生物質在水煤漿領域的應用

張瑜 鄒濤 劉軍

摘 ? ? ?要： 在化石能源不斷減少的情況下，生物質作為一種新型替代能源，逐漸成為人們關注的焦點，其在水煤漿領域的研究利用更推動了煤化工行業的快速發展?？偨Y了生物質作為原料制備水煤漿和水煤漿添加劑的研究情況，并提出了開發更多類型、更高含量的生物質水煤漿和性能更佳的添加劑是未來的發展方向。

關 ?鍵 ?詞：生物質;水煤漿;添加劑

中圖分類號：TQ 544 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2310-04

Abstract： With the decrease of fossil energy， biomass， as a new alternative energy， has gradually become the focus of attention， and its research and utilization in the field of coal water slurry（CWS） have promoted the rapid development of coal chemical industry. In this paper， the research on the preparation of CWS and additives from biomass was summarized. It was pointed out that the development of more types and higher content of biomass CWS and better additives should be the future development direction.

Key words： Biomass; CWS; Additive

水煤漿技術在我國發展已有20～30年了，隨著煤炭資源的不斷減少，該技術的應用也受到一定的限制，尤其是近年來受國家環保政策和發展戰略的影響，該技術明顯處于低迷時期，如何在化石能源不夠充足的條件下發展該技術成為人們一直思考的問題。

生物質是一種清潔能源，種類眾多，分布廣泛，涉及到農林業、畜牧業、城市固體廢棄物等眾多領域。從儲量來看，其在我國的儲量折合標準煤約4.6億t，已利用的生物質折合標準煤約2 200萬t，其余生物質仍處于未開發利用階段。已有數據顯示，絕大多數生物質都沒有實現資源化利用，所以如何將這些生物質轉化為有用的資源是能源行業發展的必然趨勢。

根據生物質的性能可以看出，該類物質與煤有部分相似的特征如含有豐富的碳氫元素和較高的熱值，應用到水煤漿領域可以作為原料制備水煤漿，此外部分生物質還可以經過一系列物理化學反應轉化為改善水煤漿性能的添加劑。

基于生物質的這兩種應用，許多學者紛紛展開了探究。不過從研究情況來看，大多數研究都停留在實驗階段，而且目前很少有人對其進行分類總結。本文將從原料和制備添加劑兩方面進行介紹，為更多研究者提供參考依據。

1 ?生物質原料制備水煤漿

生物質被用作水煤漿制漿原料的研究比較廣泛，從生物質的類型出發，可以將其水煤漿分為農業生物質水煤漿、林業生物質水煤漿、水生生物質水煤漿等六大類。

1.1 ?農業生物質水煤漿

農業生物質是農作物生產過程中的廢棄物，包括秸稈、油料作物、稻殼、玉米芯、甘蔗渣、谷殼等，其中資源化利用最多的就是各類物質的秸稈。秸稈在我國的產量巨大，每年的產量約6.9億t，但秸稈的利用率較低，多數都以焚燒或填埋的方式處置，不僅污染環境，而且造成資源的極大浪費。將秸稈應用到水煤漿技術中有效地促進了該技術的發展，同時擴大了制漿原料的范圍。

秸稈作為制漿原料，可以有效地減少煤樣的加入，但是由于秸稈孔隙發達，吸水性較強，加之，含有大量的纖維素，可磨指數較差，破碎后顆粒形狀不規則等缺點，使其直接制備水煤漿困難較大。周志軍等人將水稻桿干磨成粉后，與煤粉混合制備生物質水煤漿，發現成漿體系中加入單一的添加劑，秸稈的成漿性非常差，只有復配的添加劑，才能讓漿體表現出良好的“剪切變稀”的流變特性[1]。

顏雪琴等人研究了棉秸稈的成漿性能，發現加入秸稈后，水煤漿的pH值和反應活性增強，成漿濃度和流動性降低，黏度和穩定性增加。針對秸稈成漿性差的缺點，學者們提出了改變秸稈屬性的新思路，即在其制漿之前對其進行預處理，從而改善其成漿性效果[2]。臧卓異等人采用低溫碳化方法對麥秸稈進行預處理，然后與山西潞安貧瘦煤混合制漿，發現碳化過程對麥秸稈的內部結構、表面性質和成漿性影響較大，碳化后麥秸稈韌性降低，可磨性增加，孔隙機構減少，吸水性減弱，表面含氧官能團減少，成漿性增強，且隨著碳化溫度的升高， 麥秸稈的成漿濃度提高，流動性增強，穩定性降低[3]。李婷婷對比了碳化對成漿性的影響，發現經碳化后，麥秸稈的加入量大幅提升，相同濃度下，經過400 ℃處理后其添加量提高4～5倍，且麥秸稈熱分解為快速反應過程，延長碳化時間對秸稈的成漿性影響較小[4]。

