.
      3. צג הטמפרטורה בתוך של התגבשו מסנן עם תרמי ממוקם על פני השטח של המסנן ולהתאים רמת קרח יבש ולכן הוא C ° 0.
    6. בצעו ניסוי פירוליזה
      1. הפעל שסתום הציבורת נעילה (שימוש 4 מחזור שני) ו במקדחה.
      2. הפעל ESP. מתח מוגדר 5 עד 10 קילו לפי הצורך להתבונן קשת לפחות אחת 2 שניות.
      3. השתמש-GC מיקרו כדי לוודא שאין חמצן קיים. ודא כי הפעלת הופר במקדחה ולנעול לא לגרום לירידה בקצב הזרימה תפוקת הגז, דבר המצביע על נוכחות של דליפה.
      4. הפעל מזין ב 100 גרם / שעה. שים את טמפרטורת המיטהלהגדיל את נקודת להגדיר לפי הצורך, כדי לפצות על עומס החום עלה.
      5. כאשר הטמפרטורה התאוששה עד למרחק 2 מעלות צלזיוס של 500 מעלות צלזיוס, להגדיל את שיעור ההזנה באמצעות 100 גרם / שעה. חזור על פעולה זו עד שיעור להאכיל של 420 גר '/ hr הוא הגיע.
      6. כל 15 דק ', שיא הטמפרטורה המיטה, שיעור להאכיל בבקר מזין, ריכוזי גז על ידי מיקרו-GC, שיעור מטר מבחן יבש, ולחצים המערכת על ידי מודד לחץ. ודא ESP עדיין קשתי כראוי. להגיב לשינויים בכל אלה לפי הצורך. קרח Refill וקרח יבש. מסננים את ESP לצנצנת אוסף המוצר לפי הצורך.
    7. לכבות
      1. לאחר האכלה 1 ק"ג של ביומסה, להפסיק להאכיל.
      2. לאחר רמות הגז דועך פחות מ -10% מהערכים יציבים, לכבות את כל המכשירים לחימום, להנמיך fluidizing זרימת 3 L סטנדרטי / min ותזרים במקדחה עד 1 תקן L / min. בטל ESP, שסתומים lockhopper, ו במקדחה.
      3. אפשר מערכת להתקרר (4 עד 6 שעות) לפני פתיחת החלקים החמים.
      4. </ Ol>
      5. אסוף מוצרים char נוזליים.
        1. לשקול את כל חלקי המערכת קבל להשיג תשואה נזילה. יוצקים נוזלים מן מקלטי הקבל לתוך צנצנת או בקבוק משותף. לחלופין, להשתמש אצטון לניקוי זכוכית.
        2. מקלט char רוקן לתוך צנצנת. הסר המסנן חם, רוקן את הדיור, ולצחצח את המסנן לתוך צנצנת char. לשקול את המסנן. סור ולשקול חומר המיטה. להשתמש בשואב אבק HEPA עם כלי נוק-אאוט עבור שירות זה.
      6. לחמצן את המערכת.
        1. חותם את הכור, מקלט ציקלון, ולסנן חם ניקה. בדוק דליפות כמתואר לעיל בסעיף 1.4.
        2. התקן קו מתכת מכניסת קבל לשקע של המסנן התגבש לעקוף את מערכת העיבוי.
        3. מחממים את הכור עד 550 ° C עם 3 חנקן L / min סטנדרטי כמו גז fluidizing ו -1 זרימת החנקן במקדחה תקן L / min.
        4. להוסיף אוויר אל fluidizingגַז. התחל 0.2 ליטר / דקה תקן ובאופן הדרגתי לעלות 4 L / min. המשך עד ריכוזי CO 2 + CO הם פחות מ -0.1%.
      7. חישוב התשואות.
        1. חישוב תשואה נוזלית כמו השינוי הכולל המסה של מערכת העיבוי.
        2. חישוב התשואה char כסכום השינוי במשקל במיטה, השינוי במשקל של המסנן חם, ואת char שנאספו מהמקלט ציקלון ודיור חם-פילטר.
          הערה: char נוסף עשויה להיות מוערך מן החמצון של המערכת, אבל זה בדרך כלל לא חשוב.
        3. חישוב תשואת גז כמו המשקל הכולל של מוצרי גז מריכוזי הגז שנמדדו על GC ואת קצב הזרימה של מטר המבחן היבש.

      2. באמצעות מים קטליטי של ביו-שמן

      הערה: דגימות ביו-שמן המופק NREL נשלחו PNNL עבור באמצעות מים קטליטי על מערכת hydrotreater.

