Abstract
ويجري تطبيق الانحلال الحراري السريع على نحو متزايد في النباتات التجارية في جميع أنحاء العالم. أنها تعمل بشكل حصري على الكتلة الحيوية الخشبية، الذي له خصائص مواتية للتحويل مع الانحلال الحراري السريع. من أجل زيادة التآزر لإنتاج الأغذية واستخدام حيوية و / أو مواد من الكتلة الحيوية، فمن المستحسن للاستفادة من المخلفات الناتجة عن إنتاج الزراعي، على سبيل المثال، القش. الطريقة المعروضة هي مناسبة لتحويل مثل هذه المواد على نطاق صناعي. يتم عرض الملامح الرئيسية ويعطى مثالا للتوازن الكتلة من تحويل العديد من بقايا الكتلة الحيوية. بعد التحويل، يتم تطبيق التكثيف مجزأة من أجل استرداد اثنين من المكثفات - عضوي الغنية واحدة مائي غني. هذا التصميم يمنع إنتاج الانحلال الحراري السريع الحيوي النفط التي يسلك فصل المرحلة. ومن المتوقع واثنين من مرحلة الحيوي النفط بسبب الرماد عالية عادة من الكتلة الحيوية من القش، والتي تشجع على إنتاج المياه من رد فعل خلالتحويل.
كلا التكثيف مجزأة واستخدام الكتلة الحيوية مع الرماد ارتفاع الطلب نهجا حذرا لإقامة التوازنات. ليس كل نوع من التوازن على حد سواء ذات معنى وقابلة للمقارنة إلى نتائج أخرى من الأدب. وتعرض أساليب موازنة مختلفة، وناقش المعلومات التي يمكن استخلاصها منها.
Introduction
استخدام الكتلة الحيوية كبديل لمصادر الكربون الأحفوري أصبحت ذات أهمية متزايدة للحد من تأثير النشاط المجتمعي على مناخ الأرض. توجد مصادر الطاقة المتجددة الأخرى مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، ولكن يمثل الكتلة الحيوية مصدر الكربون المتجددة الوحيد حتى الآن. وبالتالي، فإن الاستخدام الأكثر كفاءة من الكتلة الحيوية في إنتاج المواد الكيميائية والوقود السائل المتخصصة. وينبغي استخدام الكتلة الحيوية المتبقية من أجل الحد من المنافسة بين الأعلاف والأغذية، والمواد الكيميائية الإنتاج / الوقود. في كثير من الأحيان هذه المخلفات منخفضة الكثافة، وبالتالي تقدم تحديا لوجستيا للتطبيقات على نطاق صناعي.
ولمواجهة هذه التحديات، تم تطوير مفهوم bioliq في معهد كارلسروه للتكنولوجيا 1. ويتميز الخطوة الأولى لامركزية لتحويل الكتلة الحيوية المتبقية إلى طاقة كثيفة وسيطة (bioslurry)، تحويل لاحقا في وحدة تغويز المركزية إلى التوليفالغاز وتجميع النهائي للمنتج المطلوب (ق). ويمكن تصميم وحدة تغويز والتوليف على نطاق صناعي المطلوبة في نفس الموقع لتحقيق عملية تجارية. يسمح مفهوم لمنتجات مختلفة، تتراوح ما بين انخفاض في الوقود إلى المواد المضافة للوقود المتخصصة والمواد الكيميائية السائبة 2-5. تقدم هذه الورقة الخطوة الأولى التي يستخدم الانحلال الحراري سريع لتحويل الكتلة الحيوية المتبقية إلى bioslurry المتوسط. يتميز الانحلال الحراري السريع عن طريق التسخين السريع من الكتلة الحيوية في جو خامل إلى درجة حرارة التفاعل من عادة 450-500 درجة مئوية مع فترة إقامة أبخرة الانحلال الحراري ينتج من <2 ثانية 6. الأكثر شيوعا، وتستخدم المفاعلات مميعة لأداء الانحلال الحراري السريع ولكن هناك أيضا وجود مختلف تصاميم المفاعلات مصممة خصيصا لتحسين ظروف التفاعل 7. وقد أجرى الأعمال التي عرضت في ما يلي مع مفاعل خلط التوأم. فهي تقدم التكنولوجيا القوية التي لديها بالفعل النحلن تطبيقها على نطاق صناعي والانحلال الحراري الفحم وعلى نطاق تجريبي لالرمال النفطية 8.
والغرض من هذا المفاعل الاختلاط المزدوج المسمار هو مزيج تغذية الكتلة الحيوية الصلبة مع الصلبة، والناقل للحرارة قبل ساخنة. خلط يحتاج إلى أن يكون دقيقا بما فيه الكفاية من أجل تحقيق معدل التسخين ما هو ضروري لتحويل الكتلة الحيوية في ظل ظروف الانحلال الحراري السريعة. بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم كل من جسيمات الكتلة الحيوية والحرارة الناقل يحتاج إلى أن تكون صغيرة لتحقيق معامل انتقال الحرارة العالية وفترة التسخين قصيرة الجسيمات. في معهد البحوث والتكنولوجيا الحفز (IKFT) من معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT)، وهي وحدة تطوير العملية مع سعة الإدخال الكتلة الحيوية من 10 كجم ساعة كانت -1 التشغيلية لأكثر من عقد من الزمان. ويستخدم كرات الصلب باعتبارها الناقل للحرارة، الذي تعميمها داخليا مع مصعد دلو وإعادة تسخينه مع نظام التدفئة الكهربائية. وكان الغرض الرئيسي من التحقيق في الاتحاد الافريقييت ضمن التكنولوجيا الانتعاش المنتجات التي تم تكييفها للاستخدام المنتج في التحويل إلى غاز والتحقق من مدى ملاءمتها لمجموعة واسعة من المواد الأولية 9-11. بنيت محطة تجريبية أكبر بالتوازي مع هذه الدراسات مع سعة الإدخال الكتلة الحيوية من 500 كجم ساعة -1، الذي بدأ العمل لمدة خمس سنوات. فإنه يستخدم الرمل باعتبارها الناقل للحرارة، الذي يعاد هوائيا عن طريق رفع الغاز الساخن وساخنة بالإضافة إلى ذلك عن طريق الاحتراق الجزئي للجسيمات شار مجرور 1،12. ويستند الوصف التالي من المنهج التجريبي على وحدة تطوير عملية صغيرة بعد أن تم تجديدها قسم استعادة منتجاتها لتشبه أفضل تصميم محطة تجريبية 13. ويتضح مخطط تدفق هذا الإعداد التجريبية في الشكل 1.
