Ein Roman Upflow Anaerobe Solid State (Fachhochschulen) Reaktor wurde für die Biogasproduktion aus Faserausgangsstoffe verwendet. Gärresten aus Fachhochschulen Reaktor wurde hydrothermal in HTC Biokohle in einem Druck Batch-Reaktor verkohlt. Die Integration der beiden Bioenergie-Konzepte wurde in dieser Studie angewendet, um die Gesamt Bioenergie-Produktion zu erhöhen.
Lignocellulose-Biomasse ist eine der am häufigsten vorkommenden noch nicht ausgelastet erneuerbarer Energiequellen. Sowohl die anaerobe Vergärung (AD) und hydrothermale Carbonisierung (HTC) sind vielversprechende Technologien für die Produktion von Bioenergie aus Biomasse in Form von Biogas und Biokohle HTC sind. In dieser Studie wird die Kombination von AD und HTC vorgeschlagen, um die Gesamt Bioenergie-Produktion zu erhöhen. Weizenstroh wurde anaerob in einem Roman Upflow anaeroben Festkörper-Reaktor (Fachhochschulen) in beiden mesophilen (37 ° C) und thermophilen (55 ° C) Bedingungen verdaut. Wet aus thermophilen AD verdaut wurde hydrothermal bei 230 ° C für 6 Stunden für HTC Biokohle Produktion verkohlt. Bei thermophilen Temperatur ergibt die Fachhochschulen System durchschnittlich 165 L CH4 / kg VS (VS: flüchtige Feststoffe) und 121 L CH4 / kg VS bei mesophilen AD über den kontinuierlichen Betrieb von 200 Tagen. Inzwischen 43,4 g HTC Biokohle mit 29,6 MJ / kg dry_biochar war obtvon HTC von 1 kg Gärrest (Trockenmasse) aus mesophilen AD ained. Die Kombination von AD und HTC, in diesem bestimmten Satz von Experiment ergeben 13,2 MJ Energie pro 1 kg Trockenweizenstroh, die mindestens 20% höher als HTC allein und 60,2% höher als nur AD ist.
Die Suche nach erneuerbaren und nachhaltigen Energiequellen sind wichtige Anliegen in der Welt der Energiesektor. Kürzlich berichteten die Vereinten Nationen, dass bis zu 77% des weltweiten Energie im Jahr 2050 aus erneuerbaren Quellen 1 zu erwarten. Lignocellulose-Biomasse wie Stroh, Gräser, Reisschalen, Maiskolben haben keine Konflikte mit der Nahrung gegen Kraftstoff-Thema. Darüber hinaus ist die Biomasse wahrscheinlich die einzige erneuerbare Energiequelle mit Vollkarbon, im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Wind, Sonne, Wasser und 2. Allerdings Handlingeigenschaften, geringere Schüttdichte, hohem Aschegehalt und niedrigeren Energiegehalt behindern den Einsatz von Lignocellulose-Biomasse für die Energieproduktion 2.
