Гидротермальная карбонизация - Hydrothermal carbonization

Углеродные микрошарики, полученные из глюкозы путем гидротермальной карбонизации, обработанные с помощью CO₂ на 6 часов для изменения свойств поверхности. СЭМ изображение из Тартуский университет.

Гидротермальная карбонизация (HTC) (также называемый «водной карбонизацией при повышенной температуре и давлении») представляет собой химический процесс для преобразования органических соединений в структурированный углерод. Его можно использовать для изготовления широкого спектра наноструктурированных углеродов, простого производства бурый уголь заменять, синтез-газ, жидкие прекурсоры нефти и перегной из биомасса с выделением энергии. Технически процесс в течение нескольких часов имитирует процесс образования бурого угля (нем. "Инкохлунг "буквально" углефикации "), который имеет место в природе в течение чрезвычайно длительных геологических периодов времени от 50 000 до 50 миллионов лет. Это было исследовано Фридрих Бергиус и впервые описан в 1913 году.^[1]

Мотивация

Углеродная эффективность большинства процессов преобразования органических веществ в топливо относительно низка. Т.е. доля углерода, содержащегося в биомассе, который позже содержится в пригодном для использования конечном продукте, относительно низка:

Процесс	Углеродная эффективность
спиртовое брожение	67%
газификация до H₂ или CH₄	60%
газификация и синтез Фишера-Тропша	50%
анаэробное преобразование в биогаз	50%
производство древесного угля	30%
производство гумуса компостированием	От 5% до 10%

В плохо спроектированных системах неиспользованный углерод улетучивается в атмосферу в виде двуокиси углерода или при ферментации в виде метана. Оба газа считаются опасными для климата. Кроме того, в этих процессах выделяется тепло, которое обычно не используется. Усовершенствованная современная система улавливает почти все газы и использует тепло как часть технологического процесса или для централизованного теплоснабжения.

Проблема с производством биодизеля из масличных растений заключается в том, что можно использовать только энергию, содержащуюся в фруктах. Если бы все растение можно было использовать для производства топлива, выход энергии можно было бы увеличить в три-пять раз с той же площадью культивирования при выращивании быстрорастущих растений, таких как ива, тополь, мискантус, конопля, камыши или же лесное хозяйство, одновременно сокращая потребление энергии, удобрений и гербицидов, с возможностью использования - для выращивания современных энергетических растений - бедной почвы. Гидротермальная карбонизация позволяет - аналогично процессу превращения биомассы в жидкость - использовать почти весь углерод, содержащийся в биомассе, для производства топлива. Это новая разновидность старого месторождения (преобразование биомассы в биотопливо ), который недавно получил дальнейшее развитие в Германии.^[2] Это включает умеренные температуры и давления выше водный раствор из биомасса в разбавленном кислота в течение нескольких часов. Сообщается, что полученный материал захватывает 100% углерод в порошке «биоуголь», который может служить источником корма для улучшения почвы (аналогично biochar ) и дальнейшие исследования в области экономики наноматериал производство.^[3]

Процесс

Биомассу нагревают вместе с водой до 180 ° C в сосуде высокого давления, в частности, растительный материал (в следующем уравнении реакции, упрощенном как сахар с формулой C₆ЧАС₁₂О₆. Давление повышается примерно до 1 МПа (10 бар). Во время реакции ионы оксония также образуются, которые снижают pH до pH 5 и ниже. Этот шаг можно ускорить, добавив небольшое количество лимонная кислота.^[4] В этом случае при низких значениях pH больше углерода переходит в водную фазу. Реакция на выходе является экзотермической, то есть выделяется энергия. Через 12 часов углерод реагентов полностью прореагирует, от 90 до 99% углерода присутствует в виде водного шлама из пористых сфер бурого угля (C₆ЧАС₂O) с размерами пор от 8 до 20 нм в качестве твердой фазы, оставшиеся от 1 до 10% углерода либо растворяются в водной фазе, либо превращаются 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 с образованием различных промежуточных продуктов. Через несколько минут образуются жидкие промежуточные липофильные вещества, но обращение с ними очень затруднено из-за их высокой реакционной способности. Впоследствии эти вещества полимеризовать и образуются торфоподобные структуры, которые присутствуют в виде промежуточных продуктов примерно через 8 часов.

