JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
生物工程

פירוליזה מהיר של שאריות ביומסה בכור ערבוב דו-מדחפית

Published: September 09, 2016
doi:
10.3791/54395
, , , ,
1Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT),Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

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

פירוליזה מהיר הולך ומיושם בהדרגה בצמחים מסחריים ברחבי עולם. הם רצים באופן בלעדי על ביומסה וודי, אשר יש תכונות חיוביות בבקשות לגיור פירוליזה מהר. על מנת להגדיל את הסינרגיה של ייצור המזון והשימוש האנרגטי ו / או חומר של ביומסה, רצוי לנצל שאריות מייצור חקלאי, כגון קש. השיטה המוצגת מתאימה להמרת חומר כזה בקנה מידה תעשייתי. המאפיינים העיקריים מוצגים ודוגמה של יתרות המוני מהמרת שאריות ביומסה כמה הוא נתון. לאחר המרה, עיבוי מופרד מוחל על מנת לאחזר שני ותרכיזים – אורגניים-עשיר וארוחה אחד מימית עשירה. עיצוב זה מונע את הייצור של שמן ביו פירוליזה מהר שמספק הפרדת פאזות. דו שלב ביו-שמן הוא צפוי בגלל התוכן אפר בדרך כלל גבוה של ביומסה קש, אשר מקדם את הייצור של המים של התגובה בזמןהֲמָרָה.

שניהם עיבוי מופרד והשימוש ביומסה עם תוכן אפר גבוה דורשים גישה זהירה להקמת יתרות. לא כל הסוג של יתרות הם משמעותי ובר השוואה לתוצאות אחרות מהספרות. שיטות איזון שונות מוצגות, והמידע שניתן להפיק מהם נדון.

Introduction

שימוש ביומסה כחלופה למקורות פחמן מאובנים הופך חשוב יותר ויותר עבור צמצום ההשפעה של פעילות חברתית על אקלים כדור הארץ. קיימים מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים כגון רוח ושמש, אבל ביומסה מייצג כמקור פחמן מתחדש רק עד כה. כתוצאה מכך, את השימוש היעיל ביותר של ביומסה הוא בייצור כימיקלים ודלקים נוזליים מיוחדים. ביומסה שיורית אמורה לשמש כדי להפחית את התחרות בין הזנה, מזון, ייצור כימיקלים / דלק. שאריות אלה יש לעתים קרובות צפיפות בצובר נמוכה, ובכך להציג אתגר לוגיסטי עבור יישומים בקנה מידה תעשייתי.

כדי לטפל באתגרים אלה, מושג bioliq פותח על קרלסרוהה Institute of Technology 1. הוא כולל שלב ראשון מבוזר להמיר ביומסה שיורית לתוך אנרגיה צפוף ביניים (bioslurry), מרה לאחר ביחידת גיזוז מרכזית הסינתזהגז סינתזה סופית את המוצר הרצוי (ים). יחידת גיזוז וסינתזה יכולה להיות מתוכננת על בקנה המידה התעשייתית נדרש באותו האתר להשיג הפעלה מסחרית. המושג מאפשר עבור מוצרים שונים, החל נפתח ב דלקים תוספי דלק מיוחדים כימיקלים בצובר 2-5. מסמך זה מציג את הצעד הראשון שבו פירוליזה מהר משמשת להמרה ביומסה שיורית bioslurry ביניים. פירוליזה מהיר מאופיין חימום מהיר של ביומסה באווירה אינרטי לטמפרטורת תגובה של בדרך כלל 450-500 מעלות צלזיוס עם זמן מגוריו של אדי פירוליזה הפיק של <2 שניות 6. ברוב המקרים, כורי מיטת מרחף משמשים לביצוע פירוליזה מהר אבל יש גם קיימים עיצובי כור שונים המותאמים במיוחד כדי לייעל את תנאי תגובה 7. העבודה המוצגת הבא נערכה עם כור ערבוב דו-מדחפית. היא מציגה טכנולוגיה חזקה שכבר דבורהn מיושם בקנה מידה תעשייתי עבור פירוליזה של פחם בסולם טייס עבור חולות נפט 8.

