Karbonizacja hydrotermalna

Mikrokulki węglowe wykonane z glikozy poprzez karbonizację hydrotermalną, które były przetwarzane z CO 2 przez 6 godzin w celu zmiany właściwości powierzchniowych. Obraz SEM z Uniwersytetu w Tartu .

Karbonizacja hydrotermalna ( HTC ) (określana również jako „karbonizacja wodna w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu”) to proces chemiczny służący do przekształcania związków organicznych w węgle strukturalne. Może być stosowany do wytwarzania szerokiej gamy nanostrukturalnych węgli, prostej produkcji węgla brunatnego , gazu syntezowego , ciekłych prekursorów ropy naftowej i próchnicy z biomasy z uwolnieniem energii. Technicznie proces imituje w ciągu kilku godzin proces powstawania węgla brunatnego (niemiecki „ Inkohlung „dosłownie „węglanie”), które zachodzi w przyrodzie przez znacznie dłuższe okresy geologiczne od 50 000 do 50 milionów lat. Zostało zbadane przez Friedricha Bergiusa i po raz pierwszy opisane w 1913 roku.

Motywacja

Efektywność węglowa większości procesów przekształcania materii organicznej w paliwo jest stosunkowo niska. Czyli udział węgla zawartego w biomasie, który później znajduje się w końcowym produkcie użytkowym jest stosunkowo niski:

Proces Wydajność węgla
fermentacja alkoholowa 67%
zgazowanie do H 2 lub CH 4 60%
zgazowanie i synteza Fischera-Tropscha 50%
beztlenowej konwersji do biogazu 50%
produkcja węgla drzewnego 30%
produkcja humusu przez kompostowanie 5% do 10%

W źle zaprojektowanych systemach niewykorzystany węgiel przedostaje się do atmosfery w postaci dwutlenku węgla lub, w przypadku fermentacji, w postaci metanu. Oba gazy są gazami cieplarnianymi, a metan jest nawet bardziej aktywny dla klimatu w przeliczeniu na cząsteczkę niż CO 2 . Ponadto ciepło, które jest uwalniane w tych procesach, nie jest na ogół wykorzystywane. Zaawansowane, nowoczesne systemy wychwytują prawie wszystkie gazy i wykorzystują ciepło jako część procesu lub do sieci ciepłowniczej .

Problem z produkcją biodiesla z roślin oleistych polega na tym, że można wykorzystać tylko energię zawartą w owocach. Gdyby cała roślina mogła być wykorzystana do produkcji paliwa, wydajność energetyczna mogłaby wzrosnąć od trzech do pięciu razy na tym samym obszarze uprawy przy uprawie szybko rosnących roślin, takich jak wierzba , topola , miskant , konopie , trzcina lub leśnictwo , przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii, nawozów i herbicydów, z możliwością wykorzystania - do obecnej uprawy roślin energetycznych - gleby ubogiej. Karbonizacja hydrotermalna umożliwia – podobnie jak biomasy w stan ciekły – wykorzystanie prawie całego węgla zawartego w biomasie do produkcji paliwa. Jest to nowa odmiana starej dziedziny (konwersja biomasy na biopaliwo ), która została ostatnio rozwinięta w Niemczech. Polega na umiarkowanych temperaturach i ciśnieniach nad wodnym roztworem biomasy w rozcieńczonym kwasie przez kilka godzin. Powstała materia podobno wychwytuje 100% węgla w proszku „biowęgla”, który mógłby stanowić źródło pożywienia dla modyfikacji gleby (podobnie jak biowęgiel ) i dalszych badań nad ekonomiczną produkcją nanomateriałów .

Proces

Biomasa jest podgrzewana wraz z wodą do 180 °C (356 °F) w naczyniu ciśnieniowym, w szczególności materiał roślinny (w poniższym równaniu reakcji uproszczony jako cukier o wzorze C 6 H 12 O 6 ) . Ciśnienie wzrasta do około 1 megapaskala (150 psi). Podczas reakcji powstają również jony oksoniowe , które obniżają pH do pH 5 i niższych. Ten krok można przyspieszyć, dodając niewielką ilość kwasku cytrynowego . W tym przypadku przy niskich wartościach pH więcej węgla przechodzi do fazy wodnej. Reakcja wypływająca jest egzotermiczna, to znaczy uwalniana jest energia. Po 12 godzinach węgiel z reagentów całkowicie przereagował, 90 do 99% węgla jest obecne jako wodny szlam porowatych kulek węgla brunatnego (C 6 H 2 O) o wielkości porów od 8 do 20 nm jako faza stała , pozostałe 1 do 10% węgla rozpuszcza się w fazie wodnej lub przekształca w dwutlenek węgla. Równanie reakcji tworzenia węgla brunatnego jest następujące:

Reakcję można zatrzymać w kilku etapach z niecałkowitą eliminacją wody, dając różne produkty pośrednie. Po kilku minutach tworzą się ciekłe pośrednie substancje lipofilowe, ale manipulowanie nimi jest bardzo trudne ze względu na ich wysoką reaktywność. Następnie substancje te polimeryzują i tworzą się struktury przypominające torf, które są obecne jako półprodukty po około 8 godzinach.

