Valutazione della gestione integrata digestione anaerobica e carbonizzazione idrotermale per Bioenergy Production

Summary

Un romanzo Upflow anaerobica Solid State (UAS) reattore è stato utilizzato per la produzione di biogas da materie prime fibrose. Digestato prodotto dal reattore UASs è stato idrotermicamente carbonizzato in HTC biochar in un reattore batch di pressione. L'integrazione dei due concetti bioenergetici è stato applicato in questo studio per aumentare la produzione globale di bioenergia.

Abstract

Biomassa lignocellulosica è una delle risorse energetiche rinnovabili più abbondanti ancora sottoutilizzate. Entrambi digestione anaerobica (AD) e di carbonizzazione idrotermale (HTC) sono promettenti tecnologie per la produzione di bioenergia da biomassa in termini di biogas e biochar HTC, rispettivamente. In questo studio, si propone la combinazione di AD e HTC per aumentare la produzione globale di bioenergia. Paglia di grano è stato digerito anaerobicamente in un romanzo Upflow reattore a stato solido anaerobico (UAS) in entrambi (55 ° C) condizioni mesofile (37 ° C) e termofili. Wet digerito da termofili dC fu idrotermicamente carbonizzato a 230 ° C per 6 ore per la produzione di HTC biochar. A temperatura termofila, il sistema UASs produce una media di 165 L _CH4 / kg _VS (VS: solidi volatili) e 121 L _CH4 / kg _VS a mesofila DC nel funzionamento continuo di 200 giorni. Nel frattempo, 43,4 g di HTC biochar con 29,6 MJ / kg _{dry_biochar} era obtained da HTC di 1 kg di digestato (secco) dal mesofilo AD. La combinazione di AD e HTC, in questo particolare set di esperimenti resa 13,2 MJ di energia per 1 kg di secca paglia di grano, che è almeno del 20% superiore rispetto al solo HTC e il 60,2% in più rispetto solo AD.

Introduction

Trovare fonti di energia rinnovabili e sostenibili sono i principali problemi del settore energetico del mondo. Recentemente, le Nazioni Unite ha riferito che fino al 77% dell'energia mondiale nel 2050 ci si aspetta da fonti rinnovabili ^1. Biomasse lignocellulosiche come la paglia, erba, bucce di riso, pannocchie di mais non hanno conflitti con il cibo rispetto problema di carburante. Inoltre, la biomassa è probabilmente l'unica fonte di energia rinnovabile con carbonio strutturale, rispetto ad altre fonti energetiche rinnovabili come eolico, solare e acqua ^2. Tuttavia, la manovrabilità, minore densità di massa, ad alto contenuto di ceneri, e il contenuto energetico inferiore ostacolano l'uso della biomassa lignocellulosica per la produzione di energia ^2.

La digestione anaerobica (AD) è uno dei primi esempi di produzione di bioenergia da biomasse di scarto. ³ In generale, ci sono quattro passaggi di degradazione coinvolgere nella digestione anaerobica, come mostrato in Figura 1 ⁴ . Nei primi tre passi consecutivi, i polisaccaridi della biomassa sono convertiti in acidi organici. Nella fase finale, gli organismi metanogeni producono biometano. AD tradizionale è un tempo e di processo che richiede energia. L'agitazione continua riduce economia complessivi di AD, in particolare per l'AD di biomassa lignocellulosica. Un romanzo Upflow anaerobico a stato solido (UAS) reattore ha il potenziale per risolvere gli inconvenienti indicati (Figura 2) ^4. Spontanee separazioni solido-liquido è uno dei vantaggi significativi di UASs, poiché la creazione facilita biogas bolle di sollevare reagiti residui solidi verso l'alto ^5. Questo elimina l'utilizzo di agitatore e quindi riduce il consumo di energia in loco. Inoltre, la circolazione del liquido assicura una distribuzione dei microrganismi e metaboliti in tutto il reattore e ^5. Rispetto ai biocombustibili solidi, biogas è più facile da gestire, e lascia poco o nessun residuo. Infatti, la densità di energia specificadel biogas è parecchie volte superiore biomassa grezza ^4. Tuttavia, AD favorisce polisaccaridi semplici come l'amido, acidi grassi, ed emicellulosa ^1. Come risultato, cellulosa e lignina, maggiore porzione di biomassa lignocellulosica fibrosi come la paglia, rimane come solido digestato dopo AD ^5. Sebbene la produzione di biogas varia da materia prima, tipo di microrganismi, temperatura di reazione, e il tempo di reazione, una quantità enorme di digestato è solitamente prodotto.