من المهم أن نلاحظ أن متطلبات المنتج لالانحلال الحراري السريع الحيوي للنفط (FPBO) لاستخدامها في أجهزة التحويل إلى غاز ومختلف لتلك التي وضعت لFPB التقليديةO، التي عادة ما تكون مخصصة للتطبيقات الوقود مباشرة 14. الأهم من ذلك، لا يكون محتوى المواد الصلبة من FPBO أن تكون منخفضة جدا. في الواقع، فمن المستحسن أن خلط FPBO المنتجة مع شار تم الحصول عليها من عملية التحويل وذلك لزيادة كمية الكربون المتاحة لتغويز والتوليف لاحق من انخفاض في الوقود. هذه الحقائق هي مهمة لفهم الاختلافات في تصميم الإعداد التجريبية المعروضة هنا والتجارب الانحلال الحراري سريعة تنشر من قبل. فارق مهم آخر هو أن مفهوم تحويل الكتلة الحيوية قيد التحقيق تم تصميمه خصيصا لالمخلفات الزراعية مثل قش القمح. عادة ما يكون هذا النوع من المواد الخام يحتوي على نسبة كبيرة من الرماد. ومن المعروف الرماد للتأثير كبير في توزيع المنتج من الانحلال الحراري السريع. أنه يؤدي إلى انخفاض المكثفات العضوية (OC)، وزيادة في كل من المنتجات الصلبة والغازية 10،15،16. وتمثل هذه الحقائقعلى حد سواء في تصميم الإعداد التجريبية المعروضة هنا وسلسلة العملية الشاملة. وتسير معظم المنشآت الصناعية على الخشب مع الرماد منخفضة وببساطة حرق المواد الصلبة داخليا. وهذا يؤدي إلى إنتاج إضافي للحرارة للاستخدام الخارجي. عند استخدام المواد الأولية ذات المحتوى العالي من الرماد، شار هو مهمة من قبل المنتج الذي يجب استخدامه بكفاءة 13.
Protocol
1. البدء
- تفعيل الانحلال الحراري كله ونظام التكثيف قبل بدء تشغيل مساعد N 2 العرض ومروحة الغاز الانحلال الحراري. تدفق منصة اختبار الانحلال الحراري مع 500 لتر في الساعة -1 من النيتروجين أثناء وضع الاستعداد. تنظيم مروحة من خلال فتح القائمة المروحة في عملية مراقبة وضبط التدفق الحجمي الاسمي مثل هذا الضغط في المفاعل 3-8 مللي بار فوق الضغط المحيط.
الحذر: وخاصة أثناء بدء التشغيل، هناك خطر متزايد من تراكم القابلة للانفجار. يجب أن يكون النظام خامل تماما من أجل التخفيف من هذا الخطر. - ملء دورة للنفط الحيوي (أي المكثفات العضوية الغنية) مع كمية مناسبة من جلايكول الإثيلين باعتبارها وسيلة أولية لنظام تبريد للسماح التشغيل الآمن للمضخة والخالط (على سبيل المثال، 15 كجم في المثال المذكور). تسجيل وزن المواد الانطلاق.
- ملء دورة المكثفات المائية مع امون المناسبطن من المياه للسماح التشغيل الآمن للمضخة (على سبيل المثال، 7 كجم في المثال المذكور). سجل وزن ابتداء من المواد.
- تسخين النظام، بما في ذلك سخان الناقل للحرارة وجميع سخانات المساعدة، من خلال فتح هذه القوائم في التحكم في العمليات وإدخال القيم المطلوبة (على سبيل المثال، حوالي 500 درجة مئوية). ينصح تدفئة مساعدة للمفاعل نفسه وربط الأنابيب تصل إلى المكثف الأول لمنع التكثيف غير المنضبط من الأبخرة.
- بدء تشغيل دورة التبريد للمبادلات الحرارية في كل دورة التكثيف عن طريق التحول على برودة.
- بدء تشغيل مضخات كل دورات التكثيف من خلال فتح هذه القوائم في التحكم في العمليات وانقر على تفعيل. استخدام نفس القوائم لضبط تدفق الشامل لتوفير الطاقة والتبريد بما فيه الكفاية. على سبيل المثال، إعادة توزيع والنفط الحيوي بمعدل حوالي 350 كجم ساعة -1 وتبريده الى 80 درجة مئوية قبل رش عليه في سفينة تبريد. إعادة توزيع وكوندي مائيnsate بمعدل حوالي 600 كجم ساعة -1، وبالإضافة إلى ذلك، العرض تبريد المياه بمعدل 300 كجم ساعة -1 في 8 درجات مئوية.
- التبديل على مرسب.
- بعد أن تشغيل كل دورات التكثيف لمدة 10-20 دقيقة، والتحقق من فوهات للنظام تبريد لمنع وإزالة أي انسداد الحاضر.
