Роман с восходящим потоком Анаэробные государства (БАС) реактор Твердое вещество используется для производства биогаза из волокнистого сырья. Дигестата от UASs реактора гидротермальной обугленные в HTC биоугля в реакторе под давлением. Интеграция двух биоэнергетических понятий был применен в данном исследовании для повышения общей производства биоэнергии.
Лигноцеллюлозной биомассы является одним из наиболее распространенных еще недостаточно используемых возобновляемых энергоресурсов. Оба анаэробного сбраживания (AD) и гидротермальный коксования (HTC) являются перспективными технологиями для производства биоэнергии из биомассы с точки зрения биогаза и HTC биоугля соответственно. В этом исследовании, сочетание БА и HTC предлагается увеличить общую производства биоэнергии. Солому пшеницы в анаэробных переваривается в романе с восходящим потоком анаэробного твердотельный реактора (БАС) в обоих мезофильных (37 ° С) и термофильных (55 ° C) условиях. Влажный переваривают с термофильных AD подвергали гидротермальной карбонизации при 230 ° С в течение 6 часов для производства HTC биоугля. В термофильных температуры, система UASs дает в среднем 165 л / кг CH4 VS (VS: летучих твердых частиц) и 121 л / кг CH4 VS в мезофильных AD над непрерывной работы 200 дней. Между тем, 43,4 г HTC биоугля с 29,6 МДж / кг dry_biochar был ОБТained от HTC 1 кг дигестата (на сухое вещество) от мезофильных нашей эры. Сочетание БА и HTC, в данном конкретном наборе эксперименте выход 13,2 МДж энергии на 1 кг сухой пшеничной соломы, которая по меньшей мере на 20% выше, чем только HTC и 60,2% выше, чем только н.
Нахождение возобновляемых и устойчивых источников энергии являются основными проблемами в энергетическом секторе в мире. Недавно, сообщает ООН, что до 77% энергии в мире в 2050 году, как ожидается из возобновляемых источников 1. Лигноцеллюлозной биомассы, таких как солома, травы, рисовая шелуха, кукурузные початки не имеют конфликтов с едой против выпуска топлива. Кроме того, биомасса, пожалуй, единственный возобновляемый источник энергии с конструкционной углеродистой, по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии, такие как ветер, солнечная энергия, и воды 2. Тем не менее, характеристики управляемости, ниже насыпная плотность, высокое содержание золы, и низкое содержание энергии препятствуют использованию лигноцеллюлозной биомассы для производства энергии 2.
Анаэробные пищеварения (AD) является одним из главных примеров производства биоэнергии из отходов биомассы. 3 В общем, есть четыре шага деградации привлечь к анаэробного сбраживания, как показано на рисунке 1 4 </suр>. В первых трех последовательных стадий, полисахариды биомассы преобразуются в органические кислоты. На заключительном этапе, метаногенные организмы производят биометан. Традиционный АД является время и энергию трудоемкий процесс. Непрерывное перемешивание снижает общие экономические показатели нашей эры, особенно для нашей эры лигноцеллюлозной биомассы. Роман восходящим потоком анаэробная твердотельный (БАС) реактор имеет потенциал, чтобы преодолеть указанные недостатки (рис. 2) 4. Спонтанные твердое тело-жидкость разделения является одним из значительных преимуществ UASs, так как предназначен облегчает биогаза пузыри, чтобы поднять непрореагировавшие твердые остатки вверх 5. Это исключить использование мешалкой и поэтому снижает потребление на месте власти. Кроме того, циркуляция жидкости обеспечивает распределение микроорганизмов и метаболитов по всему реактору, а также 5. По сравнению с твердого биотоплива, биогаза проще в обращении, и оставляет мало или без остатка. В самом деле, удельная плотность энергиибиогаза в несколько раз выше сырой биомассы 4. Тем не менее, AD способствует простые полисахариды, такие как крахмал, жирные кислоты, и гемицеллюлозы 1. В результате, целлюлозы, лигнина и, большая часть волокнистых лигноцеллюлозных биомассы, таких как пшеничная солома, остается в виде твердого вещества дигестата после 5 н. Хотя, производство биогаза зависит от сырья, типа микроорганизмов, температуры реакции и времени реакции, огромное количество дигестата обычно получают.
