城市污泥/褐煤共水热碳化产物的热化学转化特性及规律研究

污泥和褐煤通过共水热碳化预处理以制备高品质固体燃料，为污泥和低阶煤的有效处理提供了一种可行方案。本研究主要考察了城市污泥（SS）和褐煤（LC）在不同温度下（120，180，240和300℃）进行共水热碳化制得的固相产物（水热炭）的热化学转化特性和规律，包括燃烧、热解和半焦CO₂气化过程，并分析了这些过程中的协同作用。结果表明，共水热碳化预处理对城市污泥和褐煤的热利用行为有显著影响。一方面，共水热碳化处理后的水热炭相对其计算值具有更高的产率、煤化程度、热值等，同时具有更低的灰分含量。另一方面，混合物水热炭在燃烧、热解和半焦CO₂气化过程均表现出一定的协同作用（促进燃烧和热解行为，降低气化活性），且水热温度在240℃附近时，这种作用最为明显。鉴于热解和气化过程的协同效果均低于燃烧过程，共水热碳化产物被认为更适合用于燃烧。这些发现表明，将共水热碳化改性提质处理与后续热化学工艺相结合，对于能源的产生和有机废弃物的利用都有一定的积极意义。     

生活垃圾与花生壳水热炭化物的燃烧特性研究

以生活垃圾（MSW）与花生壳（PS）共水热炭化产物的理化性质研究为切入点,采用热重分析法探究炭化物的燃烧特性及反应动力学,结果表明：炭化物在燃烧过程中出现3个失重峰,第二个失重峰的损失程度最大,超过了燃烧总失重的50%。同一炭化温度条件下,随着PS掺混占比的增加,燃烧越彻底,热重曲线逐渐偏向高温区。随着升温速率的提高,炭化物的着火温度、燃尽温度、燃烧特性指数均提高。MSW与PS混合共水热炭化的炭化物在燃烧过程中存在协同作用。生活垃圾掺混花生壳,随着炭化温度的升高（180~260℃）,固定碳含量与燃烧特性指数S均先增后减,最小着火能量（E_αi）先减后增。MSW与PS按质量比5∶5掺混,在220℃的条件下共炭化,升温速率为40℃/min时,其产物220MSW5PS5的燃烧特性指数最高（5.727×10^-6 min^-2·℃^-3）,最小着火能量最低（89.55 kJ/mol）。     

污泥与褐煤共水热碳化的协同特性研究

污泥的资源化利用一直是国内外学者研究的焦点,对其进行水热提质处理后作为燃料应用是一种潜在的利用手段。本研究主要探讨城市污泥（SS）、脱墨污泥（DS）分别与褐煤（LC）以不同混合比例（3∶7、5∶5、7∶3）共水热碳化时的协同作用,并分析其固相产物（水热炭）的燃料品质。结果表明,当LC/SS、LC/DS混合比例为5∶5时,水热炭产率分别为81.08%和86.00%,并获得了最大协同系数（水热炭产率：1.69%和0.18%;有机物保留率：11.90%和2.64%;碳保留率：4.08%和0.77%）。其中,LC/SS的协同作用总是比LC/DS显著。随着LC添加量的增大,水热炭的热值和煤化程度均随之提高,不仅改善了水热炭的燃料特性,还使得燃烧过程更为稳定且充分。由此说明,通过共水热碳化预处理的方式可以制得较高品质的燃料,从而实现污泥/褐煤的有效利用。     

钙基添加剂对污水污泥在水热炭化过程中磷形态及生物有效性的影响

在污泥的热处置过程中,添加剂的存在会改变污泥中的磷形态从而对后续磷的回收利用产生重大影响。本文综合利用化学连续提取（SMT方法）、SEM-EDS、XRD和ICP-MS等分析测试方法,系统研究了CaCl₂在水热炭化过程中对污泥中磷形态及其生物有效性的影响。研究结果表明,水热炭化可以使污泥中有机磷（OP）向无机磷（IP）转化,同时促进污泥中非磷灰石无机磷（NAIP）向磷灰石无机磷（AP）的转化,CaCl₂的适量添加可以促进上述转化过程。经过水热炭化处理后,污泥水热炭中IP和AP的浓度分别提升了35.6%和63.4%,当添加质量分数为20%的CaCl₂时,污泥水热炭中IP和AP的浓度同时达到最大值,分别为79.62mg/g和75.61mg/g。此时污泥水热炭中可溶性磷在2%CA溶液中的溶解度也达到最大的57.02mg/g,在此条件下,污泥水热炭中磷的生物有效性也达到最高。     