Теоретически реакция с определенными частицами металла могла быть катализированный, но они будут очень быстро добавлены к продуктам и потеряют свою функцию.

Эффективность

В результате экзотермической реакции гидротермальной карбонизации высвобождается около 3/8 теплотворной способности биомассы в пересчете на сухую массу (при высокой лигнин, смола и / или масло содержание не менее 1/4). Если этим процессом управлять должным образом, это отходящее тепло влажной биомассы можно использовать для производства сухого биоугля и использовать часть преобразованной энергии для производства энергии.

В крупномасштабной технической реализации гидротермальной карбонизации осадка сточных вод было показано, что около 20% содержания топливной энергии, содержащейся в 90% угле HTC, высушенном на конце, требуется для нагрева процесса. Кроме того, приблизительно 5% произведенной энергии необходимо для работы электростанции. Это оказалось особенно полезным в случае процесса HTC, который с помощью механического обезвоживание в необработанном угле может быть достигнуто более 60% содержания сухого вещества, и, таким образом, затраты энергии и оборудования для окончательной сушки угля являются низкими по сравнению с обычными способами сушки этих шламов.^[5]

По сравнению с вывариванием ила с последующей сушкой, энергопотребление HTC ниже примерно на 20% электрической энергии и примерно на 70% тепловой энергии. Количество энергии, производимой HTC в виде угля для хранения, одновременно на 10% выше.^[6] По сравнению с традиционной термической сушкой осадка сточных вод, HTC экономит 62% электроэнергии и 69% тепловой энергии благодаря значительно более простому отводу.^[7]

Преимущества

Была бы предпочтительной схема экзотермического процесса, в которой содержание углерода остается биологически, химически или термически конвертируемым без дальнейшего окисления биомассы. Это может привести к определенному снижению CO.₂ релиз .

По словам Маркуса Антониетти, наиболее важным моментом является «... то, что у человека есть простой метод преобразования атмосферного CO.₂ через обход биомассы в стабильную и безопасную форму хранения, сток углерода ». С гидротермальной карбонизацией, а также с другими методами коксования биомассы можно было бы достойно хранить большое количество углерода во всем мире. По сути, безопаснее чем обсуждаемое в настоящее время жидкое или газообразное связывание диоксида углерода.При достаточной химической стабильности угля он также может быть очень хорошо использован для улучшения почв (см. также Terra preta).

Искусственный перегной можно использовать для озеленения эродированных поверхностей. Из-за ускоренного роста растений таким образом, дополнительный углекислый газ может быть связан из атмосферы, так что углеродный КПД более 1 или отрицательный CO.₂ баланс может быть достигнут. Полученный углеродный шлам может быть использован для сжигания или эксплуатации топливных элементов нового типа с эффективностью 60%, как в настоящее время исследуются в Гарвардском университете. Для производства обычных видов топлива водно-углеродная смесь должна быть нагрета более интенсивно, так что так называемые синтез-газ, газовая смесь окиси углерода и водорода, образуется:

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

Этот синтез-газ можно использовать для производства бензина по процессу Фишера-Тропша. В качестве альтернативы жидкие промежуточные продукты, которые образуются во время неполного преобразования биомассы, можно использовать для производства топлива и пластика.

Кроме того, полученный угольный шлам можно брикетировать и продавать как экологически чистый, нейтральный по диоксиду углерода «природный углерод» - по сравнению с исходной биомассой, его можно сушить путем осаждения, фильтрации или прессования с меньшим потреблением энергии и, благодаря более высокому содержанию энергии на единицу объема или массы сокращаются транспортные расходы и требуются меньшие складские площади.