מטרת כור הערבוב-בורג התאום היא תכין את האוכל ביומסה המוצק עם ספק חום מוצק, מחומם מראש. ערבוב צריך להיות יסודי דיה כדי להשיג את קצב החימום דרוש להמרת ביומסה בתנאים פירוליזה מהר. בנוסף, את הגודל של החלקיקים ביומסה מוביל חום צריך להיות קטן כדי להשיג מקדם העברת חום גבוה תקופת חימום חלקיקים קצרים. במכון קטליזה המחקר והטכנולוגיה (IKFT) של המכון הטכנולוגי של קרלסרוהה (KIT), יחידת פיתוח תהליך עם קיבולת הזנה ביומסה של 10 ק"ג hr -1 הופעלה במשך יותר מעשור. היא משתמשת כדורי פלדה כנישאת החום, אשר ממוחזר פנימי עם מעלית דלי מחדש מחומם עם מערכת חימום חשמלית. מטרתו העיקרית היתה חקירת auטכנולוגיית התאוששות מוצר nique כי הותאמה השימוש במוצר ובמתקן גזיפיקציה ואת האימות של התאמתה מגוון רחב של חומר זינה 9-11. צמח טייס גדול נבנה במקביל ללימודים אלה עם קיבולת הזנה ביומסה של 500 הק"ג hr -1, אשר הופעל במשך חמש שנים. הוא מנצל חול כנשא חום, אשר ממוחזר פניאומטית ידי להרים את הגז חם ובנוסף מחומם על ידי בעירה חלקית של חלקיקים char נגרר 1,12. התיאור הבא של שיטת הניסוי מבוסס על יחידת פיתוח תהליך הקטנה אחרי סעיף התאוששות המוצר שלה שופץ להידמות עיצוב מפעל פיילוט טוב 13. ערכת זרימת התקנה ניסיונית זו מתוארת באיור 1.

חשוב לציין כי דרישות המוצר עבור פירוליזה מהר ביו-שמן (FPBO) לשימוש gasifiers הם שונים מאלה שפותחו עבור קונבנציונאלי FPBO, אשר בדרך כלל מיועד יישומי דלק ישירים 14. והחשוב מכל, התוכן המוצק של FPBO לא חייב להיות מאוד נמוך. למעשה, רצוי לערבב את FPBO מיוצר עם המנקה המתקבל בתהליך הגיור על מנת להגדיל את כמות הפחמן זמינה עבור גיזוז והסינתזה הבאה של ירידה ב-דלקים. עובדות אלה חשובות להבנת ההבדלים בתכנון של הגדרת הניסוי המוצג כאן וניסויי פירוליזה מהר שפורסם במקומות אחרים. הבדל חשוב נוסף הוא העובדה כי מושג מרת ביומסה תחת החקירה תוכנן במיוחד עבור שאריות חקלאיות כגון קש חיטה. בדרך כלל, זה סוג של חומרי גלם מכיל אחוז ניכר של אפר. Ash ידוע להשפיע על הפצת המוצר באופן משמעותי של פירוליזה מהר. זה מוביל לירידה של מעובה אורגני (OC) ועלייה הוא במוצרים מוצקים גזי 10,15,16. עובדות אלה מטופלותהן בעיצוב של הגדרת הניסוי המוצג כאן ושרשרת התהליך הכוללת. רוב מתקני התעשייה לרוץ על עץ עם תכולת אפר נמוכה ופשוט לשרוף המוצקים פנימיים. זה מוביל ייצור נוסף של חום לשימוש חיצוני. בעת שימוש בחומרי גלם עם תוכן אפר גבוה, char הוא משמעותי תוצר הלוואי שאמור לשמש ביעילות 13.