污水污泥水热炭化过程中磷的迁移转化特性

利用SMT方法研究了污水污泥水热炭化固体产物中磷的赋存形态和分布。结果表明，水热炭化处理可以使污泥中的有机磷（OP）转化为无机磷（IP）。在实验条件范围内，污泥中的磷主要富集在水热焦中（R_TP＞70%），且主要以无机磷（IP）形态存在。延长水热炭化时间或升高水热炭化温度，污泥中无机磷（IP）和非磷灰石无机磷（NAIP）均呈逐渐升高的趋势，而且水热炭化温度的影响程度显著大于水热炭化时间。水热炭化时间对磷灰石无机磷（AP）的影响不明显，但AP含量随水热炭化温度的升高而略微升高。结合XRD谱图分析发现，105℃烘干污泥中主要存在磷酸铝盐和磷酸铁盐两种含磷化合物；水热炭化处理促使焦磷酸盐转化为正磷酸盐，且磷在水热焦中基本以最稳定的正磷酸盐形式存在。该研究结果可为污泥的资源化利用及从污泥中回收磷资源提供理论参考。     

城市污泥与稻壳水热炭混合燃烧特性与动力学

采用热重分析法研究城市污泥、稻壳水热炭及两者不同掺混比的燃烧特性与反应动力学。对比分析其在不同升温速率下从室温升至1000℃的燃烧特性，用Flynn-Wall-Ozawa (FWO)法计算其燃烧过程中的反应动力学参数。结果表明，稻壳水热炭的挥发性、着火和燃尽指数均高于城市污泥，具有较好的燃烧特性，掺混稻壳水热炭使城市污泥混合燃烧时发生热滞后现象。随着稻壳水热炭掺混比的增加，共混物的燃烧残余质量减少，着火性能变差，燃烧性能变强。活化能的相关系数均高于0.95，稻壳水热炭掺混高于50wt%时，共混物的平均活化能低于稻壳水热炭单独燃烧的平均活化能，掺混70wt%稻壳水热炭时出现最低平均活化能，为85.48 kJ/mol。城市污泥与稻壳水热炭混燃时有协同交互作用，且掺混50wt%稻壳水热炭时效果最佳。     

污泥与褐煤共水热碳化的协同特性研究

污泥的资源化利用一直是国内外学者研究的焦点,对其进行水热提质处理后作为燃料应用是一种潜在的利用手段。本研究主要探讨城市污泥(SS)、脱墨污泥(DS)分别与褐煤(LC)以不同混合比例(3∶7、5∶5、7∶3)共水热碳化时的协同作用,并分析其固相产物(水热炭)的燃料品质。结果表明,当LC/SS、LC/DS混合比例为5∶5时,水热炭产率分别为81.08%和86.00%,并获得了最大协同系数(水热炭产率:1.69%和0.18%;有机物保留率:11.90%和2.64%;碳保留率:4.08%和0.77%)。其中,LC/SS的协同作用总是比LC/DS显著。随着LC添加量的增大,水热炭的热值和煤化程度均随之提高,不仅改善了水热炭的燃料特性,还使得燃烧过程更为稳定且充分。由此说明,通过共水热碳化预处理的方式可以制得较高品质的燃料,从而实现污泥/褐煤的有效利用。     

市政污泥与石下江褐煤混合燃烧动力学及协同特性研究

采用综合热分析仪对长沙市某污水处理厂污泥和石下江煤及两者混合物的燃烧特性参数进行了研究,并通过扫描电镜和X射线荧光光谱仪对两者灰渣进行了表征。结果表明:石下江褐煤的固定碳含量较高,污泥的挥发分含量较高;灰渣表面结构差异较大,混合样的灰分颗粒没有发生熔融现象;当混合样品中污泥的质量分数低于30%时,混合样品的燃烧特性与煤粉的燃烧特性类似;10℃/min升温速率下,当污泥的质量分数由10%增加到90%时,样品的着火温度由383.47℃降低至186.93℃,燃尽温度由637.46℃降低至558.98℃,燃烧特性得到改善。采用Coats-Redfern法拟合燃烧过程并计算活化能,发现混合样品的平均活化能并非随污泥质量分数的增加而递减,在高温区间混合样品的活化能显著降低,佐证了燃烧特征参数的变化,污泥与石下江褐煤表现出正协同关系。     

