一种新型的上流式厌氧固态(无人机)反应器用于从纤维原料生产沼气。从无人机消解反应器的水热碳化成宏达生物炭在加压批式反应器。这两个生物能源的概念整合在本研究中施用,以提高整体的生物能源生产。
木质纤维素生物质是最丰富的尚未得到充分利用的可再生能源之一。这两种厌氧消化(AD)和水热碳化(HTC)是有希望的技术,从生物质生产生物能源沼气和HTC生物炭方面,分别。在这项研究中,提出了AD和宏达电的结合,以提高整体生产生物能源。小麦秸秆厌氧消化在小说中两个温(37℃)和高温(55℃)条件下上流式厌氧固态反应器(无人机)。湿从嗜热公元消化的水热碳化在230℃,6小时宏达生物炭的生产。在高温下,该无人机系统产生的平均165负CH4 /公斤的VS(VS:挥发性固体)在温公元超过200天的连续运转121负CH4 /公斤VS。同时,43.4克宏达生物炭与29.6兆焦/千克dry_biochar的是OBT从1公斤消解(以干基计)从嗜温公元宏达ained。 AD和HTC的组合,在该特定组实验的收率13.2兆焦耳的能量为每1公斤的干小麦秸秆,比单独的HTC至少高20%,比只AD高60.2%。
寻找可再生和可持续能源在世界能源领域的重大关切。最近,联合国报告说,世界能源的2050年高达77%将来自可再生能源1可以预期的。木质纤维素生物质如秸秆,草,稻壳,玉米芯与食品对燃料的问题上没有冲突。此外,生物质可能是具有结构碳的唯一的可再生能量源,相对于其他可再生能源,例如风能,太阳能和水2。然而,处理的特性,较低的堆积密度,高的灰分含量,并降低能源含量妨碍使用木质纤维素生物质的能源生产2。
厌氧消化(AD)是从废弃生物质生产生物能源的最好的例子之一。3一般来说,有四个降解步骤包括厌氧消化, 如图1 4 </suP>。在第一个3个连续步骤中,生物质的多糖转化为有机酸。在最后一步中,产甲烷微生物生产生物甲烷。传统的AD是一个时间和能源消耗的过程。在连续搅拌降低AD的整体经济,特别是对木质纤维素生物质的AD。一种新颖的上流式厌氧固态(UAS的)反应器必须克服的缺点表示( 图2)4的潜力。自发的固液分离是无人机的显著优势之一,因为设计有利于沼气气泡解除未反应的固体残渣向上5。这消除使用搅拌器,因此减少了现场电力的消耗。此外,液体循环,确保整个反应器以及5微生物及代谢产物的分布。相对于固体生物燃料,沼气是比较容易处理,并且留下很少或无残留。事实上,在特定的能量密度沼气是高出数倍生物质4。然而,AD有利于简单的多糖如淀粉,脂肪酸,和半纤维素1。作为一个结果,纤维素和木质素,纤维质木质纤维素生物质如小麦秸秆主要部分,仍然作为AD 5后的固体消解。虽然,沼气生产从原料中,类型的微生物,反应温度和反应时间而变化,大量的消化液中通常产生的。
而沼气是用于能源,消化液(高达90%的水),通常都存储在一个发酵渣堆场收集剩余的甲烷排放量。后来这些都干燥,铺在农田,提高土壤肥力和保水能力。高无机含量往往直接阻碍消化液的燃料,因为高量的矿渣可能会腐蚀设备6。水热碳化(HTC)是湿而设计的热化学处理工艺。原料,其中生物质(具有80-90%的水)被加热到200-260℃时水的饱和压力,并保持0.5-6 H( 图3),7,8亚临界水具有最大的离子产物在200 – 260℃,这意味着在这些条件下,水是反应性并表现为一个温和的酸,并同时9弱碱。半纤维素,以及其他提取物,降低周围180-200℃,而纤维素发生反应周围220-230℃,和木质素反应在相对 较高温度(> 250℃),但比纤维素和半纤维素10慢得多。