劉學(xué)斌

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

超臨界水氣化污泥制氫技術(shù)實現(xiàn)了無害化、減量化和資源化處理，但是要實現(xiàn)此項技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，就必須對其經(jīng)濟性進行評估，以期對工藝的進一步改進，降低運行成本，提高經(jīng)濟收益。大多數(shù)城市污泥被焚化或存放在垃圾填埋場。盡管以前有一部分是被分離的，以便再利用和循環(huán)利用，然而，與其焚燒或處理，垃圾廢渣可以以更有效的方式進行積極的評估，這對環(huán)境更有利，因為土壤污染 （填埋）和排放到大氣 （焚燒）減少了。此外，對于一個產(chǎn)生大量垃圾并需要不斷增加能源消耗的社會來說，廢物的能源化是必須的。

1 經(jīng)濟性影響因素

影響超臨界水氣化經(jīng)濟性的因素有很多，溫度是影響最大的參數(shù)，其次是物料濃度、反應(yīng)停留時間。雖然，延長停留時間能夠提高氫氣產(chǎn)率，但是長時間的高溫高壓反應(yīng)促使了聚合反應(yīng)，使得結(jié)焦嚴(yán)重，而且增加了運行成本。從技術(shù)和經(jīng)濟的角度來看，適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)停留時間不僅可以降低成本，還能得到可觀的氣體產(chǎn)量。?zdenk?i等［1］利用 Aspen Plus過程仿真，對超臨界水氣化黑液應(yīng)用于硫酸鹽紙漿廠的經(jīng)濟可行性做了5種集成方案的評估。結(jié)果表明，鉻鎳鐵合金 （625）反應(yīng)器比不銹鋼（316）反應(yīng)器更效果更好，而且制氫成本更低。鉻鎳鐵合金反應(yīng)釜具有催化作用，因此表面積-體積比會影響氣體產(chǎn)量。雖然大型的現(xiàn)場反應(yīng)器不能像實驗室內(nèi)管狀反應(yīng)器那樣有較高的地對空體積比，但是可以在這方面進行改進，比如使用多管或者盤型浸入管。Hantoko等［2］通過熱力學(xué)分析和實驗研究，評價了污泥超臨界水氣化制富氫合成氣的潛力。實驗研究了溫度 （380～460℃）、污泥濃度（5%～30%）和活性炭添加量 （2%～8%）對超臨界水氣化的影響。結(jié)果表明，較高的溫度和較低的污泥濃度有利于合成氣的生產(chǎn)，從而提高產(chǎn)氫率。而壓力對超臨界水氣化性能沒有顯著影響。活性炭的加入提高了合成氣收率，在400℃負(fù)載活性炭8%的條件下，超臨界水氣化的合成氣收率為6.44 mol／kg，含38.43%的氫氣。Cao等［3］表示生物質(zhì)氣化的工藝條件決定了氣態(tài)產(chǎn)物的產(chǎn)氫率。催化劑的設(shè)計可以顯著改善氣化反應(yīng)。它們的穩(wěn)定性和活性是工業(yè)應(yīng)用的重要問題，需要通過未來的研究努力進一步闡明和調(diào)整。

2 經(jīng)濟優(yōu)勢

Gasafi等［4］以污泥作為超臨界水氣化的原料進行經(jīng)濟分析。采用年總收入需求法，考慮到的相關(guān)成本類別見表1所示。在所作的假設(shè)下，賬務(wù)費用在固定的總收入中占有最大的份額。相比之下，燃料成本相對較小。污泥在超臨界水中氣化是一個經(jīng)濟有效的過程，但流程仍有待優(yōu)化。通過對工廠概念和單個工廠部件的改進，該過程的經(jīng)濟效率可以進一步提高。

表1 總收入需求法的成本類別［4］

Kruse［5］指出，超臨界水氣化允許處理含水量高的生物質(zhì)，因此轉(zhuǎn)化不需要對原料進行預(yù)先干燥。傳統(tǒng)的處理生物質(zhì)的技術(shù)需要大量的能量來干燥原料，所以在經(jīng)濟上是不可行的，但是超臨界水氣化消除了這個昂貴的步驟，這使得它非常有吸引力。通過回收利用熱交換器提供給該工藝的部分能量，可提高工藝的能源效率。因此，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為主要由H2、CH4、CO和CO2組成的合成氣，也是富能源的燃料氣體，幾乎可以完全實現(xiàn)［6］。Brandenberger等［7］對微藻催化超臨界水氣化進行了合成天然氣生產(chǎn)，年產(chǎn)量為86500t。研究指出，合成天然氣生產(chǎn)的經(jīng)濟和能源的受限的主要因素是微藻生產(chǎn)的成本過高，所以應(yīng)該合成天然氣銷售價格明顯高于氣田采出天然氣。Mian等［8］研究了將高度稀釋的微藻原料水熱氣化轉(zhuǎn)化為天然氣，重點考慮了環(huán)境和經(jīng)濟方面的工藝性能優(yōu)化?？紤]到20MW的生物質(zhì)投入，合成天然氣產(chǎn)量在10.3～12.3MW，而年總成本在10～16美元／GJ。這一趨勢表明，由于考慮了可再生煤制天然氣的生產(chǎn)，替代了電網(wǎng)中等量的化石天然氣，因此能效的提高降低了對環(huán)境的影響。