В то время как биогаз используется для получения энергии, digestates (до 90% воды), как правило, хранится в ферментации вычетов-депо для сбора оставшихся выбросов метана. После этого они сушат и выкладывать на пахотных землях для улучшения плодородия почв и способности удерживать влагу. Высокая неорганическая содержание зачастую препятствуют дигестата непосредственно в качестве топлива, а большие количества шлака может разъедать оборудование 6. Гидротермальные коксования (HTC) является термохимической процесс лечения разработан специально для мокрой. сырье, где биомасса (с 80-90% воды) нагревают до 200-260 ° С при давлении насыщения воды и удерживайте в течение 0,5-6 ч (рис. 3) 7,8 Докритический вода имеет максимальную ионное произведение при 200 – 260 ° C, что означает воду при этих условиях реактивной и ведет себя как слабой кислотой и одновременно 9 слабым основанием. Гемицеллюлоза, наряду с другими экстрактивных веществ, ухудшают вокруг 180-200 ° С, в то время как целлюлоза реагирует вокруг 220-230 ° С, и лигнин реагирует при относительно высокой температуре (> 250 ° С), но значительно медленнее, чем целлюлозы и гемицеллюлозы 10. Из-за значительной дегидратации и декарбоксилирования, HTC результаты твердый продукт под названием HTC биоуголь, с массовым выходом (сухой HTC биоуголь / сухого корма) на 40-80%, жидкости, содержащей карбоновые кислоты, производные фурана, фенольные вещества и сахара, а также мономеры, 5 – 10% СО 2 богатая газообразный продукт 11. В HTC, кислородсодержащие летучие вещества значительноуменьшается, и, таким образом, оставить богатый углеродом твердого продукта. HTC биоуголь также стабильна, гидрофобными, и рыхлая по сравнению с сырой влажный сырья 12,13. Благодаря своим гидрофобными свойствами, dewateribility из HTC биоугля возрастает в несколько раз по сравнению с сырой дигестата или даже сырой биомассы. 14-18 Кроме того, HTC биоуголь имеет значения топливо, подобные бурого угля 16,17. Тем не менее, целлюлозы и лигнина частично разрушаться в HTC среды 18.
Теперь гемицеллюлоза и целлюлоза в биомассе способствовать биогаза при болезни Альцгеймера, в то время как целлюлоза и лигнин в основном способствовать твердой HTC биоугля 4,5. Таким образом, сочетание AD-HTC может потенциально увеличить общий выход биоэнергии. Гофман и др.. Моделировали подобную комбинацию, но с использованием AD и HTL (гидротермальные сжижения), а не AD-HTC 19. HTL является распространенным методом сжижения долю биомассы и жидкий продукт имеет высокое значение топлива [43,1 МДж / кг]. Тем не менее, HTL RequIRES очень высоким давлением (250 бар) по сравнению с HTC (10-50 бар), что подразумевает высокий установку и эксплуатационные расходы, чем HTC. Опять же, сочетание последовательность нашей эры и HTC может быть допрошен в качестве Вирт и др.. Недавно сообщила AD технологического HTC жидкости 20. Однако эффективная AD зависит от концентрации сахара в сырье. Сахар в процессе HTC жидкости, производимые в процессе гидролиза, часто быстро разлагаться под субкритической воды. Вот почему н.э. до HTC является более благоприятным с точки зрения биоэнергетики. Тем не менее, А. Д. технологического HTC жидкости может производить дополнительную биоэнергетики, и в этом случае, последовательность комбинация будет AD-HTC-АД.
