저온 마이크로파 보조 열 량 화에의 한 버드 나무 연료 방출 감소
Summary
저온 마이크로파 보조 열가 탄 화 처리에 의해 저급 바이오 매스 로부터 고갈 된 방출 전 구체를 위한 프로토콜이 제시 된다. 이 프로토콜은 마이크로파 매개 변수와 바이오 석탄 제품 및 공정 수의 분석을 포함 한다.
Abstract
바이오 매스는 CO2 배출량이 바이오 매스 성장 에 다시 통합 되기 때문에 지속 가능한 연료입니다. 그러나, 바이오 매스 내의 무기 전 구체는 부정적인 환경적 영향과 슬 래그 형성을 야기 한다. 선택 된 짧은 회전 코피스 (SRC) 버드 나무는 높은 회분 함량 (
= 1.96%) 그리고, 따라서, 방출 및 슬 래그 전 구체의 함량이 높다. 따라서, 150 ° c, 170 ° c, 및 185 ° c에서 저온 마이크로파 보조 열 수가 (MAHC)에 의해 SRC 버드 나무에서 미네랄의 감소가 조사 된다. 기존 반응 기에 걸친 MAHC의 이점은 반응 매체에서 균일 한 온도 전도도 이며, 마이크로파가 전체 원자로 체적을 관통 합니다. 이것은 더 나은 온도 제어 및 빠른 재사용 대기 시간을 허용 합니다. 따라서, 중 합, 형질 전환 및 중 합 반응의 연속은 효과적으로 분석 될 수 있다. 본 연구에서, 처리 된 SCR 버드 나무의 질량 손실, 회분 함량 및 조성 물,가 열 값 및 몰 O/c 및 H/C 비율의 분석 결과는 MAHC 석탄의 광물 함량이 감소 하 고가 열 값이 증가 하는 것으로 나타났다. 공정 수는 pH를 감소 하 고 퍼 푸 랄과 5-메 틸 푸 르를 함유 하였다. 170 ° c의 공정 온도는 에너지 입력과 회분 성분 감소의 최상의 조합을 보였다. MAHC는 수 열 탄소 화 공정의 더 나은 이해를 가능 하 게 하며 대규모 산업 응용은 높은 투자 비용으로 인해 거의 불가능 합니다.
Introduction
열가 탄 화를 위한 마이크로파의 적용 (mahc)은과 당, 포도 당1,2 또는 셀 룰로 오 스와 같은 바이오매스 모델 화합물의 열 화학적 형질 전환 및 유기 기질을 위해 사용 되었다 바람직하게는 폐기물4,5,6,8,10. 마이크로파의 활용은 주로 유전 용 매 (11)의 열 손실을 통해 처리 된 바이오 매스2,10 의 균일 한가 열을 가능 하 게 하기 때문에, 마이크로파는 비록 직접 화학 결합을 중단 하 고 반응을 유도 하기 위해 충분 한 에너지를 전달 하지13. 마이크로파는 HTC 반응 기 용기의 전체 반응 체적을 관통 하 고 에너지를 재료에 직접 전달 하며,이는 종래의 반응 기로는 철강 맨 틀의 높은가 열 용량으로 인 한 느린가 열 속도를 나타내는 것이 불가능 하 고 샘플 자체14. 마이크로파에의 한 시료의 물 분자의 고른 흥분은 마이크로웨이브 반응 기의 온도가11,14,15 로 균등 하 게 분배 되 고 이후 재사용 대기 시간이 단축 됨에 따라 개선 된 공정 제어를 가능 하 게 합니다. 반응은 훨씬 빠릅니다. 더욱이, 종래의 반응 기는 발열 시 발생 하는 화학적 반응이 훨씬 느리고, 일반적으로 최종 온도에 할당 되는 결과를 바이어스 할 수 있다. MAHC 반응 기의 개선 된 공정 제어는 선택 된 HTC 반응 (예: 탈수 또는 탈 탄산)의 온도 의존성을 정밀 하 게 구체화 합니다. HTC 반응 기 부피에서 균등 한 온도 분포의 또 다른 이점은 내부 반응 기 벽 (2) 상에 서 고 정화 및 완전히 탄 화 된 입자의 접착력이 낮아진 것 이다. 그러나 물만이 평균 마이크로파 흡수 용 제로 서, 높은 온도에서 마이크로파 흡 광도를 감소 시키는 것을 보여주고,이는 달성 가능한 최대 온도를 제한 합니다. 이 부정적인 영향은 처리 전에 추가 된 HTC 공정 또는 촉매 (이온 또는 극성 종) 중에 산이 생성 될 때 보상 됩니다. 마이크로파 유도 반응은 일반적으로11,15 에서 더 높은 제품 수율과과 당에서 5-하이드 록 시 메 틸 푸 르 팔 (5-hmf)을 표시 모래 침대 촉매 반응에 비해12. 그들은 또한 기존의가 열 방법15,16다음 훨씬 더 나은 에너지 균형을가지고 있다.
열가 탄 화의 근본적인 화학 개념은 바이오 매스의 분해 및 연속적인 중 합 이다. 이러한 복잡 한 상호작용 반응의 과정에서 조직은 산소를 고갈 시켜가 열 값을 증가 시킵니다. 우선, 헤 미 및 셀 룰로 오 스는 당 단량체17로 가수분해 되 고, 저온은 주로 헤 미18,20,21에 영향을 미친다. HTC 반응의 초기 단계에서 유기 산은 설탕 알 데히드와 헤 미 셀 루 deacetylation의 변형으로 형성 됩니다. 이들 산은 아세트산, 락 트, 레 불린, 아크릴 또는 포 름 산20,21,22 일 수 있으며 반응 기 내에서의 물의 pH를 감소 시켰다. 해리로 인해 공정 수에서 이온 생성 물을 증가 시키는 자유 음이온을 형성 합니다. 증가 하는 이온 제품은 바이오 매스에 있는 회분의 주요 성분 인 양이온의 해결을 가능 하 게 합니다. 이 메커니즘에 의해, 조직은 방출 전 구체 및 슬 래그 포 머 (예: 칼륨, 나트륨, 칼슘, 염소 및 중 금속) 로부터고갈 된다24.
