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摘 要 以蓝藻、水葫芦和污泥为代表的高含水率生物质，严重污染环境，其有效的处置方法已成为全社会关注的焦点。文章以水煤浆气流床气化技术为依托，讨论了高含水率生物质与煤制备混合煤浆，采用共气化方式处置的几个关键问题，为高含水率生物质气流床气化的可行性提供了依据。
关键词 高含水率；生物质；成浆；气化
中图分类号：TQ511 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0143-01
工业进程的加快和水环境的污染，导致高含水率生物质不断增加。如果酿酒业产生的酒糟废液、水体富营养化滋生的藻类，以及污水处理厂产生的生物污泥。这些高含水率有机生物质具有共同的特点：1）高水率高，甚至达到95%以上；2）含有一定的热值；3）难处理，处理不当引起不同程度的二次污染；4）脱水能耗高，而且需要专门的设备。如何对这些高含水率生物质，引起了越来越多学者的关注。
水煤浆是20世纪70年代石油危机中发展起来的一种新型低污染代油燃料。它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳定性，可以泵送、雾化、贮存与稳定着火燃烧。高含水率生物质一方面含水率高，多数为高浓度悬浮体系，另一方面含有一定热值，作为能源时与水煤浆具有相似性。将高含水率生物质与煤混合，通过一定的处理工艺制备生物质水煤浆，依托成熟的气流床气化技术，实现其与煤的共气化，不仅能很好地解决高含水率生物质的资源化难题，又能简化它们的处理与处置流程。生物质水煤浆气化使企业、工业园区或城镇社区变污染负效益为资源正效益，充分体现了其在能源结构调整，资源合理利用及清洁生产等方面的综合作用。本文以蓝藻、水葫芦和污泥等高含水率生物质为例，探讨其与煤共气化的工艺的可行性。
1 物性分析
按照国家煤质分析标准（GB/T 212-2001）对神府煤进行工业、元素及热值分析。由于污泥、蓝藻和水葫芦是作为能源物质与煤成浆共气化，所以采用与煤相同的处理方法，也按国家煤质分析标准对污泥、蓝藻和水葫芦进行相关分析，分析结果列于表1。
从表1可以看出，污泥的含水率超过80%，蓝藻和水葫芦达到94%以上，因此把他们定义为高含水率生物质。将高含水率生物质直接与煤制备水煤浆，用生物质所含的水代替部分制浆用水，省去了高能耗的干燥过程。这3种生物质中都具有高含水率、高灰分、高挥发分、高氮含量和低碳含量的特点。高含水率生物质单独气化需要干燥，且能量密度低，与煤制浆共气化可以有效地克服这些缺点。蓝藻中氮含量接近煤的10倍，水煤浆气化炉内部是弱还原的气氛，燃料中的氮以还原态的形式存在，不会生成氮氧化物，消除了引起二次污染的隐患。另一方面，污泥、蓝藻和水葫芦的高位热值都在10 MJ·kg-1以上，蓝藻甚至接近20 MJ·kg-1。这些生物质与煤一起作为燃料进入气化炉，对所含热值进行了充分利用，变废为宝。
2 成浆性
高含水率生物质制备浆体，是实现高含水率生物质与煤气流床共气化的关键。笔者以污泥、蓝藻、水葫芦为例，研究了其与煤的成浆性。
1）当萘磺酸钠作为分散剂时，煤的单独成浆浓度为62.5%。污泥加入降低了水煤浆的成浆浓度，污泥在浆体中的质量百分比越高，污泥煤浆的成浆浓度越低。通过对污泥进行预处理，能有效地提高污泥煤浆的成浆浓度，当污泥占神府煤质量的10%时，污泥煤浆的成浆浓度为60%。
2）蓝藻自身粘度的大小对蓝藻煤浆的成浆浓度有着重要的影响。添加药剂、高速搅拌、加热和厌氧消化等方法能降低含水蓝藻的粘度，有利于蓝藻煤浆成浆浓度的提高。当蓝藻与添加水的质量比为1：1时，蓝藻煤浆的成浆浓度可以达到62.5%。
3）通过粉碎、球磨使水葫芦变成浆状体，粘度降低。水葫芦粘度降低有利于水葫芦煤浆成浆浓度的提高。当水葫芦与煤的质量比为23.9/100时，水葫芦煤浆的成浆浓度为60%。
高含水率生物质本身粘度的大小对生物质煤浆的成浆浓度有着重要的影响，有效的降粘处理对提高成浆浓度有利。当高含水率生物质添加合适的比例时，能制备出满足工业要求的高含水率生物质煤浆。
