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.
Hızlı piroliz giderek dünya çapında ticari tesislerde uygulanmaktadır. Onlar hızlı piroliz ile dönüşüm için uygun özelliklere sahip odunsu biyokütle, münhasıran çalıştırın. Gıda üretimi ve biyokütle enerji ve / veya malzeme kullanım sinerji için, tarımsal üretim, örneğin, saman kalıntılarını kullanmak için tercih edilir. sunulan yöntem endüstriyel ölçekte bir malzemenin dönüştürülmesi için uygundur. ana özellikleri sunulmaktadır ve çeşitli biyokütle kalıntılarının dönüşüm kitle dengeleri bir örnek verilmektedir. Organik zengin ve sulu zengin bir – Dönüşümden sonra, parçalanmış yoğunlaşma iki kondanseleri almak için uygulanır. Bu tasarım faz ayrılması sergileyen hızlı piroliz biyo-yağ üretimini engeller. Iki fazlı bir biyo-yağ nedeniyle sırasında reaksiyon suyunun üretimini teşvik saman biyokütle, tipik olarak yüksek bir kül içeriği, bir beklenebilirdönüşüm.
fraksiyone yoğunlaşma ve yüksek kül içerikli biyokütle kullanımı her ikisi de dengelerin kurulması için dikkatli bir yaklaşım gerektirmektedir. Değil dengelerin her türlü anlamlı ve edebiyat diğer sonuçlarla karşılaştırılabilir her ikisi de. Farklı dengeleme yöntemleri sunulmaktadır ve onlardan elde edilebilir bilgi tartışıldı.
Fosil karbon kaynaklarına alternatif olarak biyokütle kullanımı dünyanın iklimi üzerinde toplumsal aktivitenin etkisini azaltmak için giderek önem kazanmaktadır. Orada rüzgar ve güneş gibi diğer yenilenebilir enerji kaynaklarını var, ancak biyokütle bugüne kadar sadece yenilenebilir karbon kaynağı temsil eder. Sonuç olarak, biyokütle en verimli şekilde kullanılması kimyasallar ve uzman sıvı yakıtların üretimi olduğunu. Kalıntı biyokütle yem, gıda ve kimya / yakıt üretimi arasındaki rekabeti azaltmak için kullanılmalıdır. Bu artıklar, genellikle bu şekilde endüstriyel ölçekte uygulamaları için lojistik zorluklar gösteren, düşük kütle yoğunluğuna sahiptir.
Bu zorlukları ele almak için, bioliq kavram Teknoloji 1 Karlsruhe Enstitüsü'nde geliştirilmiştir. Bir enerji yoğun ara (bioslurry), sentez için merkezi bir gazlaştırma ünitesinde bir sonraki dönüşüm içine kalan biyokütle dönüştürmek için bir adem-i merkeziyetçi ilk adımı özellikleriGaz ve arzu edilen ürün (ler) e nihai sentezi. gazlaştırma ve sentez birimi ticari işlem elde etmek için, aynı yerinde gerekli, endüstriyel ölçekte tasarlanabilir. Kavram gelen uzman yakıt katkı maddeleri ve dökme kimyasallar 2-5 yakıtların açılan arasında değişen, farklı ürünler için izin verir. Bu çalışma, hızlı piroliz ara madde bioslurry bakiye biyokütle dönüştürmek için kullanılan ilk adım sunulur. Hızlı piroliz <2 sn 6 üretilen piroliz gazlarının bir kalma süresi ile, tipik olarak 450-500 ° C arasında bir reaksiyon sıcaklığında bir atıl atmosfer içinde biyokütle hızlı ısıtma ile karakterize edilir. En sık olarak, akışkan yataklı reaktörler hızlı piroliz gerçekleştirmek için kullanılan, aynı zamanda, özellikle reaksiyon koşulları 7 optimize etmek için uyarlanan farklı reaktör tasarımları de bulunmaktadır. Aşağıda sunulan çalışma çift vidalı bir karıştırma reaktörü ile gerçekleştirilmiştir. Zaten arı sağlam bir teknoloji sunarn, kömür piroliz ve petrol kumları 8 için bir pilot ölçekte endüstriyel ölçekte uygulanabilir.
