واستخدمت رواية Upflow اللاهوائية الحالة الصلبة (عنك) مفاعل لإنتاج الغاز الحيوي من المواد الأولية ليفية. تم متفحمة Digestate من مفاعل عنك المياه الحارة في HTC الفحم النباتي في مفاعل دفعة المضغوط. تم تطبيق التكامل بين المفهومين الطاقة الحيوية في هذه الدراسة لزيادة إنتاج الطاقة الحيوية بشكل عام.
الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية هي واحدة من مصادر الطاقة المتجددة الأكثر وفرة غير مستغلة حتى الآن. كل من الهضم اللاهوائي (AD) والكربنة الحرارية المائية (HTC) وتكنولوجيات إنتاج الطاقة الحيوية من الكتلة الحيوية واعدة من حيث الغاز الحيوي والفحم النباتي HTC، على التوالي. في هذه الدراسة، يقترح الجمع بين م وHTC لزيادة إنتاج الطاقة الحيوية بشكل عام. تم هضمها لا هوائيا القمح من القش في رواية upflow مفاعل الحالة الصلبة اللاهوائية (عنك) في كل أليف الاعتدال (37 ° C) وحرارة (55 درجة مئوية) الظروف. الرطب هضمها من حرارة م تم متفحمة المياه الحارة في 230 درجة مئوية لمدة 6 ساعة لإنتاج الفحم النباتي HTC. في درجة حرارة حرارة، ونظام عنك ينتج في المتوسط 165 L CH4 / كغ VS (VS: المواد الصلبة المتطايرة) و121 L CH4 / كغ VS أليف الاعتدال في م خلال عملية مستمرة من 200 يوما. وفي الوقت نفسه، كان 43.4 غرام من الفحم النباتي HTC مع 29.6 إم جي / كيلوغرام dry_biochar OBTained من HTC من 1 كجم digestate (على أساس جاف) من أليف الاعتدال م. الجمع بين م واتش تي سي، في هذا مجموعة معينة من التجربة تسفر 13.2 MJ من الطاقة لكل 1 كجم من قش القمح الجافة، وهو أعلى بنسبة 20٪ على الأقل من HTC وحده وارتفاع 60.2٪ من م فقط.
العثور على مصادر الطاقة المتجددة والمستدامة هي الشواغل الرئيسية في قطاع الطاقة في العالم. في الآونة الأخيرة، وذكرت الأمم المتحدة أن يتوقع من مصادر الطاقة المتجددة ما يصل إلى 1 77٪ من الطاقة في العالم في عام 2050. الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية مثل القش، الأعشاب، قشر الأرز، الذرة الكيزان ليس لديهم نزاعات مع الغذاء مقابل الوقود القضية. وعلاوة على ذلك، والكتلة الحيوية وربما كان مصدر الطاقة المتجددة فقط مع الكربون الهيكلي، بالمقارنة مع غيرها من مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، والماء 2. ومع ذلك، والتعامل مع الخصائص، وانخفاض الكثافة الظاهرية، الرماد عالية، وانخفاض محتوى الطاقة تعيق استخدام الكتلة الحيوية لإنتاج الطاقة اللجنوسليلوزية 2.
الهضم اللاهوائي (AD) هو واحد من الأمثلة على إنتاج الطاقة الحيوية من نفايات الكتلة الحيوية 3 بشكل عام، هناك أربع خطوات تدهور تنطوي في الهضم اللاهوائي كما هو مبين في الشكل 1 4 </suع>. في ثلاث خطوات الأولى متتالية، يتم تحويل السكريات من الكتلة الحيوية إلى الأحماض العضوية. في الخطوة الأخيرة، والكائنات ميثان إنتاج biomethane. م التقليدي هو الوقت والطاقة المستهلكة العملية. والتقليب المستمر يقلل من الاقتصاد الكلي للم، وخاصة بالنسبة للم من الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية. رواية upflow اللاهوائية الحالة الصلبة (عنك) مفاعل لديه القدرة على التغلب على أوجه القصور وذكرت (الشكل 2) 4. عفوية فصل الصلبة والسائلة هي واحدة من مزايا كبيرة من عنك، منذ صمم يسهل الغاز الحيوي فقاعات لرفع المخلفات الصلبة غير المتفاعل صعودا 5. هذا القضاء على استخدام النمام، وبالتالي يقلل من استهلاك الطاقة في الموقع. علاوة على ذلك، تداول السائل يضمن توزيع الكائنات الحية الدقيقة ونواتج الأيض في جميع أنحاء المفاعل وكذلك 5. بالمقارنة مع الوقود الحيوي الصلب، والغاز الحيوي هو أسهل في التعامل معها، ويترك بقايا ضئيلة أو معدومة. في الواقع، فإن كثافة الطاقة المحددةالغاز الحيوي هو أعلى عدة مرات الكتلة الحيوية الخام 4. ومع ذلك، AD تفضل السكريات البسيطة مثل النشا، والأحماض الدهنية، وهيميسيلولوز 1. نتيجة، السليلوز، والخشبين، جزء كبير من الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية ليفية مثل قش القمح، يبقى بمثابة digestate الصلبة بعد 5 م. وعلى الرغم من إنتاج الغاز الحيوي يختلف من المواد الخام، ونوع من الكائنات الحية الدقيقة، درجة حرارة التفاعل، وفترة رد الفعل، وعادة ما تنتج كمية كبيرة من digestate.