- بدء حلقة الناقل للحرارة عن طريق فتح قائمة من المصعد دلو والمسمار تغذية الناقل للحرارة في التحكم في العمليات وانقر على تفعيل. ضبط درجة حرارة الناقل للحرارة إلى قيمة أعلى من درجة حرارة المفاعل المطلوبة من أجل السماح لأكثر سلاسة بدء من المحاسبة لمتطلبات الحرارة للتفاعل الانحلال الحراري. على سبيل المثال، توريد الناقل للحرارة مع تدفق كتلة من 1000 كجم ساعة -1 عند درجة حرارة 520 درجة مئوية خلال العملية، ولكن الحرارة إلى 545 درجة مئوية قبل البدء في تغذية الكتلة الحيوية.
تحذير: تأكد من أن يتم تشغيل-مسامير التوأم لمفاعل تلقائيا بمجرد تغذية الناقل للحرارةيتم تنشيط المسمار. وإلا فسيكون هناك خطر الحجب وحتى الأضرار التي لحقت نظام التغذية. - بعد نظام (أي جميع درجات الحرارة) وصلت قيم مجموعة، بدء تغذية الكتلة الحيوية عن طريق ملء تخزين الكتلة الحيوية مع المواد الخام المطلوبة. وفي وقت لاحق، فتح قادوس القفل والبدء في تغذية المسمار الكتلة الحيوية من خلال النقر على تنشيط في تلك القوائم في عملية المراقبة. زيادة ببطء معدل التغذية من أجل منع تقلبات الضغط المفرط.
2. خطوات والملاحظات مطلوب باستمرار أثناء عملية
- تسجيل كمية الكتلة الحيوية تغذية وذلك لحساب لموازنة وأخذ عينات مناسبة.
- تحقق من وجود (درجة الحرارة خروج الناقل للحرارة) المطلوب درجة حرارة المفاعل وتنظيم التدفئة من الحلقة الناقل للحرارة وفقا لذلك.
- تنظيم المروحة عن طريق ضبط تدفق الحجمي الاسمي للحفاظ على ضغط المفاعل المطلوب.
- تحقق من وجود حظر في الفتحاتمن نظام التبريد (انخفاض في تدفق الشامل و / أو زيادة في درجة حرارة التبريد).
- مراقبة هبوط الضغط عبر الأعاصير ونظام التبريد من أجل الكشف عن التوسع المفرط في وقت مبكر بما فيه الكفاية. تثبيت التدابير المناسبة لتكون قادرة على إزالة القشور المفرط أثناء العمليات، ولا سيما عند نقطة وانخفاض درجة الحرارة الأول من أبخرة الانحلال الحراري (عادة ما يكون مدخل للنظام تبريد).
- على سبيل المثال، وتنظيف المقطع العرضي الأنبوب باستخدام قضيب لإزالة التحجيم ميكانيكيا. ختم قضيب مع طوقا لمنع تناول الهواء في نظام التبريد. تثبيت صمام الكرة عند نقطة مدخل للقضيب إلى مزيد من الانخفاض تسرب الهواء إذا كان التنظيف ليس في العملية.
تحذير: تنظيف مدخل للنظام التبريد عن طريق إدخال قضيب يؤدي إلى انسداد مؤقت لإزالة الغاز من المفاعل. يجب وقف تغذية الكتلة الحيوية إذا كان لا يمكن ان تتأكدوا من انه يتم تنفيذ التنظيف في <10 ثانية.
- على سبيل المثال، وتنظيف المقطع العرضي الأنبوب باستخدام قضيب لإزالة التحجيم ميكانيكيا. ختم قضيب مع طوقا لمنع تناول الهواء في نظام التبريد. تثبيت صمام الكرة عند نقطة مدخل للقضيب إلى مزيد من الانخفاض تسرب الهواء إذا كان التنظيف ليس في العملية.
- رصد درجات الحرارة التكثيف من كلا دورات التكثيف والتكيف مع درجة الحرارة مجموعة نقاط من الحرارة العملية إذا لزم الأمر.
- إزالة المكثفات من دورات بأسرع ما تم التوصل إليه 80٪ من الحد الأقصى للمستوى ملء المسموح به (اعتمادا على حجم خزانات عازلة وكمية ونوع من الكتلة الحيوية تغذية).
- إجراء قياسات الطور الغازي. قياس كمية الغاز فضلا عن تكوينها (انظر التفاصيل في الخطوة 4.5).
ملاحظة: وتشمل المركبات الغازية الأولية N 2، CO، CO 2، CH 4، O 2 و H 2. ومن المتوقع مركبات إضافية، مثل C 2 H 4، C 2 H 6، وC 3 H 8. يوصف مثال على نظام قياس الغاز أدناه (راجع الخطوة 4.5).
تحذير: إذا تم تشغيل أجزاء من وحدة الانحلال الحراري تحت الضغط، وتسرب الهواء قد يؤدي إلى تطوير مناخ ناسفة. ينصح بشدة أن أوب عن كثبخدمة كمية الأوكسجين في الغاز الانحلال الحراري.
3. إيقاف
- لوقف التجربة، ببساطة إيقاف تغذية الكتلة الحيوية وتنظيم مروحة للحفاظ على ضغط المفاعل المطلوب.
- السماح للنظام (حلقة الناقل للحرارة ودورات التكثيف) لتشغيل لمدة 30-40 دقيقة أخرى لضمان أن كل البقايا وpyrolyzed والمنتجات استردادها.
- إيقاف تشغيل التدفئة من الحلقة الناقل للحرارة.
- إيقاف تشغيل مضخات كل دورات التكثيف والمرسب الكهربائي.