Mentre biogas sono utilizzati per l'energia, digestato (fino al 90% di acqua) vengono generalmente memorizzati in una fermentazione residuo deposito per raccogliere rimanenti emissioni di metano. Successivamente questi vengono essiccate e distribuite sul terreno agricolo per migliorare la fertilità del suolo e la capacità di ritenzione idrica. Alto contenuto inorganico spesso ostacola digestato direttamente per il carburante, come elevate quantità di scorie potrebbero corrodere le attrezzature ^6. Idrotermale di carbonizzazione (HTC) è un processo di trattamento termochimico appositamente per bagnato. feedstock, dove biomassa (con 80-90% di acqua) viene riscaldata a 200-260 ° C a pressione di saturazione dell'acqua premuto per 0,5-6 h (Figura 3) ^7,8 cri acqua ha prodotto ionico massimo a 200 - 260 ° C, che significa acqua in queste condizioni è reattivo e si comporta come un acido debole e una base mite simultaneamente ^9. Emicellulosa, insieme ad altri estrattivi, degrada circa 180-200 ° C, mentre cellulosa reagisce circa 220-230 ° C, e lignina reagisce a temperatura relativamente elevata (> ²⁵⁰ ° C), ma molto più lento di cellulosa ed emicellulosa ^10. A causa di disidratazione significativa e decarbossilazione, risultati HTC prodotto solido chiamato HTC biochar, con resa di massa (HTC secca biochar alimentazione / secco) del 40-80%, liquore contenenti acidi carbossilici, derivati ​​del furano, sostanze fenoliche, e monomeri zucchero, e 5 - 10% CO ₂ gassosa ricca di prodotto ^11. Durante HTC, ossigeno contenenti sostanze volatili sono significativamenteridotto e quindi lasciare un solido ricco di carbonio. Biochar HTC è anche stabile, idrorepellente, e friabile confrontare crudo materia prima umida ^12,13. Grazie alle sue caratteristiche idrofobiche, dewateribility di HTC biochar aumenta più volte rispetto al digestato crudo o addirittura biomassa grezza. ^14-18 Inoltre, biochar HTC ha valori simili a combustibile lignite carbone ^16,17. Tuttavia, cellulosa e lignina parzialmente degradano nell'ambiente HTC ^18.

Ora, emicellulosa e cellulosa nella biomassa contribuiscono a biogas durante dC, mentre la cellulosa e la lignina contribuiscono soprattutto alla solida HTC biochar ^4,5. Pertanto, la combinazione di AD-HTC potenzialmente in grado di aumentare il rendimento globale delle bioenergie. Hoffmann et al. Simulato una combinazione simile, ma con AD e HTL (idrotermale liquefazione) anziché AD-HTC ^19. HTL è un metodo comune di liquefazione frazione di biomassa e di prodotto liquido ha un elevato valore di carburante [43,1 MJ / kg]. Tuttavia, HTL requires ad altissima pressione (250 bar) confronta con HTC (10-50 bar), che implica un elevato costi di installazione e di funzionamento di HTC. Anche in questo caso, la sequenza combinazione di AD e HTC può essere messa in discussione come Wirth et al. Recentemente riportato AD del processo di HTC liquido ^20. Tuttavia, un AD efficace dipende dalla concentrazione di zucchero nelle materie prime. Zuccheri nel processo di HTC liquidi, prodotti durante l'idrolisi, spesso degradano rapidamente sotto l'acqua subcritical. Ecco perché dC prima che HTC è più favorevole in termini di bioenergia. Tuttavia, AD di processo HTC liquido può produrre bioenergia supplementare, in questo caso, la sequenza combinazione sarebbe AD-HTC-AD.