بينما يستخدم الغاز الحيوي لتوليد الطاقة، وعادة ما تكون مخزنة digestates (تصل إلى 90٪ من المياه) في تخمير بقايا مستودع لجمع ما تبقى من انبعاثات غاز الميثان. بعد ذلك يتم تجفيفها وهذه تنتشر على الأراضي الزراعية لتحسين خصوبة التربة وقدرتها على الاحتفاظ بالمياه. ارتفاع محتوى غير العضوية غالبا ما تعيق digestate مباشرة للحصول على الوقود، وكميات عالية من الخبث قد تآكل المعدات 6. الكربنة الحرارية المائية (HTC) هو عملية العلاج الحراري الرطب صمم خصيصا ل. المواد الأولية، حيث يتم تسخين الكتلة الحيوية (مع 80-90٪ ماء) تصل إلى 200-260 درجة مئوية في ضغط التشبع بالمياه وعقد لمدة 0.5-6 ساعة (الشكل 3) 7،8 دون الحرجة المياه لديه الحد الأقصى للمنتج الأيونية في 200 – 260 درجة مئوية، وهو ما يعني المياه في ظل هذه الظروف هو رد الفعل ويتصرف على انه حامض معتدل وقاعدة خفيفة في وقت واحد 9. هيميسيلولوز، جنبا إلى جنب مع الإستخراجية الأخرى، تتحلل حول 180-200 درجة مئوية، في حين السليلوز يتفاعل حوالي 220-230 درجة مئوية، ويتفاعل اللجنين في درجة حرارة مرتفعة نسبيا (> 250 درجة مئوية)، ولكن بوتيرة أبطأ بكثير من السليلوز وهيميسيلولوز 10. بسبب الجفاف ونزع الكربوكسيل كبيرة، نتائج HTC المنتج الصلبة اسمه HTC الفحم النباتي، مع العائد الشامل (HTC الجافة الفحم النباتي / الأعلاف الجافة) من 40-80٪، والمشروبات الكحولية التي تحتوي على الأحماض الكربوكسيلية ومشتقاتها الفيوران والمواد الفينولية، ومونومرات السكر، و 5 – 10٪ CO 2 المنتجات الغازية الغنية 11. خلال HTC، والأكسجين التي تحتوي على المواد الطيارة بشكل ملحوظخفضت وبالتالي ترك الغنية بالكربون الصلبة. الفحم النباتي HTC هو أيضا مستقرة، مسعور، وتفتيت مقارنة الخام المواد الخام رطبة 12،13. بسبب خصائصه مسعور، dewateribility من HTC الفحم النباتي يزيد عدة مرات مقارنة digestate الخام أو حتى الكتلة الحيوية الخام. 14-18 وعلاوة على ذلك، الفحم النباتي HTC لديها قيم وقود مماثلة لالليغنيت الفحم 16،17. ومع ذلك، السليلوز واللجنين تتحلل جزئيا في البيئة HTC 18.
