Hydrotermisk kondensering - Hydrothermal liquefaction

Hydrotermisk kondensering (HTL) er en termisk depolymeriseringsprosess som brukes til å omdanne våt biomasse og andre makromolekyler til råolje under moderat temperatur og høyt trykk. Den råoljen har høy energitetthet med en lavere oppvarmingsverdi på 33,8-36,9 MJ/kg og 5-20 vekt% oksygen og fornybare kjemikalier.

Reaksjonen involverer vanligvis homogene og/eller heterogene katalysatorer for å forbedre kvaliteten på produktene og utbyttet. Karbon og hydrogen av et organisk materiale, for eksempel biomasse, torv eller lavt rangerte kull (brunkull) omdannes termokjemisk til hydrofobe forbindelser med lav viskositet og høy oppløselighet. Avhengig av behandlingsforholdene kan drivstoffet brukes som produsert for tunge motorer, inkludert marine og jernbane, eller oppgraderes til transportdrivstoff, for eksempel diesel, bensin eller jetbrensel.

Historie

Allerede på 1920 -tallet ble konseptet med bruk av varmt vann og alkalikatalysatorer foreslått for å produsere olje ut av biomasse. Dette var grunnlaget for senere HTL -teknologier som vakte forskningsinteresse, spesielt under oljeembargo på 1970 -tallet. Det var rundt den tiden at en høytrykks (hydrotermisk) flytende prosess ble utviklet ved Pittsburgh Energy Research Center (PERC) og senere demonstrert (på 100 kg/t skala) ved Albany Biomass Liquefaction Experimental Facility i Albany, Oregon, OSS. I 1982 utviklet Shell Oil HTU ™ -prosessen i Nederland. Andre organisasjoner som tidligere har demonstrert HTL av biomasse inkluderer Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Tyskland, SCF Technologies i København, Danmark, EPAs Water Engineering Research Laboratory, Cincinnati, Ohio, USA og Changing World Technology Inc. (CWT), Philadelphia, Pennsylvania , USA. I dag har teknologiselskaper som Licella/Ignite Energy Resources (Australia), Arbios Biotech , et Licella/Canfor joint venture, Altaca Energy (Tyrkia), Bio2Oil ApS (Danmark), Steeper Energy (Danmark, Canada) og Nabros Energy (India) ) fortsette å utforske kommersialiseringen av HTL. Byggingen har begynt i Teesside, Storbritannia , for et katalytisk hydrotermisk kondensasjonsanlegg som har som mål å behandle 80 000 tonn blandet plastavfall per år innen 2022.

Kjemiske reaksjoner

I hydrotermal flytendegjøringsprosesser, er lang karbonkjedemolekylene i biomassen termisk krakket og oksygen blir fjernet i form av H 2 O (dehydratisering) og CO 2 (dekarboksylering). Disse reaksjonene resulterer i produksjon av bioolje med høyt H/C-forhold. Forenklede beskrivelser av dehydrering og dekarboksyleringsreaksjoner finnes i litteraturen (f.eks. Asghari og Yoshida (2006) og Snåre et al. (2007))

Prosess

De fleste anvendelser av hydrotermisk kondensering opererer ved temperaturer mellom 250-550 ° C og høyt trykk på 5-25 MPa samt katalysatorer i 20–60 minutter, selv om høyere eller lavere temperaturer kan brukes til å optimalisere henholdsvis gass- eller væskeutbytte. Ved disse temperaturene og trykkene blir vannet i biomassen enten subkritisk eller superkritisk, avhengig av forholdene, og fungerer som et løsningsmiddel, reaktant og katalysator for å lette reaksjonen av biomasse til bioolje.

Den eksakte konverteringen av biomasse til bioolje er avhengig av flere variabler:

  • Råmaterialesammensetning
  • Temperatur og oppvarmingshastighet
  • Press
  • Løsemiddel
  • Oppholdstid
  • Katalysatorer

Råstoff

Teoretisk sett kan enhver biomasse omdannes til bioolje ved bruk av hydrotermisk kondensering uavhengig av vanninnhold, og forskjellige biomasser har blitt testet, fra skogbruk og jordbruksrester, avløpsslam, matprosessavfall, til fremvoksende ikke-næringsbiomasse som alger. Sammensetningen av cellulose, hemicellulose, protein og lignin i råstoffet påvirker utbyttet og kvaliteten på oljen fra prosessen.

Temperatur og oppvarmingshastighet

Temperatur spiller en stor rolle i omdannelsen av biomasse til bioolje. Reaksjonstemperaturen bestemmer depolymerisasjonen av biomassen til bioolje, så vel som repolymeriseringen til røye. Selv om den ideelle reaksjonstemperaturen er avhengig av råstoffet som brukes, fører temperaturer over det ideelle til en økning i røyedannelse og til slutt økt gassdannelse, mens lavere enn ideelle temperaturer reduserer depolymerisering og totale produktutbytter.