Anaerobe Vergärung (AD) ist eines der Paradebeispiele für die Herstellung von Bioenergie aus Abfall-Biomasse. 3 In der Regel gibt es vier Abbauschritte sind in der anaeroben Vergärung, wie in Abbildung 1 gezeigt 4 </sup>. In den ersten drei aufeinanderfolgenden Schritten werden die Polysaccharide der Biomasse in organische Säuren überführt. Im letzten Schritt, methanogenen Organismen produzieren Biomethan. Traditionelle AD ist eine Zeit und Energie raubender Prozess. Die kontinuierliche Rühren reduziert die Gesamtökonomie AD, insbesondere für AD von Lignocellulose-Biomasse. Ein Roman Upflow anaeroben Festkörper-(Fachhochschulen)-Reaktor das Potenzial, die genannten Mängel (Abbildung 2) 4 überwunden hat. Spontane Fest-Flüssig-Trennungen ist einer der wesentlichen Vorteile der Fachhochschulen, da die entworfene erleichtert Biogasblasen um nicht umgesetzte feste Rückstände nach oben 5 zu heben. Das die Verwendung von Rührer zu beseitigen und reduziert den Verbrauch von Vor-Ort-Leistung daher. Darüber hinaus gewährleistet Flüssigkeitskreis Verteilung der Mikroorganismen und Stoffwechselprodukte in der gesamten Reaktor sowie 5. Im Vergleich zu festen Biobrennstoffen ist Biogas einfacher zu handhaben und lässt wenig oder keine Rückstände. In der Tat, die spezifische EnergiedichteBiogas ist mehrfach höhere Rohstoff Biomasse 4. Allerdings AD begünstigt einfachen Polysacchariden wie Stärke, Fettsäuren, und Hemicellulose ein. Als Ergebnis, Cellulose und Lignin, Hauptteil Faser Lignocellulose wie Weizenstroh, bleibt als feste Gärreste nach der AD-5. Obwohl die Biogasproduktion ist von dem Ausgangsmaterial, Art der Mikroorganismen, der Reaktionstemperatur und Reaktionszeit wird eine riesige Menge von Gärresten in der Regel produziert.
Während Biogas wird zur Energiegewinnung genutzt werden Gärreste (bis zu 90% Wasser) in der Regel in einem Gärrest-Depot, um die verbleibenden Methanemissionen zu sammeln gespeichert. Danach werden diese getrocknet und auf dem Acker verteilt, um die Bodenfruchtbarkeit und Wasserrückhaltevermögen zu verbessern. Hohe anorganische Inhalt oft behindern Gärreste direkt für Kraftstoff, als große Mengen von Schlacke könnte das Gerät 6 korrodieren. Hydrothermale Carbonisierung (HTC) ist ein thermochemische Behandlung Prozess vor allem für Nass konzipiert. Ausgangsmaterial, in der Biomasse (mit 80-90% Wasser) bis zu 200-260 ° C bei Wassersättigung Druck erhitzt und halten Sie für 0,5-6 h (Abbildung 3) 7,8 Subkritische Wasser hat die maximale Ionenprodukt bei 200 – 260 ° C, das Wasser unter diesen Bedingungen bedeutet, ist reaktiv und verhält sich wie einer milden Säure und einer milden Base gleichzeitig 9. Hemicellulose, zusammen mit anderen Inhaltsstoffe, verschlechtern um 180-200 ° C, während die Cellulose reagiert, um 220-230 ° C, und Lignin reagiert bei relativ höheren Temperaturen (> 250 º C), aber viel langsamer als Cellulose und Hemicellulose 10. Aufgrund einer erheblichen Austrocknung und Decarboxylierung, HTC Ergebnisse festes Produkt namens HTC Biokohle, mit Massenausbeute (trocken HTC Biokohle / Trockenfutter) von 40-80% Flotte, Carbonsäuren, Furan-Derivate, phenolische Substanzen und Zucker-Monomeren und 5 – 10% CO 2-reiche Gasprodukt 11. Während HTC, sind sauerstoffhaltige flüchtige Substanzen deutlichreduziert und somit Kommentar kohlenstoffreichen Feststoff. HTC Biokohle ist auch stabil, hydrophobe und brüchig zu vergleichen, um rohen Ausgangsmaterial feucht 12,13. Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften, dewateribility von HTC Biokohle erhöht mehrfach im Vergleich zu rohen Gärreste oder sogar roh Biomasse. 14-18 Darüber hinaus hat HTC Biokohle Kraftstoffwerte ähnlich wie Braunkohle Kohle 16,17. Allerdings, Cellulose und Lignin teilweise in der HTC-Umgebung 18 abzubauen.