- دورات فارغة على حد سواء المكثفات وتسجيل وزن كل المكثفات. طرح كمية بدءا مادة (نرى خطوات 1.2 و 1.3) قبل إعداد الموازنات.
- السماح للحاويات لجمع شار ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة في جو خامل. تزن كمية شار.
تحذير: إن شار قد يحمل خصائص السريعة الاشتعال، ويجب توخي الحذر خاصة عند التعامل مع هذه المواد. - الحريهن دورة النفط الحيوي مع جلايكول الإثيلين جديدة ودورة المكثفات المائية مع 1: 1 خليط من الماء والإيثانول. ملء مع الكميات المناسبة (انظر خطوات 1.2 و 1.3) والسماح لتشغيل لمدة 30-40 دقيقة.
4. التحليلات المطلوبة لإعداد أرصدة "الجاف" و "عنصري الكربون"
- إجراء تحاليل المواد الأولية التالية (ترد أمثلة للمعايير المعمول بها بين قوسين):
- تحديد محتوى الماء 17.
- تحديد محتوى الرماد 18.
- تحديد الكربون العنصري، والهيدروجين، ومحتويات النيتروجين 19.
ملاحظة: من المستحسن بشدة لتحليل محتوى الماء كل يوم تجريبي لاختلاف الظروف الجوية قد يؤثر على محتوى الرطوبة من المواد الخام. اعتمادا على حجم الكثير، يطلب من عدة عينات لتوصيف موثوق المواد الخام. تحليلات إضافية مثل تحليل الألياف وارتفاع القيمة الحرارية لوأوصت لكن ليس إلزاميا لإقامة التوازنات المذكورة أعلاه.
- إجراء التحليلات مسحوق شار التالية (ترد أمثلة للمعايير المعمول بها في المراجع):
- تحديد محتوى الماء 17.
- تحديد محتوى الرماد 18.
- تحديد الكربون العنصري، والهيدروجين، ومحتويات النيتروجين 19.
ملاحظة: من المفترض أن شار لا يوجد لديه نسبة الرطوبة عند الخروج من عملية إعداد الموازنات. قد تحدث الرطوبة اتخاذ المتابعة أثناء التحليل، ويطلب من المحتوى المائي لتصحيح اثنين من التحليلات الأخرى.
- إجراء تحليلات للنفط الحيوي التالية (ترد أمثلة على المعايير المعمول بها أو الأساليب الأخرى الموصى بها بين قوسين):
- تحديد محتوى الماء الحجمية كارل فيشر المعايرة وفقا لبروتوكولات موحدة. حل عينة في الميثانول الجاف ويعاير مع خليط من قاعدة، SO 2و(ترد أمثلة مفصلة من المواد في قائمة المواد) تركيز يعرف من أنا 2. كل مول من الماء يتفاعل مع مول واحد من أنا 2.
- تحديد محتوى المواد الصلبة عن طريق أخذ عينة من 3040 غرام من FPBO وتذوب في الميثانول إلى وحدة تخزين الحل النهائي لحوالي 100 مل. تحريك الحل لمدة 10 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. تصفية حل من خلال فلتر السليلوز في الاحتفاظ الجسيمات من 2.5 ميكرون وشطف بقايا تماما مع الميثانول حتى يتم الحصول على الترشيح واضح. تجفيف مخلفات الصلبة في درجة حرارة 105 مئوية ليلة وضحاها، وتحديد الوزن المتبقي.
- تحديد الكربون العنصري، والهيدروجين، ومحتويات النيتروجين 19.
- تحديد محتوى جلايكول الإثيلين بنسبة 1 تحليل H NMR وفقا لبروتوكولات موحدة. حل عينة FPBO في حل من الميثانول بالديوتيريوم مع 3- (trimethylsilyl) البروبيونيك-2،2،3،3-د 4 حامض ملح الصوديوم (اجتماع الدول الأطراف الثالث) كمادة مرجعية (ما يقرب من 0.1ز FPBO في 0.8 ز الحل). على سبيل المثال، قد يحتوي على حل 44 ز الميثانول و 0.1 غرام اجتماع الدول الأطراف الثالث. أجهزة الطرد المركزي لعينة المنحل من أجل إزالة المواد الصلبة. تحليل عينة من 1 H النووي التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي (NMR). تظهر مجموعة هيدروكسي من جلايكول الإثيلين ذروته في 3،55-3،65 جزء في المليون. تظهر ذروة إشارة من اجتماع الدول الأطراف الثالث حول 0 جزء في المليون، ويستخدم لقياس محتوى جلايكول الإثيلين.
ملاحظة: البدء مع جلايكول الإثيلين النقي يؤدي إلى التخفيف من المكثفات في المكثف الأول. هذا يحتاج إلى أن ينظر في حساب أرصدة الكتلة والطاقة ولعرض النتائج. ومن المرغوب فيه جدا لتحديد المركبات الكيميائية الفردية. مثل هذا المنهج التحليلي معقد جدا بسبب وجود عدد كبير من المركبات المختلفة وطبيعة مصفوفة المكثفات. وصف هذه التحليلات هو خارج نطاق هذه الورقة. كما ينبغي الإشارة إلى أن التحليلات المذكورة أعلاه مطلوبة فقط لإنشاءأرصدة وليست كافية لوصف النفط الحيوي كمنتج. المعايير التي تغطي تطبيقات FPBO هي في طور الإعداد.
- إجراء التحليلات المكثفات المائية التالية (ترد أمثلة على المعايير المعمول بها بين قوسين):
- تحديد محتوى الماء الحجمية كارل فيشر المعايرة (انظر 4.3.1).
- تحديد الكربون العضوي الكلي من الكربون العضوي غير purgeable 20.