På samme måte som temperaturen spiller oppvarmingshastigheten en kritisk rolle i produksjonen av de forskjellige fasestrømmene, på grunn av utbredelsen av sekundære reaksjoner ved ikke-optimale oppvarmingshastigheter. Sekundære reaksjoner blir dominerende i oppvarmingshastigheter som er for lave, noe som fører til dannelse av røye. Selv om høye oppvarmingshastigheter kreves for å danne flytende bioolje, er det en terskeloppvarmingshastighet og temperatur der væskeproduksjon blir hemmet og gassproduksjon favoriseres i sekundære reaksjoner.

Press

Trykk (sammen med temperatur) bestemmer den super- eller subkritiske tilstanden til løsningsmidler samt generell reaksjonskinetikk og energiinngangene som kreves for å gi de ønskelige HTL-produktene (olje, gass, kjemikalier, røye etc.).

Oppholdstid

Hydrotermisk kondensering er en rask prosess, noe som resulterer i lave oppholdstider for depolymerisering. Typiske oppholdstider måles i minutter (15 til 60 minutter); oppholdstiden er imidlertid sterkt avhengig av reaksjonsbetingelsene, inkludert råmateriale, løsningsmiddelforhold og temperatur. Som sådan er optimalisering av oppholdstiden nødvendig for å sikre en fullstendig depolymerisering uten å tillate ytterligere reaksjoner.

Katalysatorer

Selv om vann fungerer som en katalysator i reaksjonen, kan andre katalysatorer tilsettes til reaksjonskaret for å optimalisere omdannelsen. Tidligere brukte katalysatorer inkluderer vannløselige uorganiske forbindelser og salter, innbefattet KOH og Na 2 CO 3 , så vel som overgangsmetallkatalysatorer ved hjelp av Ni , Pd , Pt , og Ru båret på enten karbon , silisiumdioksyd eller aluminiumoksyd . Tilsetning av disse katalysatorene kan føre til en oljeutbytteøkning på 20% eller mer på grunn av at katalysatorene omdanner proteinet, cellulosen og hemicellulosen til olje. Denne evnen for katalysatorer til å konvertere andre biomaterialer enn fett og oljer til bio-olje gjør det mulig å bruke et bredere utvalg av råvarer.

Miljøpåvirkning

Biodrivstoff som produseres gjennom hydrotermisk kondensering er karbonnøytral , noe som betyr at det ikke produseres netto karbonutslipp ved forbrenning av biodrivstoffet. Plantematerialene som brukes til å produsere biooljer bruker fotosyntese for å vokse, og forbruker som sådan karbondioksid fra atmosfæren. Forbrenningen av det produserte biodrivstoffet frigjør karbondioksid i atmosfæren, men kompenseres nesten helt av karbondioksidet som forbrukes ved å dyrke plantene, noe som resulterer i frigjøring av bare 15-18 g CO 2 per kWh produsert energi. Dette er vesentlig lavere enn utslippshastigheten for fossilt brenselsteknologi, som kan variere fra utslipp på 955 g/kWh (kull), 813 g/kWh (olje) og 446 g/kWh (naturgass). Nylig kunngjorde Steeper Energy at karbonintensiteten (CI) i Hydrofaction ™ oljen er 15 CO 2 ekv/MJ i henhold til GHGenius modell (versjon 4.03a), mens diesel er 93,55 CO 2 ekv/MJ.

Hydrotermisk kondensering er en ren prosess som ikke produserer skadelige forbindelser, for eksempel ammoniakk, NO x eller SO x . I stedet omdannes heteroatomer , inkludert nitrogen, svovel og klor, til ufarlige biprodukter som N 2 og uorganiske syrer som kan nøytraliseres med baser.

Sammenligning med pyrolyse og andre BtL -teknologier

HTL-prosessen skiller seg fra pyrolyse, da den kan behandle våt biomasse og produsere en bioolje som inneholder omtrent det dobbelte av energitettheten til pyrolyseolje. Pyrolyse er en relatert prosess til HTL, men biomasse må bearbeides og tørkes for å øke utbyttet. Tilstedeværelsen av vann i pyrolyse øker fordampningsvarmen til det organiske materialet drastisk, og øker energien som kreves for å bryte ned biomassen. Typiske pyrolyseprosesser krever et vanninnhold på mindre enn 40% for å passende omdanne biomassen til bioolje. Dette krever betydelig forbehandling av våt biomasse som tropiske gress, som inneholder et vanninnhold så høyt som 80-85%, og enda mer behandling for vannlevende arter, som kan inneholde høyere enn 90% vanninnhold.

HTL -oljen kan inneholde opptil 80% av råstoffets karboninnhold (enkeltpass). HTL-olje har et godt potensial for å gi bioolje med "drop-in" -egenskaper som kan distribueres direkte i eksisterende petroleumsinfrastruktur.

Se også

Referanser