Protocol

1. Start-up הפעל את פירוליזה כולו ומערכת עיבוי על ידי הפעלת אספקת N 2 עזרה ואת אוהד גז פירוליזה. שטוף את אסדת פירוליזה הבדיקה עם 500 L hr -1 של חנקן במהלך המתנה. להסדיר את המאוורר על-ידי פתיחת תפריט של המאוורר בקרת תהליכים והתאמת זרימת נפח הנומינלי שלה כך הלחץ בכור הוא 3-8 mbar מעל ללחץ הסביבה. זהירות: במיוחד במהלך האתחול, יש סיכון מוגבר של הצטברות של חומרי נפץ. המערכת חייבת להיות אדישה לחלוטין על מנת להפחית סיכון זה. מלא את המחזור ביו-שמן (כלומר, מעובה אורגני עשיר) עם כמות מתאימה של אתילן גליקול כמדיום החל למערכת המרווה לאפשר הפעלה בטוחה של המשאבה homogenizer (למשל, 15 קילו ב בדוגמא שניתן). רשום את המשקל של חומר המוצא. מלא את המחזור המעובה מהימי עם עמון מתאיםt של מים כדי לאפשר הפעלה בטוחה של המשאבה (למשל, 7 ק"ג בדוגמה נתון). רשום את המשקל של חומר מוצא. חמם את המערכת, כוללת דוד ספק חום וכל מחממי העזר, על ידי פתיחת התפריטים שלהם בבקרת התהליך והזנת הערכים הרצויים (למשל, כ -500 מעלות צלזיוס). חימום עזר מומלץ עבור הכור עצמו ואת צינורות connection עד הקבל הראשון כדי למנוע התעבות בלתי מבוקרת של אדי. הפעל את מחזור הקירור עבור מחליפי החום בשני מחזורי העיבוי כשיפעיל הקירור. התחל משאבות של שני מחזורי העיבוי ידי פתיחת התפריטים שלהם בבקרת התהליך ולחץ על הפעל. השתמש באותו בתפריטים כדי לשנות את הזרימה ההמונית לספק כוח קירור מספיק. לדוגמה, recirculate את שמן ביו בשיעור של כ -350 ק"ג hr -1 ו לקרר אותו עד 80 מעלות צלזיוס לפני הריסוס אותו לתוך כלי מרווה. Recirculate קונדה מהימיתnsate בשיעור של כ -600 ק"ג hr -1 ובנוסף, אספקת קירור מים בשיעור של 300 ק"ג hr -1 ב 8 מעלות צלזיוס. הפעל את המשקע אלקטרוסטטי. לאחר שני מחזורי העיבוי פעלו במשך 10-20 דקות, לבדוק את החרירים של מערכת המרווה לחסימה וסר נוכחי חסימה. התחל הלולאה המובילה חום על ידי פתיחת התפריט של המעלית דלי ואת בורג האכלת הספק חום בבקרת התהליך ולחץ על הפעל. הגדר את הטמפרטורה המובילה החום לערך מעל הטמפרטורה בכור הרצויה כדי לאפשר סטארט-אפ חלק יותר על ידי חשבונאי עבור הדרישות החומות עבור תגובת פירוליזה. לדוגמה, לספק המוביל חום עם זרימה המונית של 1,000 ק"ג hr -1 בטמפרטורה של 520 מעלות צלזיוס במהלך המבצע, אבל חום 545 מעלות צלזיוס לפני שמתחילים להאכיל ביומסה. זהירות: ודא שהברגים-התאום של הכור מופעלים אוטומטית לאחר האכלת הספק החוםבורג מופעל. אחרת קיימת הסכנה של חסימה ואף פגיעה במערכת ההאכלה. לאחר המערכת (כלומר, כל הטמפרטורות) הגיעו ערכי הסט, להתחיל להאכיל ביומסה על ידי מילוי אחסון ביומסה עם הזינה הרצויה. בהמשך לכך, פתח את הופר הנעילה ולהתחיל את בורג האכלת ביומסה על ידי לחיצה על הפעל בתפריטים שלהם בקרת התהליכים. לאט להגביר את קצב העדכון כדי למנוע תנודות לחץ מופרזות. 