כור מוצק רומן Upflow אנאירובית מדינה (UASS) שימש לייצור ביוגז מחומרי גלם סיבי. נוזל עיכול מכור UASS היה המפוח hydrothermally לbiochar HTC בכור אצווה בלחץ. שילובם של שני המושגים יואנרגיה יושם במחקר זה כדי להגדיל את ייצור Bioenergy כולל.
ביומסה lignocellulosic היא אחד ממקורות אנרגיה מתחדשת לא מנוצלים עדיין הנפוצים ביותר. שני עיכול אנאירובי (AD) והגזה הידרותרמיות (HTC) מבטיחים טכנולוגיות לייצור Bioenergy מביומסה במונחים של ביוגז וbiochar HTC, בהתאמה. במחקר זה, השילוב של AD ו HTC מוצע להגדיל ייצור Bioenergy כולל. קש חיטה היה מתעכל אנאירובי ברומן upflow כור אנאירובי מצב מוצק (UASS) בשני תנאי מזופיליות (37 מעלות צלזיוס) וthermophilic (55 מעלות צלזיוס). רטובים מתעכל מספירת thermophilic היה מפוח hydrothermally ב230 מעלות צלזיוס במשך 6 שעות לייצור biochar HTC. בטמפרטורת thermophilic, מערכת UASS תשואות ממוצעת של 165 L CH4 / קילוגרם VS (VS: מוצקים נדיפים) ו121 L CH4 / קילוגרם VS בספירת מזופיליות על הפעולה רציפה של 200 ימים. בינתיים, 43.4 גרם של biochar HTC עם 29.6 MJ / dry_biochar קילוגרם היה OBTained מבית HTC של נוזל עיכול 1 קילוגרם (בסיס יבש) מספירת מזופיליות. השילוב של AD ו-HTC, בקבוצה מסוימת זה של ניסוי יניב 13.2 MJ של אנרגיה לכל 1 קילוגרם של קש חיטה יבש, שהוא גבוה לפחות 20% מ HTC לבד וגבוהה יותר 60.2% מספירה בלבד.
מקורות אנרגיה מתחדשים ובת קיימא מציאת חששות גדולים במגזר האנרגיה של העולם. לאחרונה, האו"ם דיווח כי עד 77% מהאנרגיה בעולם בשנת 2050 יהיו צפויים ממקורות מתחדשים 1. ביומסה lignocellulosic כגון קש, עשבים, קליפות אורז, קלחי תירס אין להם סכסוכים עם האוכל לעומת נושא דלק. יתר על כן, ביומסה היא כנראה מקור האנרגיה מתחדש רק עם פחמן מבני, בהשוואה למקורות אנרגיה מתחדשות אחרים כגון רוח, שמש ומים 2. עם זאת, טיפול במאפיינים, צפיפות נמוכה בתפזורת, גבוה תוכן אפר, ותכולת אנרגיה נמוכה יותר לעכב את השימוש של ביומסה lignocellulosic לייצור אנרגיה 2.