الآن هيميسيلولوز والسليلوز في الكتلة الحيوية والغاز الحيوي خلال المساهمة في م، في حين السليلوز واللجنين المساهمة في الغالب إلى صلب HTC الفحم النباتي 4،5. وبالتالي، فإن الجمع بين AD-HTC يمكن أن يحتمل زيادة الغلة الطاقة الحيوية بشكل عام. هوفمان وآخرون محاكاة تركيبة مشابهة ولكن باستخدام م وHTL (تسييل المائية) بدلا من AD-HTC 19. HTL هو طريقة شائعة لتسييل جزء الكتلة الحيوية والمنتجات السائلة له قيمة عالية في استهلاك الوقود [43.1 MJ / كغ]. ومع ذلك، HTL REQUIRES الضغط العالي جدا (250 بار) مقارنة HTC (10-50 بار)، وهو ما يعني تثبيت عالية وتكاليف التشغيل من HTC. مرة أخرى، تسلسل مزيج من م وHTC يمكن التشكيك كما يرث وآخرون. ذكرت مؤخرا م من عملية HTC السائل 20. ومع ذلك، وم فعالة يعتمد على تركيز السكر في المواد الأولية. السكريات في عملية HTC السائل، التي تنتج أثناء التحلل، وغالبا ما تتحلل بسرعة تحت الماء دون الحرجة. هذا هو السبب في م قبل HTC هو أكثر ملاءمة من حيث الطاقة الحيوية. ومع ذلك، يمكن م من عملية إنتاج الطاقة الحيوية السائلة HTC إضافية، وفي هذه الحالة، فإن تسلسل مزيج يكون AD-HTC-AD.
وكان الهدف من العمل لتقييم تكامل العمليات وم HTC لإنتاج الطاقة الحيوية (الشكل 3). تم تقييم إمكانات إنتاج الغاز الحيوي للحرارة وم أليف الاعتدال من مفاعل عنك في عملية مستمرة لأكثر من 200 يوما. في وقت لاحق، و إنتاج الفحم النباتي HTCوقد درس أيضا مدمج digestate. تم تنفيذ توازن الكتلة والطاقة من تتالي AD-HTC الخروج وبالمقارنة مع العمليات الفردية.
المفاعلات عنك قادرون على تخفيف أوجه القصور التي نوقشت في المقدمة. ومع ذلك، هناك مجال كبير للتحسين. نظام التغذية وسحب digestate لا تزال اليدوي. نظام عنك تواجه مشاكل التعامل مع المواد الأولية أكبر من 60 ملم. يعمل النظام بشكل أفضل مع المواد الأولية ليفية لأنها تطفو في جميع أنحاء السائل، ولكن المواد الأولية الأخرى مثل روث الحيوانات وحمأة قد لا يحبذ نظام عنك. تم تصميم نظام عنك في مثل هذه الطريقة أن الخمور عملية يدور من المفاعل لAF إلى المفاعل مرة أخرى. ومع ذلك، وقد ثبت حتى 2-5٪ الصلبة في السائل تعميم لتكون إشكالية، لأنها تودع في AF أو منع دخول الأنابيب وتعيق الدورة الدموية السائل. التحليل الكيميائي السائل العملية مهمة، حيث أن إنتاج الأحماض الدهنية الحرة والنيتروجين يمكن تغيير النظام الميكروبية الناتجة في إنتاج الغاز الحيوي غير معهود. نظام عنك قوية، ويمكن تشغيل أكثر من 200 يوما دون أن تظهر أي significaالإقليم الشمالي المشاكل. ربط الأنابيب من المضخات لمفاعلات لAFS يجب أن تستبدل كل شهر البديلة. مستوى المياه في بالحمام المائي يحتاج إلى أن يتم التحقق على أساس أسبوعي وتعبئتها إذا لزم الأمر.
HTC من digestate الرطب هو فعالة جدا لمعالجة النفايات فضلا عن إنتاج الوقود الحيوي الصلب. كما سيتم تسهيل dewateribility المنتج الصلبة عن طريق عملية HTC كما هو مبين في الشكل 7. ومع ذلك، HTC من digestate يحتاج إلى أن يقوم في أقرب وقت ممكن، ويفضل في نفس اليوم الذي يتم إزالة digestate. خلاف ذلك، فإن digestate يبدأ مهينة بيولوجيا، والتي ليست مواتية لHTC. كما HTC هو درجة حرارة عالية (200-260 ° C)، وارتفاع ضغط العملية (20-50 بار)، اتخاذ الاحتياطات اللازمة في جميع أنحاء الداخلي HTC مهم جدا. ويتم فحص جميع التوصيلات مرة واحدة في الشهر على الأقل للتأكد من أنها هي الغاز محكم. السائل عملية HTC لديها تركيز أعلى من فورفورال، 5-HMF، والفينول المشتركmpounds، والتي تصنف على أنها المواد السامة. لذلك، فمن المستحسن استخدام قناع الوجه والقفازات أثناء التعامل مع عملية HTC السائل، وخصوصا عندما ينضب عملية HTC الخمور من السفينة المفاعل إلى حاوية أخرى. على الرغم من HTC لديها العديد من المزايا للتعامل مع المواد الخام الرطب مثل digestate، فإنه لا يزال عملية دفعية. في تقييم الاقتصادي، وسوف عملية دفعة HTC يكون من الصعب تبرير. وبالتالي تحتاج إلى مزيد من البحث لتسهيل عملية مستمرة من HTC.
