Un Solid State (UAS) réacteur à flux ascendant anaérobie roman a été utilisé pour la production de biogaz à partir de matières premières fibreuses. Digestats provenant du réacteur UAS a été hydrothermique carbonisé dans HTC biochar dans un réacteur discontinu sous pression. L'intégration des deux concepts bioénergie a été appliqué dans cette étude pour augmenter la production globale de la bioénergie.
La biomasse lignocellulosique est l'une des sources d'énergie renouvelable la plus abondante encore sous-utilisées. Tant la digestion anaérobie (DA) et la carbonisation hydrothermale (HTC) sont prometteuses technologies pour la production de bioénergie à partir de biomasse en termes de production de biogaz et biochar HTC, respectivement. Dans cette étude, la combinaison de la MA et HTC est proposé d'augmenter la production globale de la bioénergie. La paille de blé a été digérée en anaérobiose dans un roman flux ascendant anaérobie réacteur état solide (UAS) dans les deux (55 ° C) des conditions mésophiles (37 ° C) et thermophiles. Wet digéré de AD thermophile a été carbonisé hydrothermique à 230 ° C pendant 6 heures pour la production de biochar HTC. A température thermophile, le système de UAS donne une moyenne de 165 L CH4 / kg VS (VS: matières volatiles) et 121 L de CH4 / kg VS à AD mésophile sur le fonctionnement continu de 200 jours. Pendant ce temps, 43,4 g de HTC biochar à 29,6 MJ / kg dry_biochar était obtained de HTC de 1 kg digestat (base sèche) de AD mésophile. La combinaison de la MA et HTC, dans cet ensemble particulier de l'expérience donné 13,2 MJ d'énergie pour 1 kg de paille de blé sec, qui est au moins 20% plus élevé que HTC seul et 60,2% de plus que AD seulement.
Trouver des sources d'énergie renouvelables et durables sont des préoccupations majeures dans le secteur de l'énergie dans le monde. Récemment, l'Organisation des Nations Unies a signalé que jusqu'à 77% de l'énergie mondiale en 2050 sera tenu à partir de sources renouvelables 1. La biomasse lignocellulosique tels que la paille, les herbes, les balles de riz, les épis de maïs n'ont pas de conflits avec la nourriture contre problème de carburant. De plus, la biomasse est probablement la seule source d'énergie renouvelable avec le carbone de structure, par rapport aux autres sources d'énergie renouvelables telles que l'éolien, le solaire et l'eau 2. Cependant, les caractéristiques de manipulation, faible densité en vrac, à haute teneur en cendres, et le contenu énergétique plus faible entravent l'utilisation de la biomasse lignocellulosique pour la production d'énergie 2.
La digestion anaérobie (DA) est l'un des premiers exemples de production de bioénergie à partir de déchets de la biomasse. 3 En général, il ya quatre étapes de dégradation impliquer dans la digestion anaérobie comme le montre la figure 1 4 </sup>. Dans les trois premières étapes consécutives, les polysaccharides de la biomasse sont convertis en acides organiques. Dans la dernière étape, les organismes méthanogènes produisent biométhane. AD traditionnelle est une procédure longue et consomment de l'énergie. L'agitation continue réduit économie globale de la MA, en particulier pour les AD de la biomasse lignocellulosique. Un roman flux ascendant anaérobie à l'état solide (UAS) réacteur a le potentiel de combler les lacunes mentionnées (figure 2) 4. Séparations solide-liquide spontanée est l'un des avantages importants de UAS, depuis la destinée facilite biogaz bulles de lever résidus solides n'ayant pas réagi à la hausse 5. Ceci élimine l'utilisation de l'agitateur et réduit la consommation d'énergie sur place donc. En outre, la circulation de liquide assure la distribution de micro-organismes et de leurs métabolites dans tout le réacteur ainsi 5. Par rapport aux biocarburants solides, biogaz est plus facile à manipuler, et laisse peu ou pas de résidus. En effet, la densité d'énergie massiquede biogaz est plusieurs fois plus élevé de la biomasse brute 4. Cependant, AD favorise polysaccharides simples comme l'amidon, des acides gras, et l'hémicellulose 1. En conséquence, la cellulose et la lignine, la majeure partie de la biomasse ligno-cellulosiques fibreux comme de la paille de blé, le reste sous forme solide après digestat AD 5. Bien que la production de biogaz à partir de la charge d'alimentation varie, le type de micro-organismes, la température de réaction et le temps de réaction, une quantité énorme de digestat est généralement produite.
