Redusere Willow Wood Fuel utslipp ved lav temperatur mikrobølgeovn assistert hydrotermisk karbonisering

Summary

En protokoll for utslipp forløper nedbryting fra lav kvalitet biomasse av lav temperatur mikrobølgeovn assistert hydrotermisk karbonisering behandling presenteres. Denne protokollen inkluderer mikrobølgeovn parametere og analyse av biocoal produktet og prosessvann.

Abstract

Biomasse er et bærekraftig drivstoff, som CO₂ -utslippene er reintegrert i biomasse vekst. Men den uorganiske forløpere i biomasse føre til en negativ miljøpåvirkning og slagg dannelse. Den valgte kort rotasjon coppice (SRC) Willow Wood har et høyt askeinnhold ( = 1,96%) og derfor høyt innhold av forløpere for utslipp og slagg. Derfor er reduksjon av mineraler fra SRC Willow Wood ved lav temperatur mikrobølgeovn assistert hydrotermisk karbonisering (MAHC) ved 150 ° c, 170 ° c, og 185 ° c undersøkt. En fordel med MAHC over konvensjonelle reaktorer er en jevn temperatur konduktans i reaksjonen medium, som mikrobølger trenge hele reaktoren volum. Dette gir en bedre temperaturkontroll og en raskere nedkjøling. Derfor kan en rekke depolymerisering, transformasjon og repolymerization reaksjoner analyseres effektivt. I denne studien viste analysen av masse tapet, askeinnhold og sammensetning, oppvarmings verdier og molar O/C-og H/C-forhold for den behandlede og ubehandlede SCR Willow veden at mineral innholdet i MAHC kull ble redusert og oppvarmings verdien økte. Prosessvannet viste en synkende pH og inneholdt furfural og 5-methylfurfural. En prosess temperatur på 170 ° c viste den beste kombinasjonen av energiinntak og aske komponent reduksjon. MAHC gir en bedre forståelse av den hydrotermisk karbonisering prosessen, mens en storstilt industriell anvendelse er usannsynlig på grunn av de høye investeringskostnader.

Introduction

Anvendelsen av mikrobølgeovner for hydrotermisk karbonisering (MAHC) ble brukt for thermochemical transformasjon av biomasse modell forbindelser som fruktose, glukose^1,2 eller cellulose³, og for organiske underlag, fortrinnsvis avfall materiale^{4,5,6,7,8,9,10}. Utnyttelsen av mikrobølger er fordelaktig som det tillater en jevn oppvarming av den behandlede biomasse^2,10 hovedsakelig gjennom termiske tap av en dielektrisk løsemiddel^11,12, selv om mikrobølger gjør ikke overføre nok energi til å direkte bryte kjemiske obligasjoner og indusere reaksjoner¹³. Mikrobølger trenge gjennom hele reaksjons volumet av HTC reaktor fartøyet og overføre energien direkte til materialet, som ikke er mulig med en konvensjonell reaktor som viser en langsommere oppvarmings hastighet på grunn av den høye oppvarmings kapasiteten av stål kappen og prøve seg selv¹⁴. Den enda eksitasjon av prøven vannmolekyler av mikrobølger gir en forbedret prosesskontroll, som temperaturen i mikrobølgeovnen reaktoren er jevnt fordelt^11,14,15 og nedkjøling etter reaksjonen er mye raskere. Videre konvensjonelle reaktorer varme opp mye tregere og de kjemiske reaksjonene som oppstår under oppvarming kan bias resultatene som vanligvis er tildelt den endelige temperaturen. Den forbedrede prosesskontrollen i en MAHC-reaktor muliggjør en presis utarbeidelse av temperatur avhengig heten til utvalgte HTC-reaksjoner (f.eks. dehydrering eller dekarboksylering). En annen fordel med jevn temperaturfordeling i HTC-Reactor volumet er den nedre vedheft av immobilisert og helt karbon partikler på den indre reaktoren veggen². Imidlertid er vann bare en gjennomsnittlig mikrobølgeovn absorberende løsemiddel som selv viser synkende mikrobølgeovn absorbansen ved høyere temperaturer, som begrenser oppnåelig maksimal temperatur. Denne negative effekten kompenseres når syrer produseres under HTC prosessen eller catalyzers (ioniske eller polare arter) legges før behandlingen. Mikrobølgeovn indusert reaksjoner viser høyere produkt avkastning generelt^11,15 og spesielt av 5-hydroksymetylfurfural (5-HMF) fra fruktose i forhold til sand-seng katalysert reaksjoner¹². De har også en mye bedre energibalanse og konvensjonelle oppvarmings metoder^15,16.