ملاحظة: بدء العمل مع يؤدي للمياه النقية إلى التخفيف من المكثفات في المكثف الثاني. هذا يحتاج إلى أن ينظر في حساب أرصدة الكتلة والطاقة ولعرض النتائج.
- مراقبة تكوين الغازات في كافة مراحل التجربة لتكوين اختلافا كبيرا مع مرور الوقت. على سبيل المثال، وتحليل الغاز المنتج خلال التجارب المقدمة هنا في الكروماتوجرافي الغاز العملية كل 30-60 دقيقة. تحليل أنواع الغازات التالية: ني، H 2، CO، CO 2، N 2يا 2، CH 4، وألكان / ألكين C 2-C 5 المكونات.
- حقن تدفق الغاز ثابت من ني في مفاعل كمرجع. حساب كتلة كل أنواع الغاز على أساس تدفق إشارة الحجمي، فإن متوسط نسبة تكوين الغازات، ومدة التجربة، وكثافة الأنواع. من أجل تحديد محتوى الماء من الغاز الانحلال الحراري، افترض الظروف المشبعة في درجة حرارة مخرج المكثف الماضي.
Representative Results
تم pyrolyzed أنواع مختلفة من الكتلة الحيوية بنجاح في وحدة الانحلال الحراري في IKFT / KIT مع الإعداد الحالي. على سبيل المثال، تمت مقارنة ثلاثة المواد الأولية المختلفة (قش القمح، ميسكانتوس، والخشب الخردة) بشأن ممتلكاتهم والعوائد بعد الانحلال الحراري بعد إجراء وصفه. وتظهر أنواع مختلفة من أساليب التوازن ومناقشتها فيما يتعلق تطبيقها تجاه المواد الخام الرماد الغنية. من المهم أن نلاحظ أن أرصدة تم احتساب وتلخيص وفقا لحالة من تجميع كل جزء. والنفط الحيوي تعافى في المكثف الأول لا يزال يحتوي على المواد الصلبة، والتي لم يتم إزالتها من قبل الأعاصير. وتتميز هذه بشكل منفصل في التوازنات. وعلى سبيل المقارنة والتقييم الإحصائي، تم إضافة محتوى المواد الصلبة من النفط الحيوي لجزء شار تعافى من الأعاصير.
على أساس "كما وردت،العائد المواد الصلبة، أي شار استردادها عن طريق الأعاصير وشار الموجودة في النفط الحيوي، هو في حدود 14-25٪ من وزنها عن المواد الأولية التحقيق. مجموع عوائد المكثفات تعافى في المكثفات اثنين تتراوح 53-66٪ من الوزن، في حين أن عائدات الغاز متشابهة نسبيا (حوالي 20٪) لجميع الكتل الحيوية 3 (انظر الشكل 2). هذه "كما وردت" القيم تعطي معلومات عملية عن المبلغ الفعلي للكسور منتج من المتوقع في المنشآت الانحلال الحراري سريعة من هذا النوع.
ومع ذلك، يتم الإبلاغ عن إجمالي عائدات العضوية السائلة في الأدب الأكثر شيوعا على أساس جاف، أي باستثناء الرطوبة والمياه من رد الفعل في المكثفات وفي الأعلاف. وميزة هذا النوع من التوازن هو حقيقة أن البداية الرطوبة الحالية من الكتلة الحيوية لا يؤثر على النتائج. وهذا من شأنه زيادة نسبة الرطوبة بشكل مصطنع العائد المكثفات في ب "كما وردت"alance. لأسباب القابلية للمقارنة، ويبين الشكل 3 العائد النفط العضوي والمياه رد فعل على أساس جاف. في هذه الدراسة، عوائد النفط العضوي الزيادة (35 - 46 - 50٪ من الوزن) مع تناقص الرماد (9.2 - 2،7-1،5٪ من الوزن) من قش القمح المواد الأولية - ميسكانتوس - الخشب الخردة (انظر الجدول 1). وهذا يتماشى مع ملاحظات من دراسات أخرى 10،15،16. غلة المياه من ردود الفعل هي في نطاق ضيق نسبيا 12-14٪ من وزنها.
توازن الكتلة على أساس جاف لا تزال تتأثر مباشرة الرماد من المواد الأولية. والمعادن الموجودة في المواد الكتلة الحيوية زيادة مصطنعة العائد من المواد الصلبة في كل من الأرصدة 'الجافة' 'كما وردت "و. ونتيجة لذلك، تم تحديد أرصدة الكربون عنصري لأنه يبدو أنها تكون أكثر مناسبة لتقييم الاختلافات في ردود الفعل تحويل الحرارية من الكتلة الحيوية (انظر الشكل 4
| قش القمح | ميسكانتوس | الخشب الخردة | |
| المياه، ع | 9.6 | 10.1 | 15.2 |
| الرماد، د | 9.2 | 2.7 | 1.5 |
| الكربون، د | 46.1 | 48.6 | 49.8 |
| الهيدروجين، د | 5.7 | 5.9 | 6.1 |
| النيتروجين، د | <0.5 | <0.5 | <0.5 |
| ع: كما وردت، د: أساس جاف 21 | |||
الجدول 1. مختارة خصائص المواد الأولية المختلفة المستخدمة. وتمثل كل القيم كسر كتلي (٪).