עיכול אנאירובי (AD) הוא אחת דוגמאות המובהקות של הפקת יואנרגיה מביומסה פסולת. 3 באופן כללי, ישנם ארבעה שלבי השפלה כרוך בעיכול אנאירובי כפי שמוצג באיור 1 4 </sup>. בשלושה שלבים הראשונים עוקבים, סוכרים של ביומסה מומרים לחומצות אורגניות. בשלב האחרון, אורגניזמים Methanogenic לייצר biomethane. הספירה מסורתית היא זמן ותהליך אנרגיה רב. ערבוב הרציף מפחית כלכלה כוללת של הספירה, במיוחד לספירה של ביומסה lignocellulosic. רומן upflow יש כור אנאירובי מצב מוצק (UASS) את הפוטנציאל כדי להתגבר על החסרונות האמורים (איור 2) 4. הפרדות מוצק לנוזל ספונטניים היא אחד היתרונות המשמעותיים של UASS, שכן נועד מקלה יוגז בועות להרים שאריות מוצקות unreacted כלפי מעלה 5. זה לבטל את השימוש בבוחש ולכן מקטין את צריכת החשמל באתר. יתר על כן, זרימת נוזל מבטיחה הפצה של מיקרואורגניזמים ומטבוליטים ברחבי הכור כמו גם 5. בהשוואה לדלק ביולוגי מוצק, ביוגז הוא קל יותר לטפל, ומשאיר שאריות קטנות או לא. למעשה, צפיפות האנרגיה הספציפיתשל ביוגז הוא ביומסה גולמית גבוהה פי כמה 4. עם זאת, לספירה מעדיפה סוכרים פשוטים כמו עמילן, חומצות שומן, וhemicellulose 1. כתוצאה מכך, תאית וליגנין, חלק עיקרי של ביומסה lignocellulosic הסיבית כמו קש חיטה, נשאר כנוזל עיכול מוצק לאחר הספירה 5. אמנם, ייצור ביוגז משתנה מחומרי הגלם, הסוג של מיקרואורגניזמים, טמפרטורת תגובה, וזמן תגובה, כמות עצומה של נוזל עיכול היא מיוצרת בדרך כלל.
בעוד ביוגז משמש לאנרגיה, digestates (עד 90% מים) מאוחסן בדרך כלל בשאריות-דיפו תסיסה לאסוף פליטת המתאן שנותרה. לאחר מכן אלה יבשים והתפשטו על שדה היבול כדי לשפר את פוריות קרקע ואת יכולת אצירת מים. תוכן אורגני גבוה לעתים קרובות לעכב נוזל עיכול ישירות לדלק, כמו כמויות גבוהות של סיגים עלולות לאכל את הציוד 6. פחום הידרותרמיות (HTC) הוא תהליך טיפול thermochemical תוכנן במיוחד עבור רטוביש חומרי גלם, שבו ביומסה (עם 80-90% מים) מחוממת עד 200-260 מעלות צלזיוס בלחץ הרוויה מים ולהחזיק עבור .5-6 שעות (איור 3) 7,8 subcritical מים המוצר היוני המרבי ב200. – 260 מעלות צלזיוס, מה שאומר שמים בתנאים אלה היא תגובתי ומתנהגת כחומצה קלה ובסיס קל בו זמנית 9. Hemicellulose, יחד עם extractives אחר, להשפיל סביב 180-200 מעלות צלזיוס, ואילו תאית מגיבה סביב 220-230 מעלות צלזיוס, וליגנין מגיב בטמפרטורה גבוהה יחסית (> 250 C o), אבל הרבה יותר לאט מאשר תאית hemicellulose 10. עקב התייבשות וdecarboxylation משמעותיים, מוצר תוצאות HTC מוצק בשם biochar HTC, עם תשואה המונית (biochar HTC היבש / מזון יבש) של 40-80%, משקאות המכילים חומצות קרבוקסיליות, נגזרות furan, חומרים פנוליות, ומונומרים סוכר, ו 5 – 10% CO 2 מוצר גזים עשיר 11. במהלך HTC, חומרים נדיפים המכיל חמצן באופן משמעותימופחת ובכך להשאיר את הפחם עשיר מוצק. biochar HTC הוא גם יציב, הידרופובי, ופריך להשוות 12,13 זינה לחה גלם. בשל מאפיינים הידרופובי, dewateribility של biochar HTC מגביר מספר פעמים בהשוואה לנוזל עיכול גלם או אפילו ביומסה גולמית. 14-18 יתר על כן, יש biochar HTC ערכי דלק דומים ליגניט פחם 16,17. עם זאת, התאית וליגנין באופן חלקי לבזות בסביבת HTC 18.