ikiz vidalı karıştırma reaktöründe amacı, bir katı, önceden ısıtılmış bir ısı taşıyıcı ile bir katı biyokütle beslemesi karıştırılmasıdır. ihtiyaçlarını Karışım hızlı piroliz koşullarında biyokütle dönüştürmek için gerekli olan ısıtma oranının elde edilmesi için yeterince titiz olması. Buna ek olarak, her iki biyokütle ve ısı taşıyıcı parçacıkların boyutu, yüksek ısı transfer katsayısı ve kısa bir partikül ısıtma süresinin elde edilmesinde küçük olması gerekmektedir. Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT), 10 kg saatlik bir biyokütle giriş kapasiteli bir süreç geliştirme biriminin Kataliz Araştırma ve Teknoloji Enstitüsü (IKFT) -1 fazla on yıldır faaliyet olmuştur. Bir kepçe Asansör ile dahili devridaim ve elektrikli bir ısıtma sistemi ile ısıtılmış yeniden ısı taşıyıcı olarak çelik bilyalar kullanılır. Onun temel amacı au soruşturma olduBir gaz yapıcıda ürünün kullanımı ve besleme stoklarının 9-11 geniş bir aralığı için uygunluğu doğrulama uyarlanmıştır NIQUE ürün geri kazanımı teknolojisi. Daha büyük bir pilot tesisin beş yıldır faaliyet olmuştur 500 kg hr -1, bir biyokütle giriş kapasitesi ile bu çalışmalara paralel olarak inşa edilmiştir. Sıcak bir asansör gazı ile pnömatik olarak devridaim ve ilave olarak sürüklenen karakter parçacıkların 1,12 kısmi yanma ile ısıtılan bir ısı taşıyıcı olarak kum kullanmaktadır. Deneysel yöntemin aşağıdaki açıklaması, ürün kurtarma bölümü daha iyi pilot tesis tasarımı 13 benzemeye yenilenmiş sonra küçük süreç geliştirme birimi dayanmaktadır. Bu deney düzeneğinde bir akış şeması Şekil 1 'de gösterilmiştir.
Gazlaştırıcılarda kullanılmak üzere hızlı piroliz biyo-yağ (FPBO) için bu ürün gereksinimlerini dikkate geleneksel FPS'in için geliştirilmiş olan farklı önemli olmasıdırO genellikle direkt yakıt uygulamaları 14 içindir ki. Daha da önemlisi, FPBO katı içeriği çok düşük zorunda değildir. Aslında, gaz haline getirme ve açılır yakıtların daha sonra sentez için karbon miktarının artırılması için, dönüşüm işleminden elde edilen karakter ile üretilen FPBO karıştırmak tercih edilir. Bu gerçekler yerde yayımlanmamış Burada sunulan deneysel kurulum ve hızlı piroliz deney tasarımında farklılıkları anlamak için önemlidir. Bir diğer önemli fark soruşturması kapsamında biyokütle dönüşüm kavramı, özellikle buğday samanı gibi tarımsal artıkların için tasarlanmış olmasıdır. Tipik haliyle, besleme stokunun bu tür kül büyük bir kısmını içerir. Kül, hızla piroliz ürün dağıtımı etkilemek için bilinmektedir. Organik yoğunlaşma (OC) ve katı ve gaz halinde ürün 10,15,16 hem de bir artış bir azalmaya yol açmaktadır. Bu gerçekler muhasebeleştiriliriçin hem burada sunulan deneysel kurulum ve genel proses zincirinin tasarımında. Çoğu endüstriyel tesisler, düşük kül içeriği ile ahşap üzerinde çalışan ve sadece dahili katı yakmak. Bu harici kullanım için olan ısı ilave üretimine yol açar. Yüksek kül içeriğine sahip hammaddeleri kullanıldığında, karakter etkili bir şekilde 13 kullanılması gerektiği bir yan ürün olarak anlamlıdır.
Bütün deneyler için, örneğin ısı taşıyıcı ve kondensat döngüsü hem besleme malzemesinin boyutu, besleme hızı, basınç, reaksiyon sıcaklığı, yoğunlaşma sıcaklıkları ve akış oranları gibi işlem koşulları aynıdır. Doğal olarak, belirlenen limitler dahilinde varyasyonlar kaçınılması mümkün değildir. Burada sunulan işlem geliştirme birimi gibi bir test tesisi için, tekrarlanabilir deneyler için dalgalanma kabul edilebilir aralıkları ve operasyon gerekli süreleri hesaplanmış ve / veya tecrübe ile tespit edilmesi gerekmektedir. Örneğin, reaktörü terkeden ısı taşıyıcının ısı ile gösterilir Reaktör sıcaklığı, tam biyokütle kapasite reaksiyonunun başlamasından itibaren reaksiyonun tamamı boyunca 35 ° C lik bir standart sapma ile kontrol edilir biyokütle besleme (genellikle 4 civarında saat) dur. Reaktördeki basınç 300-500 Pa bir standart sapma ile kontrol edilir. basıncı pikleri fluc nedeniyle meydana gelebilirbiyokütle beslenmesinde haller. Tür dalgalanmaları en aza indirmek ve sürekli bir biyokütle akışı sağlamak amacıyla söz konusu biyokütle malzeme besleme vidası sistemini ayarlamak için tavsiye edilir. birinci ve ikinci kondansatörlerin yoğunlaşma sıcaklığı, sırasıyla, standart bir 3 ° C sapma ile 1 ° C 'de muhafaza edilmiştir.