不同温度区间内污泥热解气固相产物特征

对城市污水污泥（简称污泥）进行工业分析和热重分析,考察污泥的基本组成和热重特性;采用气相色谱（GC）检测了不同热解温度区间内污泥热解生成的气体产物成分,并利用SEM和BET分别分析了不同热解终温下裂解炭的形貌特征和比表面积。结果表明：污泥热解可以分为水分析出阶段、挥发分析出阶段和焦炭化阶段;不同热解温度区间内污泥热解气体产物的组成有很大差别,热解温度350℃后H₂在热解气中的含量快速增加,CH₄含量在350～450℃时达到最大值,而CO主要在热解温度为350～750℃时生成,CO₂含量随着热解温度的增加迅速下降;随着热解终温的不断升高,裂解炭结构变得越来越疏松,比表面积也随之增大,750℃达到最大值55 m²·g^-1。     

水热处理对含油污泥热解特性及动力学影响

利用热重分析仪研究了水热处理对含油污泥（OS）热解特性的影响,并使用Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)和Ozawa-Flynn-Wall (FWO)的方法对其热解动力学进行了分析,确定了经过不同水热温度处理后的含油污泥在不同热解阶段的表观活化能,考察了水热处理及其水热温度对含油污泥热解特性及动力学参数的影响。热分析的结果表明：水热处理使得含油污泥在热解不同阶段的终止温度向较低温度区间移动,在相同的转化率下经过水热处理后的OS在不同热解阶段的表观活化能均低于原样。随着水热反应温度从160℃增加到240℃,根据FWO法估算的OS在热解第一阶段的平均表观活化能从75.20kJ/mol增加到78.28kJ/mol,热解第二阶段的平均表观活化能从151.04kJ/mol降低到144.18kJ/mol,热解第三阶段的平均活化能从171.12kJ/mol增加到了192.59kJ/mol。     

水热炭化制备污泥生物炭的碳固定

采用水热炭化法将市政污泥与印染污泥在不同的水热温度下制备成生物炭,并着重分析了污泥生物炭的碳固定指标与水热温度的关系。结果表明,污泥泥质和水热温度对生物炭碳固定特性影响明显。市政污泥的水热炭化以脱羧为主,而印染污泥则以脱水为主。随着水热温度升高,两种生物炭中碳元素含量、炭产率和碳回收率均下降,但市政污泥生物炭中稳定碳的含量及其产率增加,稳定性提高,而印染污泥则呈现相反的变化趋势。这一结果指出,市政污泥生物炭的碳固定性能明显优于印染污泥,并且应进一步研究不同污泥泥质特征与炭化碳固定效果的关系。     

生物质水热炭制备过程的环境影响评价

以生物质水热炭为研究对象,运用生命周期评价（LCA）方法,对生物质水热炭制备过程的环境影响进行分析与评价,通过建立输入、输出清单,从温室效应、环境酸化、资源消耗等方面,基于GaBi6.0软件建立模型并计算,分析生物质水热炭制备过程对环境产生的影响。结果表明：生物质水热炭制备过程对6类主要环境影响由大到小的顺序依次为温室效应、环境酸化、光化学臭氧生成潜力、富营养化、资源消耗和臭氧层破坏;我国为碳密集型发电地区,电能的消耗是该制备过程对环境影响最主要的原因,火力发电排放CO₂、SO₂、NO_x等气体为主要环境影响因素。水热炭化是水热炭制备过程中对环境影响的主要环节。针对此结果,提出降低水热炭化温度、缩短水热炭化时间、提高水热炭产率,从而减少能源的消耗,降低环境影响。     

污泥水热碳化中磷的形态变化及金属浸出行为

在不同温度下进行污泥水热碳化实验，利用Hedley顺序提取法探究水热炭中磷的形态变化，并结合钙、铁、铝的浸出行为进一步解释含磷物质的形态分布。结果表明，磷主要富集在水热炭中，水热碳化促进有机磷（P_o）向无机磷（P_i）转化，NaOH溶解态磷（NaOH-P）转化为HCl溶解态磷（HCl-P）和残渣态（Res-P）。污泥和水热炭中Ca、Fe主要以HCl溶解态为主；Al则由NaOH溶解态转化为 HCl溶解态。并且水热碳化过程促使污泥中磷形态从磷酸铝盐（Al-P）、磷酸铁盐（Fe-P）向磷酸钙盐（Ca-P）、磷酸镁盐（Mg-P）转化。通过理论分析，水热炭中Al-P可能以Al₂PO₄³⁺和AlHPO₄⁺络合物为主；羟基磷灰石是Ca-P的主要存在形态；部分磷酸盐可能被铁氧化物或氢氧化物固定。为后续水热炭的回收利用提供理论基础。     