2. שלבים ותצפיות ברציפות חובה במהלך מבצע תעד את הסכום ביומסה נמאס כדי לתת דין וחשבון על איזון ולקחת דגימות מתאימות. בדוק את (טמפרטורת היציאה של המוביל החום) טמפרטורה בכור הרצויה ולהסדיר החימום של הלולאה המובילה החומה בהתאם. להסדיר את המאוורר על ידי התאמת תזרים הנפח הנומינלי שלה כדי לשמור על לחץ הכור הרצוי. בדקו לחסימה בחריריםשל מערכת המרווה (ירידה בזרימה המונית ו / או עליית טמפרטורה מרווה). הקפד על ירידה בלחץ ברחבי ציקלונים ומערכת מרווה כדי לזהות שינוי גודל מוגזם מוקדם מספיק. תקן אמצעים מתאימים כדי להיות מסוגל להסיר אבנית מופרזת במהלך מבצע, במיוחד בנקודה את מפל הטמפרטורה הראשון של אדי פירוליזה (בדרך כלל הכניסה של מערכת המרווה). לדוגמא, לנקות את החתך של הצינור באמצעות מוט להסיר אבנית מכאנית. חותם את המוט עם אטם למנוע שאיפת האוויר לתוך מערכת המרווה. התקן שסתום כדור בנקודת הכניסה של המוט כדי להקטין עוד יותר דליפת אוויר אם הניקוי אינו בפעולה. זהירות: ניקוי המפרצון של מערכת המרווה ידי החדרת מוט מוביל החסימה הזמנית של הסרת הגז מהכור. האכלת ביומסה חייבת להיפסק אם זה לא יכול להיות סמוך ובטוח כי הניקוי מתבצע ב <10 שניות. צג טמפרטורות העיבוי של שני מחזורי העיבוי ולהתאים את טמפרטורת נקודות להגדיר של תרמוסטט התהליך במידת צורך. הסר מעובה ממחזורי בהקדם 80% של רמת המילוי המרבי המותר הושג (תלוי בגודל של טנקים חיץ כמות וסוג של ביומסה fed). לנהל מדידות של שלב הגז. מדדו את כמות הגז וכן הרכבו (ראה פירוט שלב 4.5). הערה: תרכובות גזי היסודיים כוללים N 2, CO, CO 2, 4 CH, O 2, ו- H 2. תרכובות נוספות צפויות, כגון 2 H 4 C, C 2 H 6, ו- C 3 H 8. דוגמא של מערכת מדידת גז מתוארת להלן (ראה שלב 4.5). זהירות: אם חלקים של יחידת פירוליזה מופעלים תחת לחץ, דליפה של אוויר עלולה להוביל להתפתחות של קיום אווירה נפיצה. מומלץ מאוד לעקוב מקרוב OBלשרת את כמות חמצן גז פירוליזה. 3. כיבוי כדי להפסיק את הניסוי, פשוט לכבות את ההזנה ביומסה ולהסדיר את המאוורר כדי לשמור על לחץ הכור הרצוי. אפשר למערכת (לולאה מובילה חום מחזור עיבוי) לרוץ 30-40 דקות אחרות על מנת להבטיח כי כל השאריות הם pyrolyzed ואת המוצרים התאוששו. כבה את החימום של הלולאה המובילה החום. כבה את המשאבות מחזור העיבוי הוא ואת המשקע אלקטרוסטטי. מחזורי רוקן הוא מעובים ולהקליט את המשקל של כל מעובה. להפחית את הכמות של חומר מוצא (ראה צעדים 1.2 ו -1.3) לפני ההגדרה היתרה. אפשר מיכלים לאיסוף char להתקרר לטמפרטורת החדר באווירה אינרטי. לשקול את כמות char. זהירות: char עשוי להפגין מאפייני pyrophoric, וטיפול ספציפי יש לנקוט בעת טיפול בחומר זה. קליאהn המחזור ביו-שמן עם אתילן גליקול טרי המחזור המעובה מהימי עם 1: תערובת 1 של מים ואתנול. מלאו עם כמויות מתאימות (ראה צעדים 1.2 ו -1.3) ולאפשר לרוץ 30-40 דקות. 4. ניתוח הנדרש להקמה "יבש" ועל היתרות 'יסודות פחמן' בצע את ניתוחי זינה הבאים (דוגמאות בתקנים חלים ניתנות בסוגריים): קבע את תכולת המים 17. קבע את תכולת אפר 18. קבע את הפחמן היסודות, מימן, חנקן ותכנים 19. הערה: מומלץ מאוד לנתח את תוכן מים בכל יום ניסיוני כי הבדלים בתנאי מזג אוויר עלולים להשפיע על תכולת הלחות של חומרי הגלם. בהתאם לגודל המגרש, מספר דגימות נדרשות לאפיין את הזינה באופן מהימן. ניתוחים נוספים כגון ניתוח סיבים וערך קלורי גבוה הםמומלץ אבל לא חובה להקמת היתרות הנ"ל. בצע את ניתוחי אבקת char הבאים (דוגמאות של סטנדרטים חלים ניתן בהתייחסויות): קבע את תכולת המים 17. קבע