超临界水中共气化城市污泥与黑液制氢：开启废弃物资源化利用新征程

为解决黑液（BL）和城市污泥（MS）处理难题并实现能源回收，研究人员开展了 MS 和 BL 在超临界水中共气化制氢研究。发现共气化有协同增强效应，多种因素影响气化效率等指标。该研究为废弃物处理和能源生产提供新方向。

　　在当今的工业生产和城市运行中，造纸厂产生的黑液和污水处理厂产出的城市污泥，就像两座亟待清理的 “垃圾大山”。黑液每年在全球的产生量高达约 170 万吨，它不仅散发着刺鼻气味，还含有大量有机成分和制浆化学品，化学需氧量（COD）极高，随意排放会对生态环境和人体健康造成严重威胁。传统处理黑液的汤姆林森回收锅炉，虽然能实现一定的能源回收和化学品循环利用，但在浓缩弱黑液时耗费大量能源，燃烧过程还会产生诸如碱盐熔化、氮氧化物（NO_x）、二氧化硫（SO₂）等二次污染问题。

城市污泥同样棘手，我国在 2019 年底就有 5476 座处理厂，年处理量达 3904 万吨（含水率 80%） 。常规处理方法，像堆肥、焚烧等，不是能耗高，就是会对生态造成威胁，比如填埋占用大量土地，焚烧释放有毒气体，而且自 2021 年起，城市污泥堆肥也因有机肥料标准的实施被正式禁止。

面对这些困境，研究人员迫切需要寻找一种更高效、更环保的处理方式。在此背景下，来自国内研究机构的研究人员开展了城市污泥（MS）和黑液（BL）在超临界水中共气化制氢的研究，相关成果发表在《Biomass and Bioenergy》上。这项研究意义重大，不仅有望解决两种废弃物的污染问题，还能通过制氢实现能源回收，为实现造纸厂的能源自给自足提供新途径。

研究人员在此次研究中运用了多种技术方法。首先，通过收集来自中天润博污水处理厂的城市污泥和自制的黑液固体（由脱碱木质素和碳酸钠混合而成）作为实验原料。然后，利用热力学分析预测不同混合比例下超临界水汽化（SCWG）的平衡气体产物组成。同时，开展实验研究，探究混合比例、碱含量、反应时间、反应温度和总浓度等因素对共气化的影响 。

下面来详细看看研究结果：

• 热力学分析：预测了在 550°C 和 25MPa 下，不同混合比例的 MS 和 BL 在超临界水汽化时的平衡气体产物组成。气体产物主要由 H₂、CO₂和 CH₄组成，还有少量 CO、C₂H₄和 C₂H₆。单独气化 MS 和 BL 产生的气体组成差异明显，这表明原料组成对平衡气化结果影响很大。而且，MS 的添加增加了气体产物中 H₂的比例，但降低了其他气体成分的产量，同时也降低了气体产物的热值。
• 共气化实验：发现 MS/BL 共气化存在协同增强效应。当 MS/BL 比例为 40:60 时，气化效率提升最为显著。共气化还能减少液体残渣中含氮化合物和烷基酚的含量，但会增加酚类物质的含量。将 BL 中的碱含量提高到 20%，能增强协同效应，最佳比例也变为 50:50。
• 反应时间的影响：反应时间从 5 分钟延长到 20 分钟，能提高气化效率和产氢量，但超过 20 分钟后，进一步延长时间的影响就不明显了。
• 反应温度的影响：升高温度有利于气化反应。在 600°C 时，获得了最高的气化效率（118.57%）、产氢量（18.73mol/kg）和 COD 去除率（97.97%）。
• 对气体产物质量的影响：不同参数对冷煤气效率、H₂选择性和气体产物热值的影响各不相同，其中温度的影响最大。

综合来看，该研究通过热力学建模和实验研究，对 MS 和 BL 在超临界水中的共气化进行了深入探究。研究表明，MS 和 BL 共气化存在协同效应，多种因素会对气化过程和气体产物质量产生影响。这一研究成果为城市污泥和黑液的处理提供了新的技术思路，有望推动相关领域的发展，实现废弃物的资源化利用和能源回收，在环境保护和能源领域都具有重要的应用价值。未来，或许还可以进一步研究如何优化共气化条件，以提高能源转化效率，同时减少有害副产物的生成，让这项技术更好地服务于实际生产和环境保护。