      1. מערכת hydrotreater
        1. ודא שמערכת hydrotreater היא במצב תפעולי על ידי בדיקת כל רכיב.
          הערה: מערכת כור hydrotreater בשימוש מוגדרת בתור כור-לעבור יחיד, שיתוף נוכחי, רציפה, למטה-זרימת קטליטי. המערכת כוללת שלושה מרכיבים עיקריים: 1) גז ורכיב האכלה נוזל, 2) כור מחומם, ו -3) רכיב הפרדת מוצר גז נוזלי (איור 2). המערכת מיועדת לפעול במהירות של עד 13.6 מגפ"ס (2,000 psig; לחץ הפעלה מקסימלית) עם טמפרטורה מקסימלית זרז 500 ° C (רק הכור דורג בטמפרטורה זו).
        2. ודא כי ניטור hydrotreater ומערכת שליטה ומערכת בקרת הבטיחות נמצא במצב תפעולי.
          הערה: המערכת לנטר ולשלוט חלקית על ידי תוכנת מחשב בנוי בתוך הבית בחיישנים שונים. חיישנים כוללים צמדים מתמרים ללחץ עבור הכור וכן מימן צר אוורורrs במארז שבו הכור ממוקם. נתונים מתועדים על ידי התוכנית לפקח על הכור. קצב זרימת הגז לשקע נמדד על ידי מד זרימה, ונתונים נרשמים על ידי התוכנה הנלווית אליו. התכנית גם שולטת אספקת החשמל של ציוד העיקרי של הכור. במהלך ניסוי, אם הכור עובר שינוי רצוי בתנאי הפעלה במונחים של שינויים בלחץ ספציפיים ו / או שינויי טמפרטורה, או גז דליק נמצא מעל לגבול הבטיחות, ו / או אם מערכת האוורור נכשלה, התכנית יכולה באופן אוטומטי לסגור את המערכת כדי להבטיח את הבטיחות. שסתומי הקלה ודיסק קרע גם מותקנים במערכת hydrotreater כדי להגן מפני יתר לחץ קבוע.
      2. העמסה מקדימה Catalyst
        1. הכנת Catalyst
          1. קראש הן זרזים, Ru / C, כזרז הבמה-I ו- קומו / אל 2 O 3 כזרז הבמה-II, ומסנן כדי לשמור על 0.25 עד 0.60 מ"מ (30 עד 60 רשת) דגנים.
            הערה: זרז Ru / C הוכן ללא צורך במיקור חוץ קום / אל 2 O 3 זרז היה מוצר מסחרי.
        2. טעינת Catalyst לתוך הכור
          1. השתמש צינורות נירוסטה מסכי כשהתקשורת תמיכה עבור מיטות זרז. לאט לשפוך גרגרי זרז הבמה-II, גרגרי זרז הבמה-לי, ואת extrudates הבמה-לי הזרז המקורי, אשר שמשו כמפיץ, לתוך ברצף הכור תוך "קשה" על החלק החיצוני של הכור כדי ליצור מיטות זרז ארוזות . טען 32 מ"ל של כל זרז בצורת מיטה זרז דו שלבי עם 24 מ"ל של כל זרז ממוקם באזור בידוד תרמי (איור 3).
        3. התקן את הכור למערכת hydrotreater
          1. מניח את הכור למערכת hydrotreater ידי התקנת שני תנורי החימום ולאחר מכן חיבור הכור אל הגז והנוזלמרכיב הזנה ואת רכיב הפרדה נוזל גז.
            הערה: שני נדני אלומיניום מחומם קלטת חום להקיף את הכור צינורי לספק חום. נדן מחומם כל משמש באופן עצמאי לחמם את החלק של כור במהלך זרז מקדים ובמהלך בדיקות hydrotreatment. כל נדן אלומיניום עטוף עם סרט בידוד חום בטמפרטורה גבוהה מחומם באמצעות בקר טמפרטורה. כור קטליטי צינורי קבוע המיטה עשוי 316 נירוסטה בקוטר פנימי של 13 מ"מ ובאורך של 64 סנטימטר. צמד-תרמי היטב (4.7 מ"מ קוטר חיצוני) ממוקם במרכז של הכור, ושני צמדים ממוקמים היטב כדי למדוד את הטמפרטורה של מיטות זרז.
        4. בדוק את הלחץ של מערכת hydrotreater דליפות באמצעות גז חנקן 12.0 מגפ"ס על ידי שמירה על המערכת בלחץ וההבטחה כי הירידה בלחץ נמוכה מ -1 psig לשעה.
        5. מקדים Catalyst. סולפידהזרזים באתרו מימן sulfiding זרימת סוכן.
          1. מחממים שתי המיטות זרז מ בטמפרטורת החדר עד 150 מעלות צלזיוס בשיעור של 120 ° C / שעה ב מימן ב 242 מ"ל / דקה.
          2. לשמור הן בטמפרטורות זרז-מיטה ב 150 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות ב מימן ב 242 מ"ל / שעה ו sulfiding סוכן ב 0.128 מ"ל / דקה (35% WT di-טרט-butyldisulfide ב decane ניזונה משאבת האכלה).
          3. מחמם את המיטה הבמה ואני מן 150 עד 250 מעלות צלזיוס בשיעור של 83.3 מעלות צלזיוס / hr, ולשמור על 250 מעלות צלזיוס במשך 5.8 שעות. במהלך אותה התקופה, לחמם את מיטת הבמה השנייה מ- 150 400 ° C בשיעור של 83.3 מעלות צלזיוס / hr, ולשמור על 400 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות. במהלך ההליך, לשמור על הלחץ של הכור 10.3 מגפ"ס, את קצב הזרימה סוכן sulfiding ב 0.128 מ"ל / דקה, ואת קצב הזרימה מימן ב 242 מ"ל / דקה.
          4. עצור את זרימת סוכן sulfiding ולתחזק זרימת מימן. ואז להגדיר את הטמפרטורה של כל זרז מיטת טמפרטורת התגובה הרצויה.
            הערה: קצב הזרימה סוכן sulfiding נקבעת לפי כמות הזרז משומשים הסוכן sulfiding מהירות שטח לשעה נוזלי (LHSV) של 0.12 מ"ל / מ"ל-חתול / hr עבור זרזים הכוללת. קצב זרימת המימן נקבע על ידי קצב זרימת סוכן sulfiding ואת יחס תזרים סוכן מימן אל sulfiding ב 1,890 מיליליטר מימן / מיליליטר נוזל סוכן sulfiding. הגז והאכלה נוזלת מרכיבי מערכת hydrotreater מורכבים משתי משאבות מזרק לחץ גבוה. אחד משתי המשאבות משמש להאכיל סוכן sulfiding. סוכן הגז sulfiding הוא הציג לאזור מראש כור הכור שבו הנוזל הוא מעורבב לפני שהם עוברים מטה דרך מיטת הזרז בכור.
      3. באמצעות מים ביו-שמן