את תכולת אפר 18. קבע את הפחמן היסודות, מימן, חנקן ותכנים 19. הערה: ההנחה היא כי char אין תוכן לחות כאשר עוזבים את תהליך להקמת יתרות. לחות מיצוי עלול להתרחש במהלך ניתוחים, ואת תכולת המים נדרשת לתיקון שני הניתוחים האחרים. בצע את הניתוחים ביו-שמן הבא (דוגמאות של סטנדרטים החלימו או שיטות מומלצות אחרות ניתנים בסוגריים): קבע את תכולת המים על ידי טיטרציה נפח קרל-פישר פי פרוטוקולים סטנדרטיים. ממסי מדגם מתנול יבש לכייל אותה בתערובת של בסיס, SO 2, וכן ריכוז ידוע של לי 2 (דוגמאות מפורטות של חומרים ניתנים ברשימת החומר). שומת כל מים מגיבה עם שומה אחת לי 2. קבע את התוכן המוצק על ידי נטילת דגימת 3,040 גרם של FPBO לפזר אותו מתנול לנפח פתרון סופי של כ -100 מיליליטר. מערבבים את פתרון עבור 10 דקות בטמפרטורת החדר. סנן את הפתרון באמצעות מסנן תאי בבית הכושר סינון של 2.5 מיקרומטר ולשטוף את השאריות ביסודיות עם מתנול עד תסנין ברור מתקבל. ייבש את השאריות המוצקות ב 105 מעלות צלזיוס למשך הלילה ולקבוע את המשקל שיורית. קבע את הפחמן היסודות, מימן, חנקן ותכנים 19. קבע את התוכן אתילן גליקול ב -1 ניתוח H NMR פי פרוטוקולים סטנדרטיים. ממסי מדגם FPBO בתמיסה של מתנול deuterated עם 3- (trimethylsilyl) propionic-2,2,3,3-ד 4 חומצת מלח נתרן (TMSP) כחומר עזר (כ 0.1g FPBO ב 0.8 פתרון גרם). לדוגמה, הפתרון עשוי להכיל מתנול 44 גרם ו -0.1 גרם TMSP. צנטריפוגה מדגם מומס על מנת להסיר מוצקים. לנתח את המדגם על ידי 1 ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית H (NMR). הקבוצות הידרוקסי של אתילן גליקול להראות לשיא ב 3.55-3.65 ppm. שיא ההתייחסות של TMSP מופיע סביב 0 עמודים לדקה והוא ממשמש לכמת את תוכן אתילן גליקול. הערה: Start-up עם אתילן גליקול טהור מוביל לדילול של עיבוי של הקבל הראשון. זה צריך להיחשב בחישוב יתרה מסה ואנרגיה ועבור הצגת התוצאות. רצוי מאוד לזהות תרכובות כימיות בודדות. שיטה כזו אנליטי מורכבת מאוד בשל המספר העצום של תרכובות שונות ואופי מטריצת העיבוי. תיאור שניתוח כזה הוא מחוץ לתחום של מאמר זה. ראוי גם לציין כי הניתוחים הנ"ל רק נדרשים להקמהיתרות אינן מספיקות לתיאור ביו-השמן כמוצר. התקנים לכסות יישומי FPBO נמצאים בהכנה. בצע את הניתוחים מעובים מהימייה הבאה (דוגמאות של סטנדרטים חלים ניתנות בסוגריים): קבע את תכולת המים על ידי טיטרציה נפח קרל-פישר (ראה 4.3.1). קבע את הפחמן האורגני 20 פחמן אורגני שאינו purgeable. הערה: חברת הסטארט-אפ עם מוביל מים טהורים כדי דילול של מעובה ב הקבל השני. זה צריך להיחשב בחישוב יתרה מסה ואנרגיה ועבור הצגת התוצאות. לפקח על הרכב הגז לאורך הניסוי בגלל ההרכב משתנה במידה ניכרת עם הזמן. לדוגמא, לנתח את גז המוצר במהלך הניסויים שהוצגו כאן גז כרומטוגרף כל 30-60 דקות. נתח את מיני הגז הבאים: Ne, 2 H, CO, CO 2, N 2, O 2, 4 CH, ו האלקאן / אלקן C 2 -C 5 רכיבים. להזריק זרימת גז קבועה של Ne לתוך הכור כהפניה. לחשב את המסה של כל מין גז המבוסס על זרימת נפח ההתייחסות, יחס רכב גז הממוצע, משך הניסוי, ואת הצפיפות של המינים. על מנת לקבוע את תכולת המים של גז פירוליזה, להניח תנאי רווי בטמפרטורת לשקע של הקבל האחרון.