Целью работы было оценить интеграцию AD и HTC процессов для производства биоэнергии (рис. 3). Производственный потенциал биогаза для теплолюбивых и мезофильных н.э. из UASs реактора оценивали при непрерывной работе более чем 200 дней. Впоследствии производство HTC биоуголь ером брожения также изучалась. Баланс массы и энергии из каскадной AD-HTC была проведена и по сравнению с отдельными процессами.
UASs реакторы способны смягчить недостатки, описанные в введения. Однако, есть много возможностей для улучшения. Система откорма и брожения снятия по-прежнему ручной. Система UASs сталкивается с проблемами обработку сырья больше, чем 60 мм. Система работает лучше с волокнистых сырья, поскольку они плавают по жидкости, но и другие виды сырья, как навоза и ила, возможно, не в пользу системы UASs. Система UASs сконструирован таким образом, что процесс раствор циркулирует от реактора к М в реактор снова. Тем не менее, даже 2-5% твердых веществ в циркулирующей жидкости было доказано, что проблематично, так как они на хранение в AF или блокировать вход в трубы и препятствовать циркуляции жидкости. Химический анализ технологической жидкости важно, так как производство свободных жирных кислот и азота можете изменить микробную систему, что приводит к нехарактерной производства биогаза. Система UASs является надежной, и может работать более 200 дней, не проявляя significaнт проблемы. Трубы, соединяющие с насосами для реакторов АФН должны быть заменены каждый альтернативой месяц. Уровень воды в водяной бане должен быть проверен на еженедельной основе и пополнен при необходимости.
HTC мокрого дигестата является очень эффективным для переработки отходов, а также по производству твердого биотоплива. Dewateribility твердого продукта также будет способствовать процессу HTC, как показано на рисунке 7. Тем не менее, HTC от дигестата должна быть выполнена как можно скорее, предпочтительно в тот же день, что брожения удаляется. В противном случае, брожения начинается ухудшения биологически, которые не благоприятен для HTC. Как HTC является высокая температура (200-260 ° С) и под высоким давлением (20-50 бар) процесс, принимая необходимые меры предосторожности в течение всей процедуры HTC является очень важным. Все соединения проверяются не реже одного раза в месяц, чтобы убедиться, что они утечки газа. HTC жидкость процесс имеет более высокую концентрацию фурфурола, 5-HMF и фенольных COmpounds, которые оцениваются как токсикантов. Так, рекомендуется использовать маску и перчатки лица при обращении процесса HTC жидкости, особенно когда процесс HTC раствор сливают из реактора в другой контейнер. Хотя HTC имеет много преимуществ для обработки мокрой сырья как дигестата, он по-прежнему периодическим процессом. В экономической оценки, HTC периодический процесс будет трудно оправдать. Необходимы дополнительные исследования, таким образом, требуется, чтобы облегчить непрерывное функционирование HTC.
Элементарный анализ является эффективным методом для однородных твердых подложках, но не для гетерогенных субстратов. Как твердое биотопливо, как правило, неоднородны и элементный анализатор позволяет только 5-10 мг размера выборки, рекомендуется выполнить по крайней мере три повторов и использовать среднее значение. Другим ограничением элементного анализа является измерение твердых субстратов с высоким содержанием золы. Элементные анализаторы только не измерить Чонс, и никакие другие неорганические вещества. Так, элементный анализ высокого золы твердых подложках не могли бы гeveal фактических концентраций Чонс. Подготовка образца в элементного анализа является жизненно важным, так как образец должен быть обернут точно, в противном случае, будет несоответствие в анализах. Значение топлива твердого топлива можно оценить по Чонс, но рекомендуется использовать бомбы калориметр для определения точного топлива значение.
О 92-161 л метана был произведен на килограмм летучих твердых веществ в сырье. Летучий твердый или органическое всего твердого сухого пшеничной соломы было 86,9%. Сухой брожения имеет более низкую атомную концентрацию кислорода и водорода, которая является еще одним свидетельством деградации полисахаридов и простой деградации сахара во время анаэробного сбраживания 22,23. Кроме того, ниже H и O концентрации увеличить ВТС о дигестата 24. ВТС сухого дигестата 22% выше, чем сухого исходного сырья. Аналогичные результаты были получены с подробным статистического анализа по Pohl и др. 23.