Lo scopo del lavoro era di valutare l'integrazione dei processi AD e HTC alla produzione di energia (Figura 3). Il potenziale di produzione di biogas per AD termofili e mesofili dal reattore UASs è stata valutata in un continuo funzionamento di più di 200 giorni. Successivamente, la produzione HTC biochar from digestato è stato anche studiato. Il bilancio di massa e l'energia del AD-HTC cascata è stata effettuata e confrontato con i singoli processi.

Protocol

1. Digestione Anaerobica della paglia di grano

Nota: Per la digestione anaerobica in 39 reattori L UASs, utilizzare 5-65 mm di lunghezza braciole di paglia di frumento crudo come mangime. Il contenuto di sostanza secca organica della materia prima in questo particolare esperimento è stato 85,9% e la frazione di fibra grezza è stata del 46,3%. I reattori UASs sono realizzati in acciaio inossidabile con una finestrella in vetro acrilico. Due 30 L filtro anaerobico (AF) sono combinati con ogni reattore UASs 39 L. AFS sono costruiti in vetro acrilico trasparente. Lo schema dei sistemi di reattori sono mostrati in Figura 2 e progettazione architettonica descritto altrove ^4. Dettagli sulla inoculazione e la messa in reattori sono indicati altri ^5.

1. Riempire ogni AF con 325 vettori polietilene biofilm a forma di botte.
   Nota: I vettori biofilm utilizzati hanno una superficie di 305 m ² / m ^3.
2. Impostare le pompe d'acqua per la circolazione del liquido di processoin entrambi i reattori mesofili e termofili per una portata di 1,15 l / h.
3. Impostare bagni riscaldamento al livello di temperatura del reattore desiderata, 37 ° C per la mesofila e 55 ° C per il reattore termofilo.
4. Per l'alimentazione quotidiana dei reattori UASs, peso 120 g _FM di paglia di grano (= 99,5 g _VS) per ogni reattore per raggiungere un tasso di carico organico pari a 2,5 g _VS / L · giorno.
5. Aperto UASs 'tubo di alimentazione e rimuovere il timbro.
6. Versare paglia di grano nel tubo di alimentazione diagonale e spingerlo nella parte inferiore del reattore con l'aiuto del timbro alimentazione. Da lì, la paglia galleggia contro un setaccio e formare il letto a stato solido.
7. Pulire la superficie di tenuta per accertarsi, è a tenuta di gas e quindi chiudere il tubo di alimentazione.
8. Le pompe In continuo, trasmettendo 1.2 L / h liquore processo attraverso il sistema del reattore (UASs e AF).
9. Misurare il flusso di biogas continuamente tramite tamburo mete gasrs e conservare in un sacchetto di gas 20 L.
   Nota: l'uscita dalla borsa del gas per l'analizzatore di biogas. Nell'analizzatore biogas, CH _4, H ₂ S, O _2, CO ₂ e H ₂ sono misurate. Prima il biogas deve passare 3 diversi filtri per rimuovere l'umidità, e altri composti tossici che sono nocivi per il rivelatore. L'analizzatore deve essere tarato una volta in una settimana per un accurato composizione del biogas.
10. Misurare biogas composizione regolarmente utilizzando un analizzatore di biogas industriale. Nota: L'analizzatore di biogas può misurare solo il biogas quando la borsa biogas è almeno mezzo pieno. Per la misurazione della composizione del biogas, la valvola al sacchetto gas deve essere aperto e attendere la composizione biogas costante (ci vogliono circa 20-30 sec).
11. Per il controllo di processo, misurare il pH e la temperatura online utilizzando installato pH-metro e termometro.
12. Rimuovere circa 3 kg di digestato (80-90% wet) una volta a settimana, che dà un tempo di ritenzione di solidi (SRT) of 2-3 settimane. Utilizzare questo digestato come mangime per il processo di HTC. Il biogas prodotto in seguito è sufficiente per estrudere l'aria e creare condizioni anaerobiche entro poche ore.
13. Analizzare liquore di processo e di digestato su base settimanale per le loro proprietà chimiche (pH, EC, TS, VS, acidi grassi, CHNS, ammoniaca, oligoelementi, e da fibra grezza).