Alors que le biogaz est utilisé pour l'énergie, les digestats (jusqu'à 90% d'eau) sont généralement stockées dans une fermentation résidus dépôt pour recueillir les émissions de méthane restants. Ensuite elles sont séchées et réparties sur les terres cultivées pour améliorer la fertilité du sol et la capacité de rétention d'eau. Haute teneur minérale entravent souvent digestat directement pour le carburant, que de grandes quantités de scories pourraient corroder l'équipement 6. Hydrothermale carbonisation (HTC) est un procédé de traitement thermochimique spécialement conçu pour humide. charge d'alimentation, où la biomasse (avec 80 à 90% d'eau) est chauffé à 200-260 ° C sous la pression de saturation de l'eau et pour maintenir de 0,5 à 6 h (figure 3) 7,8 sous-critique de l'eau a le produit ionique maximale à 200 – 260 ° C, ce qui signifie que l'eau dans ces conditions est réactif et se comporte comme un acide faible et une base faible en même temps 9. L'hémicellulose, ainsi que d'autres produits d'extraction, se dégrade autour de 180 à 200 ° C, tandis que la cellulose réagit autour de 220-230 ° C, et de la lignine réagit à la température relativement plus élevée (> 250 ° C), mais beaucoup plus lentement que la cellulose et l'hémicellulose 10. En raison de la déshydratation et la décarboxylation significative, les résultats HTC produit solide nommé HTC biochar, avec un rendement de masse (HTC sec biochar / aliment sec) de 40-80%, liqueur contenant des acides carboxyliques, les dérivés du furanne, les substances phénoliques, et des monomères de sucre, et 5 – 10% riche en CO 2 produit gazeux 11. Au cours de HTC, substances volatiles contenant de l'oxygène sont nettementréduite et ainsi laisser un riche en carbone solide. Biochar HTC est également stable, hydrophobe, et friable comparer à 12,13 brut de la matière première humide. Grâce à ses caractéristiques hydrophobes, dewateribility de HTC biochar augmente plusieurs fois par rapport à digestat brut ou même biomasse brute. 14-18 De plus, le biochar HTC a des valeurs de carburant similaires à lignite 16,17. Cependant, la cellulose et la lignine se dégradent en partie dans l'environnement HTC 18.
Maintenant hémicellulose et cellulose de la biomasse contribuent à biogaz pendant AD, tandis que la cellulose et la lignine contribuent principalement à HTC solide biochar 4,5. Ainsi, la combinaison de AD-HTC peut potentiellement augmenter le rendement global de la bioénergie. Hoffmann et al. Simuler une combinaison similaire mais en utilisant AD et HTL (hydrothermal liquéfaction) plutôt que AD-19 HTC. HTL est une méthode courante de liquéfaction fraction de la biomasse et produit liquide a une valeur élevée de carburant [43,1 MJ / kg]. Cependant, HTL requires très haute pression (250 bar) à comparer HTC (10-50 bar), ce qui implique une grande installation et les coûts d'exploitation de HTC. Encore une fois, la séquence de combinaison de AD et HTC peut être interrogé Wirth et al. AD récemment déclarée de liquide de processus de HTC 20. Cependant, une annonce efficace dépend de la concentration de sucre dans les charges. Sucres dans le liquide de procédé HTC, produites lors de l'hydrolyse, se dégradent souvent rapidement sous l'eau sous-critique. C'est pourquoi AD avant HTC est plus favorable en termes de bioénergie. Cependant, AD de liquide de procédé HTC peut produire la bioénergie supplémentaire, auquel cas, la séquence de combinaison serait AD-HTC-AD.
Le but de ce travail était d'évaluer l'intégration des processus d'AD et HTC pour la production de bioénergie (Figure 3). Le potentiel de production de biogaz pour AD thermophiles et mésophiles du réacteur UAS a été évaluée à un fonctionnement continu de plus de 200 jours. Par la suite, la production de biochar HTC from digestat a également été étudiée. Le bilan de masse et d'énergie de l'AD-HTC en cascade a été effectuée et comparée avec les processus individuels.
