Гидротермальная карбонизация

Гидротермальная карбонизация ( ГТК ) (также называемая «водной карбонизацией при повышенной температуре и давлении») — это химический процесс преобразования органических соединений в структурированные углероды. Он может быть использован для получения широкого спектра наноструктурированных углеродов, простого производства заменителя бурого угля , синтез-газа , жидких нефтяных прекурсоров и гумуса из биомассы с выделением энергии. Технически этот процесс имитирует в течение нескольких часов процесс образования бурого угля (нем. «Inkohlung» буквально «углеобразование»), который происходит в природе в течение чрезвычайно длительных геологических периодов от 50 000 до 50 миллионов лет. Он был исследован Фридрихом Бергиусом и впервые описан в 1913 году. ^[1]

Углеродная эффективность большинства процессов преобразования органического вещества в топливо относительно низка. То есть доля углерода, содержащегося в биомассе, которая впоследствии содержится в пригодном для использования конечном продукте, относительно низка:

В плохо спроектированных системах неиспользованный углерод выбрасывается в атмосферу в виде углекислого газа или, при ферментации, в виде метана. Оба газа являются парниковыми, причем метан еще более климатически активен на основе молекулы, чем CO2 _. Кроме того, тепло, которое выделяется в этих процессах, как правило, не используется. Передовые современные системы улавливают почти все газы и используют тепло как часть процесса или для централизованного теплоснабжения .

Проблема с производством биодизеля из масличных растений заключается в том, что может быть использована только энергия, содержащаяся в плодах. Если бы все растение можно было использовать для производства топлива, выход энергии можно было бы увеличить в три-пять раз при той же площади возделывания при выращивании быстрорастущих растений, таких как ива , тополь , мискантус , конопля , тростник или лесное хозяйство , одновременно сокращая использование энергии, удобрений и гербицидов, с возможностью использования - для текущего выращивания энергетических растений - бедной почвы. Гидротермальная карбонизация позволяет - подобно процессу превращения биомассы в жидкость - использовать почти весь углерод, содержащийся в биомассе, для производства топлива. Это новая вариация старой области (превращение биомассы в биотопливо ) , которая недавно получила дальнейшее развитие в Германии. ^[2] Она включает умеренные температуры и давления над водным раствором биомассы в разбавленной кислоте в течение нескольких часов. Сообщается, что полученное вещество захватывает 100% углерода в порошке «древесного угля», который может стать источником питания для улучшения почвы (аналогично биоуглю ) и дальнейшего изучения в области экономичного производства наноматериалов . ^[3]

Биомасса нагревается вместе с водой до 180 °C (356 °F) в сосуде под давлением , в частности , растительный материал (в следующем уравнении реакции, упрощенном до сахара с формулой C6H12O6 _{) . Давление повышается примерно до 1 мегапаскаля ( 150} фунтов на кв. _дюйм ). В ходе реакции также образуются ионы оксония , которые снижают pH до pH5 и ниже. Этот этап можно ускорить, добавив небольшое количество лимонной кислоты . ^[4] В этом случае при низких значениях pH больше углерода переходит в водную фазу. Реакция сточных вод является экзотермической , то есть выделяется энергия. Через 12 часов углерод реагентов полностью прореагировал, 90–99% углерода присутствует в виде водного шлама пористых сфер бурого угля (C ₆ H ₂ O) с размером пор от 8 до 20 нм в качестве твердой фазы, оставшиеся 1–10% углерода либо растворяются в водной фазе, либо преобразуются в диоксид углерода. Уравнение реакции образования бурого угля:

${\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}} \quad \rightarrow \quad \mathrm {C_{6}H_{2}O} +\mathrm {5\ H_{2}O\ qquad \Delta H=-1,105\ \mathrm {кДж/моль} } }$

Реакцию можно остановить в несколько стадий с неполным удалением воды, что дает различные промежуточные продукты. Через несколько минут образуются жидкие промежуточные липофильные вещества, но обращение с ними очень затруднено из-за их высокой реакционной способности. Затем эти вещества полимеризуются и образуются торфоподобные структуры, которые присутствуют в качестве промежуточных продуктов примерно через 8 часов.

В результате экзотермической реакции гидротермальной карбонизации выделяется около 3/8 теплотворной способности биомассы в пересчете на сухую массу (с высоким содержанием лигнина , смолы и/или масла не менее 1/4). При правильном управлении процессом можно использовать это отходящее тепло от влажной биомассы для производства сухого биоугля и часть преобразованной энергии использовать для выработки электроэнергии.