2. Idrotermale carbonizzazione della paglia di grano Digestato

Nota: Per la carbonizzazione idrotermale del digestato dal punto 1, un lotto di 18 L agitata reattore viene utilizzato. Il controllo e la tempistica di processo viene effettuata tramite controller reattore 4848 e il software SpecView 32 849, in esecuzione su un computer. Nel programma, la temperatura del reattore, temperatura di camicia di riscaldamento, pressione e velocità di agitazione può essere mostrato. Inoltre, il programma per i parametri di processo (temperatura iniziare, temperatura impostata, velocità di riscaldamento, velocità di agitazione) può essere impostato per ogni esperimenti HTC.

1. Pesare 2,5 kgdel digestato paglia con una bilancia con la precisione di 0,1 g e trasferire nel contenitore del reattore.
2. Utilizzare lo stesso equilibrio di misurare 10 kg make-up acqua e versarlo nel contenitore del reattore pure. Questo manterrà digestato, rapporto acqua 01:04.
3. Prima di chiudere pneumatico, mescolare manualmente il contenuto del reattore per impedire il blocco di elica agitatore. Chiudere il reattore e fissarlo trasversalmente stringendo i bulloni con una forza di 50 Nm.
4. Impostare la reazione seguente rampa ammollo:
5. Raggiungere la temperatura iniziale di 30 ° C in 15 min dalla temperatura ambiente.
   1. Impostare il tempo di riscaldamento per temperatura di reazione di 230 ° C è di 100 min.
   2. Tenere la temperatura finale di reazione per 6 ore.
   3. Dopo 6 ore di tempo tiene, raffreddare il reattore di 15 ore a partire da 230 ° C a temperatura ambiente.
   4. Mescolare il contenuto del reattore a 30 rpm durante tutto il processo HTC completo.
   5. Spegnere l'agitatore dopo la fase di raffreddamento e psollecitare il gas in un sacchetto gas 20 L.
   6. Assicurarsi che il gas passa attraverso un separatore di condensa e un filtro a carboni attivi.
   7. Conservare il gas per ulteriori analisi.
6. Dopo il campionamento gas, scaricare l'impasto dal recipiente ad un contenitore attraverso una temperatura elevata, la valvola a sfera ad alta pressione e poi filtrare attraverso una maglia con dimensione dei pori di circa 0,5 mm.
7. Raccogliere il liquido e tarare il biochar HTC prodotta per determinare la quantità di char HTC-prodotto rispetto alle materie prime.

3. Analisi elementare di Raw, digestato, e HTC Biochar di paglia di grano

Nota: Per qualsiasi analisi combustibile solido, un analizzatore o Chons elementare è spesso utilizzato. La composizione elementare del carbonio atomico, idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo e può essere ottenuto da questa analisi. Da Chons, si può stimare il valore calorifico superiore o valore di energia del combustibile. Inoltre, il tenore di zolfo atomico sarà anche indicmangiato la qualità del combustibile. In questo studio, un analizzatore elementare viene utilizzata per determinare il valore di carburante HTC biochar, paglia di grano crudo e digestato. Come l'analizzatore consente solo un campione molto piccolo, analizzare ciascun campione almeno tre volte per una migliore riproducibilità.

1. In un portacampione (stagno, 6 x 6 x 12 mm), pesare 30 mg di tungsteno (VI) ossido utilizzando il saldo specifico nel pacchetto elementare. Nota: La precisione di un tale equilibrio è di solito 1 mg. Tungsteno (VI) ossido funziona come catalizzatore nell'analizzatore elementare.
2. Pesare 5-10 mg di campione secco e mettere nella stessa padella del campione, mescolare, e avvolgerlo. Il campione di dimensione pan avvolto dovrebbe essere di circa 2 x 2 x 5 mm ^3.
3. Posizionare i campioni nel campionatore automatico. Nota la posizione di ciascun campione e utilizzando acido solfonico in questa analisi elementare come riferimento
4. Avviare il software Vario nel computer collegato all'analizzatore Elemental, definire le condizioni, il flusso di gas campione, temperature del2 forni (i due forni sono a 1.150 e 850 ° C, rispettivamente). Quindi, definire i nomi dei campioni secondo le posizioni autosampling. Avviare il programma. La macchina funziona automaticamente, esegue l'analisi, e memorizza i risultati nel computer.
   Nota: Elemental CHNS sono l'output dell'analizzatore elementare e di solito sono riportati direttamente sullo schermo del computer.