تحليل العناصر هو وسيلة فعالة لركائز صلبة متجانسة، ولكن ليس لركائز غير المتجانسة. الوقود الحيوي الصلب عادة ما يكون غير متجانسة وعنصري محلل يسمح فقط 5-10 ملغ من حجم العينة، فمن المستحسن لأداء لا يقل عن ثلاثة مكررات واستخدام متوسط. قيود أخرى من تحليل العناصر وقياس ركائز متينة مع الرماد عالية. تحليل عنصري قياس فقط CHONS، وليس غير العضوي وغيرها. لذلك، تحليل العناصر من الرماد عالية ركائز صلبة قد لا صeveal تركيزات CHONS الفعلية. إعداد العينات في تحليل العناصر أمر حيوي، كما يحتاج عينة أن تكون ملفوفة على وجه التحديد، وإلا سيكون هناك عدم تناسق في التحليلات. ويمكن تقدير قيمة الوقود من الوقود الصلب من CHONS، ولكن من المستحسن استخدام المسعر قنبلة دقيقة لتحديد قيمة الوقود.
تم إنتاج حوالي 92-161 L من غاز الميثان لكل كيلوغرام من المتطايرة الصلبة في الأعلاف. بلغ مجموع صلبة أو العضوية المتطايرة الصلبة من قش القمح الجافة 86.9٪. digestate الجافة لديه أقل من الأوكسجين والهيدروجين تركيز الذرية، والذي هو مؤشر آخر على تدهور السكريات وتدهور سكر بسيط أثناء عملية الهضم اللاهوائي 22،23. وعلاوة على ذلك، وانخفاض H، O وزيادة تركيزات HHV من digestate 24. HHV من digestate الجافة أعلى 22٪ من المواد الأولية الخام الجافة. ويتم الحصول على نتائج مماثلة مع تحليل إحصائي مفصل من قبل بول وآخرون 23.
Digestates من الهضم اللاهوائي يحتوي على 80-90٪ ماء 6. هذه هي ماء والماء لا بد جزئيا في الخلايا الميكروبية أو النباتية. باعتباره نتيجة نزح المياه أو تجفيف digestates مرهقة والطاقة مكثفة جدا. على سبيل المثال، 2 كيلو من digestate الجافة يربط 8 كجم من الماء (80٪ الرطب)، الأمر الذي يتطلب 20.7 MJ الحرارة لتجف digestate. وعلاوة على ذلك، فإنه يميل إلى الحيوي تتحلل بسرعة نسبيا في الظروف المحيطة، ويفقد المغذيات النباتية، ويطلق غازات الدفيئة (غازات الدفيئة) الانبعاثات مثل N 2 O CH 4 و. لذلك، على الرغم من إمكانات الطاقة العالي، digestate جديدة لا يمكن استخدامها مباشرة كوقود صلب. فإنه بحاجة إلى أن تجفف مباشرة بعد عملية الهضم 20.
من الجدول رقم 1، فإنه يمكن أن تظهر أن digestate الجافة يحتوي على نسبة الكربون ذرية مماثلة من القش الخام، وأنها تشبه بصريا قبل وبعد عملية الهضم اللاهوائي (الشكل 6). هذا يشير إلى أن اللجنين ومرصع اللجنين السليلوزوغير المتفاعل في الغالب. ومع ذلك، فإن العائد كتلة من 63٪ لاحظت، وهذا يعني معالجة القش هو أخف 37٪ من القش الخام الجافة. تركيز عنصري الكربون مماثلة وقعت لا يعني الكربنة خلال الهضم اللاهوائي 22. كما هو مبين في الشكل 7، الفحم النباتي من HTC digestate (حرارة) مستقرة جدا وناعمة. بسبب الزيادة الكبيرة في للا مائية، فإنه يمكن أن يغرق حرفيا في الماء لمدة أشهر من دون بنية الفيزيائية والكيميائية تتأثر 12،25. وللا مائية كما يعزز نزح المياه من HTC الفحم النباتي 14. هيكل القش ليس ملحوظ في الفحم النباتي HTC بعد الآن، مما يعني أن السليلوز قد تم رد فعل. ويلاحظ وجود الكربنة كبيرة في HTC الفحم النباتي جنبا إلى جنب مع الحد من الأكسجين الذري. هذا هو دليل آخر على السليلوز يجري رد فعل بدلا من اللجنين. تركيز الكربون الذري في اللجنين هو أعلى بكثير من السليلوز 24-29. نتيجة، HTC biochع لديه HHV من 29.6 إم جي / كيلوغرام، والتي هي أعلى 61٪ من القش الخام وارتفاع 32٪ من digestate الجافة، على التوالي.