Den fundamentale kjemiske begrepet hydrotermisk karbonisering er nedbrytning og påfølgende polymerisering av biomasse. I løpet av disse komplekse samspill reaksjoner vevet er utarmet av oksygen, noe som øker oppvarmings verdien. I begynnelsen er polymerer hemicellulose og cellulose hydrolysert til sukker monomerer¹⁷, selv om lave temperaturer i hovedsak påvirker hemicellulose^18,19,20,21. I denne tidlige fasen av HTC reaksjonene, er organiske syrer dannet fra transformasjonen av sukker aldehyder og deacetylation av hemicellulose. Disse syrer kan være eddiks, melkesyre, levulinic, akryl eller maursyre acid^20,21,22 og de reduserer pH i reaksjons vannet i reaktoren. På grunn av dissosiasjon danner de frie negative ioner som øker ion-produktet i Prosessvannet. Den økende ion produktet gjør det mulig å løse, som er de viktigste bestanddeler av aske i biomasse. Ved denne mekanismen, er vevet utarmet fra utslipps forløpere og slagg formers (f. eks, kalium, natrium, kalsium, klor og tungmetaller)^23,24.

Dannet organiske syrer kan støtte dehydrering av sukker monomerer til furaner. Et vanlig sukker dehydrering produkt er furfural og 5-hydroksymetylfurfural, som er gjennomførbare produkter for den kjemiske industrien, som de tjener som plattform produkter (f. eks, for syntesen av biopolymerer). 5-Methylfurfural kan dannes ved katalysert reaksjoner fra cellulose^25,26 eller 5-hydroksymetylfurfural²⁷. Mens Biopolymer syntese er en kunstig repolymerization under kontrollerte forhold, kan furaner også kondensere, polymeres og danne høy molekylvekt aromatiske strukturer i det komplekse kjemiske miljøet i MAHC reaktoren. Samspillet av solubilized organiske og uorganiske forbindelser med modifisert tre celle matrise legge til kompleksiteten av reaksjonssystemet²⁰. Furan polymerisering reaksjons trasé ansetter aldol kondens eller/og Intermoleylære dehydrering^18,20 og gir hydrochar partikler med et hydrofobe skall og en mer hydrofile kjerne²⁸. Det er ennå ikke avslørt om biomasse partikler er fullstendig nedbrutt og deretter repolymerized eller hvis biomasse partikler tjene som en mal for karbonisering. Men, degradering og repolymerization reaksjonene omfatter dehydrering og dekarboksylering reaksjoner, så vel^29,30, som induserer fall i Van Krevelen diagram mot O/c og H/C prosenter av Black Carbon.

Mens andre studier viste mineralet redusere effekten av konvensjonelle reaktoren basert hydrotermisk behandling³¹, av en vann vask med kombinerte mekaniske utvasking³² eller vann/ammonium acetate/saltsyre vasking³³, vår studier undersøke mineralet utvasking under lav temperatur karbonisering med mikrobølger for første gang. Ettersom denne studien fokuserer på utslipps forløper utvasking for drivstoff oppgradering, undersøker den skjebnen til kalium, natrium, magnesium, kalsium, klor, svovel, nitrogen og tungmetaller. Fine støv forløpere danner flyktige salter (f.eks. KCl eller K₂so₄) ved forhøyede temperaturer i gassfasen. Når disse salter akkumuleres i røykgassen, kan tungmetaller som sink renovere dem som kjerne partikler, noe som fører til en partikkel vekst kjedere reaksjon. Ved lavere røykgasstemperaturer, utløser salt kondens ytterligere partikkel veksten og resulterer i cancerogenous fint støvutslipp fra skorsteinen. Disse utslippene er i dag den viktigste faktoren som kompromisser bærekraft av biomasse brensel. En bærekraftig energiforsyning er avhengig av deres reduksjon av kostbare filtre eller deres reduksjon i brensel (for eksempel ved MAHC). Som denne studien følger en praktisk tilnærming, kort rotasjon coppice (SRC) Willow tre ble valgt som en potensiell bioenergi råstoff med høy vekstrater. Det kan dyrkes av bønder på sine felt for en selv-bærekraftig strømforsyning ved gassifisering, men også for varmegenerering ved direkte forbrenning. En ulempe med Willow SRC er dens høye bark innhold på grunn av en lav stamme: bark ratio på modne scenen. Barken inneholder en rekke mineraler i forhold til tre^34,35,36,37 og gir høyere mengder gass eller partikkelutslipp³⁸. Lav temperatur HTC kan forbedre forbrennings egenskapene til SRC Willow tre og dermed bidra til en bærekraftig varme og strømforsyning. En annen viktig parameter for HTC biocoal undersøkt i denne studien er dens energitetthet, dens høyere innledende forbrennings temperatur og høyere endelig forbrennings temperatur³⁹.