        1. התאם את זרימת מימן 152 מ"ל / דקה ולתחזק את הלחץ במערכת ב 10.3 מגפ"ס. הגדר את הטמפרטורות של המיטה הבמה-לי הזרז ומיטת זרז הבמה-II 220 ו 400 ° C, בהתאמה.
          הערה: Thשיעור דואר זרימת מימן נקבע על ידי כמות הזרז בשימוש, LHSV ביו-שמן של 0.20 מ"ל / מ"ל-חתול / hr עבור כל שלב, ואת יחס מימן-אל-ביו-שמן של 1,900 מ"ל מימן / מ"ל ​​שמן ביו .
        2. רשום את ערכי בסיס זרימת הטמפרטורה ומימן מיטה כאשר הטמפרטורה, לחץ, ותזרים המימן להיות יציבים.
        3. להוסיף דיסולפיד di-טרט-בוטיל ל- RSS ביו-שמן בסכום השווה ל גופרית 150 עמודים לדקה שמן ביו. מלא את ההזנה ביו-שמן באחד המשאבים ולטהר את קו ההזנה עד זרימת נוזל כי הוא ללא בועות אוויר מושגת.
        4. לחצים על משאבת 10.3 מגפ"ס, ולאחר מכן להתחבר הכור על ידי פתיחת שסתומי חיבור. התחל להאכיל את שמן ביו בקצב זרימה של 4.8 מ"ל / שעה. פעולה זו מפעילה את הבדיקה באמצעות מים ביו-שמן.
          הערה: flowrate ביו-שמן נקבעת על פי כמות הזרז המשמשים ואת LHSV ביו-שמן של 0.20 מ"ל / מ"ל-חתול / hr עבור כל שלב. גז המימן ביו-השמן מוצגים לאזור מראש כור הכור שבוהגז הנוזל מעורבב לפני שהם עוברים ירידת זרימת טפטוף להניח דרך מיטת הזרז בכור.
        5. בדוק את מצב הכור ולהקליט את הפרמטרים, כגון טמפרטורה, לחץ, קצב זרימה, ונפח, מעת לעת. ודאו הטמפרטורות-מיטת הזרז נמצאות במרחק ± 2 ° C של הטמפרטורה הרצויה, גז ספיקות נוזליות הם בדיוק כמו את ההגדרות הרצויות, ואת לחץ כור נמצא במרחק ± 0.15 מגפ"ס של הלחץ הרצוי. ודא את הירידה בלחץ פני זרז המיטה היא <0.35 מגפ"ס.
          הערה: המערכת לנטר ולשלוט חלקית על ידי תוכנת מחשב בנוי בתוך הבית בחיישנים שונים. חיישנים כוללים צמדים מתמרים ללחץ עבור הכור וכן חיישני מימן אוורור במארז שבו הכור ממוקם.
        6. ניתוח דגימות גז לשקע כל 2 שעות על ידי הפניית-הגז מול באמצעות on-line מיקרו-GC.
          הערה: מיקרו-GC הוא ארבע-channאל מיקרו-GC ו מכויל באמצעות גז כיול לפני כל בדיקה באמצעות מים.
        7. לאסוף דגימות נוזלות כל 6 שעות באמצעות ההליך הבא: לעבור את מלכודת הדגימה למלכודת המעקפים, להפחית את הלחץ של מלכודת הדגימה, לנקז המדגם לנוזל בקבוקוני איסוף, לטהר את מלכודת הדגימה עם חנקן, לחצים על מלכודת הדגימה עם חנקן, ולהפנות זרימת המוצר למלכודת הדגימה. Operate סדרה של שסתומים שתיים או משולשת המובילות את גזים ומוצרי במתווה הרצוי.
          הערה: לאחר המגיב לעבור דרך מיטות הזרז, למוצרים הנוזלים נוזלי unreacted מופרדים מוצרי הגז וגזי unreacted במערכת ההפרדה נוזל הגז. הגזים החמים שעוברים באחת משתי מלכודות קרות בלחץ, מצונן, נוזל / גז (מלכודת מדגם או מלכודת מעקף) מונחות במקביל במורד זרם של מערכת הכור. Off-גז ואז עובר דרך הרגולטור בחזרה בלחץ שבו הלחץ מצטמצם atmospלחץ heric. The-הגז מול לאחר מכן עבר דרך מד דלק למדוד את flowrate.
        8. לבצע את הבדיקה עבור 60 שעות על הנחל (זמן על הנחל [TOS]). לסיים את הבדיקה על ידי עצירת להאכיל ביו-שמן. הגדר את הטמפרטורה בכור ל -100 מעלות צלזיוס, קצב הזרימה מימן ל -100 מ"ל / דקה.
          הערה: המבחן יכול להיות מופעל על לזרוק הנעים בין חמישים עד כמה מאות שעות.
      4. הליך שלאחר בדיקה
        1. השתמש אצטון לנקות את משאבת האכלת האכלת שמן ביו. טען את משאבת האכלה לנקות עם אצטון.
        2. טהר את המיטה זרז עם אצטון ~400 מ"ל בקצב זרימת אצטון של 10 עד 40 מ"ל / דק 'בקצב זרימה מימן של 100 מ"ל / דקה כאשר הטמפרטורות-המיטה זרז הם ב 100 מעלות צלזיוס.
        3. כבה התנורים של הכור, לְהַפִיג לַחַץ המערכת ללחץ הסביבה, ולטהר את הכור עם חנקן במשך שעה 24 לפחות.
        4. הסר את הכור מהמערכת ולהסיר את הזרזים המשומשים מן reactor.
      5. עיבוד מוצרים וניתוח התוצאה
        1. לעיבוד מוצר נוזלי, להפריד בין שני שלבים ולשקול בנפרד. המוצרים הנוזליים הם בדרך כלל בשני שלבים, שלב שמן אור (מוצרי נפט) ושלב מימייה כבדה (מוצר מימי).
        2. לנהל את הניתוחים הבאים של המוצר השמן: מדידת צפיפות; קארל פישר טיטרציה עבור תכולת המים; ניתוח יסודי (D5373 / D5291, D5373mod, ואת D1552 / D4239) עבור פחמן, מימן, חנקן, חמצן, גופרית; חצי מיקרו טיטרציה אינדיקטור צבע (D3339) עבור מספר לחומצה; מצמידי אינדוקטיבי ספקטרוסקופית פליטת פלזמה אופטית לתוכן אורגני; וזיקוק מדומה (D2887 ASTM) להעריך את הכמויות היחסיות של מוצרי דלקים בנזין, דיזל, דלק סילוני, וטווחי שיורית. לנהל את הניתוחים הבאים של מוצרי מימית: טיטרציה קארל פישר לתוכן מים ניתוח יסודי (D5291 / D5373) עבור פחמן, מימן, חנקן ו conאוהל 15.
        3. חישוב התשואות של מוצר נפט שהופק, מוצר מימי, ותוצר גזיים; צריכת מימן; והיתרה ההמונית המבוססת על הקצב וצפיפות זרימה מגיב כניסה, flowrate מימן כניסה, משקל מוצר לשקע שמן, תכולת מים של המוצר השמן לשקע, שקע משקל מוצר מימי, קצב זרימת הגז לשקע, והרכב גז לשקע.
        4. לנתח זרזים משומשים על ידי ספקטרוסקופית פליטת פלזמה אופטית מצמידה אינדוקטיבי 15.