Преимущество гидротермальной карбонизации состоит в том, что пригодность растительной биомассы не ограничивается растениями с низким содержанием влаги, а энергия, которую можно получить без выброса углекислого газа, не снижается необходимыми мерами сушки или может использоваться непосредственно для сушки конечных продуктов. Например, даже малопригодный растительный материал, такой как отходы садов и городских зеленых насаждений, можно использовать для производства энергии,^[8] Также сохраняется углекислый газ, который, вместе с еще более опасным для климата метаном, в противном случае был бы произведен в результате бактериального преобразования биомассы.

В последние годы HTC применялась в качестве восходящей технологии кондиционирования для извлечения фосфора из осадка сточных вод с более высоким выходом.^[9]

Проблемы

Основной проблемой при производстве синтез-газа из биомассы является образование смолы, чего можно избежать при управлении гидротермальным процессом. Однако непросто понять, почему это лучший способ обработки биоуглерода. Суспензия биомассы должна разлагаться на CO.₂ и H₂ в сверхкритических условиях при 400 ° C и давлении не менее 221,2 бар (критическая температура воды 374 ° C), что требует больших затрат энергии.^{[нужна цитата ]}

В этой проблеме не решены надлежащее управление процессом, а также проблемы сбора, транспортировки и хранения накопленной биомассы. Эти процессы также требуют энергии, которая должна быть меньше, чем выделяется при гидротермальной карбонизации.

Преимущество перед сухими термическими процессами переработки биотоплива с низким содержанием влаги не так очевидно. Даже в конце XIX века слабопиролизованный древесный уголь, который все еще содержит не менее 4/5 теплотворной способности древесины, был использован для тепловых процессов.

Текущие намерения приложения

В Релзове недалеко от Анклама (Мекленбург-Передняя Померания) в середине ноября 2017 года в «Инновационном парке Передняя Померания» была официально открыта установка гидротермальной карбонизации.^[10] AVA также является первой компанией в мире, открывшей в 2010 году завод HTC на промышленном уровне.^[7]

Уже летом 2016 года в Цзинине (Китай) была введена в эксплуатацию установка HTC по очистке осадка сточных вод для производства возобновляемого топлива для местной угольной электростанции. По данным производителя TerraNova Energy, он находится в непрерывном режиме с годовой производительностью 14 000 тонн.^[11]

Смотрите также

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

внешняя ссылка

Ролик коммерческой установки HTC от TerraNova Energy GmbH auf YouTube, abgerufen am 25. März 2019
Гидротермал Carbonisierung HTC auf kompostverband.ch, abgerufen am 22. января 2017 г.
Макс-Планк-Гезельшафт: Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf auf mpg.de, abgerufen am 22. января 2017 г.
Химические реакции под высоким давлением Vorlesung von Friedrich Bergius anlässlich der Verleihung des Nobelpreises 1931, (PDF-Datei; 781 kB), auf nobelprize.org, abgerufen am 22. января 2017 г.
Kraftstoff aus Orangen auf sueddeutsche.de, abgerufen am 22. января 2017 г.
Weiterführende Informationen zum AVA-HTC-Reaktor mit interessanter Diskussion auf ithaka-journal.net, abgerufen am 22. января 2017 г.
Официальный запуск завода AVA HTC в Релзове Ноябрь 2017 г.
В 2010 году AVA стала первой компанией в мире, которая запустила завод HTC в промышленных масштабах. В 2010

Литература

Тобиас Гельмут Фрейтаг: Hydrothermale Karbonisierung. Studienarbeit, Грин, 2011 г., ISBN 978-3-656-07822-7.
X. J. Cui, M. Antonietti, S.H. Yu: Структурные эффекты наночастиц оксида железа и ионов железа на гидротермальную карбонизацию крахмала и углеводов риса. В: Маленький. 2 (6): 756-759, 2006.
С. Х. Ю, Х. Дж. Цуй, Л. Л. Ли, К. Ли, Б. Ю, М. Антониетти, Х. Колфен: От крахмала к гибридным наноструктурам металл / углерод: гидротермальная карбонизация, катализируемая металлами. В: Современные материалы. 16 (18): 1636, 2004.