水热炭化技术原理

水热碳化以生物质为原料,水作为液相反应介质,在一定温度(150-250℃)和压力(2-10 MPa)下,将生物质转化为以生物炭为主的一系列高附加值产物。

水热碳化是一种高效的废弃生物质资源化技术。水热碳化是指将生物质废弃物置于高温(150-350℃)水溶液中停留一段时间,脱水脱羧形成具有明确理化性质的固体产物。

水热碳化是将生物质转化为更高能量密度形式的碳的一种有效途径,也是制备生物质炭材料和生物油的重要方法。

水热碳化温度、时间：

本文采用废弃生物质松子壳和玉米芯作为原料,分别在不同的水热碳化温度(180℃、200℃、230℃)下反应5 h,利用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱分析(FT-IR)、元素分析、含氧官能团测定等手段对所得水热炭进行了详细的表征。

SEM显示当温度达到220℃时,碳化物表面开始形成微球结构,且随着温度和时间的增大,微球结构均一性、分散度越来越好。

在温度为200℃时,分别利用Fe3+、柠檬酸作为添加剂。结果表明,Fe3+、柠檬酸均能促进生物质的水热碳化过程，所得水热炭的热值提高了20-40%，SEM显示，添加Fe3+的玉米芯和松子壳水热炭表面生成的炭微球数量显着，且球形完整、粒径较大、表面光滑；添加柠檬酸的水热炭表面的炭微球粒径在纳米级别,呈现致密的蜂窝状。

在反应温度260℃、停留时间为1h时，生物炭能量密度已经提高了69.45%，获得了较高的能量密度，进一步提高反应剧烈程度能提升的能量密度有限。扫描电镜分析说明经过水热碳化处理的生物炭整体呈现碎片状态，并伴有大量蜂窝状结构，可能是脱羰基反应导致稻草内部的纤维素、半纤维素大量分解。在反应温度260℃,停留时间1h时，固相产物吸水率较低，故此条件下生物炭的性能良好，是制备生物炭的较适宜条件。

与干法碳化相比，水热碳化保留了较多的有机碳。干法碳化后的污泥炭较原污泥呈现弱碱化，而水热碳化则显示酸化趋势。此外,与干法碳化相比，水热碳化在富集有效营养元素(磷、氮)和固定重金属浸出风险上均表现出明显的优势。这些结果预示着水热碳化法在污泥资源化处理方面的巨大潜能。

考察金属离子(Ca2+、Zn2+、Al3+和Fe3+)对松子壳生物炭的影响。结果表明，4种金属离子均对松子壳水热碳化起到促进作用，金属离子的加入可在较低温度下得到具有较高碳含量及热值的生物炭。添加金属离子的水热炭化过程在180-230℃以脱水为主，伴随脱羧反应,在230-250℃以脱甲烷化为主。在4种金属离子中，Fe3+对松子壳水热碳化的促进作用最大，温度180℃时，添加Fe3+所得生物炭的碳含量和热值分别为66.59%和24.40 MJ�kg-1，是在纯水中180℃时生物炭的碳含量的1.29倍,热值的1.31倍。在扫描电镜中发现添加Fe3+生成的生物炭出现的球形结构较多。通过调节温度以及添加适合的金属离子可实现对炭微球的粒径及数量的控制。

碳化工艺相当于煤干馏，其特点是

1、高温：在高温作用下，部分有机质发生解聚，形成可燃气体；2低氧：在高温处理过程中，通过限制供氧量，实现有限燃烧；3低水分：废弃物（如污泥）应首先降低水分（前置干燥），才能进行热解处理；水热干化相当于用高压锅煮肉，熟得快，煮完的污泥具有比较好的脱水性能，能够用机械力脱水到半干化的程度。

水热炭化技术是一种将生物质转化成炭的方法。它的原理是在高温高压下，生物质与水反应形成三相体系。具体来说，当生物质与水接触时，水会分解成氢气和氧气。氧气与生物质发生氧化反应，生成生物质热解产物。同时，生物质也会发生部分热解，生成裂解油和气体等产物。

在水热炭化过程中，高温高压的条件有助于加速生物质的热解和氧化反应。通过水的作用，生物质可以在较短的时间内转化为固体炭、液态油和气体等复合物。这些产物经过沉积和干燥后，最终形成水热炭化炭。

水热炭化技术具有简单、高效、环保等优点，因此被广泛应用于能源、农业和环保等领域。它可以将生物质转化为高品质的炭，用于能源利用、农业利用等方面。同时，水热炭化技术还可以生产生物质炭气化燃料、生物质炭制气化发电等多种生物质能源。