Efektywność

W wyniku egzotermicznej reakcji karbonizacji hydrotermalnej uwalnia się około 3/8 kaloryczności biomasy w przeliczeniu na suchą masę (o wysokiej zawartości ligniny , żywicy i/lub oleju co najmniej 1/4). Przy odpowiednim zarządzaniu procesem możliwe jest wykorzystanie tego ciepła odpadowego z mokrej biomasy do produkcji suchego biowęgla oraz wykorzystanie części przetworzonej energii do produkcji energii.

W zakrojonej na szeroką skalę realizacji technicznej hydrotermalnej karbonizacji osadów ściekowych wykazano, że do ogrzania procesu potrzebne jest około 20% energii zawartej w 90% przesuszonym węglu HTC. Ponadto około 5% wytworzonej energii jest niezbędne do zasilania elektrycznego elektrowni. Okazało się to szczególnie korzystne w przypadku procesu HTC z odwodnieniem mechanicznym , w węglu surowym można uzyskać ponad 60% zawartości suchej masy, a tym samym nakład energii i sprzętu do ostatecznego suszenia węgla jest niski w porównaniu z konwencjonalnymi metodami suszenia tych zawiesin.

W porównaniu z fermentacją osadu z późniejszym suszeniem, zapotrzebowanie energetyczne HTC jest niższe o około 20% energii elektrycznej i około 70% energii cieplnej. Ilość energii produkowanej przez HTC jako węgiel nadający się do magazynowania jest jednocześnie o 10% większa. W porównaniu z konwencjonalnym suszeniem termicznym osadów ściekowych, HTC oszczędza 62% energii elektrycznej i 69% energii cieplnej dzięki znacznie prostszemu odwadnianiu.

Korzyści

Korzystny byłby projekt procesu egzotermicznego, w którym zawartość węgla pozostaje biologicznie, chemicznie lub termicznie przetwarzalna bez dalszego utleniania biomasy. Może to prowadzić do określonej redukcji uwalniania CO 2 .

Według Markusa Antoniettiego najważniejszą kwestią jest to, że „... istnieje prosta metoda przekształcania atmosferycznego CO 2 poprzez objazd biomasy w stabilną i bezpieczną formę magazynowania, pochłaniacz dwutlenku węgla ”. Dzięki karbonizacji hydrotermalnej, a także innym metodom koksowania biomasy, na całym świecie można by przyzwoicie składować duże ilości węgla. Zasadniczo bezpieczniejsze niż omawiana obecnie ciekła lub gazowa sekwestracja dwutlenku węgla . Przy wystarczającej stabilności chemicznej węgla można go również bardzo dobrze wykorzystać do ulepszania gleb (zob Terra preta ).

Sztuczny humus mógłby być wykorzystany do ponownego zazieleniania erodowanych powierzchni. Dzięki zwiększonemu wzrostowi roślin w ten sposób dodatkowy dwutlenek węgla może być związany z atmosferą, tak że można osiągnąć wydajność węgla większą niż 1 lub ujemny bilans CO2 . Powstały szlam węglowy może być wykorzystany do spalania lub obsługi nowych typów ogniw paliwowych o wydajności 60%, co jest obecnie przedmiotem badań na Uniwersytecie Harvarda. Aby wyprodukować konwencjonalne paliwa, mieszanina węgla z wodą musiałaby być intensywniej podgrzewana, tak aby powstał tzw. gaz syntezowy , czyli gazowa mieszanina tlenku węgla i wodoru:

Ten gaz syntezowy mógłby być wykorzystany do produkcji benzyny w procesie Fischera-Tropscha. Alternatywnie, płynne półprodukty, które powstają podczas niepełnej konwersji biomasy, można wykorzystać do produkcji paliw i tworzyw sztucznych.

Ponadto uzyskany muł węglowy można brykietować i sprzedawać jako „węgiel naturalny” przyjazny dla środowiska, neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla. ze względu na wyższą zawartość energii w przeliczeniu na objętość lub masę, zmniejszają koszty transportu i wymagają mniejszych powierzchni składowania.

Zaletą karbonizacji hydrotermalnej jest to, że przydatność biomasy roślinnej nie jest ograniczona do roślin o niskiej zawartości wilgoci, a energia, którą można uzyskać bez emisji dwutlenku węgla, nie jest zmniejszana przez niezbędne zabiegi suszące lub nadaje się bezpośrednio do suszenia produktów końcowych. Na przykład nawet mało użyteczny materiał roślinny, taki jak odpady z ogrodów i terenów zieleni miejskiej, można wykorzystać do produkcji energii, oszczędza się również dwutlenek węgla, który wraz z jeszcze bardziej szkodliwym dla klimatu metanem byłby wytwarzany przez bakterie konwersja biomasy.