Results

La digestione anaerobica

Gli esperimenti biogas rivelato che il sistema UASs è in grado di utilizzare il 38% e il 50% del potenziale formare metano operazione mesofila (37 ° C) e termofilo (55 ° C), rispettivamente. A termofila dC, il sistema UASs produce una media di 165 L _CH4 / kg _VS (VS: solidi volatili) e 121 L _CH4 / kg _VS a mesofilo AD per 200 giorni di funzionamento continuo (Figura 4). Tali valori di performance sono stati calcolati dall'analisi quantitativa e qualitativa del biogas relativi alla materia prima agricola asciutto.

Il potenziale biometano per la paglia di grano è stato determinato (seguendo linee guida VDI 4630) per essere 304,3 L _CH4 / kg _VS per termofili e 244,2 L _CH4 / kg _VS per il funzionamento mesofili, rispettivamente, e presentato in Figura 50; ^21. In termini di qualità, biogas prodotto dalla UASs contenute tra il 41% e il 61% di metano (Figura 5).

HTC del digestato

La figura 6 mostra paglia secca, asciutta digestato derivante dalla paglia da AD, e HTC biochar derivato da digestato secco da HTC. Digestato secco simile alla paglia secca, che è solo un po 'di colore più scuro. Per questo lavoro, il digestato da condizioni di termofili sono stati considerati per HTC. Come mostrato in Tabella 1, il 63% della massa totale rimane nel digestato (Tabella 1). Lavaggio HTC biochar è più leggero paglia crudo secco, probabilmente a causa della degradazione dei monomeri e polimeri semplici da microrganismi termofili durante AD.

La Figura 7 mostra il comportamento idrofobo, e la morbidezza del HTC biochar. Durante HTC, le strutture cristalline fibrose vengono distrutti e producono un morbido ca amorforicco di rbon HTC biochar ^16,17,28. Si può vedere dalla tabella 1 che la resa di massa del digestato e paglia prime derivanti biochar HTC sono il 43,4% e 38,3%, rispettivamente. Il prodotto solido, HTC biochar è molto idrofobico ^12; si può rimanere in contatto con l'acqua per un tempo prolungato ^13. Inoltre è molto morbido, in quanto richiede quasi nessuna pressione per polverizzare. Per l'industria del carbone-potenza, mantenendo morbidezza della materia prima è molto importante, in quanto questo può eliminare i passaggi polverizzazione espansive.

Analisi elementare

Dalle composizioni elementari presentate in Tabella 1, si può notare che il carbonio elementare e idrogeno rimangono gli stessi nel solido durante la digestione anaerobica. Carbonio aumenta elementari e le diminuzioni di idrogeno durante HTC. La maggior parte dell'azoto elementare rimane nel solido poiché il contenuto di azoto elementare aumenta durante sia una digestione processi d HTC. Poiché zolfo in paglia di grano è traccia, la concentrazione di zolfo elementare non è presentato nei risultati. Contenuto di ossigeno elementare è stata calcolata sottraendo C, H, N e da 100% e anche presentato in Tabella 1, assumendo la materia prima è costituita da soli Chons. La concentrazione di ossigeno è diminuita drammaticamente durante HTC, mentre rimane simile durante la digestione.

Figura 1. Concetto di base e fasi di digestione anaerobica. Questa figura descrive i concetti di base della digestione anaerobica. In questa figura, quattro passi generali (idrolisi, acedogenesis, acetogenesi, e metanogenesi) di digestione anaerobica sono presentati

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Figura 2:. Rappresentazione schematica del reattore UASs scala di laboratorio per la digestione anaerobica Questo è lo schema del sistema reattore UASs. Qui il reattore UASs e filtro anaerobico (AF) sono mostrati collegati da una corrente liquida, in cui gli acidi grassi prodotte nel reattore UASs vengono a AF e metano è prodotto. Dal fondo della AF, un'altra corrente liquida è attirata UASs, in cui i microrganismi vanno da AF a reattore UASs.