עכשיו hemicellulose ותאי ביומסה לתרום ליוגז במהלך הספירה, תוך תאית וליגנין בעיקר לתרום לbiochar HTC המוצק 4,5. לפיכך, השילוב של AD-HTC עלול להגדיל את התשואה ביואנרגיה כוללת. הופמן ואח'. מדומה שילוב דומה אך באמצעות הספירה וHTL (עיבוי הידרותרמיות) ולא AD-HTC 19. HTL הוא שיטה נפוצה של מסת חלקיק ביומסה ויש מוצר נוזלי ערך דלק גבוה [43.1 מ"ג / קילוגרם]. עם זאת, HTL requires לחץ גבוה מאוד (250 בר) כדי להשוות את HTC (10-50 בר), מה שמרמז על התקנה גבוהה ועלויות תפעול מ-HTC. שוב, רצף שילוב של AD ו HTC יכול להיחקר וכירט et al. לספירה דיווחה לאחרונה של נוזל תהליך HTC 20. עם זאת, לספירה אפקטיבית תלויה בריכוז הסוכר בחומר הזינה. סוכרים בנוזל תהליך HTC, הנוצרים במהלך הידרוליזה, לעתים קרובות לבזות במהירות מתחת למי subcritical. זו הסיבה לספירה לפני HTC היא נוחה יותר במונחים של Bioenergy. עם זאת, לספירה של נוזל תהליך HTC יכולה לייצר ביואנרגיה נוספת, ובמקרה זה, רצף שילוב יהיה AD-HTC-AD.
מטרת העבודה הייתה להעריך את האינטגרציה של תהליכים לספירה ו HTC לייצור Bioenergy (איור 3). פוטנציאל הייצור ביוגז לספירת thermophilic ומזופיליות מכור UASS הוערך בפעולה רציפה של יותר מ -200 ימים. בהמשך לכך, f ייצור biochar HTCנוזל עיכול rom היה גם למד. מאזן המסה ואנרגיה של AD-HTC מדורג בוצע והשוואה לתהליכים האישיים.
כורי UASS מסוגלים למתן את החסרונות שנדונו בהקדמה. עם זאת, יש הרבה מקום לשיפור. מערכות האכלה ונוזל עיכול נסיגה עדיין ידניות. מערכת UASS פרצופים בעיות טיפול בחומרי גלם גדול יותר מאשר 60 מ"מ. המערכת עובדת טוב יותר עם חומר זינה סיבי כפי שהם צפים על פני הנוזל, אבל ממקורות אחרים כמו זבל בעלי חיים ובוצה לא יכולים להעדיף את מערכת UASS. מערכת UASS מעוצבת בצורה כזאת, כי משקאות התהליך זורם מכור לAF לכור שוב. עם זאת, גם 2-5% מוצקים בנוזל במחזור הוכחו כבעייתי, כפי שהם מפקידים בAF או לחסום את כניסת הצינור ולעכב את זרימת נוזל. ניתוח כימי של נוזל התהליך הוא חשוב, שכן ייצור חומצת שומן חופשיות וחנקן יכול לשנות את המערכת של חיידקים וכתוצאה מכך ייצור ביוגז לא אופייני. מערכת UASS היא חזקה, והוא יכול לרוץ יותר מ -200 ימים בלי להראות שום significant בעיות. הצינורות מתחברים ממשאבות לכורים לAFS צריכים להיות מוחלפים בכל חודש חלופי. מפלס המים בwaterbath צריך להיבדק על בסיס שבועי ומולא מחדש במידת צורך.
