甘雁飛

（中交上海航道局有限公司江蘇交通建設(shè)工程分公司，江蘇南京210000）

　　摘要：近年來，生物質(zhì)廢料的處理處置技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)。本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，首先對(duì)水熱技術(shù)的定義和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹；然后詳細(xì)分析了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、物料含水率、催化劑及其投加量等因素對(duì)水熱反應(yīng)的影響，結(jié)果表明，反應(yīng)溫度對(duì)水熱反應(yīng)的影響最為顯著；最后分析了水熱技術(shù)在生物質(zhì)廢料處理過程中的研究進(jìn)展，以期為水熱技術(shù)在生物質(zhì)廢料中的進(jìn)一步應(yīng)用研究提供新的思路。

　　近年來，隨著國家節(jié)能減排相關(guān)制度的大力推行，生物質(zhì)廢料的處理處置技術(shù)成為了研究者的重點(diǎn)研究對(duì)象。常見生物質(zhì)廢料主要包括有稻草、木屑、胡桃殼、秸稈、排泄物、固體廢棄物及剩余污泥等。

　　常見生物質(zhì)廢料熱處理技術(shù)，主要包括有濕式氧化法、熱水解法、熱解法及水熱技術(shù)等。其中濕式氧化法可殺滅生物質(zhì)廢料中的有毒有害物質(zhì)，但濕式氧化法需要在高溫和高壓的環(huán)境下才能實(shí)施，對(duì)設(shè)備要求較高，難以普及^[1]。熱水解技術(shù)反應(yīng)溫度較低，反應(yīng)時(shí)間較短，但是熱水解法常用作預(yù)處理方法，對(duì)生物質(zhì)廢料處理效果不佳^[2]。熱解法的熱解溫度一般為300～700℃，生物質(zhì)廢料處理效果較好，同時(shí)也導(dǎo)致處理成本較高，難以推廣^[3]。

　　水熱技術(shù)在最近幾年一直是研究的熱點(diǎn)，水熱技術(shù)的反應(yīng)條件更為溫和，是一種更加具有前景的生物質(zhì)廢料處理技術(shù)。

　　1水熱技術(shù)介紹

　　1.1定義

　　水熱技術(shù)是指在一定的溫度及自生壓力條件下，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為固、液、氣三態(tài)產(chǎn)物的一種方法。水熱技術(shù)包括水熱碳化、水熱液化及水熱氣化這三種水熱方式。其中，水熱碳化是指在一定溫度（130～250℃）及自生壓力條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)，將生物質(zhì)廢料主要轉(zhuǎn)化為碳類固態(tài)產(chǎn)品的過程；水熱液化是指在亞臨界條件下（溫度為200～380℃，壓力為4～25MPa），將生物質(zhì)廢料主要轉(zhuǎn)化為生物油等液態(tài)產(chǎn)品的過程；水熱氣化是指生物質(zhì)廢料在超臨界條件下（溫度為400～700℃，壓力為16～35MPa），將生物質(zhì)廢料主要轉(zhuǎn)化為H₂、CH₄、CO₂的過程。水熱技術(shù)常用的反應(yīng)器稱為水熱釜，主要包括外加熱水熱釜（圖1a）和一體化水熱釜（圖1b）。

　　1.2特點(diǎn)

　　生物質(zhì)廢料水熱處理技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的處理技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)如下：

　　（1）水熱技術(shù)的反應(yīng)條件相對(duì)較為溫和，反應(yīng)系統(tǒng)為放熱反應(yīng)，因此能耗較低。而且，水熱設(shè)備較為簡單，占地面積小，方便管理和操作；

　　（2）水熱技術(shù)可顯著提高生物質(zhì)廢料的脫水特性，從而可以降低生物質(zhì)廢料含水率，有利于后續(xù)進(jìn)一步處置；

　　（3）水熱技術(shù)的反應(yīng)時(shí)間短，僅需幾十分鐘至幾個(gè)小時(shí)就可完成，相比其他處理等方法，處理速度更快，效率更高；

　　（4）水熱技術(shù)的適用性強(qiáng)，對(duì)生物質(zhì)廢料的含水率沒有要求，無需對(duì)原料進(jìn)行干燥預(yù)處理，節(jié)約了預(yù)處理成本。并且水熱反應(yīng)可殺滅致病菌，所以水熱產(chǎn)物中不會(huì)含有細(xì)菌，病原體等有毒有害物質(zhì)；

　　（5）生物質(zhì)廢料經(jīng)水熱處理后得到的水熱產(chǎn)物附加值較高，可被資源化利用。

　　1.3影響因素

　　采用水熱技術(shù)處理生物質(zhì)廢料的首要目的是在降低生物質(zhì)廢料處理成本的前提下，使生物質(zhì)廢料達(dá)到一定的處理效果，并且不會(huì)給環(huán)境帶來二次污染。影響生物質(zhì)廢料水熱反應(yīng)的因素主要包括有反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、含水率、催化劑及其投加量等。

　　1.3.1反應(yīng)溫度

　　反應(yīng)溫度是對(duì)生物質(zhì)廢料水熱處理效果影響最大的一個(gè)因素。薛香玉等^[4]研究了170～270℃的溫度范圍對(duì)污泥水熱碳化產(chǎn)生的水熱碳、水熱液及氣體的產(chǎn)量和特性的影響。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)溫度的升高，污泥中被分解的量也逐漸增加，污泥中干物質(zhì)的量逐漸減少，氣體中的可燃成分濃度逐漸增加。