Figura 3. (Top) Concetto di HTC di biomassa lignocellulosica, (in basso) concetto di integrazione della digestione anaerobica e HTC * cellulosa sarà parzialmente reagito ^24. In questo schema a blocchi, si può notare che i componenti di fibre diverse vengono a contatto con acqua subcritica e sono convertiti in biochar HTC (CTipo di OAL).

Figura 4. Produzione di metano da reattore UASs sia in condizioni termofile e mesofile con il filtro anaerobico. Questi sono i risultati sperimentali del reattore UASs per 210 giorni di funzionamento per entrambe le condizioni termofili e mesofili. L'asse X è giorni di funzionamento, mentre l'asse Y è la resa metano _(CH4 L / kg _VS) rispetto ai solidi volatili (VS).

Figura 5. Frazione di metano di biogas da reattore UASs in entrambe le condizioni termofili e mesofili. Questi sono i risultati sperimentali del reattore UASs per 210 giorni di funzionamento sia sotto un termofilicondizioni mesofile d. L'asse X è giorni di funzionamento, mentre l'asse Y è la frazione metano (%) nel biogas. I valori riportati sono medie di duplicati.

Figura 6. (Da sinistra a destra) paglia di grano secco, asciutto digestato paglia di grano, e biochar HTC del digestato paglia di grano. Questa è l'immagine in tempo reale dei diversi stati di paglia di grano. Qui, in questa figura, l'effetto di digestione anaerobica (AD) e HTC può essere visibile. La struttura della fibra è ancora visibile nel digestato, mentre diventa polverosa dopo HTC.

Figura 7. Idrofobicità del biochar HTC (a sinistra), friabilità del biochar HTC (a destra)

Figura 8. (Top) potenziale Bioenergy da digestione anaerobica (AD) da 1 kg di materie prime paglia di grano e (in basso) potenziale bioenergetico integrando AD-HTC da 1 kg di paglia di grano secco. Questa è una figura di valutare la necessità di combinazione concetti. Il diagramma a blocchi mostra quanta energia si estrae da AD e HTC dalla materia prima.

Tabella 1. Analisi elementare, HHV, resa di massa, e l'analisi della fibra grezza di paglia di grano, digestato (termofili), e corrispondenti biochar HTC. HHV è calcolata da composizione CHNS come mostrato in letteratura ^18,24. Tabella 1 sono i risultati sperimentali di analisi elementare, e resa di massa dopo AD e HTC. Lignina, cellulosa ed emicellulosa sono misurate da van Soest fibra di analisi [12]. Nota:. Na non viene analizzato Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa tabella.

Discussion

UASs reattori sono in grado di mitigare le carenze discussi nell'introduzione. Tuttavia, c'è molto spazio di miglioramento. Sistema di alimentazione e il digestato revoca sono ancora manuale. Il sistema UASs affronta problemi di movimentazione materie prime di dimensioni superiori a 60 mm. Il sistema funziona meglio con materie prime fibrose che fluttuano attraverso il liquido, ma altre materie prime come il concime animale e fanghi potrebbe non favorire il sistema UASs. Il sistema UASs è progettato in modo tale che il liquido di processo circola dal reattore per Af al reattore di nuovo. Tuttavia, anche 2-5% solido nel liquido circolante è stato dimostrato di essere problematico, come si depositano nella AF o bloccare l'ingresso del tubo e ostacolano la circolazione del liquido. L'analisi chimica del liquido di processo è importante, come la produzione di acidi grassi liberi e azoto può cambiare il sistema microbica con conseguente produzione di biogas insolito. Il sistema UASs è robusto, e può essere eseguito più di 200 giorni senza mostrare alcuna significazionent problemi. I tubi di collegamento dalle pompe ai reattori ad AFS devono essere sostituiti ogni mese alternativa. Il livello dell'acqua nella vasca deve essere controllato su base settimanale e riempito, se necessario.