污泥与生物质共热解制备生物质炭工艺优化及吸附性能

通过污泥与秸秆（玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、芝麻秸秆）慢速共热解的方法,在不同热解温度（300℃、400℃、500℃、600℃）、热解时间（0.5h、1h、1.5h、2h）及配比（污泥与生物质1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶2）条件下制备4种生物质炭,即SCBC（污泥-玉米秸秆生物质炭）、SRBC（污泥-水稻秸秆生物质炭）、SWBC（污泥-小麦生物质炭）、SSBC（污泥-芝麻生物质炭）,研究了不同热解条件对生物质炭产率、pH、元素组成、表面特征、吸附性能的影响,并根据吸附性能筛选出各生物质炭的最优制备工艺。结果表明,热解温度为500℃、热解时间为2h、污泥与玉米秸秆、芝麻秸秆配比为1∶1时,污泥与水稻秸秆、小麦秸秆配比为1∶2时,制备的生物质炭吸附性能最优。最优制备工艺条件下,4种生物质炭吸附性能相比：SWBC > SRBC > SCBC > SSBC。     

草屑厌氧消化预处理耦合水热炭化研究

厌氧消化（AD）耦合水热炭化（HTC）技术对园林废弃物的可持续资源化利用具有显著优势和意义。采用草为研究对象,进行了7~28 d的AD预处理,深入探究了AD预处理耦合HTC对水热炭特性及其热解和产物释放特性的影响。其中,AD促进HTC过程主要发生脱羧反应;通过改变木质纤维素构成比例和结构特征有效调控水热炭的功能特性。此外,AD打破了生物质内部致密的刚性结构,促进了水热炭丰富孔隙的形成和比表面积的增加。在生物可降解程度为17.52%（AD 7 d）时,水热炭性能最佳,质量产率、高位热值（HHV）、能量产率和能量密度分别达62.75%、23.81 MJ·kg^-1、80.31%和1.28。此外, TG-MS分析结果揭示了AD预处理提高了炭的热稳定性以及热解产物中能源气体的生成,有助于热解气的提质和利用。     

PET和关中麦秆共热解特性及其动力学研究

利用TG-FTIR技术研究陕西关中地区小麦秸秆（麦秆）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）及其两者混合物麦秆-PET（质量比1：1）在20 K/min的升温速率下的热解行为、主要热解产物、协同效应和动力学。研究结果表明：PET热解初始温度为375℃,最大热失重速率处的温度为454.9℃,失重率为62.87%,其热解残余质量为19.42%;麦秆-PET的热解DTG曲线表现为麦秆和PET主失重峰（339.9和444℃）的叠加,且混合试样在两个强峰处的失重率分别为22.9%和73.9%,最终热解残余质量为23.52%;PET和麦秆共热解过程中会出现两个协同效应（339.9和444℃）,这使得共热解产物中的CO、CH₄以及芳香族、酸类、酮类、醛类、醇类、烷烃、酚类和醚类等轻质焦油组分含量高于麦秆和PET单独热解,共热解提高了热解产物的热值,改善了热解产物组成,提升了热解产物的稳定性和燃料品质;采用Coats-Redfern积分法计算得到PET在主热解区的表观活化能为355.48 kJ/mol,远高于麦秆的表观活化能（86.5 kJ/mol）,麦秆-PET在低温区（258~363℃）的表观活化能为53.6 kJ/mol,在高温区（393~463℃）的表观活化能为81.6 kJ/mol。     

污泥水热炭的制备及吸附废水中Cr(Ⅵ)特性

以城镇污水处理厂剩余污泥为原料,采用水热碳化法在不同温度和停留时间的条件下制备水热炭并用于吸附废水中的Cr(Ⅵ)。通过比表面积和孔径分析、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪、ζ电位对水热炭进行了表征分析。结果表明,水热碳化反应温度240℃和停留时间4 h为污泥水热炭吸附剂的优化制备条件;污泥水热炭是表面含有多种官能团的介孔材料;对于初始质量浓度50 mg/L的含Cr(Ⅵ)废水,当温度为25℃、pH为2.5,水热炭投加量为10 g/L时,对Cr(Ⅵ)的去除率可达99.81%;Langmuir等温吸附模型和准2级动力学方程能较好地反应污泥水热炭对Cr(Ⅵ)的吸附过程。     