3 气化活性
采用高温热天平分别对污泥、蓝藻和水葫芦与神府煤CO2气化反应速度进行了实验，并采用动力学模型进行了活化能的计算。污泥加入后降低了煤与CO2气化反应时的活化能，起到了催化作用。随着污泥添加量的增大，混合物的活化能降低。神府煤与CO2气化时的活化能为178 kJ/mol，污泥的加入使煤气化活化能降低了50 kJ/mol，有利于气化反应。蓝藻中含有大量的K、Ca、Fe和Mg等金属离子，这些金属离子对煤的气化具有催化作用。水葫芦能提高煤的反应速率，添加的Fe3+离子对煤的CO2气化具有催化作用。
依托成熟的气流床气化技术，实现高含水率生物质与煤的共气化具有可行性。高含水率生物质与煤制浆共气化时，一个显著的优势是“大规模”，此工艺具有其他工艺无法比拟的处理量，一旦实现工业化，将对高含水率生物质的处理作出巨大贡献。
参考文献
[1]付融冰，杨海真，甘明强.中国城市污水厂污泥处理现状及其进展[J].环境科学与技术，2004，27（5）：108-110.
[2]郑建初，常志州，陈留根，等.水葫芦治理太湖流域水体氮磷污染的可行性研究[J].江苏农业科学，2008（3）：247-250.
[3]李伟东，李明，李伟锋，等.改性污泥与无烟煤成浆性的研究.燃料化学学报，2009，36（1）：26-30.
[4]齐国利，董梵，徐艳英.生物质热解气化技术的现状、应用和前景[J].节能技术，2004，22（5）：17-19.
[5]代正华，周志杰，陈雪莉，等.多喷嘴对置式水煤浆气化技术在化工行业中的应用[J].化工进展，2006（1）：611-615.
[6]龚欣，刘海峰，等.新型（多喷嘴对置式）水煤浆气化炉[J].节能与环保，2001（6）：15-17.
[7]Chen Z，Yuan S，Liang QF.Distribution of HCN， NH3，NO and N2 in an entrained flow gasifier[J].Chemical Engineering Journal.2009，148（2- 3）：312-318.
[8]Carlson CPP，Kunio Y.Development of a high-temperature air-blown gasification system[J].Bioresource Technology.2001，79（3）：231-241.
关键词 高含水率；生物质；成浆；气化
中图分类号：TQ511 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0143-01
工业进程的加快和水环境的污染，导致高含水率生物质不断增加。如果酿酒业产生的酒糟废液、水体富营养化滋生的藻类，以及污水处理厂产生的生物污泥。这些高含水率有机生物质具有共同的特点：1）高水率高，甚至达到95%以上；2）含有一定的热值；3）难处理，处理不当引起不同程度的二次污染；4）脱水能耗高，而且需要专门的设备。如何对这些高含水率生物质，引起了越来越多学者的关注。
水煤浆是20世纪70年代石油危机中发展起来的一种新型低污染代油燃料。它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳定性，可以泵送、雾化、贮存与稳定着火燃烧。高含水率生物质一方面含水率高，多数为高浓度悬浮体系，另一方面含有一定热值，作为能源时与水煤浆具有相似性。将高含水率生物质与煤混合，通过一定的处理工艺制备生物质水煤浆，依托成熟的气流床气化技术，实现其与煤的共气化，不仅能很好地解决高含水率生物质的资源化难题，又能简化它们的处理与处置流程。生物质水煤浆气化使企业、工业园区或城镇社区变污染负效益为资源正效益，充分体现了其在能源结构调整，资源合理利用及清洁生产等方面的综合作用。本文以蓝藻、水葫芦和污泥等高含水率生物质为例，探讨其与煤共气化的工艺的可行性。
1 物性分析