Jetzt Hemicellulose und Cellulose in der Biomasse zu Biogas beitragen während AD, während Zellulose und Lignin meist solide HTC Biokohle 4,5 beizutragen. So kann die Kombination von AD-HTC potenziell erhöhen Bioenergie Gesamtausbeute. Hoffmann et al. Simuliert eine ähnliche Kombination, sondern mit AD und HTL (hydrothermale Verflüssigung) als AD-19 HTC. HTL ist eine gängige Methode zur Verflüssigung von Biomasse-Anteil und flüssige Produkt hat eine hohe Brennwert [43,1 MJ / kg]. Allerdings HTL requIRES sehr hohem Druck (250 bar) im Vergleich zu HTC (10-50 bar), die eine hohe Installations-und Betriebskosten als HTC bringt. Auch hier kann die Kombination Folge von AD und HTC als Wirth et al Frage gestellt werden. Kürzlich berichtet AD von HTC-Verfahren Flüssigkeit 20. Allerdings hängt eine effektive AD auf der Zuckerkonzentration in den Einsatzstoffen. Zucker in flüssiger HTC-Verfahren, bei der Hydrolyse hergestellt, die oft schnell zersetzen unterkritischen Wasser. Das ist, warum AD vor HTC ist in Sachen Bioenergie günstiger. Allerdings kann der AD HTC Prozessflüssigkeit zusätzliche Erzeugung von Bioenergie, in dem Fall wäre die Kombination Sequenz AD-HTC-AD sein.
Das Ziel der Arbeit war es, die Integration von AD und HTC Prozesse zur Produktion von Bioenergie (Abbildung 3) zu bewerten. Die Biogasproduktionspotenzial für thermophilen und mesophilen AD von Fachhochschulen Reaktor wurde bei einem Dauerbetrieb von mehr als 200 Tagen ausgewertet. Anschließend HTC Biokohle Produktion from Gärreste wurde ebenfalls untersucht. Die Masse-und Energiebilanz der kaskadierten AD-HTC wurde durchgeführt und verglichen mit den Einzelprozessen.
Fachhochschulen Reaktoren sind in der Lage, die in der Einleitung diskutiert Mängel zu mildern. Allerdings gibt es viel Raum für Verbesserungen. Feeding System und Gärgut zieh sind noch manuelle. Die Fachhochschulen System steht vor Probleme bei der Handhabung Einsatzstoffe größer als 60 mm. Das System arbeitet besser mit Fasereinsatzstoffe, wie sie in der Flüssigkeit schwimmen, aber auch andere Einsatzstoffe wie Gülle und Klärschlamm den Fachhochschulen System nicht begünstigen könnten. Die UASs System derart, daß die Prozeßflüssigkeit zirkuliert von Reaktor zu Reaktor wieder AF ausgebildet ist. Allerdings wurde auch 2-5% Feststoff in der zirkulierenden Flüssigkeit als problematisch erwiesen, da sie hinter im AF oder Sperrung der Rohreingang und Flüssigkeitszirkulation behindern. Die chemische Analyse der Prozessflüssigkeit ist wichtig, da die Produktion von freien Fettsäuren und Stickstoff können die mikrobiellen System was untypisch Biogasproduktion ändern. Die Fachhochschulen System ist robust und kann mehr als 200 Tagen ohne irgendwelche significa laufennt Probleme. Die Rohre Verbindung von Pumpen, Reaktoren AFS müssen jeden Monat Alternative ersetzt werden. Der Wasserstand im Wasserbad muss wöchentlich überprüft und gegebenenfalls nachgefüllt werden.