الشكل 1. مسار التدفق من الإعداد التجريبية. 1) تخزين الكتلة الحيوية. 2) نظام قادوس قفل. 3) الجرعات الكتلة الحيوية. 4) التوأم برغي مفاعل خلط. 5) المصاعد دلو. 6) سخان لالناقل للحرارة. 7) إعصار لإزالة المواد الصلبة. 8) شار التخزين. 9) تبريد بخاخ. 10) السيرة الذاتية للنفطخزان. 11) الخالط ومضخة. 12) المبادلات الحرارية للتبريد المكثفات تعميمها. 13) المرسب كهرباء. 14) مائي خزان المكثفات. 15) مضخة لإعادة تدوير المكثفات مائي. 16) المبادلات الحرارية للتبريد المكثفات تعميمها. 17) المكثف لالمكثفات مائي. 18) مروحة لإزالة الغاز / أبخرة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. توازن الكتلة من التجارب. وذكرت أرصدة على "كما وردت" 21 أساس المواد الخام والمنتجات. يتم التعبير عن القيم كما كسر كتلي. وقد استخدمت ثلاثة أنواع مختلفة من الكتلة الحيوية وأجريت جميع التجارب على الأقل في يثلث 13. محتوى المواد الصلبة في الحيوي وتفيد التقارير النفط بشكل منفصل لأغراض التوضيح. أشرطة الخطأ تشير الانحرافات المعيارية من التجارب مع نوع واحد من المواد الخام. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ويتم عرض الشكل 3. مجموع عائدات النفط العضوية والماء من رد فعل كل القيم على أساس 21 العلف الجاف ويتم التعبير عنها كسور الكتلة. وقد تم استبعاد محتوى المواد الصلبة من المكثفات من العائد النفط العضوي (13). أشرطة الخطأ تشير الانحرافات المعيارية من التجارب مع نوع واحد من المواد الخام. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
-page = "1"> 
الشكل 4. أرصدة الكربون. وذكرت جميع القيم كما كسر كتلي من مدخلات الكربون الكتلة الحيوية. وقد استخدمت ثلاثة أنواع مختلفة من الكتلة الحيوية وأجريت جميع التجارب على الأقل في يثلث 13. وذكر أن محتوى المواد الصلبة في النفط الحيوي بشكل منفصل لأغراض التوضيح. أشرطة الخطأ تشير الانحرافات المعيارية من التجارب مع نوع واحد من المواد الخام. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Discussion
لجميع التجارب، وكانت الظروف العملية مثل حجم المواد اللقيم، معدل التغذية والضغط ودرجة حرارة التفاعل، ودرجات حرارة التكثيف، ومعدلات تدفق كل من الناقل للحرارة ودورة المكثفات نفسه. وبطبيعة الحال، والاختلافات ضمن حدود لا يمكن تجنبها. لمحطة اختبار مثل وحدة تطوير عملية المعروضة هنا، لا بد أن تكون محسوبة و / أو تحددها تجربة نطاقات مقبولة من التذبذب والأوقات اللازمة لعملية لتجارب قابلة للتكرار. على سبيل المثال، يتم التحكم في درجة حرارة المفاعل، والتي دلت على درجة حرارة الناقل للحرارة الخارجة من المفاعل، مع انحراف معياري من 35 درجة مئوية خلال كامل من ردود الأفعال من بداية التفاعل في قدرة الكتلة الحيوية الكاملة لل توقف التغذية الكتلة الحيوية (عادة حوالي 4 ساعات). يتم التحكم في الضغط في المفاعل مع انحراف معياري من 300-500 بنسلفانيا من المحتمل أن تحدث بسبب fluc قمم في الضغطtuations في تغذية الكتلة الحيوية. فمن المستحسن لضبط نظام تغذية المسمار إلى المواد الكتلة الحيوية قيد النظر من أجل تقليل مثل هذه التقلبات وضمان تدفق الكتلة الحيوية المستمر. كان الحفاظ على درجة الحرارة التكثيف في المكثفات الأولى والثانية في انحراف معياري من 3 ° C و 1 درجة مئوية، على التوالي.
وتجدر الإشارة إلى أنه في هذه المرحلة أن أجريت جميع التجارب التي عرضت في نفس درجة الحرارة مفاعل (500 درجة مئوية). درجة الحرارة هذه لا تعكس بالضرورة أفضل درجة حرارة الانحلال الحراري السريع الذي يوجد لكل وسيطة محددة 22. وهناك تباين في درجة حرارة المفاعل يمكن أن يؤدي إلى درجة حرارة الانحلال الحراري الأمثل مع عائدات النفط العضوية أعلى من ذلك.
اختيار موازنة الطريقة ليست تافهة والانحلال الحراري السريع من الكتلة الحيوية، وخاصة عند تطبيق التكثيف مجزأة وعند استخدام الكتلة الحيوية مع الرماد عالية. ثلاثة أنواع مختلفة من balancinوقد عرضت ز في القسم السابق. الإبلاغ عن عوائد الكسور المنتج على أساس "كما وردت" هو مفيد لاعتبارات عملية مثل تصميم الأجهزة وقدرات التخزين كما ذكرت توزيع المنتج الفعلي المتوقع. ومع ذلك، يتم حجب هذه القيم التي كتبها محتويات الماء والرماد من المواد الخام. خاصة بالنسبة للكتلة الحيوية المتبقية - على سبيل المثال، القش والغابات وبقايا التقليم والاحيائية "النفايات" - وهذا هو قضية لأن هذه المواد الأولية لديها مجموعة واسعة من محتويات المياه وغير العضوية، انظر الجدول 1.
طريقة موازنة المشترك لعمليات الكتلة الحيوية على "أساس جاف" في معظم الحالات مفيدة للمقارنات بين الدراسات المختلفة كما أنه يلغي تأثير محتويات رطوبة مختلفة من المواد الخام. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه القيم المحسوبة من التجارب مع وسيطة رطبة محددة لا reflec بالضرورةر السلوك والعوائد من هذه المواد الخام محددة إذا تم تجفيفها كليا من قبل المادية يعني قبل التجربة. ومن المعروف أن الرطوبة تؤثر على توزيع العائد من الانحلال الحراري 23 وهذا يجب أن يوضع في الاعتبار عند تقييم ومقارنة التوازن "الجافة".