HTC של נוזל עיכול רטוב הוא יעיל מאוד לטיפול בפסולת, כמו גם דלק ביולוגי מוצק בייצור. Dewateribility של המוצר המוצק יהיה גם בהנחייתם של תהליך HTC כפי שמוצגת באיור 7. עם זאת, HTC של נוזל עיכול צריכה להתבצע בהקדם האפשרי, רצוי באותו היום שנוזל עיכול מוסר. אחרת, נוזל העיכול מתחיל משפיל מבחינה ביולוגית, שאינו חיובי עבור HTC. כמו HTC הוא בטמפרטורה גבוהה (C ° 200-260) ולחץ גבוה תהליך (20-50 הבר), נקיטת אמצעי זהירות דרושה בכל הליך HTC הוא מאוד חשוב. כל החיבורים נבדקים לפחות פעם בחודש כדי לוודא שהם גז חזק. יש נוזל תהליך HTC ריכוז גבוה יותר של furfural, 5-HMF, ושיתוף פנוליותmpounds, אשר מדורגים כרעלים. לכן, מומלץ להשתמש במסיכת הפנים וכפפות בזמן טיפול נוזל תהליך HTC, במיוחד כאשר משקאות תהליך HTC מנוקזים מכל כור למכל אחר. למרות שיש לו HTC יתרונות רבים לטיפול בחומרי גלם רטוב כמו נוזל עיכול, זה עדיין תהליך אצווה. בהערכה כלכלית, תהליך אצווה HTC יהיה קשה להצדיק. מחקר נוסף שנדרש, אפוא להקל על פעולה רציפה של HTC.
ניתוח יסודות הוא שיטה יעילה למצעים מוצקים הומוגנית, אבל לא למצעים הטרוגנית. דלק ביולוגי כמוצק הוא בדרך כלל הטרוגנית ויסודות המנתח מאפשר רק 5-10 מ"ג של גודל מדגם, מומלץ לבצע לפחות שלושה משכפל וממוצע שימוש. מגבלה נוספת של ניתוח יסודות מודדת מצעים מוצקים עם תוכן אפר. מנתחי Elemental למדוד רק CHONS, ואין inorganics אחר. לכן, ניתוח יסודות של מצעים מוצקים גבוה אפר אולי לא reveal ריכוזי CHONS בפועל. הכנת מדגם בניתוח יסודות חיונית, כמדגם צריך להיות עטוף בדיוק, אחרת, לא תהיה עקביות בניתוחים. ערך דלק של הדלק המוצק ניתן להעריך מCHONS, אך מומלץ להשתמש בקלורימטר פצצה לקביעת ערך דלק מדויק.
אודות 92-161 L של מתאן הופק לכל קילו של מוצק נדיפים בהזנה. סך הכל המוצק או אורגני הנדיפות המוצק של קש החיטה היבש היה 86.9%. יש נוזל עיכול יבש ריכוז נמוך אטומי חמצן ומימן, שהוא אינדיקציה נוספת של השפלה של סוכרים והשפלה סוכר פשוט במהלך העיכול אנאירובי 22,23. יתר על כן, ריכוזי H נמוך יותר, ולהגדיל את O HHV של 24 נוזל העיכול. HHV של נוזל עיכול יבש הוא גבוה יותר 22% מחומר גלם גלם יבש. התוצאות דומות מתקבלות עם ניתוח סטטיסטי מפורט על ידי פול ואח' 23.
Digestates מעיכול אנאירובי מכיל 80-90% מים 6. אלה הם הידרופילי ומים קשורים באופן חלקי בתאי חיידקים או צמח. כתוצאה מהתייבשות או ייבוש של digestates הוא מסורבלת ומאוד עתיר אנרגיה. לדוגמא, 2 קילוגרם של נוזל עיכול יבש נקשר 8 קילוגרם של מים (80% רטובים), אשר דורש 20.7 MJ של חום לייבוש נוזל עיכול. יתר על כן, הוא נוטה מתכלה במהירות יחסית בתנאי סביבה, מאבד את חומרים מזינים צמח, ומשחרר גזי חממה (גזי חממה) פליטה כגון N 2 O ו 4 CH. לכן, למרות פוטנציאל אנרגיה גבוה יותר, נוזל עיכול טרי לא יכול לשמש ישירות כדלק מוצק. זה היה צריך להיות יבש מייד לאחר העיכול 20.