Representative Results

פירוליזה מהר של ביומסה עשבונית נציג, וקליפות, עם או בלי סינון חם-אדי ואת באמצעות המים הקטליטית של ביו-שמן המוצר משמשת כדוגמא לתהליך דיווח כאן. פרטים נוספים על הניסויים אלה ניתן למצוא בפירוט בפרסום האחרון שלנו. 15

פירוליזה חם-אדי-מסוננים מהר
טבלה 1 מראה ביו-שמן, char, ותשואות גז מיוצרות עם ובלי מסנן האדים החמים למשך זינה עשבונית טיפוסית. לצורך הניסוי שליטה ללא סינון חם-אדי, אדי עברו כאמור המסנן אך המסנן לא הותקן. זה כל הזמן בזמן מגוריו בשנתיים ניסויים זהה ולכן כל ההבדל נובע המסנן בלבד. התשואות ביו-השמן היו 52% ל -56%, מה שמצביע המרה מוצלחת של החלק העיקרי של ביומסה intermedia הנוזלשמני te. תצלום של מדגם ביו-שמן נציג מוצג באיור 4. ההסגרים המאזנים המסה היו 86% עד 90%. אדי אור כי לא נאספו כהלכה ברכבת העיבוי היו מקור אחד של אובדן מונית. שמני פירוליזה מכילים תרכובות נמוכות רותחים נקודות מספר, כגון hydroxyacetaldehyde (טמפ'רתיחה 20.2 מעלות צלזיוס), שקשה לדחוס. הוספת מלכודת קרח יבש שנייה תשפר את ההתאוששות של תרכובות condensable האור. ביצוע ניסויים עם שיעורים להאכיל ביומסה גבוהות מכפי שדווח כאן ישפר ההתאוששות של אדי האור על ידי הגדלת ריכוז אדי לפני העיבוי. הבריחה של תרכובות condensable אור יכולה להיות מאומתת על ידי ניתוח ספקטרוסקופיה-מסת גז כרומטוגרפיה של גז היציאה. היתרות ההמוניות היו יחסית נמוכות עבור הזינה העשבונית, סבירות בגלל char האור לברוח, שהופקה מן והקליפות בכמויות גדולות יחסית. תגובות פיצוח להתרחש בכל המסנן זאתclusion של המסנן החם-אד מופחת תשואות הנפט הגדיל את תשואות הגז.

לוח 2 דמויות 5 ו -6 מציגות את תוצאות הניתוח של זינה עשבונית ואת השמנים-ביו המיוצר. סינון חם-אדים הפחית את שאריות אפר ביו השמן מ 1.45% אל מתחת לגבול הגילוי. inorganics השונה, כגון אלומיניום, סידן, ברזל, אשלגן, מגנזיום, נתרן, זרחן, סיליקון, נצפה-שמני ביו, והם בעיקר מקורן הזינה ביומסה. סינון אד חם ירד התוכן האורגני משמעותי השמן ביו, המציין כי הסינון החם אדי היה פרוטוקול עצמה לצמצום תוכן אלמנט העקבות ביעילות השמנה ביו ידי הסרת חלקיקי char ואפר. סינון חם-אדי גם ירד את הפחמן התוכן הגדיל את תכולת החמצן-השמנים ביו. יש וודי ממקורות תוכן אפר נמוך לעומתחומר זינה עשבוני, והנחות נמוכות באפר ביו-השמן ותכנים אורגניים הם נצפו. 15

באמצעות מים קטליטי של ביו-שמן
התוצאות האנליטית של ביו-השמן המיוצר היו בקנה אחד עם העובדה כי שמנים ביו המופקים בתהליך כאלה אינם באיכות מספקת לשימוש ישיר במנועי בעירה פנימיים. לכן, שדרוג של שמן ביו נדרש. שתי דגימות ביו-שמן שודרגו על ידי באמצעות מים קטליטי במערכת hydrotreater בתנאים לעיל.

ביו-שמנים ידועים כדי לסתום את הכורים באמצעות מים כמו תווים או מוצרים פילמור של מינים פעילים ביו-שמנים להצטבר מיטת הזרז. לפיכך, ירידה בלחץ ברחבי מיטות זרז במהלך הבדיקות באמצעות מים הוא אינדיקטור חשוב של צבירת תווים או מוצרים פילמור. המלון של לינה המסוננת אדים חמיםio-שמן בצע כמעט ללא רבב במשך 60 שעות TOS במבחן באמצעות המים. עם זאת, שמן ביו הלא מסונן היה ~ 5% WT מוצקים שלא נמס, אשר מופרדים ב המשאבה לא טופלו. אפילו עם מוצקי מטופל אלה, עדיין חלה הצטברות ירידה בלחץ אחרי 50 שעות TOS, כנראה בגלל מוצקי השייר ביו-השמן שלא סונן חיבור זרז מיטת הארז.