Bu sunulan deneyler aynı reaktör sıcaklığında (500 ° C) 'de yapılmıştır, bu noktada belirtilmelidir. Bu sıcaklık, her özel besleme stokunun 22 mevcut uygun hızlı piroliz sıcaklığına yansıtmaz. Reaktör sıcaklığı bir varyasyonu da yüksek organik yağ verimi ile, optimize edilmiş bir piroliz sıcaklığına yol açabilir.
yöntemi dengeleme seçimi yüksek kül içeriği ile biyokütle kullanırken fraksiyone yoğunlaşmayı uygulayarak ve özellikle biyokütle hızlı piroliz önemsiz değildir. balancín üç farklı türdeg önceki bölümde sunulmuştur. gerçek ürün dağıtımı beklenen raporları gibi bir 'alınan' bazında ürün fraksiyonlarının verimi raporlama gibi aygıtları ve depolama kapasiteleri tasarımı gibi pratik hususlar için avantajlıdır. Ancak bu değerler hammaddenin su ve kül gizliyor. Örneğin, saman, ormancılık ve budama artıkları ve biyojenik 'atık' – – Özellikle artık biyokütle bu hammaddeleri Tablo 1, su ve inorganik içeriğinin geniş bir yelpazesi var bu bir sorundur.
bu hammaddenin farklı nem içeriğinin etkisini ortadan kaldırır gibi bir 'kuru bazda' biyokütle süreçleri için ortak dengeleme yöntemi farklı çalışmalar arasındaki karşılaştırmalar için yararlı çoğu durumda. Ancak, belirli bir nemli hammadde ile deneyler bu hesaplanan değerler mutlaka reflektörden yok işaret edilmelidirtamamen fiziksel kurutuldu eğer T davranışı ve bu özel besleme stokunun verim deney öncesinde anlamına gelir. Nem piroliz 23 verim dağılımını etkilediği bilinmektedir değerlendirilmesi ve 'kuru' dengeleri karşılaştırırken bu akılda tutulmalıdır.
mineraller öncelikle char sonuna kadar ve ilk nem içeriğine benzer sonuçları belirsiz çünkü Ayrıca, 'kuru bazda' üzerinde kütle dengeleri yüksek kül içerikli hammaddelerin için uygun değildir. ikincil piroliz reaksiyonları teşvik çünkü Benzer su, mineraller yüksek char ve alt biyo-petrol getirilerine lider, gerçek piroliz reaksiyonu ağını etkiler. dengeler kül içeriği için düzeltilirse, böyle etkileri sadece bilimsel bir temele değerlendirilebilir. Bunu başarmanın bir yolu karbon dengeleri kurarak olduğunu. Şekil 2 ve Şekil 4 karşılaştırıldığında kaynaktan artmış katı Yie görülebilirMiscanthus kıyasla buğday sapı pirolizi sonra gözlemlenen LD, ancak, aynı zamanda işlem sırasında oluşmuş organik katıların yüksek bir fraksiyonuna sadece bağlı karakter ile geri kazanılır, inorganik malzeme için.
Elemental C bakiyeleri bir başka avantajı, biyojenik karbon, yani, geri kazanılan ürün fraksiyonlarının kendi dağıtım kaderini göstermektir. Örneğin, piroliz, gazlaştırma ve burada sunulan olduğu gibi sentez – – Bu daha karmaşık dönüşüm zincirinin değerlendirilmesi için önemli olan biyojenik karbon mümkün olduğunca verimli kullanılması gerektiğini çünkü. gelecekteki biyo-temelli ekonomide biyokütle en önemli rollerden biri dolayısıyla fosil kaynaklardan karbon yerine, malların geniş bir yelpazede biyojenik karbon sağlamaktır.
Bir ikiz vidalı karıştırma reaktöründe hızlı piroliz için sunulan protokol, bazı ayarlamalar ile farklı ölçeklerde gerçekleştirilebilir. To 10 kg saatlik bir besleme kapasitesine sahip bir birim olgusunu sunduk -1 operasyonel karmaşıklığı ve süreç davranışı için anlamlı sonuçlar arasında uygun bir uzlaşma olduğu kanıtlanmıştır. Hem biyokütle ve işlem şartlarının optimizasyonu farklı taranması için uygulanabilir. kaba katı artıklar ısı taşıyıcı döngüsünde birikir eğer belirli hammadde özellikleri olumsuz süreç çalışmasına neden olabilir, çünkü belirli bir biyokütle hammaddeyi test çok önemlidir. Bu tür bir birikim sonucu bölümünde sunulan biyokütle gözlenmedi fakat açıklanan işlemle uygulanabilirliğini sınırlandırır büyük bir tanecik boyutuna (> 1 mm) çok sert biyojenik malzemesi için gözlenmiştir. Bu sorun, aynı anda, kısmi yanma ile ısı taşıyıcının pnömatik taşıma ile ısı taşıyıcı döngüsünün farklı bir tasarım, örneğin, ile birlikte azaltılabilir.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar, bu çalışmanın teknik ve analitik destek için Melanie Frank Pia Griesheimer, Jessica Henrich, Petra Janke, Jessica Maier ve Norbert Sickinger teşekkür ederiz.
BioBoost projesi kapsamında sağlanan mali destek büyük ölçüde kabul edilmektedir. BioBoost bir Avrupa Ar-Ge proje Avrupa Komisyonu (www.bioboost.eu) tarafından Yedinci Çerçeve Programı kapsamında sözleşme 282873 altında ortak finanse edilen.
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 |