　　綜上所述，反應(yīng)溫度對(duì)生物質(zhì)廢料的水熱反應(yīng)有較為重大的影響，并且反應(yīng)溫度越高會(huì)使反應(yīng)速率越快，從而可以一定程度上降低反應(yīng)所需時(shí)間。

　　1.3.2反應(yīng)時(shí)間

　　很顯然，反應(yīng)時(shí)間的長短決定了生物質(zhì)廢料水熱處理的日處理量，所以在生物質(zhì)廢料水熱處理能達(dá)到一定效果的前提下，應(yīng)適當(dāng)減少反應(yīng)時(shí)間，增大處理效率，削減反應(yīng)能耗。另外，反應(yīng)時(shí)間對(duì)生物質(zhì)經(jīng)水熱反應(yīng)后得到的產(chǎn)品的特性也有一定影響。Gao等^[5]以水葫蘆為原料，固定反應(yīng)溫度為240℃，分別在0.5h、1h、2h、4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h及24h的反應(yīng)時(shí)間下進(jìn)行了水熱碳化反應(yīng)，研究不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)水熱碳產(chǎn)品的化學(xué)結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，水熱碳的高位熱值從16.83MJ/kg一直增大至20.63MJ/kg，但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過4h時(shí)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)水熱碳產(chǎn)品的化學(xué)特性已無明顯影響。

　　1.3.3含水率

　　水熱反應(yīng)是在有水分的條件下進(jìn)行反應(yīng)，生物質(zhì)廢料含水率會(huì)因種類不同而存在較大差異。Ｒomán等^[6]研究了胡桃殼和向日葵這兩種生物質(zhì)的水熱碳化過程，結(jié)果表明，在較低的生物質(zhì)含水率條件下，不利于水熱碳產(chǎn)量的增加。

　　1.3.4催化劑及其投加量

　　選擇合適的催化劑能夠降低活化能，提高反應(yīng)速率，加快水熱反應(yīng)過程，并能適當(dāng)縮短反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。常見催化劑有酸、金屬離子等，其中喬娜等^[7]以松子殼為原料，采用水熱碳化技術(shù)在反應(yīng)溫度為180～250℃的條件下制備生物碳，研究Ca²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Fe³⁺對(duì)生物碳的影響。研究發(fā)現(xiàn)，這四種金屬離子均能促進(jìn)松子殼的水熱碳化反應(yīng)，并且在較低的反應(yīng)溫度下可得到較高碳元素含量和較高熱值的生物碳。

　　2研究進(jìn)展

　　1913年，水熱碳化技術(shù)這個(gè)概念首次被德國化學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Bergius提出。但那時(shí)水熱碳化技術(shù)沒有得到有效推廣，直到進(jìn)入21世紀(jì)，水熱碳化技術(shù)才開始受到廣泛關(guān)注，不過均主要以研究純?cè)蠟橹鳌ｋS著后續(xù)深入的研究，逐漸有學(xué)者以秸稈、排泄物、固體廢棄物及剩余污泥等更加復(fù)雜的生物質(zhì)廢料來代替純物質(zhì)進(jìn)行水熱碳化研究。

　　（1）Cai等^[8]以煙草稈為原料進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)，將煙草稈轉(zhuǎn)化為富含能源的固態(tài)燃料，并分析了該固態(tài)燃料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及燃料特性。

　　（2）Liu等^[9]分別以稻草和豬糞為原料，通過水熱碳化技術(shù)來制取生物碳和水熱碳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以稻草為原料制得的碳產(chǎn)品的碳元素更高，適合用于碳的回收，而豬糞得到的碳產(chǎn)品更適用于土壤改良劑等方面。

　　（3）Lu等^[10]以城市固體廢物為原料進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)，然后將得到的水熱碳產(chǎn)品與通過其他技術(shù)得到的碳產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明，水熱碳產(chǎn)品的性能比其他碳產(chǎn)品的性能更高，所以水熱碳化技術(shù)在固體廢物處理中發(fā)揮著非常重要的作用。

　　（4）Peng等^[11]利用水熱技術(shù)在180～300℃的反應(yīng)溫度下處理污泥30～480min，制備得到碳材料，并對(duì)碳材料的元素含量、官能團(tuán)、熱穩(wěn)定性及燃燒動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，碳材料的碳元素含量、熱值及著火點(diǎn)均有提高，這說明碳材料產(chǎn)品可被用作燃料使用，并且碳材料產(chǎn)品性質(zhì)更加穩(wěn)定，便于后續(xù)存儲(chǔ)及運(yùn)輸。

　　3結(jié)語

　　（1）水熱技術(shù)的反應(yīng)條件更為溫和，適用性強(qiáng)，相比其他處理技術(shù)，處理速度更快，效率更高，優(yōu)點(diǎn)更多，是一種更加具有前景的生物質(zhì)廢料處理技術(shù)。

　　（2）影響生物質(zhì)廢料水熱反應(yīng)的因素主要包括有反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、含水率、催化劑及其投加量等，其中反應(yīng)溫度對(duì)生物質(zhì)廢料水熱反應(yīng)影響更為顯著。

　　（3）目前已有很多學(xué)者采用水熱技術(shù)對(duì)秸稈、排泄物、固體廢棄物及剩余污泥等更加復(fù)雜的生物質(zhì)廢料進(jìn)行研究，以期尋求生物質(zhì)廢料的最佳處理方式。