Réacteurs UAS sont capables d'atténuer les lacunes évoquées dans l'introduction. Cependant, il ya beaucoup de place pour l'amélioration. Système d'alimentation et le digestat de retrait sont toujours manuel. Le système d'UAS confronté à des problèmes de manutention des charges d'alimentation de plus de 60 mm. Le système fonctionne mieux avec des matières premières fibreuses comme ils flottent dans le liquide, mais d'autres matières premières comme le fumier et de boues pourrait ne pas favoriser le système UAS. Le système d'UAS est conçu de manière à ce que la liqueur de procédé circule de réacteur à la FA dans le réacteur à nouveau. Cependant, même 2-5% solide dans le liquide circulant a été prouvé pour être problématique, car ils déposent dans l'AF ou de bloquer l'entrée de la canalisation et entravent la circulation du liquide. L'analyse chimique du liquide de traitement est importante, car la production d'acides gras libres et de l'azote peut modifier le système microbienne résultant de la production de biogaz non caractéristique. Le système de HES est robuste, et peut fonctionner plus de 200 jours sans montrer aucune significant problèmes. Les tuyaux de raccordement de pompes à réacteurs à AFS doivent être remplacés tous les mois alternative. Le niveau d'eau dans le bain d'eau doit être contrôlée sur une base hebdomadaire et rempli à nouveau si nécessaire.
HTC du digestat humide est très efficace pour le traitement des déchets ainsi que la production de biocarburants solides. Le dewateribility du produit solide sera également facilitée par le processus de HTC comme indiqué sur la figure 7. Cependant, HTC du digestat doit être effectuée le plus tôt possible, de préférence le même jour que le digestat est retiré. Sinon, le digestat commence dégrader biologiquement, ce qui n'est pas favorable pour HTC. Comme HTC est une température élevée (200-260 ° C) et haute pression (20-50 bars) processus, en prenant les précautions nécessaires tout au long de la procédure de HTC est très important. Tous les raccordements sont vérifiés au moins une fois par mois pour s'assurer qu'ils sont bien serrés au gaz. HTC liquide de traitement a une concentration plus élevée en furfural, le 5-HMF, et phénolique compounds, qui sont classés comme toxiques. Ainsi, il est recommandé d'utiliser un masque et des gants lors de la manipulation du liquide de procédé HTC, en particulier lorsque le processus de HTC liqueur est évacuée de la cuve du réacteur à un autre conteneur. Bien que HTC a de nombreux avantages pour la manipulation de matière première humide comme digestat, il est encore un processus de traitement par lots. Dans une évaluation économique, processus de lot HTC sera difficile à justifier. Plus la recherche est donc nécessaire pour faciliter le fonctionnement continu de HTC.
L'analyse élémentaire est une méthode efficace pour des substrats solides homogènes, mais pas pour les substrats hétérogènes. Biocarburant solide est généralement hétérogène et élémentaire analyseur permet seulement de 5-10 mg de taille de l'échantillon, il est recommandé d'effectuer au moins trois répétitions et moyenne d'utilisation. Une autre limite de l'analyse élémentaire est la mesure de substrats solides à forte teneur en cendres. Analyseurs élémentaires ne mesurent CHONS, et pas d'autres matières inorganiques. Ainsi, l'analyse élémentaire de haute cendres substrats solides pourrait pas reveal les concentrations de Chon réels. La préparation des échantillons pour l'analyse élémentaire est essentiel, comme l'échantillon doit être enveloppé précisément, sinon, il y aura une incohérence dans les analyses. valeur de carburant du combustible solide peut être estimée à partir CHONS, mais il est recommandé d'utiliser une bombe calorimétrique pour la détermination précise de la valeur de carburant.
A propos de 92 à 161 L de méthane a été produit par kilogramme de solide volatile dans l'alimentation. Le total solide ou organique volatil solide de la paille de blé sec était de 86,9%. Digestat a sec de l'oxygène et de l'hydrogène atomique concentration inférieure, qui est une autre indication de la dégradation des polysaccharides et de la dégradation des sucres simples lors de la digestion anaérobie 22,23. En outre, plus faible H et O concentrations augmentent le HHV du digestat 24. HHV du digestat sec est de 22% supérieur à celui de matière première brute sec. Les résultats similaires sont obtenus avec une analyse statistique détaillée par Pohl et al 23.