热解温度对竹粉炭理化结构及燃烧性能的影响

利用自行设计搭建的流化床-回转炉两级连续式热解装置对竹粉进行热解炭化，考察流化床一级热解温度（300～800℃）对竹粉热解炭理化结构及燃烧性能的影响规律。结果表明，由于回转炉二次热解过程的存在，使得流化床热解温度对竹粉炭元素组成的影响减弱，碳元素质量分数介于71.19%～78.41%间，随热解温度增加，竹粉炭中挥发分含量降低，灰分呈现增加趋势，固定碳含量相对稳定；扫描电镜结果显示热解温度在300～500℃时，热解炭呈现规则的孔隙结构，同时可保持原料的骨架结构，随着热解温度继续升高，竹粉炭骨架结构被破坏，产生断裂坍塌的现象，比表面积和总孔孔容在700℃热解温度时达到最大，分别为2.53m²/g和0.012cm³/g。利用拉曼光谱和X射线光电子能谱法对热解炭表面化学结构分析，表明较高的热解温度促进了小芳环体系聚合转变为大的芳环结构，有利于脱氢脱羧及芳构化进程。热重-红外联用分析表明竹粉热解过程中气体释放相对含量较多的三类物质分别是CO₂，烷烃、酚类、醇类，以及醛、酮、酸类等有机成分。热解炭样品的燃烧基本仅呈现出固定碳燃烧阶段，热解温度为600℃左右时，所得竹炭综合燃烧特性较好。     

兰炭与生物质混合燃烧对NOx、SO2排放及燃烧特性的影响

生物质与兰炭掺混燃烧被认为是解决大量碳排放、NO_x和SO₂ 等空气污染相关问题的潜在途径。分别通过热重试验和滴管炉试验研究纯兰炭、兰炭与生物质混合物空气分级燃烧特性,分析掺混比对混合燃料着火温度、燃尽温度、结渣特性、沾污特性及燃烧特性指数的影响,确定适宜空气分级燃烧比例、最佳燃烧温度和最佳掺混比。结果表明,掺烧生物质可有效降低混合燃料着火点,其着火点由474℃降至300℃,掺烧生物质后燃尽温度略降低,兰炭掺混生物质燃烧未明显提高燃烧特性指数;兰炭粉掺混生物质燃烧有高灰分沉积倾向,结渣倾向小。相比掺烧前,不同温度掺烧生物质后出口NO_x和SO₂质量浓度均较低,1 200℃出口NO_x和SO₂质量浓度降幅均较高,分别达87.27%和80.2%。未空气分级时,综合出口NO_x等参数得出,适宜生物质质量分数为30%～40%,最佳燃烧温度1 200～1 300℃。分级燃烧时,生物质质量分数30%的NO_x初始排放随温度变化平缓,稳...     

城市污泥对五彩湾高钠煤灰熔融特性的影响

通过X射线衍射（XRD）谱图分析结合灰熔融温度测定,研究了五彩湾高钠煤灰中矿物转化机理及城市污泥对高钠煤灰分特性的影响。试验结果表明：当污泥添加质量比为S/C（sludge/coal）=4时,结渣指数（F_s）_sludge=1150℃,污泥提高灰熔融温度程度较小。对污泥改性使其（SiO₂/Al₂O₃）物质的量比为2,添加至煤中,当S/C > 1时,F_s > 1235℃,灰熔融温度明显提高。R_b/a、R_b/a（+P）、R_b/a×Na等指标可良好预测高钠煤与污泥混合物燃烧的沾污、结渣倾向。煤在空气气氛下,燃烧温度800～1100℃,灰中主要矿物钠长石、钙铁辉石、蓝方石等熔点低,高熔点矿物霞石等助融性强、消失温度低。而添加污泥后,混合物灰中新生成Ca₃（PO₄）₂、Ca₂P₂O₇、CaAl₂Si₂O₈等高熔点物质,有利于提高煤灰熔融温度。而污泥中（SiO₂/Al₂O₃）比、Fe含量高,会对硅铝酸盐等产生助熔作用,抑制污泥中P提高灰熔融温度的作用。