Hydrothermale Verflüssigung - Hydrothermal liquefaction

Hydrothermale Verflüssigung (HTL) ist ein thermischer Depolymerisationsprozess , der verwendet wird, um nasse Biomasse und andere Makromoleküle bei mäßiger Temperatur und hohem Druck in rohes Öl umzuwandeln . Das rohölähnliche Öl hat eine hohe Energiedichte mit einem niedrigeren Heizwert von 33,8-36,9 MJ/kg und 5-20 Gew.-% Sauerstoff und erneuerbaren Chemikalien.

Die Reaktion umfasst üblicherweise homogene und/oder heterogene Katalysatoren , um die Qualität der Produkte und Ausbeuten zu verbessern. Kohlenstoff und Wasserstoff eines organischen Materials wie Biomasse, Torf oder niederrangige Kohlen (Braunkohle) werden thermochemisch in hydrophobe Verbindungen mit niedriger Viskosität und hoher Löslichkeit umgewandelt. Abhängig von den Verarbeitungsbedingungen kann der Kraftstoff wie hergestellt für schwere Motoren, einschließlich Schiffs- und Schienenfahrzeugen, verwendet oder zu Verkehrskraftstoffen wie Diesel, Benzin oder Jet-Fuels aufgerüstet werden.

Geschichte

Bereits in den 1920er Jahren wurde das Konzept vorgeschlagen, mit heißem Wasser und Alkalikatalysatoren Öl aus Biomasse zu gewinnen. Dies war die Grundlage für spätere HTL-Technologien, die insbesondere während des Ölembargos der 1970er Jahre auf Forschungsinteresse stießen. Zu dieser Zeit wurde am Pittsburgh Energy Research Center (PERC) ein Hochdruck-(hydrothermaler) Verflüssigungsprozess entwickelt und später (im 100-kg/h-Maßstab) in der Albany Biomass Liquefaction Experimental Facility in Albany, Oregon, demonstriert. UNS. 1982 entwickelte Shell Oil das HTU™-Verfahren in den Niederlanden. Andere Organisationen, die bereits HTL von Biomasse demonstriert haben, sind die Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Deutschland, SCF Technologies in Kopenhagen, Dänemark, das Water Engineering Research Laboratory der EPA, Cincinnati, Ohio, USA, und Changing World Technology Inc. (CWT), Philadelphia, Pennsylvania , VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA. Heute haben Technologieunternehmen wie Licella/Ignite Energy Resources (Australien), Arbios Biotech , ein Joint Venture von Licella/Canfor, Altaca Energy (Türkei), Bio2Oil ApS (Dänemark), Steeper Energy (Dänemark, Kanada) und Nabros Energy (Indien) ) untersuchen weiterhin die Kommerzialisierung von HTL. In Teesside, Großbritannien , wurde mit dem Bau einer katalytischen hydrothermalen Verflüssigungsanlage begonnen, die bis 2022 80.000 Tonnen gemischte Kunststoffabfälle pro Jahr verarbeiten soll.

Chemische Reaktionen

Bei hydrothermalen Verflüssigungsprozessen werden lange Kohlenstoffkettenmoleküle in Biomasse thermisch gecrackt und Sauerstoff in Form von H 2 O (Dehydratisierung) und CO 2 (Decarboxylierung) entfernt. Diese Reaktionen führen zur Produktion von Bioöl mit hohem H/C-Verhältnis. Vereinfachte Beschreibungen von Dehydratisierungs- und Decarboxylierungsreaktionen finden sich in der Literatur (zB Asghari und Yoshida (2006) und Snåre et al. (2007))

Verfahren

Die meisten Anwendungen der hydrothermalen Verflüssigung arbeiten bei Temperaturen zwischen 250–550 °C und hohen Drücken von 5–25 MPa sowie Katalysatoren für 20–60 Minuten, obwohl höhere oder niedrigere Temperaturen verwendet werden können, um die Gas- bzw. Flüssigkeitsausbeuten zu optimieren. Bei diesen Temperaturen und Drücken wird das in der Biomasse vorhandene Wasser je nach Bedingungen entweder unterkritisch oder überkritisch und wirkt als Lösungsmittel, Reaktant und Katalysator, um die Reaktion von Biomasse zu Bioöl zu erleichtern.

Die genaue Umwandlung von Biomasse in Bioöl hängt von mehreren Variablen ab:

  • Zusammensetzung des Ausgangsmaterials
  • Temperatur und Heizrate
  • Druck
  • Lösungsmittel
  • Aufenthaltszeit
  • Katalysatoren

Ausgangsmaterial

Theoretisch kann jede Biomasse unabhängig vom Wassergehalt durch hydrothermale Verflüssigung in Bioöl umgewandelt werden, und es wurden verschiedene Biomassen getestet, von forst- und landwirtschaftlichen Reststoffen, Klärschlämmen, Abfällen aus der Lebensmittelverarbeitung bis hin zu neu entstehender Non-Food-Biomasse wie Algen. Die Zusammensetzung von Cellulose, Hemicellulose, Protein und Lignin im Rohstoff beeinflusst die Ausbeute und Qualität des Öls aus dem Prozess.

Temperatur und Heizrate

Bei der Umwandlung von Biomasse in Bioöl spielt die Temperatur eine große Rolle. Die Reaktionstemperatur bestimmt die Depolymerisation der Biomasse zu Bioöl sowie die Repolymerisation zu Kohle. Während die ideale Reaktionstemperatur vom verwendeten Einsatzmaterial abhängt, führen Temperaturen über dem Ideal zu einer erhöhten Verkohlungsbildung und schließlich zu einer erhöhten Gasbildung, während niedrigere als ideale Temperaturen die Depolymerisation und die Gesamtproduktausbeute verringern.