Representative Results

סוגים שונים של ביומסה היו pyrolyzed בהצלחה את יחידת פירוליזה ב IKFT / KIT עם ההגדרה הנוכחית. לדוגמה, שלושה ממקורות שונים (קש חיטה, miscanthus, וגרוטאות עץ) הושוו בדבר נכסים ומתשואותיהם לאחר פירוליזה הנוהל המתואר. סוגים שונים של שיטות איזון מוצגים ודנו בכל הנוגע לתחולת כלפי זינה אפר-עשיר. חשוב לציין כי היתרות חושבו וסכמו בהתאם למצב צבירה של כל חלק. ביו-שמן התאושש הקבל הראשון עדיין מכיל מוצקים, אשר לא הוסרו על ידי סופות ציקלון. אלה מסומנים בנפרד ביתרות. לשם השוואה והערכה סטטיסטית, התוכן המוצק של שמן ביו התווסף שבר char התאושש ציקלונים. על בסיס "כפי שהתקבל ',התשואה המוצקה, כלומר, char התאושש באמצעות ציקלונים ובהווה char ב הביו-שמן, היא בטווח 14-25% לפי משקל של חומרי זינה הנחקרות. תשואות מעובות סה"כ התאוששו בשני הקבל נעות בין 53-66% לפי משקל, ואילו תשואות גז דומות יחסית (סביב 20%) עבור כל 3 biomasses (ראה איור 2). אלה 'כפי שהתקבלו' ערכים לתת מידע מעשי על הסכום בפועל של שברי מוצר צפויים בהתקנות פירוליזה מהר מסוג זה. עם זאת, תשואות אורגניות נזילות בספרות מדווחות לרוב על בסיס יבש, כלומר, למעט לחות ומים של תגובת העיבוי ואת בהזנה. היתרון של סוג זה של איזון הוא העובדה כי בתחילה לחות הנוכחית של ביומסה אינה משפיעה על התוצאות. תכולת לחות הזאת תגדיל את התשואה המעובית באופן מלאכותי בתוך 'כפי שהתקבל' בalance. מסיבות השוואתיות, איור 3 מציג תשואת שמן אורגנים ומי תגובה על בסיס יבש. במחקר זה, עלייה בתשואות שמן אורגני (35 – 46 – 50% לפי משקל) עם הפחתת תכולת אפר (9.2 – 2.7 – 1.5% לפי משקל) של קש חיטה חומר זינה – miscanthus – גרוטאות עץ (ראו טבלה 1). זו עולה בקנה אחד עם תצפיות ממחקרים אחרים 10,15,16. תשואות מי תגובה נמצאות בטווח צר יחסית מ 12-14% לפי משקל. יתרות המוניות על בסיס יבש עדיין מושפעות באופן ישיר לתוכן האפר של הזינה. מינרלים המופיעים בחומר ביומסה מלאכותי יגדילו את התשואה של מוצקים הם 'כפי שהתקבל' ויתרות "יבשות". כתוצאה מכך, יתרות פחמן יסודות נקבעו בגלל שהם נראים מתאימים יותר להערכת הבדלים בתגובות מרה תרמו-ביומסה (ראה איור 4 </stרונג>). מתברר, כי חלק ניכר של פחמן הוא התאושש הביו-שמן (44-54% לפי משקל) ורק חלק המונית של 24-32% במצב מוצק כמו char פירוליזה. אודות 16-19% לפי משקל של פחמן לא התאוששו בצורה מוצקה או נוזלי עוזבים את המפעל עם גז פירוליזה. ב מפעל מסחרי, גז זה יהיה ממוחזר מסיבות של התאוששות אנרגיה מכשיר בעירה פנימית. שבריר המוני של רק כ 3-4% של פחמן הוא התאושש העיבוי המימי, אשר יש תכולת מים של כ -80% לפי משקל. זה מאמת את האפקטיביות של התקנת העיבוי המופרדת שהוצגה כאן. קש חיטה miscanthus גרוטאות עץ מים, ar 9.6 10.1 15.2 אש, ד 9.2 2.7 1.5 פחמן, ד 46.1 48.6 49.8 מימן, ד 5.7 5.9 6.1 חנקן, ד <0.5 <0.5 <0.5 ar: כפי שהתקבל, ד: בסיס חומר יבש 21 טבלה 1. נבחרים המאפיינים של חומר זינה השונים בהם משתמשים. הערכים מייצגים שברים מסה (%). איור 1. תרשים זרימה של הגדרת הניסוי. 1) אחסון ביומסה. 2) מערכת הופר Lock. 3) המינון ביומסה. 4) כור ערבוב דו-מדחפית. 5) מעלית דלי. 6) מחמם מוביל חום. 7) ציקלון להסרת מוצקים. 8) אחסון צ'אר. 9) מרווה ריסוס. 10) ביו-שמןמיכל אחסון. 11) Homogenizer ומשאבה. 12) מחליף חום עבור קירור מעובה ממוחזרים. 13) משקע אלקטרוסטטי. 14) מכל אחסון מעובה מימי. 15) משאבת הסירקולציה מחודשת מעובה מימי. 16) מחליף חום עבור קירור מעובה ממוחזרים. 17) קונדנסר עבור מעובה מימי. 18) מאוורר להסרת גז / אדים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 2. יתרות המוניות של ניסויים. יתרות מדווחות על בסיס "כפי שהתקבל '21 של הזינה ומוצרים. כל הערכים באים לידי ביטוי כשברים מסה. שלושה סוגים של ביומסה שונים שימשו וכל הניסויים נערכו לפחות triplicates 13. התוכן המוצק ביו שמן מדווח בנפרד להמחשה. ברי השגיאה מצביעים סטיית התקן של ניסויים עם סוג אחד של זינה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 3. תשואות שמן אורגניות סה"כ ומים של תגובה. הערכים כל מוצג על בסיס 21 להאכיל יבש באים לידי ביטוי כשברים מסה. התוכן המוצק של העיבוי לא הוכלל מתשואת השמן האורגנית 13. ברי השגיאה מצביעים סטיית התקן של ניסויים עם סוג אחד של זינה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> יתרות איור 4. פחמן. כל הערכים מדווחים כשברים מסה של קלט פחמן ביומסה. שלושה סוגים של ביומסה שונים שימשו וכל הניסויים נערכו לפחות triplicates 13. התוכן המוצק ביו השמן מדווח בנפרד להמחשה. ברי השגיאה מצביעים סטיית התקן של ניסויים עם סוג אחד של זינה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

