水热碳化（HTC）中加热和加压系统的主要功能是创造和维持将生物质转化的必需的亚临界水环境。加热系统驱动有机物的化学分解，而加压系统则防止水沸腾，使其在高温下保持液态。
在HTC工艺中，加热系统充当化学触发器，而加压系统充当物理稳定器。两者共同作用，使复杂的有机废物转化为高碳、微米级的水炭。
热能的作用
启动化学转化
加热系统提供启动生物质物理化学转化所需的能量。它不仅仅是干燥材料；它从根本上改变了其化学结构。
驱动关键反应
具体而言，热能促进了一系列反应，包括水解、脱水、脱羧和聚合。这些反应会去除氧和氢，从而有效地提高剩余固体的碳密度。
维持最佳温度
为确保这些反应有效发生，系统必须将温度维持在180至260°C之间。如果温度低于此范围，碳化过程可能不完整或效率低下。
高压的必要性
创造亚临界状态
HTC的定义特征是在水中进行反应。加压系统产生10至50 bar的压力，以确保水保持液态或亚临界状态。
防止相变
没有这种巨大的压力，180-260°C的水会变成蒸汽。通过保持水处于液态，系统创造了一种独特的溶剂环境，比蒸汽或干热更能有效地渗透生物质。
对生物质的协同作用
分解复杂结构
高温和液体压力的结合作用于有机废物的复杂结构。这种侵蚀性环境能够分解那些难以分解的坚韧材料。
生产微米级水炭
这种热化学过程的最终结果是将原始废物转化为水炭。最终产品具有高碳含量和细小的微米级颗粒结构。
操作权衡
平衡能量输入和反应速度
较高的温度通常会加速化学反应，从而缩短处理时间。然而，维持260°C的上限会显著增加能源消耗和运营成本。
设备应力和安全
在高达50 bar的压力下运行会对反应器容器造成显著的应力。这需要使用高等级、昂贵的材料来防止在亚临界环境的压力下发生泄漏或结构故障。
优化HTC环境
为了从HTC系统获得最佳结果，您必须平衡反应条件的强度与特定的输出目标。
- 如果您的主要重点是工艺速度：优先考虑较高的温度范围（接近260°C），以加速水解和聚合反应。
- 如果您的主要重点是能源效率：在温度和压力谱的较低端（180°C / 10 bar）运行，并接受转化时间会更长。
HTC的成功依赖于对热力学“最佳点”的精确控制，在该点压力保持溶剂液态，热量驱动碳化。
摘要表：
| 系统组件 | 关键功能 | 操作范围 | 反应结果 |
|---|---|---|---|
| 加热系统 | 生物质分解的化学触发器 | 180°C - 260°C | 水解、脱水、脱羧 |
| 加压 | 物理稳定器/防止沸腾 | 10 - 50 bar | 亚临界液态，改善溶剂渗透 |
| 协同作用 | 结构分解 | 组合 | 高密度、微米级水炭生产 |
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参考文献
- Gianluigi Farru, Daniele Basso. Business and Market Analysis of Hydrothermal Carbonization Process: Roadmap toward Implementation. DOI: 10.3390/agronomy14030541
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