Ähnlich wie die Temperatur spielt die Aufheizgeschwindigkeit eine kritische Rolle bei der Herstellung der verschiedenen Phasenströme, da Sekundärreaktionen bei nicht optimalen Aufheizgeschwindigkeiten vorherrschen. Bei zu geringen Heizraten dominieren Sekundärreaktionen, die zur Bildung von Verkohlung führen. Während zur Bildung von flüssigem Bioöl hohe Heizraten erforderlich sind, gibt es eine Schwellenheizrate und -temperatur, bei der die Flüssigkeitsproduktion gehemmt und die Gasproduktion bei Sekundärreaktionen begünstigt wird.

Druck

Der Druck (zusammen mit der Temperatur) bestimmt den über- oder unterkritischen Zustand von Lösungsmitteln sowie die Gesamtreaktionskinetik und den Energieaufwand, der erforderlich ist, um die gewünschten HTL-Produkte (Öl, Gas, Chemikalien, Kohle usw.) zu erhalten.

Aufenthaltszeit

Die hydrothermale Verflüssigung ist ein schneller Prozess, der zu geringen Verweilzeiten für die Depolymerisation führt. Typische Verweilzeiten werden in Minuten (15 bis 60 Minuten) gemessen; die Verweilzeit hängt jedoch stark von den Reaktionsbedingungen ab, einschließlich Einsatzmaterial, Lösungsmittelverhältnis und Temperatur. Daher ist eine Optimierung der Verweilzeit erforderlich, um eine vollständige Depolymerisation zu gewährleisten, ohne das Auftreten weiterer Reaktionen zuzulassen.

Katalysatoren

Während Wasser bei der Reaktion als Katalysator wirkt, können dem Reaktionsgefäß andere Katalysatoren zugesetzt werden, um den Umsatz zu optimieren. Früher verwendete Katalysatoren umfassen wasserlösliche anorganische Verbindungen und Salze, einschließlich KOH und Na 2 CO 3 , sowie Übergangsmetallkatalysatoren, die Ni , Pd , Pt und Ru verwenden, die entweder auf Kohlenstoff , Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid getragen werden . Die Zugabe dieser Katalysatoren kann zu einer Erhöhung der Ölausbeute von 20 % oder mehr führen, da die Katalysatoren das Protein, die Zellulose und die Hemizellulose in Öl umwandeln. Diese Fähigkeit von Katalysatoren, andere Biomaterialien als Fette und Öle in Bioöl umzuwandeln, ermöglicht die Verwendung einer breiteren Palette von Rohstoffen.

Umweltbelastung

Biokraftstoffe, die durch hydrothermale Verflüssigung hergestellt werden, sind CO2-neutral , das heißt, bei der Verbrennung des Biokraftstoffs entstehen keine Netto-Kohlenstoffemissionen. Die zur Herstellung von Bioölen verwendeten Pflanzenmaterialien nutzen Photosynthese zum Wachsen und verbrauchen als solche Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Bei der Verbrennung der produzierten Biokraftstoffe wird Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt, das jedoch fast vollständig durch das beim Anbau der Pflanzen verbrauchte Kohlendioxid ausgeglichen wird, sodass nur 15-18 g CO 2 pro kWh erzeugter Energie freigesetzt werden. Dies ist deutlich niedriger als die Freisetzungsrate fossiler Brennstofftechnologien, die zwischen 955 g/kWh (Kohle), 813 g/kWh (Öl) und 446 g/kWh (Erdgas) liegen kann. Kürzlich gab Steeper Energy bekannt, dass die Kohlenstoffintensität (CI) seines Hydrofaction™-Öls gemäß dem GHGenius-Modell (Version 4.03a) 15 CO 2 eq/MJ beträgt, während Dieselkraftstoff 93,55 CO 2 eq/MJ beträgt .

Die hydrothermale Verflüssigung ist ein sauberer Prozess, bei dem keine schädlichen Verbindungen wie Ammoniak, NO x oder SO x entstehen . Stattdessen werden die Heteroatome , einschließlich Stickstoff, Schwefel und Chlor, in harmlose Nebenprodukte wie N 2 und anorganische Säuren umgewandelt, die mit Basen neutralisiert werden können.

Vergleich mit Pyrolyse und anderen BtL- Technologien

Das HTL-Verfahren unterscheidet sich von der Pyrolyse, da es nasse Biomasse verarbeiten und ein Bioöl produzieren kann, das ungefähr die doppelte Energiedichte von Pyrolyseöl enthält. Pyrolyse ist ein mit HTL verwandtes Verfahren, aber Biomasse muss verarbeitet und getrocknet werden, um die Ausbeute zu erhöhen. Die Anwesenheit von Wasser bei der Pyrolyse erhöht die Verdampfungswärme des organischen Materials drastisch, wodurch die zum Abbau der Biomasse erforderliche Energie erhöht wird. Typische Pyrolyseprozesse erfordern einen Wassergehalt von weniger als 40 %, um die Biomasse in geeigneter Weise in Bioöl umzuwandeln. Dies erfordert eine beträchtliche Vorbehandlung von nasser Biomasse wie tropische Gräser, die einen Wassergehalt von bis zu 80-85% aufweisen, und eine noch weitere Behandlung von Wasserarten, die einen Wassergehalt von mehr als 90% enthalten können.

Das HTL-Öl kann bis zu 80 % des Kohlenstoffgehalts des Ausgangsmaterials enthalten (Single Pass). HTL-Öl hat ein gutes Potenzial zur Gewinnung von Bioöl mit „Drop-in“-Eigenschaften, das direkt in die bestehende Erdölinfrastruktur verteilt werden kann.

Siehe auch

Verweise