由于显著脱水和脱羧,HTC结果为HTC生物炭的固体产物,用质量产率的40-80%,酒含有羧酸,呋喃衍生物,酚类物质,以及糖单体,和5(干HTC生物炭/干饲料) – 10%的CO 2气体丰富的产品11。在宏达电,含氧挥发性物质显著减少,从而留下富含碳的固体。宏达生物炭也稳定,疏水性和易碎比较原始湿润原料12,13。由于它的疏水特性,相比原消解,甚至生物质宏达生物炭的dewateribility增加了好几倍。14-18此外,宏达电生物炭具有类似于褐煤16,17燃料值。然而,纤维素和木质素部分在HTC环境18降解。
现在,半纤维素和纤维素的生物质公元期间促进沼气,而纤维素和木质素主要是促进固体宏达生物炭4,5。因此,AD-HTC的组合可能会提高整体的生物能产量。霍夫曼等人模拟了一个类似的组合,但使用AD和HTL(水热液化),而不是AD-宏达电19。 HTL是液化的生物质组分和液体产物具有高的燃烧值[43.1兆焦耳/千克]的常用方法。然而,HTL热曲IRES非常高的压力(250巴)比较宏达(10-50巴),这意味着较高的安装和运行成本比HTC的。再次,AD和宏达电的组合顺序可以被质疑为维尔特等人的宏达工艺液体20最近报道的AD。然而,一个有效的AD依赖于糖浓度的原料。糖在HTC的工艺液体,水解过程中产生的,往往是在亚临界水中迅速降解。这就是为什么公元HTC之前是在生物能源方面更有利。然而,HTC处理液AD可以产生额外的生物能源,在这种情况下,该组合顺序是AD-HTC-AD。
这项工作的目的是评估广告和HTC流程的整合生物能源生产( 图3)。沼气生产潜力用于从反应器的UAS嗜热和嗜温AD在超过200天连续操作进行评价。随后,宏达电生物炭生产型F罗消解也进行了研究。级联AD-HTC的质量和能量平衡进行,并与各个过程进行比较。
无人机反应堆能够减轻在引言中讨论的缺点。然而,有很大的提升空间。进料系统和消解退出仍然是手动。该无人机系统面临原料处理大于60 mm的问题。该系统的工作更好地与纤维原料,因为他们在液体浮起,但其他原料,如动物粪便和污泥可能不利于无人机系统。在UAS的系统的设计是这样一种方式,处理液从反应器中循环到AF反应器一次。然而,在循环液体甚至2-5%的固体,被证明是有问题的,因为它们沉积在AF或阻止管入口和阻碍液体循环。处理液的化学分析是重要的,因为在生产游离脂肪酸和氮可以改变导致异常沼气生产的微生物系统。该无人机系统是强大的,并且可以运行200多天没有表现出任何significant的问题。从泵连接到反应堆的AF管道需要每一个月的替代需要更换。在水浴中的水位需要每周进行检查,并在必要补充。
湿法消解HTC是非常有效的废物处理以及生产固体生物燃料。固体产物的dewateribility也将HTC的过程促进了如显示在图7,但是,需要将尽快进行,优选使消化液被去除的同一天消解的HTC。否则,消化开始降解的生物,这是不利于HTC。由于HTC是一个高温(200-260℃)和高压(20〜50巴)的过程中,采取必要的预防措施,在整个宏达程序是非常重要的。所有的连接检查至少每月一次,以确保它们是不透气的。 HTC处理液具有较高的浓度糠醛,5 – 羟甲基糠醛,酚类和合作mpounds,其中被评为毒物。所以,建议使用面罩和手套,同时处理HTC处理液,特别是当HTC处理液被排出从反应容器到另一个容器中。虽然HTC具有许多优点,处理湿原料像消解,它仍是一个间歇过程。在一个经济评估,宏达电批处理过程将难以自圆其说。因此,需要更多的研究,以促进宏达电的连续运行。