1.2 ?林業生物質水煤漿

林業生物質在整個生物質中占的比例相當大，約占總生物質能源的87%。生活中常見的采伐剩余物、造材剩余物、木材加工剩余物都屬于林業生物質，據統計，我國林木生物質的總量估計178.86萬t，所以其總量巨大，開發潛力無窮。從林業生物質的開發研究來看，該類物質主要應用在固體成型燃料、生物柴油、燃料乙醇等領域，在煤化工行業的應用主要集中在與煤共熱解、制備水煤漿添加劑等方面，關于作為原料參與制漿的研究少之又少，所以發展林業生物質這一方向將是水煤漿領域的一個新思路。

1.3 ?水生生物質水煤漿

水生生物質水煤漿的研究比較廣泛，近年來也得到不少學者的關注。水生生物質資源豐富，大量生物質的存在對海洋環境造成很大的威脅，如水葫蘆的繁殖能力特強，如果不及時處理，則分解產生的物質會加速水質的惡化，藻類是水體中另一類數量巨大的水生物，大量藻類的存在會產生毒素，危害人體的身體健康。所以合理地對水體中的生物質進行利用，會大大減小其對生態環境的破壞力。

鄧暉等分析了水葫蘆水煤漿的燃燒特性，結果表明生物質水煤漿的活化能明顯低于原煤，且隨著水葫蘆添加量的增加，生物質水煤漿的著火點呈降低趨勢[5]。此外，作者還研究了其成漿后的流變特性，發現當水葫蘆的添加量在3%～3.5%，分散劑添加量在1%時，其得到的水煤漿的黏度在0.8～1.2 Pa·s，且穩定性較好，當體系的溫度低于60 ℃時，其水煤漿的黏度隨著溫度的升高而降低，反之，水煤漿的黏度則升高[6]。吳樂等研究了水葫蘆與神府煤的成漿性，發現水葫蘆的加入可以有效地提升水煤漿的穩定性，使硬沉淀的時間從2 h增加到60 h[7];彭倩考察了不同生物質與煤粉的成漿性能，發現水葫蘆和水花生都能與煤粉制成性能較好的漿體，水葫蘆的干重添加量為無煙煤粉7.27%，水花生的干重添加量則為無煙煤粉的14.5%[8]。李偉東等考察了藍藻水煤漿的成漿效果，結果表明采用化學藥劑、高速攪拌、加熱等方法使藍藻的結構破壞，可以有效降低水煤漿的表觀黏度，從而提高水煤漿的制漿濃度[9]。

1.4 ?畜牧養殖業生物質水煤漿

養殖業中大量的糞便等廢棄物是人們一直關注的焦點，我國每年產生的畜禽糞污總量達30多億噸，但是每年真正實現其資源化利用的不足40%，絕大部分糞便被填埋或者丟棄，對環境造成比較惡劣的影響。因這些糞便含有豐富的碳氫元素和較高的熱值，比較符合水煤漿制備的要求，所以可以應用到水煤漿領域。

孫平等以生豬養殖廢棄物與煤共混制備生物質水煤漿，發現生豬糞便具有降低煤-水界面張力的作用，在pH為8.56，其干基量為干煤量的1.5%時，其料漿的固含量可高達61.93%，表觀黏度為（1 052±20）mP·s[10]。陳前林等采用牛糞與煤進行混合制漿，發現牛糞的加入可以減少煤樣和水的消耗量，節約煤可達10%以上[11]。付成兵等研究了多種添加劑對牛糞水煤漿的成漿性影響，發現加入