В крупномасштабной технической реализации гидротермальной карбонизации осадка сточных вод было показано, что около 20% содержания энергии топлива, содержащегося в 90% конечно-высушенном угле HTC, требуется для нагрева процесса. Кроме того, около 5% вырабатываемого содержания энергии необходимо для электрической работы установки. Это оказалось особенно полезным в случае процесса HTC, что при механическом обезвоживании более 60% содержания сухого вещества может быть достигнуто в сыром углероде, и, таким образом, затраты энергии и оборудования на окончательную сушку угля являются низкими по сравнению с обычными методами сушки этих шламов. ^[5]

По сравнению с переработкой ила с последующей сушкой, энергозатраты HTC ниже примерно на 20% электрической энергии и примерно на 70% тепловой энергии. Количество энергии, производимой HTC в качестве складируемого угля, одновременно на 10% выше. ^[6] По сравнению с обычной термической сушкой канализационного ила, HTC экономит 62% электроэнергии и 69% тепловой энергии из-за значительно более простого дренажа. ^[7]

• Преимуществом будет экзотермическая конструкция процесса, в которой содержание углерода остается биологически, химически или термически преобразуемым без дальнейшего окисления биомассы. Это может привести к определенному сокращению выбросов _CO2 .
• По словам Маркуса Антониетти, самым важным моментом является «... то, что есть простой метод преобразования атмосферного CO2 _через обход биомассы в стабильную и безопасную форму хранения, поглотитель углерода ». С гидротермальной карбонизацией, а также с другими методами создания «древесного угля», большое количество углерода может быть прилично сохранено по всему миру. По сути, безопаснее, чем обсуждаемая в настоящее время жидкая или газообразная секвестрация углекислого газа. При достаточной химической стабильности угля его также можно было бы очень хорошо использовать для улучшения почв (см. также Terra preta ).
• Искусственный гумус можно использовать для повторного озеленения эродированных поверхностей. Благодаря усиленному росту растений таким образом можно связать из атмосферы дополнительный углекислый газ, чтобы достичь эффективности углерода более 1 или отрицательного баланса CO2 _. Полученный углеродный шлам можно использовать для сжигания или работы новых типов топливных элементов с эффективностью 60%, как это в настоящее время исследуется в Гарвардском университете . Для производства обычного топлива смесь углерода и воды придется нагревать более интенсивно, чтобы образовался так называемый синтез-газ , газовая смесь оксида углерода и водорода:

${\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{2}O} +\mathrm {5\ H_{2}O} \quad \rightarrow \quad \mathrm {6\ CO} +\mathrm {6\ H_{2 }} }$

Этот синтез-газ можно использовать для производства бензина по методу Фишера-Тропша. В качестве альтернативы, жидкие промежуточные продукты, которые образуются при неполной конверсии биомассы, можно использовать для производства топлива и пластика.

• Кроме того, полученный углеродный шлам можно перерабатывать в брикеты и продавать как экологически чистый, нейтральный по уровню выбросов углекислого газа «природный углерод». По сравнению с исходной биомассой его можно сушить с помощью осаждающей фильтрации или прессования с меньшими энергозатратами, а благодаря более высокому содержанию энергии на единицу объема или массы сокращаются транспортные расходы и требуются меньшие площади для хранения.
• Преимущество гидротермальной карбонизации заключается в том, что возможность использования растительной биомассы не ограничивается растениями с низким содержанием влаги, а энергия, которая может быть получена без выбросов углекислого газа, не уменьшается необходимыми мерами сушки или может быть использована непосредственно для сушки конечных продуктов. Например, даже малопригодный к использованию растительный материал, такой как отходы из садов и городских зеленых зон, может быть использован для производства энергии, ^[8] Также экономится углекислый газ, который вместе с еще более разрушительным для климата метаном в противном случае производился бы путем бактериальной переработки биомассы.
• В последние годы HTC применялся в качестве технологии кондиционирования на начальном этапе для извлечения фосфора из осадка сточных вод с выгодой для более высоких выходов. ^[9]

• Проблемой при производстве синтез-газа из биомассы является образование смолы ^[10] , которого можно избежать при управлении гидротермальным процессом.
• Биомасса обычно обрабатывается в диапазоне температур (180-350 °C), затем биомасса погружается в воду и нагревается под давлением (2-6 МПа ) в течение (5-240 минут). А температура и давление потребуют большого количества энергии. ^[11]
• Еще одной проблемой гидротермальной карбонизации является тот факт, что используемый автоклав или аналогичное устройство может быть очень дорогим, а это означает, что за исключением промышленных, исследовательских и демонстрационных целей ГТК обычно недоступен с финансовой точки зрения, особенно для широкой публики .
• Ненадлежащее управление процессом, а также проблемы сбора, транспортировки и хранения накопленной биомассы могут сделать переработку с использованием ГТК нерентабельной. Эти процессы также требуют энергии, которая должна быть меньше, чем выделяется при гидротермальной карбонизации.