元素分析是一种有效的方法,均匀的固体底物,但不是对异质衬底。作为固体生物燃料通常是异质的,元素分析仪只允许5-10毫克试样尺寸,建议执行至少3个重复,使用平均值。元素分析的另一个限制是测量固体基材具有高灰分含量。元素分析仪只能测量CHONS,并没有其他无机物。因此,高灰分的固体基质的元素分析可能不属于Reveal实际CHONS浓度。样品制备中的元素分析是至关重要的,因为样品需要被精确地包裹着,否则,会有在分析中存在不一致。固体燃料的燃烧值可以从CHONS估计,但建议使用弹式热量计进行精确的燃烧值测定。
约92-161升甲的是在饲料中每千克挥发性固体的产生。挥发性固体或有机物总固体的干小麦秸秆为86.9%。干消解具有较低的氧原子和氢浓度,这是厌氧消化22,23中的另一个迹象多糖的降解和单糖的降解。此外,较低的H,和O浓度增加消化液24的疱疹病毒。干消解的疱疹病毒是比干的原始原料,上升22%。类似的结果与由波尔等[23]详细的统计分析获得的。
从厌氧消化消化液包含80-90%的水6。这些具有亲水性,水被部分地结合在微生物或植物细胞。因此消化液脱水或干燥是繁琐,非常耗能。例如,2千克干消解的结合8公斤的水(80%湿),这需要的热量20.7 MJ干燥消解。此外,它很容易进行生物降解相对较快的环境条件下,失去的植物营养素,并释放温室气体(温室气体)排放量,如N 2 O和CH 4。所以,尽管更高的能量潜力,新鲜消解不能直接用作固体燃料。那就需要消化20之后干燥。
从表1中 ,它可以证明,在干燥消解具有类似的碳原子含量为原料,稻草,并且它们之前和厌氧消化后( 图6),在视觉上相似。这表明,木质素和木质素,纤维素缀满大多未反应。然而,63%的质量收率观察,这意味着处理秸秆较干的原料稻草轻37%。类似的元素碳浓度是指厌氧消化22期间没有发生碳化。 如图7,从消解HTC生物炭(嗜热)是非常稳定且柔软。由于疏水性显著增加,它可以从字面上淹没在水中几个月没有其物理和化学结构受影响12,25。疏水性也增强了HTC的生物碳14的脱水。吸管的结构不可辨别在HTC生物炭了,表示纤维素可能已发生反应。甲显著碳化是在沿与原子氧的还原HTC生物炭观察。这是另一个迹象纤维素进行反应,而不是木质素。在木质素原子的碳浓度比的纤维素24-29要高得多。因此,宏达电biochAR为29.6兆焦/千克的HHV,这比原秸秆高,比干燥的消解高出32%,61%,分别为。
宏达电加工秸秆疱疹病毒是28.8兆焦/千克,这也是类似于宏达电加工秸秆消解(29.6兆焦/千克)。然而,大规模产量是HTC的稻草高于宏达电与消化液比较原始原料的40.7%。因此,如果为1公斤生草(18.4兆焦耳)是水热碳化,HTC秸秆生物炭将有11.0兆焦耳的潜力。否则,如果相同数量的应用于AD和HTC,共13.2兆焦耳生物能源,从消解液(8.0兆焦耳)形式的生物甲烷(5.2兆焦耳)和HTC生物炭,可产生( 图8)。此外,该过程的UAS的液相是一种潜在的液体肥料。此外,宏达电生物炭可能有较高的潜在高价值材料的使用或作为土壤改良剂使用。有关视图的碳汇或碳循环点,材料的使用宏达生物炭是比较可行的能源生产。</ P>
厌氧消化并结合水热碳化可以产生比单个流程更加生物能源。然而,一个级联的设计是需要更好的效率。整体的能量平衡,接着进行经济评估,需要验证这一过程。未来的研究应包括使用的HTC白酒和HTC生物炭的后处理(化学或生物)。另外,无论是无人机和HTC系统的自动化将是必要的。本研究是使用实验室规模的无人机和宏达电抗器,但规模化的进程将是必要的,如果过程是被商业化。
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 |