Protocol

1. utarbeidelse av Prøvemateriale Harvest fem år gamle Willow, klone type “Tordes” ([Salix schwerinii x s. Viminalis] x s. Vim.), med en høyde på 12 − 14 m og en bryst diameter på ca 15 cm. Chip veden og tørk sjetongene i en ovn tørketrommel for 24 h ved 105 ° c. Skjær tre brikkene med en klippe mølle og grind med en sentrifugal mølle til en partikkelstørrelse på 0,12 mm. 2. mikrobølgeovn assistert hydrotermisk karbonisering</…

Representative Results

Resultatene av elementær analyse Avdekket forskjellene mellom O/C-H/C-forholdet mellom Willow tre og MAHC biocoals (figur 1). Råvare materialet viser høyere O/C-H/C-forhold og en høyere variasjon av verdiene. MAHC-behandlingen reduserte verdi variasjonen på grunn av homogenisering i mikrobølgeovn reaktoren. Presisjonen av mikrobølgeovn reaktoren tillot differensiering av tre stadier av fornedrelse. Den H/C ratio ble redusert ved 150 ° c og variasjoner…

Discussion

MAHC tillater differensiering av trinnene i kjemisk degradering ved å anvende forskjellige intensitet av termisk behandling. Derfor er det mulig å vurdere samspillet mellom masse tapet, O/C-H/C-forhold, oppvarmings verdi, aske komponent reduksjon, pH-økning i Prosessvannet og akkumulering av furaner i Prosessvannet. Fordelen med MAHC-metoden over den konvensjonelle HTC reaktoren metoden er basert på termisk ledning via mikrobølger som trenge gjennom hele reaktoren volum og gjennomføre varmen på microlevel stedet f…

Materials

5MS non-polar cloumn	Thermo Fisher Scientific,Waltham, USA	TraceGOLD SQC	GCMS
9µm polyvinylalcohol particle column	Methrom AG, Filderstadt, Germany	Metrosep A Supp 4 -250/4.0	Ion chromatography
argon	Westfalen AG, Münster, Germany	UN 1006	ICP-OES
calorimeter	IKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, Germany	C6000	higher and lower heating value
centrifuge	Andreas Hettich GmbH & Co.KG, Germany	Rotofix 32 A
centrifuge mill	Retsch Technology GmbH, Haan, Germany	ZM 200
ceramic dishes	Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany	XX83.1	Ash content
cutting mill	Fritsch GmbH, Markt Einersheim, Germany	pulverisette 19
D(+) Glucose	Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany	X997.1	higher and lower heating value
elemental analyzer	elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany	varioMACRO cube	elemental analysis
exicator	DWK Life Sciences GmbH, Wertheim, Germany	DURAN DN300	Ash content
GC-MS system	Thermo Fisher Scientific,Waltham, USA	Trace 1300	GCMS
hydrochloric acid	Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany	HN53.3	ICP-OES
ICP OES	Spectro Analytical Instruments GmbH, Kleve, Germany	Spectro Blue-EOP- TI	ICP-OES
Ion chromatograph	Methrom GmbH&Co.KG, Filderstadt, Germany	833 Basic IC plus	Ion chromatography
kiln dryer	Schellinger KG, Weingarten, Germany
kiln dryer	Schellinger KG, Weingarten, Germany		Ash content
mesh filter paper	Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany	L874.1	ICP-OES
microwave oven	Anton Paar GmbH, Graz, Austria	Multiwave Go
muffel furnance	Carbolite Gero GmbH &Co.KG, Neuhausen, Germany	AAF 1100	Ash content
nitric acid	Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany	4989.1	ICP-OES
oxygen	Westfalen AG, Münster, Germany	UN 1072	higher and lower heating value
pH-meter	ylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG, Weilheim,Germany	pH 3310	pH
sample bag	IKA-Werke GmbH & Co.KG, Stauffen, Germany	C12a	higher and lower heating value
Standard Laboratory Vessels and Instruments
standard samples	Bernd Kraft GmbH, Duisburg, Germany		ICP-OES
sulfonamite	elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany	SLBS4782	elemental analysis
teflon reaction vessels	Anton Paar, Austria	HVT50
teflon reaction vessels	Anton Paar, Austria	HVT50	ICP-OES
tin foil	elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany	S12.01-0032	elemental analysis
tungstenVIoxide	elementar Analysesysteme GmbH, Langenselbold, Germany	11.02-0024	elemental analysis
twice deionized water	Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany
twice deionized water	Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany		higher and lower heating value
twice deionized water	Carl Roth GmbH&Co.KG, Karlsruhe, Germany		ICP-OES