형성 된 유기 산은 퓨 란에 당 단량체의 탈수를 지원할 수 있다. 일반적인 당 탈수 제품은 플랫폼 제품 (예: 바이오 폴리머의 합성) 역할을 하기 때문에 화학 산업에 적합 한 제품 인 소량의과 5-하이드 록 시 메 틸 푸 르 푸 르입니다. 5-메 틸 퓨 푸 랄은 셀 룰로 오 스25,26 또는 5 하이드 록 시 메 틸 푸 르27에서 촉매 반응에 의해 형성 될 수 있습니다. 생체 고분자 합성은 통제 된 조건 하에서 인위적인 재 중 합을 하는 반면, 퓨 란는 또한 mahc 반응 기의 복잡 한 화학 환경에서 고 분자량 방향족 구조를 응축, 중 합 및 형성할 수 있습니다. 상기 가용 화 된 유기 및 무기 화합물과 변형 된 우드 셀 매트릭스의 상호작용은 반응 계 (20)의 복잡도를 더 한다. 퓨 란 중 합 반응 경로는 알 돌 응축 또는 분 자간 탈수18,20 및 소수 성 쉘과 더 친수성 코어 (28)를 갖는 하이드로 차르 입자를 사용 한다. 아직 바이오 매스 입자가 완전히 분해 된 다음 재 중 합 되었는지 또는 바이오 매스 입자가 탄소 화를 위한 템플릿으로 작용할 지 여부는 밝혀지지 않았습니다. 그러나, 분해 및 재 중 합 반응은 탈 탄산 및 블랙 카본의 H/c 비율을 향하여 밴 크 레 덴 다이어그램에서 강하를 유도 하는29,30과 같이 탈수 및 반응 반응을 포함 한다.
다른 연구는 종래의 반응 기 기반 수 열 처리 (31)의 광물 환 원 효과를 입증 하는 반면, 결합 된 기계 침 출32 또는 물/암모늄 아세테이트/염 산 세척33으로 물 세척 하는 것은, 우리의 연구는 처음으로 마이크로파를 가진 저온 탄 화 도중 무기물 침 출을 조사 합니다. 이 연구는 연료 업그레이드를 위한 방출 전 구체 침 출에 초점을 맞추고 있으므로 칼륨, 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 염소, 황, 질소 및 중 금속의 운명을 조사 합니다. 미세 먼지 전 구체는 기체 상태의 고온에서 휘발성 염 (예: KCl또는 kca3.1)을 형성 합니다. 이러한 염이 연도 가스에 축적 되 면 아연과 같은 중 금속은 입자 성장 연쇄 반응으로 이어지는 핵 생성 입자로 청소할 수 있습니다. 낮은 연도 가스 온도에서 염 응축은 입자의 성장을 유발 하 고 굴뚝에서 cancerogenous 미세한 먼지 배출을 초래 합니다. 이러한 배출량은 현재 바이오 매스 연료의 지속 가능성을 손상 시키는 주요 요인이 되 고 있습니다. 지속 가능한 에너지 공급은 고가의 필터 또는 연료의 감소 (예: MAHC)에의 한 감소에 의존 합니다. 이 연구는 실용적인 접근법을 따르며, 짧은 회전 코피스 (SRC) 윌 로우 우드는 높은 성장률을 가진 잠재적인 바이오 에너지 공급 원료로 선정 되었습니다. 그것은 가스 화에 의해 자체 지속 가능한 전원 공급 장치에 대 한 자신의 분야에 농민에 의해 성장할 수 있습니다, 뿐만 아니라 직접 연소에의 한 열 발생에 대 한. 버드 나무 SRC의 단점은 낮은 줄기로 인 한 높은 수 피 함량이 며 성숙 단계에서의 나무 껍질 비율입니다. 나무 껍질은 목재34,35,36,37 와 비교 하 여 많은 미네랄을 포함 하 고 가스 또는 입자 방출38의 높은 수량을 산출 합니다. 저온 HTC는 SRC 윌 로우 우드의 연소 특성을 향상 시키고,이로 인해 지속 가능한 열 및 전원 공급에 기여할 수 있습니다. 이 연구에서 조사 된 HTC 바이오 석탄의 또 다른 중요 한 매개 변수는 에너지 밀도, 높은 초기 연소 온도 및 높은 최종 연소 온도39입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
MAHC는 열 처리의 상이한 강도를 적용 하 여 화학적 분해 단계의 분화를 허용 한다. 따라서, 공정 수 중의 질량 손실, O/C-H/C 비율,가 열 값, 회분 성분 환 원, 공정 수의 pH 증가 및 퓨 란의 축적 간의 상호작용을 평가할 수 있다. 종래의 HTC 반응 기에 걸친 MAHC 방법의 이점은 전체 반응 기 부피를 관통 하는 마이크로파를 통한 열전도를 기반으로 하 고 거시적 층에 의해 반응 기 부피를가 열 하는 것이 아…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 크리스토프 Warth, 마이클 러 스, Carola 렙 스키, 줄리안 테 하다 및 박사 Rainer 키 르 호프의 기술 지원을 부탁 드립니다. 이 연구는 보조금 번호 01DN16036에서 BMBF (프로젝트 BiCoLim-가연성 Limpios)에 의해 자금을 지원 하였다.
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 |
Referências
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