HHV من HTC المصنعة من القش هو 28.8 إم جي / كيلوغرام، والذي هو أيضا مماثلة لتلك التي من HTC المصنعة digestate القش (29.6 إم جي / كيلوغرام). ومع ذلك، العائد الشامل هو أعلى 40.7٪ في HTC القش من ذلك من HTC digestate مقارنة مع المواد الأولية الخام. ونتيجة لذلك، إذا 1 كجم من القش الخام (18.4 MJ) ومتفحمة المياه الحارة، وسوف HTC الفحم النباتي من القش لديها القدرة على 11.0 MJ. خلاف ذلك، إذا تم تطبيق نفس المبلغ لم وHTC، ما مجموعه 13.2 MJ الطاقة الحيوية، في أشكال biomethane (5.2 MJ) والفحم النباتي من HTC digestate (8.0 MJ)، يمكن أن تنتج (الشكل 8). أيضا، الطور السائل من عملية عنك هو السماد السائل المحتملة. علاوة على ذلك، HTC الفحم النباتي قد تنطوي على إمكانات أعلى على قيمة عالية استخدام المواد أو يستعمل مثل التعديل التربة. لنقطة تنحية الكربون أو دورة الكربون نظر، واستخدام مواد من HTC الفحم النباتي هو اجدى أن إنتاج الطاقة. </ ع>
الهضم اللاهوائي جنبا إلى جنب مع الكربنة الحرارية المائية يمكن أن تسفر عن مزيد من الطاقة الحيوية من العمليات الفردية. ومع ذلك، هناك حاجة إلى تصميم تتالي لتحسين الكفاءة. توازن الطاقة الإجمالية، تليها تقييم الاقتصادي، مطلوب للتحقق من صحة هذه العملية. وينبغي أن تشمل الأبحاث المستقبلية استخدام HTC الخمور وبعد العلاج (الكيميائي أو البيولوجي) من HTC الفحم النباتي. أيضا، سوف تكون هناك حاجة إلى أتمتة كلا النظامين HTC عنك و. وقد أجريت هذه الدراسة على استخدام عنك المختبر على نطاق ومفاعل HTC، ولكن على نطاق والمتابعة للعملية يكون من الضروري إذا كانت العملية أن يكون تجاريا.
The authors have nothing to disclose.
This research was supported by the German Federal Ministry of Research and Education to Project Management Julich (PtJ). The authors thank Mr. Ulf Lüder, for technical support in the biochar laboratory. The authors are also thankful to Ms. Maria Sanchez, and Mr. Jonas Nekat for their volunteer activities in the biogas, and analytical laboratory, respectively. Marcel Schmidt and Antje Schmidt are also acknowledged for their valuable efforts on videography and editing.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
UASS reactor | Patented design | ||
Weighing machine | KERN | 440-55N | 0.2 g precision |
Biofilm carrier | RVT Process Equipment GmbH, Germany | Bioflow 40 | Establish 305 m2/m3 |
Heating bath | Lauda-Konigshofen, Germany | Lauda Ecoline 011 | Ensure mesophilic and thermophilic temperature |
Recirculation pump | Heidolph pumpdrive | 5201 | |
Wheat straw | Dittmannsdorfer Milch GmbH, Germany | 5-65 mm length | |
Biogas analyzer | Pronova, Germany | SSM 6000 | |
Gas meter | Ritter, Germany | Drum type | |
Process parameters | Mettler, Toledo, USA | InPro 4260 | Online |
HTC reactor | Parr instrument, Moline, IL, USA | Parr 4555 | 5 gallon volume |
HTC Temperature controller | Parr instrument, IL, USA | 4848 | K type thermocouple |
Weighing machine | KERN FKB | 0.1g precision | |
Heating system | Parr | A1600EEE | Band heater, 2 °C min-1 |
Software | SpecView | 32849 | Digital monitoring and programming interface |
Catalyst | Tungsten (VI) oxide | Elemental analyzer | |
Weighing machine | Mettler Toledo | SN-1128123281 | Precision 1 µg |
Sample pan | Elemental Analyssystem GmbH | Tin (Sn) 6x6x12 mm pan | Elemental analysis |
Drying oven | Binder GmbH, Germany | FP 115 | 105 oC oven |
Elemental analyzer | Vario | EL III | CHNS analyzer |