לוחות 3 ו -4 ומספרים רשימת 5 ו -7 התשואה של מוצרים באמצעות מים ביו-נפט לזרוק שונים. שלב מופרדי מוצרים נוזליים, כוללים שלב שמן משודרגי שלב מימי, ומוצרי גזים, כולל CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, C 4 H 10, CO, CO 2, הופקו. איור 4 מראה תמונה של מדגם שמן לשדרג מתקן. לוח 5מציג את תוצאות הניתוח של שמן משודרג איור 5 משווה את תוצאות הניתוח היסודיות של שמן ביו והשמן המשודרג. באמצעות המים היו מאוד יעילים להפחתת חמצן, גופרית, חנקן והוספת מימן משמעותי מהעדכון ביו-השמן. תכולת החמצן בשמן המשודרג היה ~2.0% wt, שהיה נמוך משמעותית מ 35 עד 40% WT החמצן הזנה ביו-שמן. המימן אל פחמן יחס של שמן המשודרג היה ~1.7, לעומת ~1.3 עבור ההזנה ביו-שמן. המגמה של צפיפות של שמן המשודרג, אשר עלה מ 0.81 כדי 0.83 g / ml לאורך תקופת המבחן, מורה על שחרור משרות זרז קל ב -60 TOS השעה.

כפי שניתן לראות בתרשים 7, השוואות של מוצרי hydrotreated בין האדים החמים המסוננים ביו-שמן שלא סונן הראו כי שמן ביו מסונן החם-אדי הביא מעט גבוה יותר מים אל לשדרג יחס שמן, שהוא consiסטנט עם תוכן החמצן הגבוה יותר בהזנה ביו-השמן החם המסוננת-אדי. המאפיינים של שמן לשדרג לשני-שמני ביו היו מאוד דומים. ההבדל העיקרי בין באמצעות מים חמים-אדי-מסוננים שלא סוננו ביו-שמן היה כי מיטות זרז המשמש של שמן ביו חם-אדי-מסוננים הראה הרבה פחות בתצהיר של inorganics לעומת מיטות זרז לשימוש עם הלא מסונן שמנים ביו.

איור 1
איור 1. סכמטי של מערכת הכור פירוליזה של 5 ס"מ מרחף מיטות. יש מסנן חם-אדי, מערכת עיבוי, ומערכת המדידה-גז. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2 r /> איור 2. סכמטי של מערכת hydrotreater מיני-הכור. (MFC: בקר זרימה המוני; RD: דיסק קרע; PT: מתמר לחץ; PI: מחוון לחץ (מד); BPR: רגולטור בלחץ בחזרה; יחסי ציבור: ווסת לחץ) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. סכמטי של זרז מיטת הכור המיני-hydrotreater. פרופיל הטמפרטורה של מיטת הזרז מוצג בפינה השמאלית ואת המיקום של זרזים של כל שלב מוצג מימין. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

s / ftp_upload / 54,088 / 54088fig4.jpg "/>
איור 4. תמונות של דגימות ביו-שמן נציג (משמאל) מדגם שמן לשדרג נציג (מימין). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. השוואה בין תוצאות ניתוח יסודיות של הזינה העשבונית (וקליפות), הביו-השמן מיוצר עם סינון החם-אדי, ואת השמן המשודרג. פחמן, מימן, חמצן ותוכן לא השתנה הרבה אחרי פירוליזה מהיר של ביומסה, אולם, תכולת החמצן ירדה משמעותית ותוכן מימן גדל לאחר באמצעות מים ביו-שמן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

<p class = "jove_content" FO: keep-together.within-page = "1"> איור 6
איור 6. השוואה בין תפוקת הנפט, יעילות פחמן, ועוד כמה מאפיינים של שמן ביו מ-אדי חם מסונן פירוליזה הלא מסונן. זה מדגים את ההשפעה של סינון גז החם של אדי פירוליזה לפני העיבוי. סינון גז חם מבטל שאריות אורגניות אבל זה גם משפיע על תפוקת נפט פירוליזה [3-LM] ומאפייני שמן כגון תכולת חמצן שמן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7. השוואת התוצאות באמצעות מים של שמנים ביו מ-אדי חם מסונן פירוליזה הלא מסונן. חמים-אדי שמן ביו מסונן מוביל ל-מים גבוהים במעט יחס דלק ואת המאפיינים של דלק המשודרג עבור השמנים ביו שני הם מאוד דומים. ההבדל העיקרי בין באמצעות מים של שני שמני פירוליזה הוא כי זרז מצע שמן ביו חם-אדי-מסונן הראה הרבה פחות בתצהיר של מינרלים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

שולחן 1
טבלת 1. תשואות של מוצרי פירוליזה גדולים (ביו-שמן, char, וגז) והסגרי מאזן מסה פירוליזה של זינה עשבונית (וקליפות) עם ובלי סינון החם-אדי.

טבלה 2
ניתוח לוח 2. זינה העשבוני הנציג (וקליפות) וביו-השמן מיוצר עם ובלי סינון החם-אדי.

088table3.jpg "/>
לוח 3. תשואה של מוצרים באמצעות מים מרכזיים בבית לזרוק השונה עבור אד חם המסונן ביו-שמן נציג מסונן שאינו.

טבלה 4
לוח 4. הפקת רכב גז במהלך באמצעות המים של שמנים ביו נציג.

לוח 5
ניתוח לוח 5. של מוצרי נפט המשודרגים באמצעות המים של שמנים ביו נציג.