Do等［9］對100 t／d污水污泥采用超臨界水 （案例1）和亞臨界水 （案例2）生產(chǎn)生物重油工藝的經(jīng)濟可行性進行了評價，涉及到投資回報。利用Aspen Plus計算了兩種生物質(zhì)重油的質(zhì)量和能量平衡。這兩個工廠的經(jīng)濟假設(shè)是一年30%的股權(quán)建設(shè)，4個月的啟動期，每年8000h的運行，20年的使用壽命和10年的折舊期。他們認(rèn)為稅率等于毛利潤的22%，年通貨膨脹率為2%，年利率為4.2%。案例1和案例2的總資本投資分別為1510萬美元和1430萬美元；同樣，兩家工廠每年的總生產(chǎn)成本為210萬美元。兩個電廠的最低燃料售價約為0.91／L，高于同期設(shè)定的0.55／L美元。案例2的生物質(zhì)重油生產(chǎn)投資回報為每年6.6%，案例1的投資回報為每年5.7%。案例1和案例2的內(nèi)部收益率分別為13.2和14.7。Kelly-yong等［10］按全球1.846億噸油棕廢渣計算，油棕廢渣超臨界水氣化的理論制氫量約為2.16×1010kg／a。馬來西亞作為世界上最大的棕櫚油生產(chǎn)國和出口國，在利用超臨界水氣化技術(shù)生產(chǎn)氫氣方面具有巨大潛力。據(jù)稱，棕櫚固體殘渣的超臨界水氣化制氫可滿足馬來西亞40%以上的能源需求。馬來西亞每年油棕櫚果實的產(chǎn)量約為1億噸，通過超臨界水氣化處理，油棕櫚果實的固體廢棄物可產(chǎn)生 H21.05×1010kg（1.26 EJ）左右。

3 技術(shù)難點

超臨界水氣化工藝雖然具有在處理有機和有毒廢物，尤其是污水污泥等高含水生物質(zhì)方面具有顯著優(yōu)勢，但對當(dāng)前工業(yè)的吸引力還不夠深，其主要原因是加工成本高，反應(yīng)器容易堵塞、腐蝕等。Demirbas［11］指出生物質(zhì)超臨界水氣化制氫是一種很有前途的濕式生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)。但是從濕生物質(zhì)的超臨界水氣化制氫的成本比目前從天然氣、蒸汽甲烷重整制氫的高出幾倍。Adar等［12］對連續(xù)運行的實驗室規(guī)模超臨界水氣化系統(tǒng)在調(diào)試和運行過程中出現(xiàn)的問題的原因和影響進行了確定。研究采用因果關(guān)系圖、經(jīng)典失效模式與效果分析、模糊失效模式與效果分析等質(zhì)量方法，對實驗室超臨界水氣化系統(tǒng)運行過程中的潛在風(fēng)險進行確定和排序。對于RPN值大于100的參數(shù)，一定要考慮采取糾正預(yù)防措施。降低一個參數(shù)的RPN值，可以降低其發(fā)生的概率，降低嚴(yán)重程度，提高可檢測性。結(jié)果表明，反應(yīng)釜堵塞RPN為135、腐蝕RPN為135、反應(yīng)釜設(shè)計RPN為125、不兼容材料RPN為120，這幾項參數(shù)的RPN最高。

Liang等［13］以我國安徽省淮北市為例，對生物質(zhì)超臨界水氣化制氫技術(shù)是否可持續(xù)進行評價。該研究利用能值理論研究玉米秸稈超臨界水氣化制氫的可持續(xù)性，將氫整個生命周期的可再生資源、不可再生資源和購買投入全部納入并轉(zhuǎn)化為能值，結(jié)果表明，能值轉(zhuǎn)化率為5.5323×1013J／kg，能值產(chǎn)出比率為0.0117，環(huán)境負(fù)載率為5.0684，環(huán)保投資比率為85.8303，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)為0.1996。因此，從長遠(yuǎn)來看，超臨界水氣化玉米秸稈制氫是不可持續(xù)的。但是根據(jù)敏感性分析的結(jié)果，有兩種方法可以提高可持續(xù)發(fā)展的能值指標(biāo)，使得玉米秸稈的超臨界水氣化制氫更可持續(xù)，一個是發(fā)展創(chuàng)新農(nóng)業(yè)系統(tǒng)減少氮肥和磷肥的消費，另一個是提高玉米秸稈的產(chǎn)量和利用效率。

4 結(jié)語

本文對超臨界水氣化污泥制氫工業(yè)化的影響因素、經(jīng)濟優(yōu)勢以及技術(shù)難點進行了調(diào)研。超臨界水氣化污泥制氫雖然在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)取得了一些突破和創(chuàng)新，但仍需要更多的科學(xué)進步，使其在經(jīng)濟上具有競爭力，在環(huán)境上有利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。實現(xiàn)超臨界水氣化制氫過程的可控性和可擴展性，提高反應(yīng)速率和效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，加快工業(yè)化進程，是當(dāng)前亟待解決的問題。