В Мехико началось строительство первого модуля HTC для переработки 23 000 тонн органических отходов в год в 2022 году. Завод основан на технологии TerraNova HTC и включает в себя пиролизную установку для обеспечения технологического тепла для процесса HTC. ^[12]

В Финиксвилле, штат Пенсильвания, США, HTC будет использоваться в первой муниципальной очистке сточных вод в Северной Америке, построенной SoMax BioEnergy ^[13]

В Меццокороне (Теннесси), Италия, первый в стране HTC был построен в конце 2019 года компанией CarboREM, и он находится в эксплуатации, обрабатывая дигестат с существующей установки анаэробного сбраживания (AD). AD питается шламом, поступающим с региональных виноделен и молочных заводов. Затем шлам с установки HTC разделяется центрифугой, жидкость HTC рециркулируется на установку AD для производства большего количества биогаза, и производится около 500 тонн гидроугля в год. Впоследствии гидроуголь стабилизируется и перерабатывается третьей компанией в качестве компоста для повторного внедрения в сельское хозяйство с помощью циклического процесса.

В Рельцове, Германия, недалеко от Анклама ( Мекленбург-Передняя Померания ), в середине ноября 2017 года в «Инновационном парке Передняя Померания» был официально открыт завод HTC. ^[14] AVA также является первой компанией в мире, которая создала завод HTC на промышленном уровне в 2010 году. ^[7]

Летом 2016 года в Цзинине/Китай был введен в эксплуатацию завод HTC по переработке ила сточных вод для производства возобновляемого топлива для местной угольной электростанции. По данным производителя TerraNova Energy, он находится в непрерывном режиме работы с годовой производительностью 14 000 тонн. ^[15]

• Биомасса
• Чернозем
• Климатическое земледелие  [de] (доступно только на немецком языке)
• Пирогенный углерод  [de] (доступно только на немецком языке)

• Видеоролик коммерческой установки HTC от TerraNova Energy GmbH на YouTube, получен 25 марта 2019 г.
• Гидротермальное карбонизирование HTC Архивировано 2017-02-02 на Wayback Machine auf kompostverband.ch, получено 22 января 2017 г.
• Max-Planck-Gesellschaft: Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf auf mpg.de, получено 22 января 2017 г.
• Химические реакции под высоким давлением Vorlesung von Friedrich Bergius anlässlich der Verleihung des Nobelpreises 1931, (PDF-Datei; 781 КБ), auf nobelprize.org, получено 22 января 2017 г.
• Kraftstoff aus Orangen auf sueddeutsche.de, получено 22 января 2017 г.
• Weiterführende Informationen zum AVA-HTC-Reaktor mit interessanter Diskussion auf ithaka-journal.net, получено 22 января 2017 г.
• Официальное открытие завода AVA HTC в Рельцове, ноябрь 2017 г.
• В 2010 году AVA стала первой компанией в мире, которая запустила завод HTC в промышленных масштабах. В 2010 году
• Процесс TerraNova®ultra имитирует и значительно ускоряет процесс естественного образования угля.
• Гидротермальная карбонизация остатков шлама с помощью промышленной установки непрерывного действия Carborem C700

• Тобиас Хельмут Фрайтаг: Hydrothermale Karbonisierung. Studienarbeit, Grin, 2011, ISBN  978-3-656-07822-7 .
• XJ Cui, M. Antonietti, SH Yu: Структурные эффекты наночастиц оксида железа и ионов железа на гидротермальную карбонизацию крахмала и рисовых углеводов. В: Small. 2 (6): 756–759, 2006.
• SH Yu, XJ Cui, LL Li, K. Li, B. Yu, M. Antonietti, H. Colfen: От крахмала до гибридных наноструктур металл/углерод: гидротермальная металл-катализируемая карбонизация. В: Advanced Materials . 16 (18): 1636, 2004.