עבור כל הניסויים, תנאי תהליך כגון גודל של חומר הזינה, להאכיל שיעור, לחצו, טמפרטורת תגובה, טמפרטורות עיבוי, וספיקות של שניהם המוביל חום המחזור המעובה היו זהים. מטבע הדברים, וריאציות בתוך גבולות מוגדרים לא ניתן להימנע מכך. מבחינתו של צמח בדיקה כגון יחידת פיתוח תהליך המוצג כאן, הטווחים המקובלים של תנודות פעמים נדרשות פעולה לניסויים לשחזור צריכות להיות מחושבים ו / או נקבעים על ידי ניסיון. לדוגמה, הטמפרטורה בכור, אשר מסומן על ידי הטמפרטורה של המוביל חום לעזוב את הכור, נשלטת עם סטיית תקן של 35 ° C מעל כל מהלך התגובה מתחילת התגובה בתפוקה ביומסה מלאה להפסיק האכלה ביומסה (בדרך כלל סביב 4 שעות). הלחץ בכור נשלט עם סטיית תקן של 300-500 Pa. פסגות בלחץ צפויות להתרחש עקב fluctuations להזנת ביומסה. מומלץ להתאים את מערכת בורג האכלה לחומר ביומסה נדון כדי למזער תנודות כאלה ולהבטיח זרימה ביומסה מתמיד. טמפרטורת התעבות המעבים הראשונים והשני נשמרה סטיית תקן של 3 מעלות צלזיוס ו -1 ° C, בהתאמה.

יצוין כי בשלב זה כל הניסויים שהוצגו נערכו באותה טמפרטורת הכור (500 מעלות צלזיוס). טמפרטורה זו אינה משקפת בהכרח את טמפרטורת פירוליזה מהר האופטימלית אשר מקיים עבור כל זינה ספציפית 22. וריאציה של טמפרטורת הכור עלולה להוביל טמפרטורת פירוליזה אופטימיזציה עם תשואות שמן אורגניות גבוהות עוד יותר.

הבחירה של איזון השיטה אינה טריוויאלית פירוליזה מהיר של ביומסה, במיוחד כאשר פונים עיבוי מופרד וכאשר באמצעות ביומסה עם תכולת אפר גבוהה. שלושה סוגים שונים של לאזן עלg הוצג בסעיף הקודם. דיווח על התשואות של שברי מוצר על בסיס "כפי שהתקבל" הוא יתרון עבור שיקולים מעשיים כגון העיצוב של אגרגטים קיבולות אחסון כפי שהוא מדווח על הפצת המוצר בפועל צפויה. עם זאת, ערכים אלה מוסתרים על ידי תכולת המים ואפר של הזינה. במיוחד עבור ביומסה שיורית – למשל, קש, ייעור שאריות גיזום ביוגני 'לבזבז' – זהו נושא כמו שיש חומר זינה אלה מגוון רחב של תכולת מים ואי-אורגניים, ראו טבלה 1.

שיטת איזון השכיח בתהליכים ביומסה על 'בסיס חומר יבש "היא ברוב המקרים שימושיים להשוואות בין מחקרים שונים כפי שהוא מבטל את ההשפעה תכולה לחות שונות של חומרי הגלם. עם זאת, יש לציין כי ערכים מחושבים אלה מניסויים עם זינה ספציפית לחה לא בהכרח reflect ההתנהגות והתשואות של הזינה הספציפית הזה אם הוא היה מיובש לחלוטין על ידי פיזי אומרים לפני הניסוי. זה ידוע כי לחות משפיעה על התפלגות התשואה של פירוליזה 23 ואת זה צריך לזכור בעת הערכה והשוואת יתרות "יבשות".

יתר על כן, יתרות מסה על "בסיס חומר יבש 'אינן מתאימות חומר זינה עם תכולת אפר גבוהה כי מינרלים בסופו של דבר בעיקר char ו לטשטש את התוצאות באופן דומה לתוכן הלחות הראשוני. בדומה למים, מינרלים להשפיע על רשת תגובת פירוליזה בפועל משום שהם מקדמים תגובות פירוליזה משניות, מה שמוביל char הגבוה ותשואות ביו-שמן נמוכות. השפעות אלה ניתן יהיה להעריך רק על בסיס מדעי אם יתרות מתוקנות לתוכן אפר. אחת הדרכים להשיג זאת היא על ידי הגדרת יתרות פחמן. מההשוואה של איור 2 ואיור 4 ניתן לראות כי Yie המוצק גדלld ציין לאחר פירוליזה של קש חיטה לעומת miscanthus הוא לא רק בשל חומר אורגני כי הוא התאושש עם המנקה, אלא גם בשל שבר מוגבר מוצקים אורגניים אשר נוצרו תוך כדי התהליך.

יתרון נוסף של יתרות פחמן יסודות הוא להראות את גורלו של פחמן ביוגני, כלומר, ההפצה שלה שברי המוצר התאוששו. זה חשוב להערכת שרשרות המרה מורכבות יותר – למשל, פירוליזה, גיזוז, וסינתזה כמו במקרה המוצג כאן – משום פחמן ביוגני אמור לשמש ביעילות רבה ככל האפשר. אחד התפקידים החשובים ביותר של ביומסה כלכלה ביו המבוסס בעתיד הוא לספק פחמן ביוגני עבור מגוון רחב של סחורות, ובכך להחליף פחמן ממקורות מאובנים.