Discussion

במאמר זה תיארנו נוהל מפורט להמרת ביומסה lignocellulosic פחמימנים לטווח דלק באמצעות פירוליזה מהר וניקוי באמצעות מים קטליטי. המערכת הכור פירוליזה NREL עם הכור 5 ס"מ קוטר פנימי מרחף-מיטה ומערכת hydrotreater PNNL עם כור 1.3 ס"מ קוטר פנימי קבוע במיטה קטליטי ונהלים להפעלתן מתוארים בפירוט. מערכות כור אלה יכולים לשמש כדי לבצע בדיקות פירוליזה וניקוי באמצעות מים בצורה יעילה ובטוחה. השתמשנו חומר זינה עשבוני נציג לייצר ביו-שמנים נוזל במערכת הכור פירוליזה, ולאחר מכן, הביו-השמנים עובדו במערכת באמצעות המים עם מיטת זרז דו שלבים כולל sulfided Ru / C וקום / אל 2 O 3 בתור זרזים להפיק פחמימנים נוזליים לטווח דלק. התהליך גם הוא ישים פירוליזה של מגוון רחב של feedstocks ביומסה כולל עץ, דשא, ו Stover תירס ולאחר מכן לשדרג את הפיקביו-שמן לייצור דלק ביולוגי. 16 תהליך hydrotreater וניקוי באמצעות מים גם יכול לשמש לשדרוג ביניים ביומסה שנוצר אחרים כגון שמן הנזלה (ביו-גולמי) מביומסה כגון עץ ואצות.

מקסום התשואה ביו-שמן במהלך פירוליזה דורש חימום ביומסה במהירות לטמפרטורה מספיק כדי להשיג volatilization המרבי של ביומסה. עבור רוב ביומסה, זה אומר בטמפרטורות של C ° 500 עד 600. מיטה מרחפת מספקת העברת חום מהירה מחול אל ביומסה, מתן קצב חימום גבוה. שימוש חלקיקים קטנים מספק גם קצב חימום גבוה. בדרך כלל כמה אחוזי תשואה ביו-נפט גבוהה מושגת עם קרקע ביומסה <0.5 מ"מ מאשר עם קרקע ביומסה <2 מ"מ. תשואה מקסום גם אומרת מזעור פירוק תרמי של האד על ידי שמירה בזמן מגוריו בטמפרטורה נמוכה (1 עד 2 שניות). אדי פירוליזה מכיל תרכובות עם מגוון רחב של נקודות רתיחה. לפיכך, hצנרת ot נוטה להיות וזיהמו עם אדי הנוזל, repolymerized ושמך. כדי למנוע מצב זה, לשמור על הטמפרטורה במקדחה מתחת ל -100 ° C וכל המשטחים בין רכבת הכור ועיבוי מעל 400 ° C כדי למנוע עכירות, אבל מתחת 500 ° C כדי למזער פירוק תרמי. כיסוי מעמיק עם קלטת חום נחוץ כדי למנוע כתמים קרים ולספק טמפרטורה אחידה. רפידות בידוד תפורות עם סגרים עליהם בדרך כלל לספק כיסוי אחיד יותר, ובכך וכתוצאה מכך טמפרטורה אחידה יותר. חשוב כי הטמפרטורה יורדת במהירות הקבל הראשון כדי למזער את הזדמנות repolymerization של חומרים גבוהות רותחים נקודות, אשר עלול להוביל לחסימה של כניסת המעבה. כמו כן יש צורך להשתמש קרח יבש הקבל השני על מנת למקסם את ההתאוששות נוזלת ולמנוע ניזק מכשירי ניתוח מדידה-גז.

חלק מהתכונות משופרות לא הוזכרו בהליך פירוליזה הבסיסי מהר. אניt הוא שימושי יש מד לחץ או משדר ליד כניסת הכור. בנוסף, כדאי למדוד פרש לחצים על פני הכור ציקלון וכדי למדוד את הלחץ והטמפרטורה הסופיים במונת הבדיקה היבשה (כדי לאפשר חישובי נפח מדויקים). זה גם עוזר יש צמדים נוספים במיטה פירוליזה על מנת לוודא כי המיטה fluidizing אחיד מספיק כדי לספק בטמפרטורות אחידות. בדרך כלל, <5 ° C התפשטות נתפסת אנכית דרך המיטה. כמו כן, הוא שימושי יש בקרת טמפרטורה מקונן לולאה על הכור. כאשר כמות השמן גדולה יש צורך, כדאי להתקין שסתום בחלק התחתון של מקלט char ו הר מקלט char משני מתחת לזה, אשר בתורו יש שסתום בתחתית עם צנצנת רכוב רופף אליו. זה עושה את זה אפשר לרוקן את שפופרת char לתוך השפופרת משני ולבסוף לתוך הצנצנת כך פעולה רציפה יכולה להישמר במשך שעות רבות. רטט זה קצת עזרהפול למבצע. הלמות ידנית של הצינורות יכולה לשמש, אבל ויברטור אוטומטי מספק תסיסה אמינה יותר. אלה יכולים להיות מופעלים באופן רציף ביציאה הופר במקדחת נעילה כדי לשמור על תזרים להאכיל חלקת דרך המזין. כמו כן, באמצעות ויברטור אוטומטי על מקלט char המשני במהלך ניקוז char עושה כי פעולה הרבה יותר אמינה. סינון חם-אדים משפר פיצוח מפחית תשואה ביו-שמן כמתואר לעיל. שמירה על הטמפרטורה של המסנן נמוך אבל עדיין מעל טמפרטורת עיבוי (> 400 ° C) ממזערת פיצוח. משטח אינרטי על המסנן גם עשוי להפחית פיצוח. אזור המסנן צריך להיות גדול כדי להפחית ירידה בלחץ.