0.3%的木質素磺酸鹽OT-4和0.2%的萘磺酸鹽復配添加劑，水煤漿的黏度最低（678 mP·s）[12]。

1.5 ?城市生物質水煤漿

城市生物質與人們的生活息息相關，其數量也非常巨大，應用在水煤漿領域研究最多的生物質為城市污泥。城市污泥主要存在于污水處理中，我國每天排放的污泥數量為4.474×107m3，而實際處理率卻非常低下，不足總量的25%。傳統的處理方式多為焚燒或者堆埋，該方法對環境依舊造成比較嚴重的影響。隨著研究的不斷深入，堆肥、發酵制氣、建材利用等資源化利用方式不斷出現，改變了污泥的處理處境，將其應用于水煤漿領域就是一種新型的利用方式，它不僅利用了污泥中豐富的有機質，實現污泥的資源化利用，同時也緩解了煤樣緊張的局面。近年來關于污泥制漿的研究比較多，如表1所示。

從表1可以看出，污泥對水煤漿的成漿濃度、穩定性等性能都有很大的影響，而且多數制備污泥水煤漿之前，都對污泥進行改性，常見的方法有堿性改性、超聲改性、流體激波改性等。

1.6 ?其他

白酒酒糟是釀酒行業的副產物，可用作制漿原料。李科褡等研究了將白酒酒糟應用于無煙煤制漿過程中去，發現摻混3%酒糟的料漿定黏濃度為65.8%，穩定性在3 d以上，當酒糟摻混量增加時，料漿的黏度隨之增加，但穩定性有所提高[24]。

抗生素藥渣也是一種有機資源，含有較高含量的有機質。張曄將抗生素藥渣與淮北礦區煤混合制漿，得出漿體呈現賓漢塑性流體，流動性和穩定性較好，隨著藥渣配入量的增加，漿體濃度逐漸降低，且配入量每增加1%，最高制漿濃度降低1%[25]。

2 ?生物質制備添加劑

除了作為制漿原料外，研究者們還將其衍生制備成水煤漿添加劑。不過相比于制漿原料的研究，制備添加劑的研究相對較少，只有較少的研究者對其開展過實驗室研究。

任瑞鵬等以玉米秸稈為原料，提取木質素，再通過磺甲基化法改性制備水煤漿添加劑，結果表明改性產物對水煤漿有很好的降黏增濃作用，當添加劑量為1%時，水煤漿濃度可高達70%，流動性為A級，穩定時間高達25 d[26]。

趙紅艷等研究了草本泥炭、木本泥炭、泥炭蘚泥炭三種類型泥炭腐殖酸添加劑及分級組分對水煤漿的分散性能，發現草木泥炭的分散效果最好，泥炭蘚泥炭的分散效果最差。在腐殖酸各組分中，分散效果的順序為黑腐殖酸>棕腐殖酸>黃腐殖酸[27]。

孫平等用NaOH水解羽毛，其水解物作為水煤漿的添加劑，發現羽毛水解物對水煤漿的分散性能較好，可以提高水煤漿的濃度，降低水煤漿的黏度，而且靜置存放3個月，其分散性能幾乎沒有太大差異[28]。

王成瓊等以淀粉為原料，經過十二烷基苯磺酸鈉酯化，再經過高錳酸鉀氧化，得到復合改性分散劑氧化十二烷基苯磺酸淀粉酯。由于淀粉中含有的支鏈較長，相互之間排斥，從而產生較強的空間位阻，抑制了煤粒之間的團聚，使其在加入水煤漿之后，體系的分散性和穩定性得到極大的改善[29]。

3 ?結束語

從關于生物質的研究來看，生物質在水煤漿領域的應用仍處于開發階段，大多數生物質并沒有利用起來，只有少部分生物質被應用制備水煤漿或添加劑。造成這種現狀的原因，主要歸結于生物質性質復雜，千差萬別，很難用統一的方法對其進行處理，不同的生物質需要開發不同的利用技術。

立足于生物質在水煤漿領域的長遠發展，制備出高濃度、高生物質摻混量的水煤漿和性能較好的添加劑，真正意義上解決生物質污染環境、推置浪費的問題，實現其資源化利用，研究者們應從以下幾點入手：

1）針對生物質特點，開發新型添加劑，進一步提升生物質的摻混量，改善生物質水煤漿的料漿性能。

2）探究與生物質性能匹配的預處理方式，如對含高纖維性物質的生物質進行熱裂解，含水率高的生物質進行去水處理等，使得生物質更易與煤粉混合制漿，從而達到較高的制漿濃度。

3）開發更多的生物質制備添加劑的技術，推動生物質在添加劑方面的快速發展。

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