HTC nasser Gärrest ist sehr effektiv für die Abfallbehandlung sowie die Herstellung von festen Biokraftstoff. Die dewateribility des festen Produktes wird auch von der HTC-Verfahren, wie in der Abbildung 7 dargestellt erleichtert werden., HTC Gärreste muss jedoch vorzugsweise noch am selben Tag, dass der Gärrest entfernt wird so bald wie möglich durchgeführt werden. Andernfalls startet der Gärreste biologisch abbau, was nicht günstig für HTC. Wie HTC ist ein hoher Temperatur (200-260 ° C) und hohem Druck (20-50 bar) Prozess, bei notwendigen Vorsichtsmaßnahmen während des HTC Verfahren ist sehr wichtig. Alle Anschlüsse befinden sich mindestens einmal im Monat, um sicherzustellen, dass sie gasdicht sind, überprüft. HTC Prozessflüssigkeit eine höhere Konzentration an Furfural, 5-HMF und Phenol Compounds, die als Giftstoffe bewertet werden. Also, ist es empfehlenswert, eine Gesichtsmaske und Handschuhe verwenden beim Umgang mit HTC-Verfahren Flüssigkeit, besonders wenn HTC-Verfahren Lauge aus Reaktorbehälter in einen anderen Behälter abgelassen. Obwohl HTC hat viele Vorteile für nassen Rohstoff wie Gärreste, ist es noch ein Batch-Prozess. In einem wirtschaftlichen Bewertung wird HTC Batch-Verfahren schwer zu rechtfertigen sein. Somit ist mehr Forschung erforderlich, um den Dauerbetrieb von HTC zu erleichtern.
Elementaranalyse ist ein effektives Verfahren für die homogene feste Substrate, nicht aber für heterogene Substraten. Als feste Biokraftstoff ist in der Regel heterogenen und Elementaranalyse erlaubt nur 5-10 mg Probengröße, empfiehlt es sich, mindestens drei Wiederholungen und Nutzung Durchschnitt durchzuführen. Eine weitere Einschränkung der Elementaranalyse ist die Messung von festen Substraten mit hohem Aschegehalt. Elemental Analysatoren messen CHONS und keine anderen anorganischen Stoffen. Also, Elementaranalyse des hohen Asche festen Substraten vielleicht nicht reveal die tatsächlichen Konzentrationen CHONS. Probenvorbereitung in der Elementaranalyse ist von entscheidender Bedeutung, als Probe genau eingewickelt werden, sonst wird es eine Inkonsistenz in Analysen werden muss. Brennwert des Feststoff aus CHONS geschätzt werden, aber es wird empfohlen, einen Bomben-Kalorimeter für präzise Kraftstoffwertbestimmung zu verwenden.
Über 92 bis 161 l Methan pro Kilogramm flüchtigen Feststoff in Futtermitteln. Der flüchtige festen oder organischen Gesamtfest der trockenen Weizenstroh war 86,9%. Trocken Gärreste hat niedrigere atomarem Sauerstoff und Wasserstoff-Konzentration, die ein weiteres Indiz für Abbau von Polysacchariden und einfachen Zucker Abbau während der anaeroben Vergärung 22,23 ist. Außerdem unteren H und O-Konzentrationen erhöhen die HHV der Gärreste 24. HHV von trockenen Gärrest ist 22% höher als trocken rohen Ausgangsmaterial. Ähnliche Ergebnisse werden mit einer detaillierten statistischen Analyse von Pohl et al 23 erhalten.
Gärgut aus der anaeroben Vergärung enthält 80-90% Wasser 6. Dies sind hydrophil und Wasser teilweise in mikrobiellen oder pflanzlichen Zellen gebunden. Als ein Ergebnis Entwässerung oder Trocknung von Gärrest ist umständlich und sehr energieintensiv. Zum Beispiel, 2 kg Trocken Gärreste bindet 8 kg Wasser (80% nass), die 20,7 MJ erfordert von Wärme, um Gärreste zu trocknen. Darüber hinaus, um biologisch degradieren neigt es relativ schnell unter Umgebungsbedingungen verliert Pflanzennährstoffen und Mitteilungen THG (Treibhausgas-Emissionen), wie N 2 O und CH 4. Also, trotz höherer Energiepotenzial, frische Gärreste können nicht direkt als fester Brennstoff verwendet werden. Es müssen direkt nach der Verdauung 20 getrocknet werden.