按照国家煤质分析标准（GB/T 212-2001）对神府煤进行工业、元素及热值分析。由于污泥、蓝藻和水葫芦是作为能源物质与煤成浆共气化，所以采用与煤相同的处理方法，也按国家煤质分析标准对污泥、蓝藻和水葫芦进行相关分析，分析结果列于表1。
从表1可以看出，污泥的含水率超过80%，蓝藻和水葫芦达到94%以上，因此把他们定义为高含水率生物质。将高含水率生物质直接与煤制备水煤浆，用生物质所含的水代替部分制浆用水，省去了高能耗的干燥过程。这3种生物质中都具有高含水率、高灰分、高挥发分、高氮含量和低碳含量的特点。高含水率生物质单独气化需要干燥，且能量密度低，与煤制浆共气化可以有效地克服这些缺点。蓝藻中氮含量接近煤的10倍，水煤浆气化炉内部是弱还原的气氛，燃料中的氮以还原态的形式存在，不会生成氮氧化物，消除了引起二次污染的隐患。另一方面，污泥、蓝藻和水葫芦的高位热值都在10 MJ·kg-1以上，蓝藻甚至接近20 MJ·kg-1。这些生物质与煤一起作为燃料进入气化炉，对所含热值进行了充分利用，变废为宝。
2 成浆性
高含水率生物质制备浆体，是实现高含水率生物质与煤气流床共气化的关键。笔者以污泥、蓝藻、水葫芦为例，研究了其与煤的成浆性。
1）当萘磺酸钠作为分散剂时，煤的单独成浆浓度为62.5%。污泥加入降低了水煤浆的成浆浓度，污泥在浆体中的质量百分比越高，污泥煤浆的成浆浓度越低。通过对污泥进行预处理，能有效地提高污泥煤浆的成浆浓度，当污泥占神府煤质量的10%时，污泥煤浆的成浆浓度为60%。
2）蓝藻自身粘度的大小对蓝藻煤浆的成浆浓度有着重要的影响。添加药剂、高速搅拌、加热和厌氧消化等方法能降低含水蓝藻的粘度，有利于蓝藻煤浆成浆浓度的提高。当蓝藻与添加水的质量比为1：1时，蓝藻煤浆的成浆浓度可以达到62.5%。
3）通过粉碎、球磨使水葫芦变成浆状体，粘度降低。水葫芦粘度降低有利于水葫芦煤浆成浆浓度的提高。当水葫芦与煤的质量比为23.9/100时，水葫芦煤浆的成浆浓度为60%。
高含水率生物质本身粘度的大小对生物质煤浆的成浆浓度有着重要的影响，有效的降粘处理对提高成浆浓度有利。当高含水率生物质添加合适的比例时，能制备出满足工业要求的高含水率生物质煤浆。
3 气化活性
采用高温热天平分别对污泥、蓝藻和水葫芦与神府煤CO2气化反应速度进行了实验，并采用动力学模型进行了活化能的计算。污泥加入后降低了煤与CO2气化反应时的活化能，起到了催化作用。随着污泥添加量的增大，混合物的活化能降低。神府煤与CO2气化时的活化能为178 kJ/mol，污泥的加入使煤气化活化能降低了50 kJ/mol，有利于气化反应。蓝藻中含有大量的K、Ca、Fe和Mg等金属离子，这些金属离子对煤的气化具有催化作用。水葫芦能提高煤的反应速率，添加的Fe3+离子对煤的CO2气化具有催化作用。
依托成熟的气流床气化技术，实现高含水率生物质与煤的共气化具有可行性。高含水率生物质与煤制浆共气化时，一个显著的优势是“大规模”，此工艺具有其他工艺无法比拟的处理量，一旦实现工业化，将对高含水率生物质的处理作出巨大贡献。
参考文献
[1]付融冰，杨海真，甘明强.中国城市污水厂污泥处理现状及其进展[J].环境科学与技术，2004，27（5）：108-110.
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[3]李伟东，李明，李伟锋，等.改性污泥与无烟煤成浆性的研究.燃料化学学报，2009，36（1）：26-30.
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[6]龚欣，刘海峰，等.新型（多喷嘴对置式）水煤浆气化炉[J].节能与环保，2001（6）：15-17.
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[8]Carlson CPP，Kunio Y.Development of a high-temperature air-blown gasification system[J].Bioresource Technology.2001，79（3）：231-241.