Digestates от анаэробного сбраживания содержит 80-90% воды 6. Эти гидрофильные и вода частично связаны в микробных или растительных клеток. В результате обезвоживания или сушка digestates является громоздкой и очень энергоемким. Например, 2 кг сухого дигестата связывается 8 кг воды (80% влажный), которая требует 20,7 МДж тепла, чтобы высушить дигестата. Более того, она стремится к био-деграде относительно быстро в условиях окружающей среды, теряет питательные вещества для растений, и релизы ПГ (парниковых газов) выбросов, такие как N 2 O и CH 4. Таким образом, несмотря на более высокой потенциальной энергии, свежий брожения не может быть использован непосредственно в качестве твердого топлива. Это должны быть сушат сразу после пищеварения 20.
Из таблицы 1 можно показать, что сухой брожения имеет аналогичную атомную содержание углерода в качестве исходного соломы, и они визуально похожи до и после анаэробное сбраживание (рис. 6). Это предполагает, что лигнин и лигнин инкрустированных целлюлозав основном непрореагировавший. Тем не менее, массовый выход 63% наблюдалось, то есть обработанный соломы на 37% легче, чем сухой целлюлозы соломы. Похожие элементный концентрация углерода в коем случае не карбонизации не произошло во время анаэробного сбраживания 22. Как показано на рисунке 7, HTC биоуголь от дигестата (термофильные) является очень стабильным и мягким. Из-за значительного увеличения гидрофобности, он может буквально погрузиться в воду в течение нескольких месяцев без его физической и химической структуры под воздействием 12,25. Гидрофобность также повышает обезвоживание HTC биоугля 14. Структура соломы не различимы в HTC биоугля больше, это означает, что целлюлоза может быть превращена. Значительное карбонизации наблюдается в HTC биоугля вместе с уменьшением атомарного кислорода. Это является еще одним свидетельством целлюлозы взаимодействовать, а не лигнина. Атомной концентрации углерода в лигнина гораздо выше, чем у целлюлозы 24-29. В результате, HTC Biochар имеет ВТС 29,6 МДж / кг, которые являются 61% выше, чем сырой соломы и 32% выше, чем сухого дигестата соответственно.
HHV из HTC обработанной соломы 28,8 МДж / кг, который также аналогичен HTC обработанной соломы дигестата (29,6 МДж / кг). Тем не менее, массовый выход в HTC соломы 40,7% выше, чем у HTC дигестата с по сравнению с исходного сырья. В результате, если 1 кг сырого соломы (18,4 МДж) гидротермически обугленные, HTC соломы биоуголь будет иметь потенциал 11,0 МДж. В противном случае, если же сумма применяется к нашей эры и HTC, общей 13,2 МДж биоэнергетики, в формах биометане (5.2 МДж) и HTC биоугля из бродильного субстрата (8,0 МДж), могут быть получены (рис. 8). Кроме того, жидкая фаза процесса UASs является потенциальным жидких удобрений. Кроме того, HTC биоуголь могут иметь более высокий потенциал по высокой стоимости материала использования или использования в качестве удобрения для почвы. Для поглощения углерода или углеродного цикла точки зрения, материал использование HTC биоугля более реальным, что производство энергии. </ Р>
Анаэробные пищеварения в сочетании с гидротермальной карбонизации может дать больше биоэнергии, чем отдельных процессов. Тем не менее, каскадно конструкция необходима для лучшей эффективности. Общий баланс энергии, а затем экономической оценки, требуется для подтверждения этого процесса. Будущие исследования должны включать в себя использование HTC ликера и пост-обработку (химическое или биологическое) от HTC биоугля. Кроме того, автоматизация как UASs и HTC систем будет необходимо. Это исследование было проведено на использовании лабораторного масштаба UASs и HTC реактор, но масштабов процесса будет необходимо, если процесс должен быть коммерческим.
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 |