Kinetische Untersuchungen der Hydrothermalen Carbonisierung von Biomassen

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Viktor Schuler
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1 Institut für Technische Chemie Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Kinetische Untersuchungen der Hydrothermalen Carbonisierung von Biomassen

2 Gliederung Einführung Experimentelles Ergebnisse Biomassezusammensetzung Kohlenstoffgehalte REM Kinetisches Modell Zusammenfassung 2

Anwendungen: Brennstoff, Bodenverbesserer

3 Einführung: HTC Hydrothermale Carbonisierung Umwandlung nasser Biomasse in Kohle (Hydrokohle) Mögliche Anwendungen: Brennstoff, Bodenverbesserer Prozessbedingungen Biomasse + Wasser ( evtl.: + Zitronensäure, + Eisen) C 2 12 h 3

4 Einführung: HTC Mechansimus Hydrolyse der Biomasse in gelöste Intermediate (z.b. 5-HMF) Polymerisation der Intermediate zu Hydrokohle Kinetik Daten verfügbar für: Kokusnuss-Schalen Weihrauch-Kiefer Eukalyptus-Blätter Kein einfaches kinetisches Modell verfügbar, das für alle Typen von Biomasse anwendbar ist 4

5 Experimentelle Details g Biomasse (TS) 500 ml deionisiertes Wasser 0 0,2 g/l Zitronensäure 50 rpm 1 72 h C 5

6 Experimentelle Details: Stationärer Zustand Verlauf der Reaktor-Temperatur mit der Zeit (inkl. Aufheiz- und Abkühlzeit; 200 C, 10h, Laub) 6

7 Experimentelle Details HTC Filtration Charakterisierung der Biomasse bzw. Hydrokohle Elementaranalyse (C/H/N) Feststoffausbeute Brennwert REM 7

8 Biomassezusammensetzung [Ma. %] Binsen Laub Schilf Rübenblatt Cellulose 29,3 % 14,0 % 20,4 % 10,9 % Hemicellulose 20,7 % 10,8 % 18,8 % 8,0 % Lignin 35,0 % 62,1 % 55,9 % 31,4 % Protein 11,0 % 3,1 % 1,8 % 25,8 % Asche 4,0 % 10,0 % 3,1 % 23,9 % 8

9 Einfluss Zitronensäure Binsen Effekt der Temperatur und der Zitronensäure (gefüllte Symbole: 0 g/l; offene Symbole: 0,2 g/l) auf den zeitlichen Verlauf des Kohlenstoffgehalts 9

10 Einfluss Zitronensäure Binsen Effekt der Temperatur und der Zitronensäure (gefüllte Symbole: 0 g/l; offene Symbole: 0,2 g/l) auf den zeitlichen Verlauf der Brennwerte 10

11 Einfluss Substratkonzentration Binsen Einfluss der Binsen-Konzentration auf die Feststoffausbeute (220 C; ohne Zitronensäure) 11

12 Einfluss Temperatur Laub Effekt der Temperatur auf die Karbonisierung von Laub (0,2 g/l Zitronensäure) 12

13 Einfluss Substratkonzentration Laub Einfluss der Laub-Konzentration auf die Feststoffausbeute (220 C; 0,2 g/l Zitronensäure) 13

14 Einfluss Temperatur Schilf Effekt der Temperatur auf die Karbonisierung von Schilf (0,2 g/l Zitronensäure) 14

15 Van Krevelen Diagramm Van Krevelen Diagramm mit Ergebnissen der HTC bei 220 C 15

16 REM (Rübenblatt) REM-Aufnahmen von Rübenblatt (oben) und Hydrokohle (unten, 220 C) 16

17 Kinetisches Modell Nebenprodukte (flüssig o. gasf.) (D) Biomasse (A) (Flüssige) Zwischenprodukte (B) Hydrokohle (C) 17

18 Kinetisches Modell Konzentrationen c A, c B, c C, c D [g-kohlenstoff/liter] D 3 dc A dt = k 1c A A B 1 2 k x = k x,0 e E A,x RR C dc B dt = k 1c A k 2 c n B k 3 c B dc C dt = k n 2c B dc D dt = k 3c B 18

19 Modellanpassung Gesucht: 7 Parameter (k 1,0, k 2,0, k 3,0, E A,1, E A,2, E A,3, n) Bekannt: Feststoff-Konzentration (A+C) und Kohlenstoff-Gehalt des Feststoffs Hydrokohle (C) aus LPM 72 Gew.% Kohlenstoff Hydrokohle (C) aus Laub 69 Gew.% Kohlenstoff Hydrokohle (C) aus Schilf 71 Gew.% Kohlenstoff Konzentrationen c A und c C zu versch. Zeiten Modellanpassung: numerische Lösung (Runge-Kutta) eingebettet in nichtlineare Regression (Simplex) min. Fehlerquadrat-Summe 19

20 Kinetische Parameter Kinetische Parameter Binsen Laub Schilf k 1,0 [h -1 ] 1,89* ,00*10 5 2,64*10 10 k 2,0 [L n-1 g 1-n h -1 ] 1,15*10 7 9,30*10 3 6,27*10 3 k 3,0 [h -1 ] 1,89*10 7 8,80*10 4 2,47*10 3 E A,1 [kj/mol] ,9 104 E A,2 [kj/mol] 75,0 46,9 44,7 E A,3 [kj/mol] 74,3 55,6 39 n [-] 1,53 2,48 1,50 20

21 Modell Binsen (220 C; 1,9 % TS) 21

22 Modell Einfluss der Binsenkonzentration Modell: Binsen-Konzentrationseffekt (220 C) 22

23 Modell Laub (240 C; 1,9 % TS) 23

24 Modell Schilf (220 C; 1,9 % TS) 24

25 Modell Einfluss der Schilfkonzentration Modell: Schilf-Konzentrationseffekt (220 C) 25

26 Zeitlicher Verlauf von A, B, C und D (Binsen) Zeitlicher Verlauf der Komponenten A, B, C und D im Modell (220 C; 10,3 % TS; Binsen) 26

27 Zusammenfassung - Kein Effekt durch 0,2 g/l Zitronensäure (Binsen) - Höhere Biomassekonzentration erhöht Feststoffausbeute - Kinetisches Modell entwickelt: Hohe Reaktionsordnung der Polymerisationsreaktion beschreibt Konzentrationseinfluss - Kinetische Parameter für Binsen, Laub und Schilf (ausstehend: Rübenblatt) 27

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