מטבלת 1, ניתן לראות שיש לו את נוזל העיכול היבש תוכן פחמן אטומי דומה כמו קש גלם, והם דומים מבחינה ויזואלית לפני ואחרי עיכול אנאירובי (איור 6). הדבר מצביע על כך ליגנין ותאי משובץ ליגניןבעיקר unreacted. עם זאת, תשואה המונית של 63% שנצפתה, כלומר קש מעובד הוא 37% קלים יותר מאשר קש גלם יבש. ריכוז פחמן יסודות דומה אומר שאין גזה התרחשה במהלך עיכול אנאירובי 22. כפי שניתן לראות באיור 7, biochar HTC מנוזל העיכול (thermophilic) הוא מאוד יציב ורך. בשל הגידול המשמעותי בהידרופוביות, זה ממש יכול לצלול לתוך מים במשך חודשים ללא המבנה הפיזי והכימי שלה להיות מושפע 12,25. הידרופוביות גם משפרת התייבשות biochar HTC 14. המבנה של הקש הוא לא להבחין בbiochar HTC יותר, מה שאומר שתאית יכולה להיות שהגיבה. פחום משמעותי הוא ציין בbiochar HTC יחד עם ההפחתה של חמצן אטומי. זוהי אינדיקציה נוספת לתאית שהגיבה ולא ליגנין. ריכוז פחמן אטומי בליגנין הוא גבוה בהרבה מזה של 24-29 תאית. כתוצאה מכך, bioch HTCar יש HHV של 29.6 מ"ג / קילוגרם, שהם גבוהים יותר 61% מ קש גלם וגבוה יותר 32% מנוזל העיכול יבש, בהתאמה.
HHV קש מעובד HTC הוא 28.8 מ"ג / קילוגרם, שהוא גם דומה לזה של נוזל עיכול HTC מעובד קש (29.6 מ"ג / קילוגרם). עם זאת, תשואה המונית היא 40.7% גבוה יותר בקש HTC מזה של נוזל עיכול HTC עם השוואה לחומרי גלם טרי. כתוצאה מכך, אם 1 קילוגרם של קש גלם (18.4 MJ) הוא מפוח hydrothermally, biochar קש HTC יש הפוטנציאל של 11.0 MJ. אחרת, אם אותה כמות מוחלת לספירה וHTC, הכוללת יואנרגיה 13.2 MJ, בצורות של biomethane (5.2 MJ) וbiochar HTC מנוזל העיכול (8.0 MJ), ניתן להפיק (איור 8). כמו כן, שלב נוזלי של תהליך UASS הוא דשן נוזלי פוטנציאלי. יתר על כן, biochar HTC שאולי יש פוטנציאל גבוה יותר על שימוש בחומרים בעלי ערך גבוה או להשתמש כתיקון קרקע. לנקודת מבט של קיבוע פחמן או מחזור פחמן, שימוש בחומרים של biochar HTC הוא ריאלי יותר שייצור אנרגיה. </ P>
עיכול אנאירובי בשילוב עם גזה הידרותרמיות יכול להניב יותר מ יואנרגיה התהליכים הבודדים. עם זאת, יש צורך בעיצוב מדורג ליעילות טובה יותר. מאזן האנרגיה הכללי, ואחריו הערכה כלכלית, נדרש כדי לאמת את התהליך הזה. מחקרים עתידיים צריכים לכלול שימוש במשקאות HTC ולאחר טיפול (כימי או ביולוגי) של biochar HTC. כמו כן, אוטומציה של מערכות HTC שניהם UASS ותהיה צורך. מחקר זה בוצע על שימוש UASS מעבדה בקנה מידה וכור HTC, אבל בקנה מידה-up של התהליך יהיה צורך אם התהליך הוא להיות ממוסחר.
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 |