生物質(zhì)在水煤漿領(lǐng)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(zhì)作為一種新型替代能源，逐漸成為人們關(guān)注的焦點，其在水煤漿領(lǐng)域的研究利用更推動了煤化工行業(yè)的快速發(fā)展。總結(jié)了生物質(zhì)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(fā)更多類型、更高含量的生物質(zhì)水煤漿和性能更佳的添加劑是未來的發(fā)展方向。

關(guān) ?鍵 ?詞：生物質(zhì);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(shù)在我國發(fā)展已有20～30年了，隨著煤炭資源的不斷減少，該技術(shù)的應用也受到一定的限制，尤其是近年來受國家環(huán)保政策和發(fā)展戰(zhàn)略的影響，該技術(shù)明顯處于低迷時期，如何在化石能源不夠充足的條件下發(fā)展該技術(shù)成為人們一直思考的問題。

生物質(zhì)是一種清潔能源，種類眾多，分布廣泛，涉及到農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)、城市固體廢棄物等眾多領(lǐng)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(zhì)折合標準煤約2 200萬t，其余生物質(zhì)仍處于未開發(fā)利用階段。已有數(shù)據(jù)顯示，絕大多數(shù)生物質(zhì)都沒有實現(xiàn)資源化利用，所以如何將這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用的資源是能源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

根據(jù)生物質(zhì)的性能可以看出，該類物質(zhì)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(lǐng)域可以作為原料制備水煤漿，此外部分生物質(zhì)還可以經(jīng)過一系列物理化學反應轉(zhuǎn)化為改善水煤漿性能的添加劑。

基于生物質(zhì)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(shù)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(jié)。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(jù)。

1 ?生物質(zhì)原料制備水煤漿

生物質(zhì)被用作水煤漿制漿原料的研究比較廣泛，從生物質(zhì)的類型出發(fā)，可以將其水煤漿分為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)水煤漿、林業(yè)生物質(zhì)水煤漿、水生生物質(zhì)水煤漿等六大類。

1.1 ?農(nóng)業(yè)生物質(zhì)水煤漿

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)是農(nóng)作物生產(chǎn)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(zhì)的秸稈。秸稈在我國的產(chǎn)量巨大，每年的產(chǎn)量約6.9億t，但秸稈的利用率較低，多數(shù)都以焚燒或填埋的方式處置，不僅污染環(huán)境，而且造成資源的極大浪費。將秸稈應用到水煤漿技術(shù)中有效地促進了該技術(shù)的發(fā)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(fā)達，吸水性較強，加之，含有大量的纖維素，可磨指數(shù)較差，破碎后顆粒形狀不規(guī)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(zhì)水煤漿，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(wěn)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(fā)現(xiàn)碳化過程對麥秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)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(gòu)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(wěn)定性降低[3]。李婷婷對比了碳化對成漿性的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)碳化后，麥秸稈的加入量大幅提升，相同濃度下，經(jīng)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(yè)生物質(zhì)水煤漿

林業(yè)生物質(zhì)在整個生物質(zhì)中占的比例相當大，約占總生物質(zhì)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(yè)生物質(zhì)，據(jù)統(tǒng)計，我國林木生物質(zhì)的總量估計178.86萬t，所以其總量巨大，開發(fā)潛力無窮。從林業(yè)生物質(zhì)的開發(fā)研究來看，該類物質(zhì)主要應用在固體成型燃料、生物柴油、燃料乙醇等領(lǐng)域，在煤化工行業(yè)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(guān)于作為原料參與制漿的研究少之又少，所以發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)這一方向?qū)⑹撬簼{領(lǐng)域的一個新思路。

1.3 ?水生生物質(zhì)水煤漿

水生生物質(zhì)水煤漿的研究比較廣泛，近年來也得到不少學者的關(guān)注。水生生物質(zhì)資源豐富，大量生物質(zhì)的存在對海洋環(huán)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(chǎn)生的物質(zhì)會加速水質(zhì)的惡化，藻類是水體中另一類數(shù)量巨大的水生物，大量藻類的存在會產(chǎn)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(zhì)進行利用，會大大減小其對生態(tài)環(huán)境的破壞力。

鄧暉等分析了水葫蘆水煤漿的燃燒特性，結(jié)果表明生物質(zhì)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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(wěn)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(fā)現(xiàn)水葫蘆的加入可以有效地提升水煤漿的穩(wěn)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(zhì)與煤粉的成漿性能，發(fā)現(xiàn)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(jié)果表明采用化學藥劑、高速攪拌、加熱等方法使藍藻的結(jié)構(gòu)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(yǎng)殖業(yè)生物質(zhì)水煤漿

養(yǎng)殖業(yè)中大量的糞便等廢棄物是人們一直關(guān)注的焦點，我國每年產(chǎn)生的畜禽糞污總量達30多億噸，但是每年真正實現(xiàn)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(huán)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(lǐng)域。

孫平等以生豬養(yǎng)殖廢棄物與煤共混制備生物質(zhì)水煤漿，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)牛糞的加入可以減少煤樣和水的消耗量，節(jié)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(fā)現(xiàn)加入

0.3%的木質(zhì)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(zhì)水煤漿

城市生物質(zhì)與人們的生活息息相關(guān)，其數(shù)量也非常巨大，應用在水煤漿領(lǐng)域研究最多的生物質(zhì)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(shù)量為4.474×107m3，而實際處理率卻非常低下，不足總量的25%。傳統(tǒng)的處理方式多為焚燒或者堆埋，該方法對環(huán)境依舊造成比較嚴重的影響。隨著研究的不斷深入，堆肥、發(fā)酵制氣、建材利用等資源化利用方式不斷出現(xiàn)，改變了污泥的處理處境，將其應用于水煤漿領(lǐng)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(zhì)，實現(xiàn)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(guān)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(wěn)定性等性能都有很大的影響，而且多數(shù)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(yè)的副產(chǎn)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(fā)現(xiàn)摻混3%酒糟的料漿定黏濃度為65.8%，穩(wěn)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(wěn)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(zhì)。張曄將抗生素藥渣與淮北礦區(qū)煤混合制漿，得出漿體呈現(xiàn)賓漢塑性流體，流動性和穩(wěn)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(zhì)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(zhì)素，再通過磺甲基化法改性制備水煤漿添加劑，結(jié)果表明改性產(chǎn)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(wěn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(jīng)過十二烷基苯磺酸鈉酯化，再經(jīng)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(chǎn)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(wěn)定性得到極大的改善[29]。

3 ?結(jié)束語

從關(guān)于生物質(zhì)的研究來看，生物質(zhì)在水煤漿領(lǐng)域的應用仍處于開發(fā)階段，大多數(shù)生物質(zhì)并沒有利用起來，只有少部分生物質(zhì)被應用制備水煤漿或添加劑。造成這種現(xiàn)狀的原因，主要歸結(jié)于生物質(zhì)性質(zhì)復雜，千差萬別，很難用統(tǒng)一的方法對其進行處理，不同的生物質(zhì)需要開發(fā)不同的利用技術(shù)。

立足于生物質(zhì)在水煤漿領(lǐng)域的長遠發(fā)展，制備出高濃度、高生物質(zhì)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(zhì)污染環(huán)境、推置浪費的問題，實現(xiàn)其資源化利用，研究者們應從以下幾點入手：

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

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

3）開發(fā)更多的生物質(zhì)制備添加劑的技術(shù)，推動生物質(zhì)在添加劑方面的快速發(fā)展。

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