Aus Tabelle 1 kann gezeigt werden, dass die Trocken Gärrest hat einen ähnlichen Atomkohlenstoffgehalt als Ausgangs Stroh, und sie optisch ähnlich vor und nach der anaeroben Vergärung (Abbildung 6). Dies deutet darauf hin, dass Lignin und Lignin-Cellulose-verkrustetemeist unreagiert. Doch eine Massenausbeute von 63% beobachtet, was bedeutet, das verarbeitete Stroh ist 37% leichter als trockene Rohstoffe Stroh. Ähnliche elementaren Kohlenstoffkonzentration bedeutet, dass keine Verkohlung während der anaeroben Vergärung 22 aufgetreten. Wie in 7 gezeigt, ist HTC Biokohle aus Gärrest (thermophil) sehr stabil und weich. Wegen der erheblichen Zunahme der Hydrophobie, kann es buchstäblich ins Wasser tauchen seit Monaten ohne seine physikalischen und chemischen Struktur beeinträchtigt 12,25. Die Hydrophobie verbessert auch die Entwässerung von HTC Biokohle 14. Struktur des Strohs ist nicht erkennbar in der HTC Biokohle mehr, was bedeutet, dass Zellulose könnte umgesetzt worden. Eine signifikante Karbonisierung in HTC Pflanzenkohle zusammen mit der Verringerung der atomaren Sauerstoff beobachtet. Dies ist ein weiterer Hinweis auf Zellulose ist Lignin nicht reagiert. Atomaren Kohlenstoffkonzentration in Lignin ist viel höher als die von Zellstoff 24-29. Als Ergebnis HTC biochar hat eine HHV von 29,6 MJ / kg, die 61% höher als Roh-Stroh und 32% höher als trocken Gärreste bzw. sind.
HHV von HTC verarbeitete Stroh beträgt 28,8 MJ / kg, die auch ähnlich zu der HTC verarbeitete Stroh Gärrest (29,6 MJ / kg) ist. Allerdings ist Massenausbeute in HTC Stroh 40,7% höher als die von HTC mit Gärresten im Vergleich zu rohen Ausgangsmaterial. Als Ergebnis, wenn 1 kg rohe Stroh (18,4 MJ) hydrothermal verkohlt, HTC Stroh Biokohle wird das Potenzial von 11,0 MJ. Andernfalls, wenn dieselbe Menge an AD und HTC, insgesamt 13,2 MJ Bioenergie angewendet wird, in Form von Bio-Erdgas (5,2 MJ) und HTC Biokohle aus Gärrest (8,0 MJ), kann (Abbildung 8) hergestellt werden. Auch ist Flüssigphase des UASs Verfahren ein Potential Flüssigdünger. Darüber hinaus könnte HTC Biokohle höheres Potenzial auf hochwertige Materialeinsatz haben oder die Verwendung als Bodenverbesserung. Für die Kohlenstoffbindung oder Kohlenstoffkreislauf Sicht ist stoffliche Nutzung von Biokohle HTC mehr möglich, dass Energieproduktion. </ P>
Anaerobe Vergärung in Kombination mit hydrothermalen Karbonisierung können mehr Bioenergie als die einzelnen Prozesse ergeben. Jedoch wird eine kaskadierte Design für eine bessere Effizienz benötigt. Die Gesamtenergiebilanz, gefolgt von einer wirtschaftlichen Bewertung, ist erforderlich, um diesen Prozess zu validieren. Zukünftige Forschung sollte gehören der Einsatz von HTC Schnaps und nach der Behandlung (chemisch oder biologisch) von HTC-Biokohle. Außerdem werden sowohl die Automatisierung der UASs und HTC Systeme benötigt werden. Diese Studie wurde auf der Verwendung eines Labormaßstab Fachhochschulen und HTC-Reaktor durchgeführt, aber Scale-up des Prozesses notwendig wäre, wenn das Verfahren kommerzialisiert werden.
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 |