Ежегодно в мире выпивается около 400 миллиардов чашек кофе, в результате чего образуется около 18 миллионов тонн влажной кофейной гущи, что примерно эквивалентно по весу трем пирамидам Гизы. Подавляющее большинство кофейной гущи оказывается на свалках. Однако эти органические отходы с высокой влажностью сами по себе могут быть преобразованы в топливо, но их высокое содержание воды всегда было ключевым техническим препятствием в процессе экономического использования.

Научно-исследовательская группа Корейского института геологических ресурсов (KIGAM) недавно объявила, что они разработали первую в мире технологию «пламенно-плазменного пиролиза» (FPP), которая может напрямую и быстро превращать кофейную гущу в высококачественное твердое биотопливо, когда она еще находится в состоянии с высоким содержанием воды. Весь процесс занимает не более 90 секунд. Эта технология мгновенно испаряет воду путем распыления плазменного пламени с температурой от 800 до 900 градусов Цельсия, создавая эффект набухания, напоминающий попкорн, внутри частиц, быстро превращая структуру кофейной гущи в пористый биоуголь (биоуголь).

Научно-исследовательская группа заявила, что топливные характеристики этого нового биоугля близки к характеристикам антрацитового древесного угля, при этом полностью исключая трудоемкий и энергозатратный процесс предварительной сушки в традиционном процессе. Что еще более важно, процесс FPP вместо этого рассматривает влагу как благоприятный фактор и превращает ее в паровой активатор, который ускоряет реакции и улучшает качество продукта, тем самым достигая комплексной обработки быстрой карбонизации и сушки, сохраняя при этом высокое содержание влаги в сырье.

Статья исследования была опубликована в журнале Chemical Engineering. Влажность использованной в эксперименте кофейной гущи составляет около 55%, что по-прежнему является типичным отходом с высокой влажностью. В ходе процесса исследователи использовали пламенную плазму, образующуюся при сгорании сжиженного нефтяного газа (СНГ) и сжатого воздуха, для обработки влажной кофейной гущи при нормальном давлении. Для завершения сушки и карбонизации потребовалось всего 90 секунд, что привело к снижению качества сырья примерно на 83,3% и образованию частиц биоугля с рыхлой и пористой структурой.

Результаты испытаний показывают, что низшая теплотворная способность биоугля составляет около 29 МДж/кг, а это означает, что каждый килограмм сожженного топлива может высвободить 29 мегаджоулей тепловой энергии; для сравнения, теплотворная способность обычной древесины обычно составляет 15–20 МДж/кг. Содержание фиксированного углерода в биоугле увеличилось почти в три раза, с первоначальных 15,6% до 46,2%, что означает, что большая часть материала преобразуется в высокоэнергетические углеродные структуры, что способствует повышению эффективности сгорания и долговечности.

С точки зрения экологических показателей, процесс FPP полностью удаляет соединения серы из сырья и позволяет избежать выбросов оксидов серы, которые могут легко вызвать кислотные дожди и загрязнение воздуха из источника. Удельная поверхность материала значительно увеличилась всего лишь с 1,5 м²/г до 115,4 м²/г, что близко к уровню активированного угля. Помимо топлива, он также имеет потенциальное применение, например, в очистке воды, фильтрации воздуха и промышленной адсорбции. В то же время в процессе практически не образуется дыма и смол, что помогает значительно сократить выбросы вторичных загрязняющих веществ, характерных для традиционных процессов переработки биомассы.

Скорость – еще одна изюминка этой технологии. Традиционные методы преобразования биомассы, такие как гидротермальная карбонизация и высушивание, обычно требуют времени обработки от 30 минут до 6 часов. Процесс FPP KIGAM занимает всего около 90 секунд для завершения аналогичного преобразования, а эффективность примерно в 240 раз выше, чем у традиционных процессов. Эта сверхвысокая скорость обработки делает его более реалистичным и осуществимым при крупномасштабной утилизации отходов.

Стоит отметить, что эта система также позволяет избежать распространенной проблемы «высокого энергопотребления» в традиционной технологии плазменной обработки. Исследовательская группа не использовала энергоемкое электроплазменное оборудование, а использовала сжигание сжиженного нефтяного газа и сжатый воздух для генерации пламенной плазмы, тем самым снижая общее потребление энергии, сохраняя при этом чрезвычайно высокие температуры, необходимые для завершения быстрой конверсии. Такая конструкция дополнительно улучшает экономику и энергоэффективность процесса.

Научно-исследовательская группа отметила, что самым большим преимуществом этой технологии является то, что «влажные материалы подаются непосредственно в печь», что полностью исключает процесс сушки и, как ожидается, снизит потребление энергии и эксплуатационные расходы всей системы. Хотя в настоящее время объектом исследования является кофейная гуща, сфера применения технологии FPP этим не ограничивается. В будущем его можно будет распространить на различные органические отходы с высоким содержанием влаги, такие как пищевые отходы, сельскохозяйственные остатки и даже осадок, став широко применимым решением по переработке отходов в энергию.

Доктор Пак Тайджун (транслитерация), первый автор статьи, сказал: «Эта технология обеспечивает новую парадигму, благодаря которой отходы больше не рассматриваются как просто бремя, требующее переработки, а как ценный энергетический ресурс. Мы планируем распространить этот процесс на большее количество категорий органических отходов с высоким содержанием влаги и продолжать оптимизировать процесс, чтобы продвигать его коммерческое применение в промышленных масштабах». Исследовательская группа также подчеркнула, что оборудование системы FPP относительно компактно и, как ожидается, будет развернуто в системе «интеграции отходов и энергии» у источника для обеспечения переработки и энергоснабжения на месте.

Согласно информации, опубликованной Корейским институтом геологических ресурсов через платформу EurekAlert, дальнейшее направление развития этой технологии будет сосредоточено на стабильности процесса, возможности непрерывной работы и оптимизации параметров различных типов отходов. Цель состоит в том, чтобы превратить его в модульное энергетическое устройство, которое можно будет использовать в различных сценариях, таких как переработка твердых городских отходов, утилизация сельскохозяйственных отходов и очистные сооружения в среднесрочной и долгосрочной перспективе, обеспечивая новый технический путь для создания более чистой и эффективной возобновляемой системы твердого топлива.