הפרוטוקול המובא עבור פירוליזה מהר בכור ערבוב דו-מדחפית יכול להתממש על סולמות שונים עם התאמות מסוימות. Tהוא הציג מקרה של יחידה עם קיבולת ההזנה של 10 קילו hr -1 הוכיח להיות פשרה אפשרית בין מורכבות תפעוליות ואת התוצאות משמעותיות עבור התנהגות תהליך. זה יכול להיות מיושם הן להקרנה של סוגים שונים של ביומסה ואופטימיזציה של תנאי התהליך. בדיקת זינה ביומסה ספציפית היא קריטית כי מאפייני זינה מסוימים, עלולים להוביל מבצע תהליך שלילי אם ושיירים מוצקים גסים לצבור במחזור המוביל החום. הצטברות כזו לא נצפתה עבור ביומסה המוצגת בסעיף התוצאות, אך היא נצפתה על חומר ביוגני מאוד קשה עם גודל חלקיקים גדול (> 1 מ"מ) המגביל את תחולתו של התהליך שהוצג. בעיה זו יכולה להיות מופחתת עם עיצוב שונה של הלולאה המובילה החומה, למשל, על ידי הובלה פנאומטי של המוביל החום עם בעירה חלקי זמנית.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מודים מלאני פרנק, פיא Griesheimer, ג'סיקה הנריך, פטרה Janke, ג'סיקה מאייר, ונורברט Sickinger לתמיכה טכנית אנליטיים על עבודה זו.

תמיכה כספית בתנאי בתוך הפרויקט BioBoost הוא הודה מאוד. BioBoost הוא R & D הפרויקט האירופי שותף במימון תחת חוזה 282,873 בתוך תכנית המסגרת השביעית של הנציבות האירופית (www.bioboost.eu).

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Haro, P., Trippe, F., Stahl, R., Henrich, E. Bio-syngas to gasoline and olefins via DME – A comprehensive techno-economic assessment. App Energy. , (2013).
  4. Henrich, E., Dahmen, N., Dinjus, E. Cost estimate for biosynfuel production via biosyncrude gasification. Biofuels, Bioprod. Bioref. 3, 28-41 (2009).
  5. Zhang, X., Kumar, A., Arnold, U., Sauer, J. Biomass-derived oxymethylene ethers as diesel additives: A thermodynamic analysis. Energ. Procedia. 61, 1921-1924 (2014).
  6. Bridgwater, A. V. Renewable fuels and chemicals by thermal processing of biomass. Chem. Eng. J. 91, 87-102 (2003).
  7. Meier, D., et al. State-of-the-art of fast pyrolysis in IEA bioenergy member countries. Renew. Sust. Energ. Rev. 20, 619-641 (2013).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Dahmen, N., et al. State of the art of the bioliq process for synthetic biofuels production. Env. Prog. Sust. Energ. 31, 176-181 (2012).
  13. Funke, A., et al. Fast pyrolysis char – Assessment of alternative uses within the bioliq concept. Bioresour. Technol. 200, 905-913 (2016).
  14. Lehto, J., Oasmaa, A., Solantausta, Y., Kytö, M., Chiaramonti, D. . Fuel oil quality and combustion of fast pyrolysis bio-oils. , (2013).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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. , (2015).
  18. DIN German Institute for Standardization. . DIN EN ISO 18122 Solid biofuels – Determination of ash content. , (2016).
  19. DIN German Institute for Standardization. . Institute for Standardization. DIN EN ISO 16948 Solid biofuels – Determination of total content of carbon, hydrogen and nitrogen. , (2015).
  20. 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). , (1997).
  21. DIN German Institute for Standardization. . ESO 16993: Solid biofuels – Conversion of analytical results from one basis to another. , (2015).
  22. Bridgwater, A. V. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading). Biomass Bioenerg. 38, 68-94 (2012).
  23. 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).

Tags

Fast PyrolysisBiomass ResiduesTwin-screw Mixing ReactorBiofuelsBiofuel IntermediatesProduct RecoveryFluidized Bed TechnologyAsh-rich MaterialFractionated Product SeparationPyrolysis Gas FanQuenching SystemCondensation CyclesElectrostatic PrecipitatorHeat Carrier Loop

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Funke, A., Richter, D., Niebel, A., Dahmen, N., Sauer, J. Fast Pyrolysis of Biomass Residues in a Twin-screw Mixing Reactor. J. Vis. Exp. (115), e54395, doi:10.3791/54395 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image