HTC del digestato surf è molto efficace per il trattamento dei rifiuti, nonché la produzione di biocombustibili solidi. Il dewateribility del prodotto solido sarà inoltre agevolata dal processo HTC come mostrato nella Figura 7. Tuttavia, HTC di digestato deve essere eseguita appena possibile, preferibilmente lo stesso giorno in cui il digestato viene rimosso. In caso contrario, il digestato inizia a degradare biologicamente, che non è favorevole per HTC. Come HTC è una temperatura elevata (200-260 ° C) e ad alta pressione (20-50 bar) processo, con tutte le precauzioni necessarie per tutta la procedura HTC è molto importante. Tutti i collegamenti sono controllati almeno una volta al mese per assicurarsi che siano a tenuta di gas. Liquido di processo HTC ha una maggiore concentrazione di furfurolo, 5-HMF e fenolica compounds, che sono classificati come sostanze tossiche. Quindi, si consiglia di utilizzare una mascherina e guanti durante la manipolazione di processo HTC liquido, soprattutto quando il processo HTC liquore viene drenata dal reattore in un altro contenitore. Anche se HTC ha molti vantaggi per la movimentazione di materie prime bagnato come digestato, è ancora un processo batch. In una valutazione economica, processo batch HTC sarà difficile da giustificare. Più ricerca è quindi tenuto a facilitare il funzionamento continuo di HTC.

Analisi elementare è un metodo efficace per substrati solidi omogenei, ma non per substrati eterogenei. Biocombustibili solidi di solito è eterogenea ed elementare analizzatore consente solo il 5-10 mg di dimensione del campione, si raccomanda di effettuare almeno tre repliche e l'uso medio. Un altro limite di analisi elementare è misurare substrati solidi con alto contenuto di ceneri. Analizzatori elementari misurano solo Chons, e non altre sostanze inorganiche. Quindi, analisi elementare di substrati solidi ad alta cenere potrebbe non reveal concentrazioni Chons reali. La preparazione del campione in analisi elementare è vitale, come campione deve essere avvolto con precisione, altrimenti, ci sarà una contraddizione nelle analisi. Valore del combustibile del combustibile solido può essere stimata Chons, ma si consiglia di utilizzare un calorimetro a bomba per una precisa determinazione del valore del carburante.

Circa 92-161 L di metano è stato prodotto per chilogrammo di volatili solido nel mangime. Il totale solido o organico volatile solida della paglia di grano secca è stata 86,9%. Digestato secco ha ossigeno e idrogeno minore concentrazione atomico, che è un'altra indicazione di degradazione di polisaccaridi e semplice degradazione zucchero durante la digestione anaerobica ^22,23. Inoltre, minore H e O concentrazioni aumentano la HHV del digestato ^24. HHV del digestato secco è del 22% superiore a quello asciutto materia prima grezza. I risultati simili si ottengono con una dettagliata analisi statistica da Pohl et al ^23.

Digestato da digestione anaerobica contiene 80-90% di acqua ^6. Questi sono idrofili e l'acqua è parzialmente vincolati in cellule microbiche o vegetali. Di conseguenza disidratazione o essiccazione del digestato è ingombrante e molto alta intensità energetica. Ad esempio, 2 kg di digestato secca lega 8 kg di acqua (80% umido), che richiede 20,7 MJ di calore per asciugare digestato. Inoltre, si tende a bio-degrado in tempi relativamente brevi in condizioni ambientali, perde nutrienti vegetali, e rilascia emissioni di GHG (gas serra) come N ₂ O e CH _4. Quindi, nonostante la crescita potenziale energetico, digestato fresco non può essere utilizzato direttamente come combustibile solido. Esso dovrebbe essere asciugato subito dopo la digestione ^20.

