面向气流床气化的生物质-煤水浆技术-经济-环境综合评估与多准则优化

《Energy》：Integrated Techno-Economic-Environmental Assessment and Multi-Criteria Optimization of Biomass-Coal Water Slurries for Entrained-Flow Gasification

　　

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  研究了不同生物质类型和配比下生物质-煤水浆的浆料性能、气化性能、经济性能及碳排放性能，揭示了其变化规律及内在机理。
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  建立了基于AHP-TOPSIS的多准则决策框架，系统阐明了生物质-煤水浆各项性能指标之间的权衡关系。
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  确定了最优生物质类型和配比，其中低配比玉米秸秆生物质-煤水浆在所有性能指标上取得了最佳平衡。

引言

在全球能源转型和碳中和目标推进的背景下，清洁低碳的气化技术已成为能源领域的研究焦点。生物质-煤水浆（BCWS）是一种由煤、生物质、水和化学添加剂组成的新型气化原料，在合成气生产方面展现出巨大潜力[1]、[2]、[3]。该技术继承了常规煤水浆的优点，如易于运输、雾化性好、燃烧稳定，同时引入分布广泛、碳中和的生物质可有效减少SO₂和NO_x排放^[4]，并降低全生命周期净CO₂排放^[5]，实现更清洁、高效的煤炭利用。在中国，木粉、竹粉和玉米秸秆等生物质资源丰富、分布广泛、产量巨大但利用不足^[6]。将这些材料用于BCWS生产可实现废弃物增值利用和能源结构优化，产生显著的综合效益。

在这一背景下，生物质-煤水浆（BCWS）正成为一种有前景的气化原料。然而，生物质与煤在纤维形态、亲水性、热值及上游供应链负担等方面存在显著差异。这些差异会同时影响浆料制备、反应器性能、运行成本和生命周期排放，且各因素之间存在强烈相互作用。因此，对BCWS能量可行性的全面评估需要从流变性、燃烧与排放特性、经济成本等多个方面进行系统评价。

流动性和稳定性是BCWS输送过程中的主要制约因素[7]、[8]。此前的研究表明，添加生物质或有机废弃物可以改善沉降稳定性，但通常伴随表观粘度的增加和最大固含量的降低[9]、[10]、[11]。Kuznetsov^[11]发现，当生物质含量超过10%时，浆料粘度平均增加50%-70%，导致流动性显著恶化。然而，Li等人^[10]证明，经预处理的藻类可形成固含物高达62.5 wt%的稳定浆料。这些研究表明，BCWS的流变性能和静态稳定性高度依赖浆料配方，且一种性质的显著改善可能伴随另一种性质的恶化。

BCWS的下游转化进一步复杂化了原料配方的选择。浆料燃烧和共转化研究表明，生物质可以改善着火性能并减少某些气体排放[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，生物质的热值通常低于煤，且不同生物质原料在挥发分含量、灰分组成和碱金属含量方面差异较大。这些差异会进一步影响气化过程中的反应温度和固-气反应行为，从而改变碳转化效率、合成气组成和有效气体产率^[17]。此外，煤-生物质共利用的经济分析表明，总成本受生物质类型、预处理、运输和转化效率的强烈影响^[18]。

近期的多准则研究开始将多种性能指标整合起来评估含废弃物衍生材料或生物质的浆料燃料[12]、[19]。Belonogov等人^[12]报告称，向煤水浆中添加5%的稻壳可分别将沉降稳定性、雾化特性和环境性能提高2.5-4.2倍、1.5-2.0倍和1.5-2.4倍。Daniil等人^[19]研究了由煤泥、锯末和纸板制备的浆料燃料，基于着火、燃烧及NO_x和SO_x排放的实验测量，采用多准则决策方法比较了其与无烟煤的综合性能。

上述研究为生物质-煤水浆（BCWS）的潜力和复杂性提供了初步见解，同时也揭示了当前研究视角的局限性。首先，现有研究主要集中在浆料性能和燃烧特性上，而对气化性能的研究仍不充分，尤其是与工业相关的重要指标如碳转化效率和合成气组成。其次，浆料性能、气化性能、经济成本和碳排放通常在不同系统边界下单独评估，因此某一指标的改善可能以牺牲其他指标为代价，难以在决策阶段识别出综合性能最优的配方。因此，需要建立一个整合的数据工作流程，将实测浆料性能与气化性能、技术经济评估和碳核算联系起来，最终实现BCWS配方的多目标排序。

为解决上述局限性，本研究在统一的评估框架内评价了代表性的生物质-煤水浆（BCWS）配方。首先对浆料的流变性能和静态稳定性进行实验表征。然后利用流化床气化模型对各配方进行评估，获得气化温度、合成气组成等关键气化参数。进一步利用这些结果计算合成气平准化成本和"从摇篮到大门"的碳排放。最后，采用AHP-TOPSIS方法^[20]、^[21]、^[22]、^[23]、^[24]、^[25]整合五个决策准则，即粘度、水分分离率、有效合成气产率、年总成本和年碳排放量，实现对不同配方的多维评估和定量排序。该框架明确揭示了原料制备、转化性能、经济成本和碳排放之间的权衡关系，为BCWS配方优化和工业应用提供了科学依据。

章节摘要

浆料燃料的组成与制备

本研究中，浆料燃料以长焰煤为主要固体组分。竹粉、木粉和玉米秸秆三种生物质材料分别作为共进料组分添加，水作为液相组分。长焰煤和三种生物质样品的工业分析和元素分析结果见表1。

原煤和生物质在球磨机中研磨粉碎，随后在105 °C烘箱中干燥。干燥后的煤

生物质-煤水浆浆料形成特性的研究

不同配方BCWS的流变性能如图1所示。所有浆料均表现出剪切变稀行为，表观粘度随剪切率的增加而逐渐降低。此外，随着生物质配比增大，假塑性特征更加明显。其内在机理归因于生物质纤维与煤颗粒之间的缠结作用，强化了浆料的内部三维网络结构。

结论

本研究通过实验和数值模拟系统研究了不同生物质类型和配比的生物质-煤水浆（BCWS）配方，重点关注粘度、稳定性、气化性能、经济性能和碳排放五个方面。进一步引入AHP-TOPSIS多准则评价模型，对不同生物质类型和配比下BCWS的综合性能进行定量评估，旨在

CRediT作者贡献声明

刘宇飞：撰写—原稿，验证，方法论，调查，正式分析，概念构思。王沁辉：撰写—审阅与编辑，资源，资金获取，概念构思。谢桂林：撰写—审阅与编辑。陈英驰：撰写—审阅与编辑。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

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致谢

本研究受中央高校基本科研业务费专项资金资助（2022ZFJH04）。

刘宇飞|王沁辉|谢桂林|陈英驰