המגבלה העיקרית של תהליך פירוליזה מהר היא כי ביו-השמן המיוצר יש כמה מאפיינים מרכזיים בעייתיים כמו צמיגות גבוהה, corrosiveness, התנודתיות עניים, ערך קלורי נמוך, וחוסר יציבות כימית, אשר מגביל הניצול הישיר שלהם וגורמת כמה בעיות during השדרוג שלהם. 6,7,8,9 וריאנט של פירוליזה מהר, פירוליזה מהר קטליטי, שבו פירוליזה מהר משולבת עם תהליך קטליזה לשדרג את אדי פירוליזה, ו hydropyrolysis, שבו פירוליזה מהר שנערכה בנוכחות גזים תגובתי כגון H 2, יכול להוביל ביו שמן באיכות גבוהה, אך סובל מורכבות תפעולית גבוהה ותשואת מוצר נמוכה. 4,8

דו-שלבים באמצעות מי קטליטי הראו תוצאות עיבוד טובות להמרה ביו-שמן דלק לטווח פחמימנים. ביו-שמנים ידועים להיות יציבים מבחינה כימית בגלל הנוכחות של מינים פעילים כגון תרכובות קרבוניל פנוליות שיכול לעבור repolymerization ועיבוי בטמפרטורה נמוכה, מה שמוביל נטייה גבוהה להרכבת חומרים פחמני וכיבוי זרז סוגר ואפילו חיבור של מיטת זרז. לכן, צעד הידרוגנצית השלב הראשון היה קריטי עבור התהליך, שמש לייצב דוo-שמן על ידי הידרוגנציה של קרבונילים ו phenolics בטמפרטורה נמוכה יחסית באמצעות זרז הידרוגנציה נכון. הביצועים של זרז הידרוגנציה היה המפתח של יציבות לטווח ארוך וכושר תפעולו של תהליך. הסרת חמצן על ידי hydrodeoxygenation התרחשה בשלב השני על ידי זרז באמצעות מים מבוססי גופרי. התשואה והמאפיינים של מוצר שמן סופי מיוצר תלוי הזרזים ותנאי שימוש בשלב השני. מקסום התשואה של דלקים סופיים נוזליים יכול להיות מושג באמצעות זרזים מסוגלים לייצר אג"ח CC, כגון פונקצית אלקילציה, ופרמטרי תגובה אופטימיזציה כולל טמפרטורת תגובה, לחץ, מהירות חלל. המגבלה העיקרית של התהליך באמצעות המים היא, בגלל כמה מאפיינים בעייתיים ביו-שמן כגון חוסר יציבות כימי בנוכחות מזהמת 17, אורך החיים של זרזים באמצעות מים, במיוחד זרזי הידרוגנצית הצעד הראשונים, הם עדיין מגביליםאד, מה שהופך את התהליך הכולל יקר. מקסום חייו של הזרזים המשמשים יכול להיות מושג באמצעות זרזים חזקים יותר; פרמטרי תגובה אופטימיזציה כולל טמפרטורת תגובה, לחץ, מהירות חלל; מקדים או להנמיך את התוכן של מינים הפעילים או מזהמי הזנות ביו-שמן.

Hydrotreater נותח בלחצים גבוהים ובטמפרטורות כור עם גזים דליקים ונוזלים מעורבים. לכן, כללי בטיחות הליך צריכים להיות אחריו בקפדנות.