W ostatnich latach HTC zastosowano jako technologię kondycjonowania wstępnego do odzyskiwania fosforu z osadów ściekowych z korzyścią dla wyższych wydajności.

Problemy

Głównym problemem w produkcji gazu syntezowego z biomasy jest powstawanie smoły , której można uniknąć podczas zarządzania procesem hydrotermalnym. Jednak niełatwo zrozumieć, dlaczego jest to najlepszy sposób przetwarzania biowęgla. Zawiesinę biomasy należy rozłożyć na CO 2 i H 2 w warunkach nadkrytycznych w temperaturze 400°C (752°F) i pod ciśnieniem co najmniej 221,2 barów (22120 kPa) ( temperatura krytyczna wody wynosi 374°C), co wymaga duży wkład energetyczny. [ potrzebne źródło ]

Właściwe zarządzanie procesem oraz problemy związane z odbiorem, transportem i magazynowaniem nagromadzonej biomasy pozostają w tym problemie nierozwiązane. Procesy te wymagają również energii, która powinna być mniejsza niż jest uwalniana przez hydrotermalną karbonatyzację.

Przewaga nad suchymi procesami termicznymi rafinacji biopaliw o niskiej zawartości wilgoci nie jest tak oczywista. Jeszcze pod koniec XIX wieku propagowano do procesów termicznych węgiel drzewny słabo poddany pirolizie, zawierający jeszcze co najmniej 4/5 kaloryczności drewna.

Aktualne intencje aplikacji

Miasto Meksyk zaprezentowało budowę pierwszego modułu HTC do przetwarzania 23 000 ton odpadów organicznych rocznie w 2022 roku. Zakład jest oparty na technologii TerraNova HTC i obejmuje instalację do pirolizy, która dostarcza ciepło technologiczne do procesu HTC.

W Phoenixville w Pensylwanii w Stanach Zjednoczonych HTC będzie używany w pierwszej komunalnej oczyszczalni ścieków w Ameryce Północnej, zbudowanej przez firmę SoMax BioEnergy

W Mezzocorona (TN) we Włoszech pierwszy HTC w kraju został zbudowany pod koniec 2019 roku przez firmę CarboREM i służy do przetwarzania pofermentu z istniejącej instalacji fermentacji beztlenowej (AD). AD jest zasilany osadem pochodzącym z regionalnych winnic i mleczarni. Zawiesina z instalacji HTC jest następnie oddzielana przez wirówkę, ciecz HTC jest zawracana do instalacji AD w celu wyprodukowania większej ilości biogazu i prawie 500 ton rocznie hydrowęgla. Następnie hydrowęgiel jest stabilizowany i przetwarzany przez trzecią firmę jako kompost do ponownego wprowadzenia do rolnictwa w procesie okrężnym.

W Relzow niedaleko Anklam (Meklemburgia-Pomorze Przednie) w połowie listopada 2017 r. w „Innovation Park Vorpommern” została oficjalnie otwarta fabryka HTC. AVA jest również pierwszą firmą na świecie, która w 2010 roku założyła fabrykę HTC na poziomie przemysłowym.

Latem 2016 roku w Jining/Chiny uruchomiono oczyszczalnię HTC do oczyszczania osadów ściekowych do produkcji paliwa odnawialnego dla lokalnej elektrowni węglowej. Według producenta TerraNova Energy jest w ciągłej eksploatacji z roczną wydajnością 14.000 ton.

Zobacz też

  • Biomasa
  • Czarnoziem
  • Rolnictwo klimatyczne [ de ] (dostępne tylko w języku niemieckim)
  • Węgiel pirogeniczny [ de ] (dostępny tylko w języku niemieckim)

Linki zewnętrzne

Literatura

  •   Tobias Helmut Freitag: Hydrothermale Karbonisierung. Studienarbeit, Grin, 2011, ISBN 978-3-656-07822-7 .
  • XJ Cui, M. Antonietti, SH Yu: Strukturalny wpływ nanocząstek tlenku żelaza i jonów żelaza na hydrotermalną karbonizację węglowodanów skrobi i ryżu. W: Małe. 2 (6): 756–759, 2006.
  • SH Yu, XJ Cui, LL Li, K. Li, B. Yu, M. Antonietti, H. Colfen: Od skrobi do nanostruktur hybrydowych metal / węgiel: hydrotermalna karbonizacja katalizowana metalem. W: Zaawansowane materiały . 16 (18): 1636, 2004.
Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrothermal_carbonization&oldid=1125295552 ”