وعلاوة على ذلك، توازن الكتلة على "أساس جاف" ليست مناسبة على المواد الخام مع الرماد عالية لأن المعادن في نهاية المطاف في المقام الأول في شار وتحجب النتائج على نحو مماثل لمحتوى الرطوبة الأولي. وعلى غرار الماء والمعادن تؤثر على شبكة رد فعل الانحلال الحراري الفعلية لأنها تعزز ردود فعل الانحلال الحراري الثانوية، مما يؤدي إلى ارتفاع شار وانخفاض عائدات النفط الحيوية. لا يمكن إلا أن هذه الآثار يمكن تقييمها على أساس علمي إذا تم تصحيح التوازنات عن محتوى الرماد. طريقة واحدة لتحقيق ذلك هي من خلال إنشاء أرصدة الكربون. من المقارنة في الشكل (2) والشكل (4) فإنه يمكن أن ينظر إلى أن زيادة yie المواد الصلبةدينار لوحظ بعد الانحلال الحراري من قش القمح بالمقارنة مع ميسكانتوس ليس فقط بسبب المواد غير العضوية التي يتم استرداد مع شار، ولكن أيضا بسبب زيادة نسبة المواد الصلبة العضوية التي تكونت خلال هذه العملية.
ميزة أخرى لأرصدة الكربون عنصري هو إظهار مصير الكربون الاحيائية، أي توزيعه في أجزاء المنتج استردادها. وهذا أمر مهم لتقييم السلاسل أكثر تعقيدا تحويل - على سبيل المثال، الانحلال الحراري، تغويز، والتوليف كما في الحالة المعروضة هنا - لأن الكربون الاحيائية ينبغي أن تستخدم بأكبر قدر من الكفاءة. واحدة من أهم أدوار من الكتلة الحيوية في الاقتصاد القائم على الحيوية في المستقبل هو توفير الكربون الاحيائية لمجموعة واسعة من السلع، وبالتالي استبدال الكربون من المصادر الأحفورية.
لا يمكن أن تتحقق بروتوكول المعروضة للانحلال حراري سريع في مفاعل الاختلاط المزدوج المسمار على مستويات مختلفة مع بعض التعديلات. تقدم حالة وحدة بسعة تغذية من 10 كجم ساعة -1 وقد ثبت أن يكون حلا وسطا عمليا بين تعقيد العمليات ونتائج ذات معنى للسلوك العملية. ويمكن أن يطبق على حد سواء للكشف عن أنواع مختلفة من الكتلة الحيوية وتحسين ظروف العملية. اختبار المواد الخام الكتلة الحيوية محددة أمر بالغ الأهمية لأن بعض الخصائص وسيطة قد يؤدي إلى عملية عملية غير المواتية إذا تتراكم المخلفات الصلبة الخشنة في دورة الناقل للحرارة. لم يكن لوحظ هذا التراكم للالكتلة الحيوية المعروضة في قسم النتائج، ولكن لوحظ للمواد الاحيائية من الصعب جدا مع كبير حجم الجسيمات (> 1 مم) مما يحد من تطبيق عملية المقدمة. يمكن تخفيض هذه المشكلة مع تصميم مختلف من حلقة الناقل للحرارة، على سبيل المثال، من خلال نقل هوائي الناقل للحرارة مع احتراق جزئي في وقت واحد.
Acknowledgments
الكتاب أشكر ميلاني فرانك، بيا Griesheimer، جيسيكا هنريك، البتراء جانكي، جيسيكا ماير، ونوربرت Sickinger حصول على الدعم الفني والتحليلي لهذا العمل.
الدعم المالي المقدم ضمن مشروع BioBoost ومن المسلم به إلى حد كبير. BioBoost هو D مشروع التمويل المشترك بموجب عقد 282873 ضمن البرنامج الإطاري السابع من قبل المفوضية الأوروبية (www.bioboost.eu) آر الأوروبي و.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Wheat straw | Dörrmann Kraichtal-Münzesheim | n/a | Triticum aestivum L. |
| Scrap wood | Rettenmeier Holding AG | n/a | According to class A2 of the German scrap wood decree (AltholzV §2): glued, coated, painted, or otherwise treated scrap wood without organic halogen compounds and wood preservatives |
| Miscanthus | Hotel-Heizungsbau Kraichgau-Odenwald | n/a | Miscanthus x giganteus |
| Ethylene glycol | Häffner GmbH & Co KG | 1042090220600 | |
| Ethanol | Häffner GmbH & Co KG | 1026800150600 | Grade 99.9% |
| Nitrogen | KIT | n/a | Supplied by internal nitrogen pressure system. |
| Pyrolysis test rig | self-built | n/a | Flow scheme is illustrated in manuscript. |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Analyses: | |||
| Gas chromatograph Daniel 700 | Emerson Process Management | n/a | Designed for this specific application by Emerson; two 20% SF 96 columns, two HAYESEP N columns, and one MS-5A washed column; carrier gas is helium |
| Helium | Air Liquide | P0252L50R2A001 | Grade 6.0 |
| Gas mixture for calibration | basi Schöberl GmbH & Co. KG | FG 10002 | Specified gas composition: 5% Ne, 2% O2, 20% CO, 30% CO2, 5% CH4, 5% H2, 2% C2H6, 0.5% C3H8, 0.5% C4H10, 0.5% C5H12, remainder N2. |
| Neon | Air Liquide | P0890S10R2A001 | Grade 4.0; used as fixed reference gas flow; not necessarily required and is only given as an example for quantifying the pyrolysis gas flow. |
| Elementaranalysator CHN628 | Leco Instrumente GmbH | 622-000-000 | |
| TGA701 | Leco Instrumente GmbH | n/a | |
| DIMATOC 2000 | Dimatec | n/a | |
| Hydranal methanol dry | Sigma Aldrich | 34741 | |
| Hydranal composite V | Sigma Aldrich | 34805 | |
| 841 Titrando | Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG | 2.841.0010 | |
| 774 Oven Sample Processor | Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG | 2.774.0010 | |
| 800 Dosino | Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG | 2.800.0010 | |
| 801 Stirrer | Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG | 2.801.0010 | |
| Methanol | Carl Roth GmbH & Co KG | 83884 | 99% for synthesis |
| Whatman cellulose filter grade 42 | Sigma Aldrich | WHA1442090 | |
| Methanol-D4 | Sigma Aldrich | 151947 | |
| 3-(Trimethylsilyl)propionic-2,2,3,3-d4 acid sodium salt | Sigma Aldrich | 269913 | |
| BZH 250 MHz | Bruker | n/a |
References
- Dahmen, N., Henrich, E., Dinjus, E., Weirich, F. The bioliq bioslurry gasification process for the production of biosynfuels, organic chemicals, and energy. Energ. Sust. Soc. 2 (1), 1-44 (2012).
- Ahmad, R., et al. Zeolite-based bifunctional catalysts for the single step synthesis of dimethyl ether from CO-rich synthesis gas. Fuel Process Technol. 121, 38-46 (2014).
- Haro, P., Trippe, F., Stahl, R., Henrich, E. Bio-syngas to gasoline and olefins via DME - A comprehensive techno-economic assessment. App Energy. , (2013).
- Henrich, E., Dahmen, N., Dinjus, E. Cost estimate for biosynfuel production via biosyncrude gasification. Biofuels, Bioprod. Bioref. 3, 28-41 (2009).
- Zhang, X., Kumar, A., Arnold, U., Sauer, J. Biomass-derived oxymethylene ethers as diesel additives: A thermodynamic analysis. Energ. Procedia. 61, 1921-1924 (2014).
- Bridgwater, A. V. Renewable fuels and chemicals by thermal processing of biomass. Chem. Eng. J. 91, 87-102 (2003).
- Meier, D., et al. State-of-the-art of fast pyrolysis in IEA bioenergy member countries. Renew. Sust. Energ. Rev. 20, 619-641 (2013).
- Rammler, R., Weiss, H. J., Bußmann, A., Simo, T. Gewinnung von Öl durch Schwelen von Ölschiefer und Teersand als Beitrag zur Energieversorgung. Chem. Ing. Tech. 53, 96-104 (1981).
- Tröger, N., et al. Utilization of biogenic residues and wastes in thermochemical systems for the production of fuels: current status of the project. Biofuels, Bioprod. Bioref. 7, 12-23 (2013).
- Tröger, N., Richter, D., Stahl, R. Effect of feedstock composition on product yields and energy recovery rates of fast pyrolysis products from different straw types. J. Anal. Appl. Pyr. 100, 158-165 (2013).
- Henrich, E., Dahmen, N., Weirich, F., Reimert, R., Kornmayer, C. Fast pyrolysis of lignocelluloses in a twin screw mixer reactor. Fuel Process Technol. 143, 151-161 (2016).
- Dahmen, N., et al. State of the art of the bioliq process for synthetic biofuels production. Env. Prog. Sust. Energ. 31, 176-181 (2012).
- Funke, A., et al. Fast pyrolysis char - Assessment of alternative uses within the bioliq concept. Bioresour. Technol. 200, 905-913 (2016).
- Lehto, J., Oasmaa, A., Solantausta, Y., Kytö, M., Chiaramonti, D. Fuel oil quality and combustion of fast pyrolysis bio-oils. , VTT Publications. Espoo. (2013).
- Fahmi, R., Bridgwater, A. V., Donnison, I., Yates, N., Jones, J. M. The effect of lignin and inorganic species in biomass on pyrolysis oil yields, quality and stability. Fuel. 87, 1230-1240 (2008).
- Oasmaa, A., Solantausta, Y., Arpiainen, V., Kuoppala, E., Sipilä, K. Fast Pyrolysis Bio-Oils from Wood and Agricultural Residues. Energ. & Fuels. 24, 1380-1388 (2010).
- DIN German Institute for Standardization. DIN EN ISO 18134-3 Solid biofuels - Determination of moisture content - Oven dry method - Part 3: Moisture in general analysis sample. , Beuth Verlag. Berlin. (2015).
- DIN German Institute for Standardization. DIN EN ISO 18122 Solid biofuels - Determination of ash content. , Beuth Verlag. Berlin. (2016).
- DIN German Institute for Standardization. Institute for Standardization. DIN EN ISO 16948 Solid biofuels - Determination of total content of carbon, hydrogen and nitrogen. , Beuth Verlag. Berlin. (2015).
- DIN German Institute for Standardization. Institute for Standardization. DIN EN 1484 Water analysis - Guidelines for the determination of total organic carbon (TOC) and dissolved organic carbon (DOC). , Beuth Verlag. Berlin. (1997).
- DIN German Institute for Standardization. ESO 16993: Solid biofuels - Conversion of analytical results from one basis to another. , Beuth Verlag. Berlin. (2015).
- Bridgwater, A. V. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading). Biomass Bioenerg. 38, 68-94 (2012).
- Westerhof, R. J. M., Kuipers, N. J. M., Kersten, S. R. A., van Swaaij, W. P. M. Controlling the water content of biomass fast pyrolysis oil. Ind. Eng. Chem. Res. 46, 9238-9247 (2007).
