Technická analýza karbonizace kalu (pyrolýza/hydrotermální karbonizace) a integrace s anaerobním trávením

Autor: Kate Chen
E-mail: [email protected]
Date: Apr 18th, 2025

一. Přehled karbonizace kalu

Karbonizace kalu je termochemický proces, který přeměňuje organickou hmotu v kalu na stabilní produkty bohaté na uhlík. Zahrnuje suché karbonizace (pyrolýza) a mokré karbonizace (hydrotermální karbonizace, HTC) , zaměřující se na snížení kalu, detoxikace a obnovení zdrojů.

二. Suché karbonizace (pyrolýza): Principy a rysy

Zásady
Provedeno pod anoxické nebo nízko-kyslíkové podmínky Při vysokých teplotách (250–800 ° C) pyrolýza rozkládá organiky kalu na biochar, syngas (H₂, CH₄, CO) a TAR. Kategorie podle teploty:
- Pyrolýza s nízkou teplotou (250–350 ° C): Jednoduché vybavení, nízká investice, vysoká kalorická hodnota Biochar.
- Pyrolýza střední teploty (400–600 ° C): vyvažuje spotřebu energie a kvalitu produktu; Efektivní imobilizace těžkých kovů.
- Vysokoteplotní pyrolýza (600–800 ° C): zralá technologie, ale nákladná; vhodné pro malé aplikace.
Procesní tok
- Předběžné ošetření : Zúčtování kalů → hluboké odvodnění (vlhkost <60%) → sušení (vlhkost <25%).
- Pyrolýza : Rotační pec nebo reaktor na plátě, zahřívaný spalováním zemního plynu nebo syngasu.
- Využití produktu : Biochar pro změnu půdy, palivo nebo adsorbent; Syngas recykloval pro energii.
Výhody
- Snížení objemu> 90% .
- Ekologicky přátelský : Potlačuje tvorbu dioxinu; stabilizuje těžké kovy.
- Energetická soběstačnost : Syngas splňuje 50–80% poptávky po energii.
Omezení
- Vysoká spotřeba energie : Vyžaduje externí palivo (provozní náklady ≥ 200 CNY/tun).
- Složité vybavení : Je potřeba přesná teplota a doba pobytu.

三. Mokré karbonizace (hydrotermální karbonizace, HTC): Principy a rysy

Zásady
Použití subkritická voda (180–260 ° C, 2–10 MPa) pro přeměnu organických látek na hydrocharův hydrolýzou, dekarboxylací a polymerací. Není nutné žádné sušení.
Procesní tok
- Reakce : Kaše reaguje v uzavřeném reaktoru celé hodiny.
- Oddělení produktu : Hydrochar filtrován; Kapalná fáze (bohatá na organické kyseliny) používané při anaerobním trávení.
Výhody
- Zvládne kaly s vysokou mosturou (≥ 80% vlhkosti) přímo.
- Funkční hydrochar : Povrchové skupiny bohaté na kyslík pro půdu/katalytické aplikace.
- Nižší spotřeba energie : Náklady na předúpravu snížily o 30–50% vs. suché metody.
Omezení
- Drsné podmínky : Vysokotlaké reaktory zvyšují kapitálové náklady.
- Nižší hodnota kalorického hydrochamu (15–20 MJ/kg vs. 20–25 MJ/kg pro pyrolytický biochar).

四. Srovnání suché a mokré karbonizace

Parametr	Suchá karbonizace	Mokré karbonizace (HTC)
Tolerance vlhkosti	Vyžaduje sušení (<60%)	Přímé zpracování (≥ 80% vlhkosti)
Poptávka po energii	Vysoká (vnější teplo)	Nízké (self-etalyzované vodou)
Kvalita produktu	Vysoce kalorické char, syngas	Funkční hydrochar, organické kyseliny
Těžké kovy	Efektivní imobilizace	Vyluhovací rizika vyžadují léčbu
Kapitálové náklady	~ 25 milionů CNY (50 tun/den)	Vysoká (komplexní reaktory)
Splatnost	Používá se technologie střední teploty (CN)	Laboratoř/pilotní fáze; omezené použití průmyslu

五. Synergie s anaerobním trávením (AD)

Integrace energetického materiálu
- Energetická smyčka : Bioplyn (60–70% CH₄) paliva karbonizace; Zbytkové teplo z karbonizace se znovu používá pro tepelné AD systémy.
- Synergie produktu : Biochar zvyšuje mikrobiální aktivitu v AD; Kapalná fáze HTC doplňuje uhlík pro trávení.
Případové studie
- Kout-digestice potravinového plýtvání : Míchání zlepšuje poměr C/N a zvyšuje výnos metanu o 24–47%; Biochar snižuje emise amoniaku v zemědělství.
- Průmyslová symbióza : Rakouský Strass WWTP kombinuje trávení odpadu z kalu/potravin a vytváří bioplyn pro 70% energie rostlin; Biochar používaný při zemědělství.
Výhody
- Energetická účinnost : Ad-pyrolýzé systémy dosahují 80% energetické soběstačnosti a snižují 25 142 kWh/100 tun kalu vs. spalování.
- Uhlíková neutralita : Spojené systémy snižují emise skleníkových plynů (30–50% redukce CO₂); Biocharské sekvestry 0,5–1,2 tun co₂-ekvivalent/tun.

六. Výzvy a budoucí směry

Výzvy
- Nákladové bariéry : Vysoké provozní náklady (suché) a kapitálové náklady (mokré).
- Standardizace : Bezpečnost Biochar musí dodržovat standardy, jako je GB/T 24600-2008.
Inovační cesty
- Inteligentní ovládání : Optimalizujte parametry pyrolýzy (teplota, doba pobytu).
- Hybridní systémy : Integrujte výrobu energie HTC AD Syngas pro vyšší obnovení energie.

Suché pyrolýzy vyhovuje rozsáhlému redukci kalů a regeneraci energie, zatímco HTC vyniká ve zpracování vysokopřícového kalu. Integrace je s anaerobním trávením vytváří systémy „energetických materiálů“ s uzavřenou smyčkou a přesouvá správu kalů od likvidace na regeneraci zdrojů.