Disclosures

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי משרד האנרגיה האמריקני (DOE) תחת חוזה DE-AC36-08-GO28308 ב NREL ו חוזה DE-AC05-76RL01830 במעבדות PNNL. המחברים בתודה להכיר התמיכה של משרד הטכנולוגיות ביואנרגיה של DOE.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Pyrolysis system
Feedstock Mill to pass 2 mm screen
Sand for bed material Black Rock Screen to 300-500 microns
Furnace Thermcraft TSP-3.75-0-24-3C-J13667/1A Split tube furnace 3.75 ID X 24 L
Pyrolysis reactor Custom-built at NREL 2" diameter, height 17", dual staggered plate distributor, 316SS, Auger port is 2.5 cm above distributor and is cooled with air or water, there is a coiled 1/4" 304 SS tube below the distributor to pre-heat the gas
Cyclone Custom-built at NREL 1" diameter
Cyclone receiver Custom-built at NREL 1 L capacity
Cyclone secondary receiver Custom-built at NREL 1 L capacity
Hot vapor filter Serv-A-Pure SC2-0P10B34-X 316SS, 10 inches long, 2.0 micron
2-neck round-bottomed flasks 500 ml
Electrostatic precipitator Allen Scientific Glassware, NREL-built electrodes Custom built 2" diameter 10" long ground electrode, glass enclosed, stop-cock on bottom
High-voltage power supply Spellman High Voltage Bertan 803C-300P 30 kV max, 0.5 mA
Cold-finger condenser Aldrich Z164038
Coalescing filter Finite 10C15-060
Dry test meter American Meter DTM-200A with IMAC counter
Gas chromatograph Varian CP-4900 MS5A, PBQ, CP-Sil columns
Hydrogen detector Gerhard Wagner TCM-4 thermal conductivity detector
Non-Dispersive Infrared Spectrometer California Analytical Model 300 Carbon monoxide 0-5%, 0-25%, carbon dioxide 0-5%, 0-20%, methane 0-5,000 ppmv, 0-3%
Mass flow controller Celerity (now Tylan) Unit 7301 0-20 SLM reactor bottom, 0-10 SLM auger, 0-2 slm purges, 0-5 slm air
Auger Auger Manufacturing Specialists 110520 3/8" Dia SS RH Auger 18"
Motor for Auger Leeson Gearmotor-Parallel Shaft, 94 rpm, 1/15 HP, TEFC, 115 VAC
Feeding system: Motor for hopper Lenze VDE0530 7KB4-7-100H Motor Ac Helical Gearbox 3PH 0.25 kW 1.4/0.82 A
Feeding system: Hopper and Loss in weight feeder K-TRON Soder KCL24T20 with K10S controller
Feeding system: Valves Swagelok SS-65TS16 151 bar at 37 °C and 6.8 bar at 232 °C
Control system Opto22 SNAP-PAC parts
Heat cables McMaster-Carr 4550T152 and similar Extreme-Temperature (1,400 °F), heavy insulation for use on metal
Ball Vibrator Vibtec K 8
U-tube Custom-built at NREL 1/4" PFA and stainless steel tubing, 1.4 m tall
Hydrotreating system
Ru on carbon catalyst Fabricated at PNNL 7.6 wt% Ru on carbon
3% Co and 9% Mo on Al2O3 catalyst Alfa-Aesar 45579 Cobalt oxide, typically 3.4-4.5%, Molybdenum oxide typically 11.5-14.5% on alumina
Feeding pumps ISCO 500D Syringe pump, 500 ml cylinder capacity
Mass flow controller Brooks SLA5850S1BAF4B1A1
Temperatrue controller Cole-Parmer WU-89000-10 Digi-Sense Advanced Temperature Controller, 115 V
Thermocouples Omega K-type thermocouples
Pressure transducer Omega PX309-3KG5V
Heat tapes Cole-Parmer EW-03106-27 Dual element heating tape, 1/2 in x 12 ft, 936 watts, 120 VAC w/ 2-prong plug
Digital pressure gauge Omega DPG4000-3K High Accuracy Digital Pressure Gauge, with Data Logging Capability
Back pressure regulator Mity-Mite
Gas flow meter Mesa Labs 200-220L Dry Cal, Definer 220 Low Flow 
Hydrotreating reactor, cross, tee, fittings Parker, Autoclave
Combustible gas sensor SMC 5100-02-IT-S1-01-00-0-0 Combustible gas detection sensor, 24 VDC power, analog 4-20 MADC output with modbus, no relays
H2S sensor SMC 5100-05-IT-S1-01-00-0-0 H2S toxic gas sensor module, 24 VDC power, analog 4-20 MADC output with modbus, no relays
Ventilation sensor TSI FHM10 Fume Hood Monitor FHM10
Micro-Gas chromatograph Inficon Inficon 3000 Four-channel micro-GC with molecular sieve, Plot U, Alumina, and Stabilwax columns
Lab-view based monitering and controlling system Custom-built at PNNL Using National Instruments parts and Labview software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. BP. Statistical Review of World Energy. , http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/Energy-economics/statistical-review-2014/BP-statistical-review-of-world-energy-2014-full-report.pdf. (2014).
  2. U.S. Energy Information Administration. International Energy Outlook 2014. , http://www.eia.gov/forecasts/ieo/pdf/0484%282014%29.pdf (2014).
  3. Bioenergy Technologies Office. Replacing the Whole Barrel. , http://www1.eere.energy.gov/bioenergy/pdfs/replacing_barrel_overview.pdf. (2013).
  4. Huber, G. W., Iborra, S., Corma, A. Synthesis of transportation fuels from biomass: Chemistry, catalysts, and engineering. Chem. Rev. 106 (9), 4044-4098 (2006).
  5. Mohan, D., Pittman, C. U. J., Steele, P. H. Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: A critical review. Energy Fuels. 20 (3), 848-889 (2006).
  6. Bridgewater, A. V. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass Bioenergy. 29, 68-94 (2012).
  7. Elliott, D. C. Historical developments in hydroprocessing bio-oils. Energy Fuels. 21 (3), 1792-1815 (2007).
  8. Wang, H., Male, J., Wang, Y. Recent advances in hydrotreating of pyrolysis bio-oil and its oxygen-containing model compounds. ACS Catal. 3 (5), 1047-1070 (2013).
  9. Zacher, A. H., Olarte, M. V., Santosa, D. M., Elliott, D. C., Jones, S. B. A review and perspective of recent bio-oil hydrotreating research. Green Chem. 16, 491-515 (2014).
  10. Elliott, D. C., et al. Catalytic Hydroprocessing of Fast pyrolysis bio-oil from pine sawdust. Energy Fuels. 26 (6), 3891-3896 (2012).
  11. Venderbosch, R. H., Ardiyanti, A. R., Wildschut, J., Oasmaa, A., Heeresb, H. J. J. Stabilization of biomass-derived pyrolysis oils. Chem. Technol. Biotechnol. 85 (5), 674-686 (2010).
  12. Olarte, M. V., et al. Towards long-term fast pyrolysis oil catalytic upgrading. Prepr. Pap. Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. 58 (2), 230-231 (2013).
  13. Scahill, J., Diebold, J. P., Feik, C. Removal of residual char fines from pyrolysis vapors by hot gas filtration. Developments in Thermochemical Biomass. Bridgwater, A. V., Boocock, D. G. B. , Blackie Academic and Professional. London, U.K. (1996).
  14. Hoekstra, E., Hogendoorn, K. J. A., Wang, X., Westerhof, R. J. M., Kersten, S. R. A., van Swaaij, W. P. M. Fast pyrolysis of biomass in a fluidized bed reactor: In situ filtering of the vapors. Ind. Eng. Chem. Res. 48 (10), 4744-4756 (2009).
  15. Elliott, D. C., Wang, H., French, R., Deutch, S., Iisa, K. Hydrocarbon liquid production from biomass via hot-vapor-filtered fast pyrolysis and catalytic hydroprocessing of the bio-oil. Energy Fuels. 28 (9), 5909-5917 (2014).
  16. Howe, D., et al. Field-to-Fuel Performance Testing of Lignocellulosic Feedstocks: An Integrated Study of the Fast Pyrolysis/Hydrotreating Pathway. Energy Fuels. 29 (5), 3188-3197 (2015).
  17. Wang, H., Wang, Y. Characterization of Deactivated Bio-oil Hydrotreating Catalysts. Topics in Catalysis. 59, 65-72 (2015).

Tags

ביוכימיה גיליון 118 מרת ביומסה סינון החם-אדי פירוליזה מהר באמצעות מים קטליטי ביו-שמן ביו-דלק
מרת ביומסה לייצר פחמימני נוזלי דלק Via חם-אד מסונן פירוליזה מהיר וניקוי באמצעות מים קטליטי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, H., Elliott, D. C., French, R. More

Wang, H., Elliott, D. C., French, R. J., Deutch, S., Iisa, K. Biomass Conversion to Produce Hydrocarbon Liquid Fuel Via Hot-vapor Filtered Fast Pyrolysis and Catalytic Hydrotreating. J. Vis. Exp. (118), e54088, doi:10.3791/54088 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter