Hurtig pyrolyse af biomasse Rester i en Twin-skruen Blanding Reaktor

Summary

A procedure for thermochemical conversion of biomass residues is presented that aims at maximizing the yield of liquid products (fast pyrolysis). It is based on a technology proven on an industrial scale and especially suitable for treating a straw type of biomass.

Abstract

Hurtig pyrolyse bliver i stigende grad anvendt i kommercielle anlæg over hele verden. De kører udelukkende på træbiomasse, som har gunstige egenskaber til konvertering med hurtig pyrolyse. For at øge synergierne for fødevareproduktion og den energiske og / eller materiel udnyttelse af biomasse, er det ønskeligt at anvende rester fra landbrugsproduktionen, f.eks halm. I denne procedure er egnet til omdannelse af et sådant materiale i industriel målestok. De vigtigste elementer præsenteres og et eksempel på massebalancer fra konverteringen af ​​flere biomasse rester er givet. Efter konvertering, er fraktioneret kondens anvendes for at hente to kondensater – en organisk-rige og en vandig-rig en. Denne udformning forhindrer produktionen af ​​hurtig pyrolyse bioolie der udviser faseadskillelse. Der kan forventes en tofaset bioolie på grund af den typisk højt askeindhold af halm biomasse, som fremmer produktionen af ​​vand af reaktion underkonvertering.

Både fraktioneret kondens og brug af biomasse med højt askeindhold kræver en omhyggelig tilgang til etablering af balancer. Ikke alle slags saldi er både meningsfuld og sammenlignes med andre resultater fra litteraturen. Forskellige balancing metoder præsenteres, og de oplysninger, der kan udledes af dem diskuteres.

Introduction

Brugen af ​​biomasse som alternativ til fossile kulstofkilder bliver stadig vigtigere for at reducere effekten af ​​samfundsmæssig aktivitet på jordens klima. Der findes andre vedvarende energikilder som vind og sol, men biomasse er den eneste kulstofkilde til dato vedvarende. Følgelig den mest effektive udnyttelse af biomasse er i produktion af kemikalier og specialiserede flydende brændstoffer. Resterende biomasse bør anvendes for at mindske konkurrencen mellem foder, fødevarer og kemikalier / produktion brændstof. Disse rester har ofte lav rumvægt og dermed udgøre en logistisk udfordring for målestok industrielle.

For at imødegå disse udfordringer har bioliq koncept blevet udviklet på Karlsruhe Institute of Technology ^en. Den er udstyret med en decentral første skridt til at omdanne resterende biomasse til en energi tæt mellemprodukt (bioslurry), en efterfølgende konvertering i en central forgasning enhed syntesegas og en endelig syntese til det ønskede produkt (er). Den forgasning og syntese enhed kan designes på den krævede industriel skala på samme sted for at opnå kommerciel drift. Konceptet giver mulighed for forskellige produkter, der spænder fra drop-in brændstof til specialiserede brændstof tilsætningsstoffer og bulkkemikalier ^2-5. Denne artikel præsenterer det første trin, hvor hurtig pyrolyse bruges til at konvertere resterende biomasse til det mellemliggende bioslurry. Hurtig pyrolyse er karakteriseret ved hurtig opvarmning af biomasse i en inert atmosfære til en reaktionstemperatur på typisk 450-500 ° C med en opholdstid på de producerede pyrolyse dampe af <2 sek ^6. Mest almindeligt anvendes fluid bed-reaktorer anvendes til at udføre hurtig pyrolyse, men der findes også forskellige reaktorkonstruktioner særligt tilpasset til at optimere reaktionsbetingelser ^7. Arbejdet vist i følgende er blevet udført med en to-skruen blanding reaktor. Den præsenterer en robust teknologi, der har allerede bin anvendt i industriel målestok for pyrolyse af kul og på et pilotskala for tjæresand ^8.

Formålet med twin-skruen Blandeanlæg er at blande det faste foder biomasse med et fast, forvarmet varmebærer. Blanding skal være tilstrækkelig grundig for at opnå opvarmningshastigheden der er nødvendig for omdannelse af biomasse under hurtige pyrolyse betingelser. Derudover er størrelsen af ​​både biomasse og varme bærerpartikler skal være lille for at opnå en høj varmeoverførselskoefficient og en kort partikel opvarmningsperiode. På Institut for Katalyse forskning og teknologi (IKFT) i Karlsruhe Institute of Technology (KIT), en proces udviklingsenhed med en biomasse input kapacitet på 10 kg h ^-1 har været i drift i mere end et årti. Det bruger stålkugler som varmen luftfartsselskab, som recirkuleres internt med en spand elevator og re-opvarmet med et elektrisk varmesystem. Hovedformålet var efterforskningen af ​​aunique produktgenvindingsområde teknologi, der var tilpasset til anvendelsen af produktet i en gasgenerator og validering af dens egnethed til et bredt udvalg af råmaterialer ^9-11. En større pilotanlæg blev bygget parallelt med disse undersøgelser med en biomasse input kapacitet på 500 kg t ^-1, som har været i drift i fem år. Det udnytter sand som varmebærer, som recirkuleres pneumatisk med en varm løftegas og desuden opvarmes ved delvis forbrænding af medrevne char partikler ^1,12. Den følgende beskrivelse af den eksperimentelle metode er baseret på den mindre procesudvikling enhed efter produkt opsving afsnit blev renoveret til bedre ligne pilotanlægget design ^13. En strøm arrangement med denne forsøgsopstilling er illustreret i figur 1.

Det er vigtigt at bemærke, at produktkrav til hurtig pyrolyse bio-olie (FPBO) til brug i gasgeneratorer er forskellige fra dem, der er udviklet til konventionel FPBO, som normalt er beregnet til direkte brændstof applikationer ^14. Vigtigst, er indholdet af FPBO faststoffer ikke at være meget lav. Faktisk er det ønskeligt at blande FPBO produceret med trækullet opnået fra konverteringsprocessen, for at øge mængden af ​​carbon til rådighed til forgasning og efterfølgende syntese af drop-in brændstoffer. Disse kendsgerninger er vigtige for at forstå de forskelle i udformningen af ​​forsøgsopstillingen præsenteres her og hurtig pyrolyse eksperimenter offentliggjort andetsteds. En anden vigtig forskel er, at biomassen konvertering koncept, der undersøges specifikt designet til landbrugsmæssige rester, såsom hvedehalm. Typisk er denne form for råmateriale indeholder en stor del af aske. Ash er kendt for væsentlig indflydelse på produktets distribution af hurtig pyrolyse. Det fører til et fald i organisk kondensat (OC) og en stigning i både faste og gasformige produkter ^10,15,16. bogføres Disse kendsgerningerbåde i udformningen af ​​forsøgsopstillingen præsenteres her og den samlede proces kæden. De fleste industrianlæg kører på træ med lavt askeindhold og simpelthen brænder de faste stoffer internt. Dette fører til yderligere produktion af varme til ekstern brug. Ved brug råmaterialer med højt askeindhold, char er en signifikant biprodukt, der bør anvendes effektivt ^13.

Protocol

1. Start-up Aktivere hele pyrolyse og kondensation systemet ved at starte den ekstra N2 forsyning og pyrolysegassen fan. Skyl pyrolyse prøvestand med 500 L t -1 af kvælstof under standby. Regulere blæseren ved at åbne ventilatorens menu i processtyring og justere dens nominelle volumenstrøm således at trykket i reaktoren er 3-8 mbar over omgivelsestryk. Forsigtig: Især under opstart, er der en øget risiko for ophobning af eksplosiv atmosfære. Systemet skal være helt inaktivt for at mindske denne risiko. Fyld bioolie-cyklus (dvs., organisk-rige kondensat) med en passende mængde ethylenglycol som udgangsmateriale medium for quenching til at muliggøre sikker drift af pumpen og homogenisator (fx 15 kg i det givne eksempel). Noterer vægten af ​​udgangsmaterialet. Fyld vandige kondensat cyklus med en passende amount af vand for at tillade sikker drift af pumpen (f.eks 7 kg i det givne eksempel). Noterer vægten af ​​udgangsmateriale. Varm op i systemet, herunder varmebærer varmelegeme og alt hjælpeudstyr varmeapparater, ved at åbne deres menuer i processtyring og indtaste de ønskede værdier (fx omkring 500 ° C). Supplerende varme anbefales til selve reaktoren og de forbindende rør op til den første kondensator for at hindre ukontrolleret kondensation af dampe. Start kølecyklussen for varmevekslerne i begge kondensationsprodukter cyklusser ved at tænde for køleren. Start pumperne både kondens cyklusser ved at åbne deres menuer i processtyring og klik på Aktivér. Brug de samme menuer til at justere massestrømmen at give nok køleeffekt. For eksempel recirkulerer bioolien med en hastighed på ca. 350 kg h-1 og køle den ned til 80 ° C før sprøjtning det i quenching fartøj. Recirkulere den vandige condensate med en hastighed på ca. 600 kg h-1 og desuden forsyning kølevand med en hastighed på 300 kg h-1 ved 8 ° C. Tænd for elektrofilter. Efter at begge kondens cyklusser har kørt i 10-20 min, kontrollere dyserne i quenching system til at blokere og fjerne blokeringen til stede. Start varme carrier loop ved at åbne menuen i kopelevator og varmen luftfartsselskab fodring skruen i processtyring og klik på Aktivér. Indstil varmebærertemp til en værdi over den ønskede reaktortemperatur for at tillade en mere glat opstart af tegner til varmetråde krav til pyrolysereaktionen. For eksempel leverer varmen bærer med en massestrøm på 1000 kg h-1 ved en temperatur på 520 ° C under drift, men varmen til 545 ° C, inden foderet biomasse. Forsigtig: Sørg for, at de to-skruer i reaktoren startes automatisk, når varmen carrier fodringskruen er aktiveret. Ellers er der en risiko for blokering og endda skade på tilførselssystemet. Når systemet (dvs. alle temperaturer) har nået den indstillede værdier, begynde at fodre biomasse ved at fylde biomasse opbevaring med det ønskede råmateriale. Efterfølgende åbne låsen tragt og start biomasse fodring skruen ved at klikke på aktivere i deres menuer i processtyring. Øg langsomt tilspænding for at undgå for store tryksvingninger. 2. Trin og Observationer Løbende Påkrævet under Operation Optag mængden af ​​biomasse tilføres for at redegøre for balancering og træffe passende prøver. Check for den ønskede reaktortemperaturen (udgangstemperatur af varmen bærer) og regulere opvarmningen af ​​varme carrier loop i overensstemmelse hermed. Regulere blæseren ved at justere sin nominelle volumenstrøm for at holde den ønskede reaktor tryk. Check for blokering i dyserneaf quenching-systemet (fald i masseflow og / eller stigning i quenching temperatur). Overhold trykfaldet over de cykloner og quenching system for at identificere for høj skalering tidligt nok. Installere passende foranstaltninger for at kunne fjerne overskydende skalering under drift, især ved punktet for den første temperaturfald pyrolysedampene (sædvanligvis indløbet af quenching-system). For eksempel rense rørets tværsnit ved hjælp af en stang for at fjerne skalering mekanisk. Forsegl stang med en pakning for at forhindre indtag af luft ind i quenching-systemet. Installere en kugleventil ved indløbet punkt af stangen at falde yderligere luftlækage hvis rengøringen ikke er i drift. Forsigtig: Rengøring indløbet af quenching-system ved at indsætte en stang fører til midlertidig blokering af fjernelsen gas fra reaktoren. Biomasse fodring skal stoppes, hvis det ikke kan være sikker på, at rengøringen udføres i <10 sek. Overvåg kondensationsprodukter temperaturer både kondens cykler og tilpasse temperaturen setpunkter af processen termostaterne evt. Fjern kondensat fra cykler, så snart 80% af den maksimalt tilladte fyldning niveau er nået (afhængigt af størrelsen af ​​de buffertanke og mængden og typen af ​​biomasse fodret). Foretage målinger af gasfasen. Måle mængden af ​​gas samt dens sammensætning (se detaljer i trin 4.5). BEMÆRK: Primære gasformige forbindelser omfatter N2, CO, CO2, CH4, O2, og H2. Er kan forventes yderligere forbindelser, såsom C 2 H 4, C 2 H 6, og C 3 H 8. Et eksempel på en gas målesystem er beskrevet nedenfor (se trin 4.5). Forsigtig: Hvis dele af pyrolyseenheden drives under tryk, kan lækage af luft føre til udvikling af en eksplosiv atmosfære. Det anbefales stærkt til nøje obtjene mængden af ​​oxygen i pyrolysegassen. 3. Shutdown For at stoppe eksperimentet, bare slukke foderet biomasse og regulere blæseren for at holde den ønskede reaktor tryk. Lad systemet (varmebærer loop og kondensationsprodukter cyklusser) for at køre i yderligere 30-40 min for at sikre, at alle rester er pyrolyseret og produkterne udvindes. Sluk opvarmningen af ​​varme carrier loop. Sluk pumperne både kondens cykler og elektrofilter. Tomme både kondensat cykler og registrere vægten af ​​hvert kondensat. Træk mængden af ​​udgangsmateriale (se trin 1.2 og 1.3), inden opsætning af balancer. Beholdere til char indsamling afkøle til stuetemperatur i en inert atmosfære. Afvejes mængden af ​​trækul. Forsigtig: char kan udvise pyrofore egenskaber, og der bør træffes specifikke forsigtighed ved håndtering af dette materiale. Clean bioolie-cyklus med friske ethylenglycol og det vandige kondensat cyklus med en 1: 1 blanding af vand og ethanol. Fyld med passende mængder (se trin 1.2 og 1.3), og lad den køre i 30-40 min. 4. Nødvendige Analyser for Opsætning 'tør' og 'elementært kulstof' Vægte Udfør følgende råvare analyser (eksempler på gældende standarder er givet i parentes): Bestemme prøvens vandindhold 17. Bestem askeindholdet 18. Bestem elementært carbon, hydrogen og nitrogen indhold 19. BEMÆRK: Det anbefales stærkt at analysere indholdet vand hver eksperimentel dag, fordi forskelle i vejrforholdene kan påvirke indholdet af råmaterialet fugt. Afhængigt af størrelsen af ​​partiet, er flere prøver skal pålideligt karakterisere råmaterialet. Yderligere analyser såsom fiber analyse og højere brændværdi eranbefales, men ikke obligatorisk for opsætning af de ovennævnte balancer. Udfør følgende char pulver analyser (eksempler på gældende standarder er givet i referencerne): Bestemme prøvens vandindhold 17. Bestem askeindholdet 18. Bestem elementært carbon, hydrogen og nitrogen indhold 19. BEMÆRK: Det antages, at char har ingen fugt indhold, når de forlader processen for opsætning af balancer. Fugtoptagelse kan forekomme i løbet af analyser, og vandindholdet er påkrævet for at korrigere de to andre analyser. Udfør følgende bio-olie analyser (eksempler på gældende standarder eller andre anbefalede metoder er angivet i parentes): Bestem vandindhold volumetrisk Karl-Fischer-titrering i overensstemmelse med standardprotokoller. Opløs en prøve i tør methanol og titrere den med en blanding af en base, SO 2Og en kendt koncentration af I 2 (detaljerede eksempler på materialer er angivet i materialet liste). Hvert mol vand reagerer med et mol af I 2. Bestem faststofindholdet ved at tage en 3,040 g prøve af FPBO og opløse den i methanol til en endelig opløsning volumen på ca. 100 ml. Opløsningen omrøres i 10 minutter ved stuetemperatur. Opløsningen filtreres gennem cellulose filter ved Partikelretentionskonstruktion på 2,5 um og skyl remanensen grundigt med methanol, indtil et klart filtrat opnås. Tør den faste remanens ved 105 ° C natten over og bestemme den resterende vægt. Bestem elementært carbon, hydrogen og nitrogen indhold 19. Bestem ethylenglycol indhold ved 1H NMR-analyse i overensstemmelse med standardprotokoller. Opløs en FPBO prøve i en opløsning af deutereret methanol med 3- (trimethylsilyl) propionsyre-2,2,3,3-d4-natriumsalt (TMSP) som referencemateriale (ca. 0,1g FPBO i 0,8 g opløsning). For eksempel kan opløsningen indeholde 44 g methanol og 0,1 g TMSP. Centrifugeres opløst prøve for at fjerne faste stoffer. Analysere prøverne ved 1H kernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR). Hydroxygrupperne ethylenglycol top ved 3,55-3,65 ppm. Referencen top af TMSP vises rundt 0 ppm og anvendes til at kvantificere ethylenglycol indhold. BEMÆRK: Opstart med ren ethylenglycol medfører en fortynding af kondensatet i den første kondensator. Dette skal overvejes ved beregning af masse- og energibalancer og til præsentation af resultaterne. Det er meget ønskeligt at identificere individuelle kemiske forbindelser. En sådan analysemetode er meget kompleks på grund af det store antal forskellige forbindelser og arten af ​​kondensatet matrix. En beskrivelse af sådanne analyser er ikke omfattet af dette papir. Det bør også bemærkes, at de ovennævnte analyser kun er nødvendige for at oprettesaldi og er ikke tilstrækkelige til at beskrive bioolie som et produkt. Standarder, der dækker FPBO applikationer er under udarbejdelse. Udfør følgende vandige kondensat analyser (eksempler på gældende standarder er givet i parentes): Bestem vandindhold volumetrisk Karl-Fischer-titrering (se 4.3.1). Bestem den samlede organisk kulstof som ikke-fjernelige organisk kulstof 20. BEMÆRK: Opstart med rent vand fører til en udvanding af kondensatet i den anden kondensator. Dette skal overvejes ved beregning af masse- og energibalancer og til præsentation af resultaterne. Overvåg gassammensætningen hele forsøget, fordi sammensætningen varierer betydeligt med tiden. For eksempel analysere produktgassen under forsøgene er præsenteret her i en proces gaskromatograf hver 30-60 min. Analyser følgende gas arter: Ne, H 2, CO, CO 2, N 2, O 2, CH 4, og alkan / alken C2-C5 komponenter. Injicer en konstant gasstrøm af Ne ind i reaktoren som reference. Beregn massen af ​​hver gasart baseret på referencen volumetriske flow, den gennemsnitlige gassammensætning ratio, varigheden af ​​eksperimentet, og densiteten af ​​arten. For at bestemme indholdet af pyrolysegassen vand, antager mættede betingelser ved udgangstemperaturen af ​​den sidste kondensator.

Representative Results

Forskellige typer af biomasse lykkedes pyrolyseret i pyrolyseenheden på IKFT / KIT med det nuværende setup. For eksempel blev tre forskellige råmaterialer (hvede halm, elefantgræs og skrot træ) sammenlignet for deres egenskaber og udbytter efter pyrolyse følge den beskrevne fremgangsmåde. Forskellige former for balancering metoder er vist og diskuteret i forhold til deres anvendelighed i retning aske-rige råmateriale. Det er vigtigt at bemærke, at de balancer er opgjort og sammenfattet i henhold til staten om sammenlægning af hver fraktion. Den bio-olie, der indvindes i det første kondensator stadig indeholder faststoffer, som ikke er blevet fjernet af cyklonerne. Disse er markeret særskilt i balancerne. Til sammenligning og statistisk evaluering, blev indholdet af bio-olie faste tilføjet til char fraktionen udvundet fra cykloner. På en "som modtaget" basis,udbyttet faststoffer, dvs. char inddrives ved cykloner og char stede i bioolien, er i området fra 14-25 vægt-% for de undersøgte råmaterialer. Total kondensat udbytter inddrevet i de to kondensatorer spænder fra 53 til 66 vægt%, mens gas udbytter er relativt ens (ca. 20%) for alle 3 biomasser (se figur 2). Disse "som modtaget" værdier giver praktiske oplysninger om den faktiske mængde af produkt- fraktioner, der kan forventes i hurtige pyrolyse installationer af denne art. Imidlertid er de samlede flydende organiske udbytter i litteraturen mest almindeligt rapporterede på tør basis, dvs. eksklusive fugt og vand af reaktionen i kondensatet og i foderet. Fordelen ved denne form for balance er, at oprindeligt foreliggende fugtighed af biomassen ikke påvirker resultaterne. Denne fugtindhold vil kunstigt øge kondensat udbyttet i en "som modtaget" balance. Af hensyn til sammenligneligheden, Figur 3 viser økologisk olie udbytte og reaktion vand på tør basis. I denne undersøgelse, organisk olieudbytte stigning (35-46 – 50% efter vægt) med faldende aske indhold (9,2 – 2,7 til 1,5% efter vægt) af råmaterialer hvedehalm – elefantgræs – affaldstræ (se tabel 1). Dette er i overensstemmelse med observationer fra andre undersøgelser 10,15,16. Udbytter af reaktionsvand er i en forholdsvis smal område fra 12-14% efter vægt. Massebalancer på tør basis er stadig direkte berørt af askeindholdet i de råmaterialer. Mineraler indeholdt i biomassen materiale vil kunstigt øge udbyttet af faste stoffer i både "som modtaget" og "tørre" balancer. Derfor blev elementært kulstof saldi fastslås, fordi de synes at være mere egnet til evaluering forskelle i termokemiske omdannelsesreaktioner af biomasse (se figur 4 </strong>). Det bliver tydeligt, at størstedelen af ​​carbon indvindes i bio-olie (44-54 vægt-%) og kun en massefraktion af 24-32% i fast form som pyrolyse char. Ca. 16-19 vægt-% af kulstoffet ikke nyttiggøres i fast eller flydende form og forlader anlægget med pyrolysegassen. I et kommercielt anlæg, vil denne gas recirkuleres af hensyn til energigenvinding i en forbrændingsmotor enhed. En massefraktion på kun ca. 3-4% af carbon udvindes i den vandige kondensat, som har et vandindhold på omkring 80% efter vægt. Dette validerer effektiviteten af ​​den fraktionerede kondensation setup præsenteres her. Hvede halm elefantgræs skrot træ Vand, ar 9.6 10.1 15.2 Ash, d 9.2 2.7 1.5 Carbon, d 46,1 48,6 49,8 Hydrogen, d 5.7 5.9 6.1 Nitrogen, d <0,5 <0,5 <0,5 ar: som modtaget, d: tør basis 21 Tabel 1. Udvalgte egenskaber af de forskellige råmaterialer, der anvendes. Alle værdier repræsenterer massefraktioner (%). Figur 1. Blokdiagram over forsøgsopstillingen. 1) Biomasse opbevaring. 2) tragtsystemet. 3) Biomasse dosering. 4) Twin-skruen Blandeanlæg. 5) Bucket elevator. 6) Heater til varme luftfartsselskab. 7) Cyclone til fjernelse af faste stoffer. 8) Char opbevaring. 9) Spray quenching. 10) Bioolieopbevaringstank. 11) homogenisator og pumpe. 12) Varmeveksler til køling af recirkuleret kondensat. 13) Elektrostatisk filter. 14) Vandig kondensat lagertank. 15) Pumpe til recirkulering vandige kondensat. 16) Varmeveksler til køling af recirkuleret kondensat. 17) Kondensator for vandig kondensat. 18) Fan til fjernelse af gas / dampe. Klik her for at se en større version af dette tal. Figur 2. Massebalancer af eksperimenter. Saldi rapporteres på en "som modtaget" 21 grundlag af råmaterialet og produkter. Alle værdier er angivet som massefraktioner. Tre forskellige typer af biomasse er blevet anvendt, og alle forsøg blev udført mindst in triplo 13. Faststofindholdet i bio-olie rapporteres separat for illustrationerne. De fejl søjler indikerer standardafvigelser af eksperimenter med én type råvare. Klik her for at se en større version af dette tal. Figur 3. Organiske olie udbytter og vand reaktion. Alle værdier præsenteres på en tør 21-feed basis og er udtrykt som massefraktioner. Indholdet af kondensatet faste stoffer er blevet udelukket fra den organiske olie udbytte 13. De fejl søjler indikerer standardafvigelser af eksperimenter med én type råvare. Klik her for at se en større version af dette tal. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-side = "1"> Figur 4. Carbon balancer. Alle værdier er rapporteret som masse fraktioner af biomasse kulstof input. Tre forskellige typer af biomasse er blevet anvendt, og alle forsøg blev udført mindst in triplo 13. Tørstofindholdet i bio-olien rapporteres separat for illustrationerne. De fejl søjler indikerer standardafvigelser af eksperimenter med én type råvare. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

For alle eksperimenter, var de samme procesbetingelser som størrelse af råmaterialet, tilspænding, tryk, reaktionstemperatur, kondensationsprodukter temperaturer og strømningshastigheder af både varme bærer og kondensatet cyklus. Naturligvis kan ikke undgås variationer inden for definerede grænser. For et forsøgsanlæg som procesudvikling enhed præsenteres her, de acceptable intervaller af udsving og krævede tider af drift for reproducerbare eksperimenter skal beregnes og / eller bestemt af erfaring. For eksempel er reaktortemperaturen, hvilket vises ved temperaturen af ​​varmemediet forlader reaktoren, der kontrolleres med en standardafvigelse på 35 ° C i løbet af hele forløbet af reaktionen fra starten af ​​reaktionen ved fuld biomasse kapacitet til stop af biomasse fodring (typisk omkring 4 timer). Trykket i reaktoren styres med en standardafvigelse på 300-500 Pa. Peaks i tryk vil sandsynligvis forekomme som følge af Fluctuations i biomasse fodring. Det anbefales at justere fødeskruen systemet til biomassematerialet under overvejelse for at minimere sådanne udsving og sikre en konstant biomasse flow. Kondensationstemperaturen i den første og anden kondensatorer blev opretholdt ved en standardafvigelse på 3 ° C og 1 ° C.

Det skal her bemærkes, at alle forsøg præsenteret blev udført ved den samme reaktor temperatur (500 ° C). Denne temperatur afspejler ikke nødvendigvis den optimale hurtig pyrolyse temperatur, som findes for hver enkelt råvare ^22. En variation af reaktortemperaturen kunne føre til en optimeret pyrolysetemperatur med endnu højere organiske olieudbytte.

Valget af balancing metode er ikke trivielt til hurtig pyrolyse af biomasse, især når de anvender fraktioneret kondens og ved brug af biomasse med højt askeindhold. Tre forskellige typer af balancing er blevet præsenteret i forrige afsnit. Oplysninger om indholdet af produktets fraktioner på en "som modtaget" grundlag er en fordel for praktiske overvejelser såsom design af apparater og lagerkapacitet, da det rapporterer det faktiske produkt distributionen kan forventes. Men disse værdier skjules af vand og aske indhold råmaterialet. Især for residual biomasse – fx halm, skovbrug og beskæring rester og biogene »affald« – det er et problem, da disse råmaterialer har en bred vifte af vand- og uorganiske indhold, se tabel 1.

Den fælles balancering metode til biomasse processer på en "tør basis" er i de fleste tilfælde er anvendelige til sammenligninger mellem forskellige undersøgelser, da det eliminerer effekten af ​​forskellige fugtindhold af råvare. Dog skal det påpeges, at disse beregnede værdier eksperimenter med en specifik fugtig råmateriale ikke nødvendigvis REFLECt adfærd og udbytter af dette specifikke råmateriale, hvis det blev fuldstændig tørret ved fysiske processer inden forsøget. Det vides, at fugt påvirker fordelingen af pyrolyse ²³ udbytte, og dette bør holdes for øje, når de evaluerer og sammenligner "tørre" balancer.

Desuden massebalancer på en "tør basis« er upassende for råmaterialer med højt askeindhold, fordi mineraler ender primært i char og sløre resultaterne på samme måde som det oprindelige fugtindhold. I lighed med vand, mineraler påvirker den faktiske pyrolyse reaktion netværk, fordi de fremmer sekundære pyrolyse reaktioner, hvilket fører til højere char og lavere bio-olie udbytter. Sådanne virkninger kan kun vurderes på et videnskabeligt grundlag, hvis saldi korrigeres for askeindholdet. En måde at opnå dette er ved at oprette kulstof balancer. Fra sammenligningen af figur 2 og figur 4 kan det ses, at den forøgede faststofindhold Yield observeret efter pyrolyse af hvedehalm sammenlignet med elefantgræs er ikke kun på grund af uorganisk materiale, der udvindes med trækullet, men også på grund af en forøget fraktion af organiske faste stoffer, som blev dannet under processen.

En anden fordel ved elementært kulstof balancer er at vise skæbne biogent kulstof, dvs dens fordeling i de genvundne produkt fraktioner. Dette er vigtigt for vurderingen af mere komplekse konvertering kæder – f.eks, pyrolyse, forgasning og syntese som i tilfælde præsenteres her – fordi biogent kulstof bør anvendes så effektivt som muligt. En af de vigtigste roller biomasse i en fremtidig biobaseret økonomi er at give biogent kulstof til en lang række råvarer, således erstatte kulstof fra fossile ressourcer.

Den præsenterede protokol for hurtig pyrolyse i en twin-skruen blanding reaktor kan realiseres på forskellige skalaer med nogle justeringer. Than præsenterede tilfælde af en enhed med et feed kapacitet på 10 kg h ^-1 har vist sig at være en realistisk kompromis mellem operationelle kompleksitet og meningsfulde resultater for processen adfærd. Det kan anvendes både til screening af forskellige typer af biomasse og optimering af procesbetingelserne. Test en bestemt biomasse råmateriale er afgørende, fordi visse råvare egenskaber kan føre til ugunstig proces drift, hvis grove faste restprodukter ophobes i varmen budcykel. Sådan akkumulering blev ikke observeret for biomassen præsenteret i resultatafsnittet, men det er blevet observeret for meget hårdt biogene materiale med stor partikelstørrelse (> 1 mm), hvilket begrænser anvendeligheden af ​​den præsenterede fremgangsmåde. Dette problem kan reduceres med en anden udformning af varme carrier loop, fx ved pneumatisk transport af varmen bærer med samtidig delvis forbrænding.

Materials

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 xGiganteus
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