Dalla tabella 1, si può essere dimostrato che il digestato secco ha un simile tenore di carbonio atomico come la paglia grezza, e sono visivamente simili, prima e dopo la digestione anaerobica (Figura 6). Questo suggerisce che la lignina e la cellulosa lignina incrostatosono per lo più non reagito. Tuttavia, una resa di massa del 63% osservata, il che significa paglia elaborati è il 37% più leggero di paglia grezza a secco. Simile concentrazione di carbonio elementare non significa di carbonizzazione si è verificato durante la digestione anaerobica ^22. Come mostrato in figura 7, biochar HTC da digestato (termofili) è molto stabile e morbida. A causa del significativo aumento della idrofobicità, può letteralmente immergere in acqua per mesi senza la sua struttura fisica e chimica essere colpiti ^12,25. L'idrofobicità migliora anche la disidratazione dei HTC biochar ^14. Struttura della paglia non è percepibile nel biochar HTC più, il che significa che la cellulosa potrebbe essere stato reagito. Un carbonizzazione significativo si osserva in HTC biochar insieme alla riduzione dell'ossigeno atomico. Questa è un'altra indicazione di cellulosa essere fatto reagire anziché lignina. Concentrazione di carbonio atomico in lignina è molto superiore a quella della cellulosa ^24-29. Come risultato, HTC Biochar ha un HHV di 29,6 MJ / kg, che è 61% superiore paglia crudo e 32% rispetto digestato asciutta, rispettivamente.

HHV di HTC paglie trasformati è 28,8 MJ / kg, che è anche simile a quella di HTC digestato paglie trasformati (29,6 MJ / kg). Tuttavia, la resa di massa è più alto in paglia HTC 40,7% rispetto a quello di HTC digestato con il confronto di materia prima grezza. Di conseguenza, se 1 kg di paglia grezza (18,4 MJ) è idrotermicamente carbonizzato, biochar paglia HTC avrà il potenziale di 11,0 MJ. Altrimenti, se stessa quantità viene applicato AD e HTC, un totale bioenergetico 13,2 MJ, in forme di biometano (5.2 MJ) e biochar HTC da digestato (8,0 MJ), può essere prodotto (Figura 8). Inoltre, fase liquida del processo UASs è un potenziale fertilizzante liquido. Inoltre, HTC biochar potrebbe avere maggiore potenziale elevato valore d'uso di materiale o usare come ammendante. Per il sequestro del carbonio o il ciclo del carbonio punto di vista, l'uso di materiali di HTC biochar è più fattibile che la produzione di energia.

La digestione anaerobica combinata con carbonizzazione idrotermale può produrre bioenergia più rispetto ai singoli processi. Tuttavia, un disegno in cascata è necessario per una migliore efficienza. Il bilancio energetico complessivo, seguito da una valutazione economica, è necessaria per convalidare questo processo. La ricerca futura dovrebbe includere l'uso di HTC liquori e di post-trattamento (chimico o biologico) di HTC biochar. Inoltre, sarà necessaria automazione sia UASs e sistemi HTC. Questo studio è stato condotto utilizzando un UASs scala di laboratorio e reattore HTC, ma scale-up del processo sarebbe necessario se il processo deve essere commercializzato.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reattore			Design brevettato
Bilancia	KERN	440-55N	0,2 g
di precisione Supporto per biofilm	RVT Process Equipment GmbH, Germania	Bioflow 40	Stabilire 305 m2/m3
Bagno di riscaldamento	Lauda-Königshofen, Germania	Lauda Ecoline 011	Garantire la temperatura mesofila e termofila
Pompa di ricircolo	Heidolph pumpdrive	5201
Paglia di grano	Dittmannsdorfer Milch GmbH, Germania		5-65 mm di lunghezza Analizzatore
di biogas	Pronova, Germania	SSM 6000
Contatore del gas	Ritter, Germania		Tipo di tamburo
Reattore HTC	Strumento Parr, Moline, IL USA	Parr 4555	5 galloni volume
HTC Regolatore di temperatura	Strumento Parr, Moline, IL USA	4848	Termocoppia tipo K
Bilancia		KERN FKB	0,1 g di precisione
Sistema di riscaldamento	Riscaldatore a		A1600EEE a banda, 2 gradi C/min
Software	SpecView	32849	Interfaccia digitale di monitoraggio e programmazione
Catalizzatore		Ossido di tungsteno(VI)	Analizzatore elementare
Bilancia	Mettler Toledo	SN-1128123281	1 &; g precision
Piatto del campione	Elemental Analyssystem GmbH	Piatto di stagno 6 x 6 x 12 mm	Analisi elementare
Forno di essiccazione	Binder GmbH, Germania	FP 115	105 °
Analizzatore elementare	Vario	EL III	Analizzatore CHNS