Digestats de méthanisation contient 80-90% d'eau 6. Ce sont hydrophile et de l'eau est partiellement lié à des cellules microbiennes ou végétales. Comme une déshydratation de résultat ou le séchage des digestats est lourd et très consommatrice d'énergie. Par exemple, 2 kg de digestat sec lie 8 kg d'eau (80% humide), ce qui nécessite de 20,7 MJ de chaleur pour sécher le digestat. En outre, il a tendance à la bio-dégrader relativement rapidement dans des conditions ambiantes, perd des éléments nutritifs, et libère de GES (gaz à effet de serre) des émissions tels que le N 2 O et CH 4. Ainsi, malgré un potentiel énergétique élevé, digestat frais ne peut pas être utilisé directement comme un combustible solide. Il devrait être séché juste après la digestion 20.
D'après le tableau 1, il peut être montré que le digestat sec a une teneur en carbone atomique similaire à celle de la paille brute, et ils sont visuellement similaires avant et après la digestion anaérobie (figure 6). Ceci suggère que la lignine et de la cellulose de la lignine incrustésont pour la plupart n'ayant pas réagi. Toutefois, un rendement massique de 63% observée, ce qui signifie la paille traitée est 37% plus léger que la paille brute sec. Signifie concentration similaire élémentaire de carbone sans carbonisation s'est produite lors de la digestion anaérobie 22. Comme le montre la figure 7, le biochar HTC de digestat (thermophile) est très stable et doux. En raison de l'augmentation significative de l'hydrophobie, il peut littéralement plonger dans de l'eau pendant des mois sans que sa structure physique et chimique étant affecté 12,25. L'hydrophobie améliore également la déshydratation de HTC biochar 14. Structure de la paille n'est pas discernable dans la HTC biochar plus, ce qui signifie que la cellulose peut avoir été mis en réaction. Une carbonisation significative est observée dans HTC biochar avec la réduction de l'oxygène atomique. Ceci est une autre indication de la cellulose fait réagir plutôt que de la lignine. Concentration du carbone atomique dans la lignine est beaucoup plus élevée que celle de la cellulose 24 à 29. En conséquence, HTC Biochar a une HHV de 29,6 MJ / kg, qui sont 61% plus élevé que la paille brut et 32% de plus que le digestat sec, respectivement.
HHV HTC de paille traitée est de 28,8 MJ / kg, ce qui est également similaire à celle de HTC traité digestat de paille (29,6 MJ / kg). Toutefois, le rendement de masse est de 40,7% supérieur à HTC paille que celle de HTC digestat de comparer à de matières premières brutes. Par conséquent, si 1 kg de paille brut (18,4 MJ) sont carbonisées par voie hydrothermique, HTC paille biochar aura le potentiel de 11,0 MJ. Sinon, si même montant est appliqué à AD et HTC, un total de 13,2 MJ bioénergie, sous formes de biométhane (5.2 MJ) et le biochar HTC de digestat (8,0 MJ), peut être produite (figure 8). En outre, la phase liquide du procédé UAS est un engrais liquide potentiel. En outre, HTC biochar pourrait avoir un potentiel élevé sur l'utilisation de matériaux de haute valeur ou l'utiliser comme amendement du sol. Pour le point de vue séquestration du carbone ou le cycle du carbone, l'utilisation des matériaux de HTC biochar est plus facile que la production d'énergie. </ P>
La digestion anaérobie combiné avec hydrothermale carbonisation peut donner plus bioénergie que les processus individuels. Cependant, une conception en cascade est nécessaire pour une meilleure efficacité. Le bilan énergétique global, suivie d'une évaluation économique, est nécessaire pour valider ce processus. Les recherches futures devraient inclure l'utilisation de HTC alcool et de post-traitement (chimique ou biologique) de HTC biochar. En outre, l'automatisation des deux systèmes UAS HTC et sera nécessaire. Cette étude a été réalisée sur l'utilisation d'un UAS l'échelle du laboratoire et le réacteur HTC, mais l'intensification du processus serait nécessaire si le processus doit être commercialisé.
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 |