文献速览 | 南京工业大学陈建标课题组在工业固体废物深度处置方向的新成果

随着工业化与城镇化进程的不断推进，各类工业污泥的产量与日俱增，成为限制我国工业绿色发展的重要瓶颈。工业污泥通常具有含水率高、理化性质差异大、有毒有害污染物含量高的性质，在深度处置前通常采用钙基、铁基等类型调理剂进行脱水调质，形成了大量的富钙、富铁的污泥。此外，能源短缺、环境危机以及“双碳”目标的提出，以生物质为代表的可再生能源的转化利用亟需攻关，其热解转化率低、气相产物焦油浓度高等问题亟待解决，采用催化热解是比较有前景的路径，但面临着催化剂制备成本高、重复利用效果差的问题。本文针对上述背景，对富钙污泥和富铁污泥CO₂气氛下的协同气化特性进行实验研究，以期利用温室气体CO₂提高气化产物中含碳气体成分，并希望协同气化过程中Ca、Fe元素相互作用，促进污泥中有机组分的转化。针对气化形成的固体产物，因具有丰富孔隙结构及富含Ca、Fe属性，将其用作生物质热解的催化剂，显著提升生物质热解转化率及热解气品质。

工业污泥常常使用含钙和含铁的调理剂用于脱水，形成大量的含钙污泥和含铁污泥，相互间的性质存在较大差异。利用混合气化手段进行协同处置，理化性质相互弥补且充分利用了Ca和Fe元素的催化作用，有效促进了气化效果及合成气品质。气化后形成的富含Ca、Fe元素的残渣可作为生物质热解的催化剂，不仅实现气化残渣的高值化利用，还能促进生物质转化，降低热解气中焦油含量。

根据当前工业污泥形成及调质脱水现状，以富钙污泥与富铁污泥为研究对象，提出CO₂气氛下混合协同处置模式并将气化后的残渣作为生物质热解的催化剂，不仅实现了工业污泥制取高品质合成气的目标，还实现了气化残渣的高值化利用，促进生物质燃料的有效转化。

图1 富钙污泥与富铁污泥混合协同气化处置及残渣高值化利用工艺概念图

搭建水平滑动反应器用于富钙污泥与富铁污泥协同气化及其残渣催化生物质热解的性能评价，整套系统包括气化剂和惰性载气供应、滑动电阻炉、焦油冷凝净化及基于福立公司GC9720 Plus的气体分析单元。

图2 协同气化与生物质催化热解性能评价装置

在气化剂80%CO₂/20%N₂和温度900℃条件下，对富钙污泥与富铁污泥独立气化的产物进行了检测分析，结果显示，受污泥有机组成和无机矿物质差异的影响，气化产物含量及其演变规律存在较大差异，含钙污泥气化产生的合成气中可燃组分显著高于含铁污泥的。

图3 （a、b）富钙污泥与（c、d）富铁污泥独立气化产物演变规律

对含有60%富钙污泥与40%富铁污泥的混合样品进行了协同气化研究，并将实验结果与独立气化理论加和的数据进行了对比分析，发现协同气化有助于H₂与CO演变峰的时间提前出现，证实了协同作用的存在。

图4 富钙污泥与富铁污泥协同气化产物演变规律

开展了气化温度和掺混比例两个气化参数对气化产物组成及性能的敏感性分析。结果表明，气化温度由800℃增加至1000℃，H₂呈上升趋势，而CO与CO₂先升高后下降，在900℃达到最大值，气化效率与碳转化率也呈现了先升高后下降的趋势。对于掺混比例，随着混合样品中富铁污泥含量的升高，气体产物含量均呈现下降的趋势，气化效率与碳转化率也相似。此外，还对气化残渣的微观形貌与矿物相组成进行了检测分析，产物具有丰富的孔隙结构和均匀的Ca、Fe元素分布，具备作为生物质热解廉价催化剂的潜力。

图5 （I）气化温度与（II）掺混比例对协同气化性能的影响

图6 （I）气化温度与（II）掺混比例对协同气化残渣矿物质组成的影响

图7 （I）气化温度与（II）掺混比例对协同气化残渣矿物质组成的影响

富钙污泥与富铁污泥协同气化形成的残渣因具有丰富的空隙结构和Ca、Fe元素，将其开发为低廉催化剂用于生物质催化热解，以期促进生物质热解焦油降解，提高热解气品质。对生物质热解过程，使用SiO₂作为参照，对气化残渣催化下的生物质热解气相产物进行对比分析。气体组成及其演变规律通过福立GC 9720 Plus进行检测分析，结果显示，气化残渣催化下的生物质热解气的演变峰宽更大，表明产气量得到了提升。除CO峰值有所降低外，其他气体产物均是气化残渣催化下的更大，表明富钙污泥与富铁污泥协同气化的固体产物具备作为生物质热解异位催化剂的潜力，相关性能优化与精准调控将是后续研究的重点。

（I）生物质催化热解实验原理图

（II）气体组成对比分析图

图8 （I）生物质催化热解原理与（II）生物质催化热解气体组成对比分析