《Biomass and Bioenergy》：A comparative study on combustion characteristics and kinetic behaviors in the co-combustion process of sewage sludge with oily sludge/cow manure
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本研究通过热重分析（TGA）系统研究了污泥（SS）、牛粪（CM）和废油污泥（OS）及其混合物的燃烧特性与协同效应。结果表明：OS的添加显著提高了SS的燃烧综合指标S和稳定性Rw，而CM的添加降低了S但提高了稳定性。共燃过程中点火温度（Ti）和燃尽温度（Th）发生变化，不同混合比例在各燃烧阶段均表现出协同效应，SS与CM的相互作用在不同温度阶段呈现促进与抑制的交替。该研究为大规模污泥与废油、牛粪共燃提供了理论依据。
邓双辉|郑克雷|朱金伟|徐宽|王学斌|谭后章|潘志成|张向宇|杜志华
中国陕西西安交通大学热流体科学与工程教育部重点实验室，710049
摘要
通过热重分析（TGA）研究了污泥（SS）、油污泥（OS）和牛粪（CM）的燃烧特性及相关参数，以及它们的共燃特性。由于添加了OS，污泥的综合燃烧特性指数（S）得到了改善。20%污泥和80%油污泥混合物的S值为污泥的13倍，添加OS还提高了燃烧稳定性指数（Rw）。将CM添加到污泥中降低了S值，20%污泥和80%牛粪混合物的S值比污泥降低了60%，但燃烧稳定性得到了提升。与单独燃烧相比，共燃的点火温度（Ti）和燃尽温度（Th）发生了不同程度的变化。不同比例的混合物在各个燃烧阶段都表现出协同效应。污泥和牛粪混合物在不同的温度阶段表现出明显的相互作用，其作用在促进和抑制之间交替。添加OS和CM影响了整个过程的活化能（E），但影响程度在不同燃烧阶段有所不同。本研究为污泥与OS或CM的大规模共燃提供了理论支持，并提供了有价值的基础数据。
引言
随着中国“碳中和”战略的逐步实施以及“零废物城市”倡议的日益普及[1,2]，包括减量、资源回收和无害处理在内的固体废物管理方式变得越来越重要[[3], [4], [5]]。高效利用能源是向更可持续的能源结构转型的关键。在现有的处理方法中，燃烧作为一种高效且彻底的方法，既可用于处理固体废物，也可用于回收能源，从而减少化石燃料的消耗[6,7]。
污泥（SS）是废水处理的副产品[8]。随着城市化进程的加快，中国每年的污泥产量从2020年的6亿吨增加到2025年的8亿吨（干基）。污泥具有高水分含量、流动性差且容易腐败的特点，同时含有大量的病原微生物和有毒物质[10,11]。污泥有潜力作为低质量燃料使用。随着工业化农业的快速发展，农场产生的废物量也在迅速增加。中国每年大约产生38亿吨畜禽粪便，其中牛粪占37%[12]。如果牛粪不能得到有效处理，将会滋生大量病原微生物[13]。牛粪含有挥发性物质（VM）以及纤维素、脂类等可燃物质，也有潜力作为燃料使用[14]。油污泥（OS）是在原油提取、精炼和储存过程中产生的[15]。全球每年产生的OS约为6亿吨，中国每年的OS产量超过300万吨[16]。如果OS没有得到有效处理，将会对环境造成污染，并对人类健康构成巨大威胁。OS本身具有较高的热值，适合与生物质、煤矸石等低价值燃料共燃[17,18]。目前，没有其他废物处理方法比焚烧更安全或更彻底，焚烧具有减少体积和无害处理的关键优势[19]。
污泥的热值较低，含水量高，燃烧稳定性差。而油污泥的热值和VM含量较高。牛粪具有适合燃烧的物理结构，成分简单。污泥与牛粪或油污泥的共燃可以实现热值的互补，提高燃烧稳定性，改变混合物的结构特性，并便于后续污泥燃烧产物的利用。此外，共燃还可以共享焚烧设备，从而降低投资并提高设备的综合利用率。刘等人[20]发现油污泥和荔枝皮的共燃表现出显著的相互作用。沈等人[21]研究了污泥与生物质的共燃特性，发现生物质中较高的VM浓度可以有效提高污泥的燃烧效率。刘等人[22]发现将竹片加入污泥中进行燃烧可以显著优化燃烧性能，在共燃过程中产生了协同效应。
热重分析（TGA）是研究共燃过程的重要方法，可以有效地揭示其温度依赖性和热分解行为。TGA提供了热重（TG）和导数热重（DTG）曲线，这些曲线反映了样品质量随温度或时间的变化，可用于确定动力学参数。此外，TGA曲线提供了各种燃烧特性参数，对于理解固体燃料的燃烧机制非常有价值[23]。
本研究使用TGA系统研究了污泥、牛粪、油污泥及其不同比例混合物的燃烧性能和协同作用。比较了燃烧特性参数，并进行了动力学分析。所得结果为废物利用和脱碳战略下的污染控制提供了研究基础。
样本性质
样品性质
本研究使用的污泥来自中国陕西省的一个污水处理厂。油污泥来自同一省份的一家石化厂。牛粪来自中国宁夏自治区的一个养牛场。这三个样品都在105°C的干燥箱中干燥至恒定重量。污泥和牛粪通过破碎机破碎并通过筛网过滤，其粒径小于200微米。随后，将污泥与油污泥或牛粪混合，其中质量...
污泥、牛粪和油污泥燃烧曲线的比较
污泥、牛粪和油污泥的TG和DTG曲线如图2所示。这三个样品的燃烧特性和过程不同。通过分析图2中的TG和DTG曲线，可以将污泥的燃烧过程分为以下四个阶段：第一阶段（30-185°C）是脱水阶段，此时TG曲线迅速下降。DTG曲线显示出轻微的质量损失峰，主要是由于自由水蒸发和内部物质释放的共同作用...
结论
本研究系统探讨了污泥与油污泥（OS）或牛粪（CM）共燃的特性、协同效应和动力学参数。油污泥的点火温度（Ti）较高（274.83°C），这导致污泥与油污泥共燃时的Ti随添加比例的增加而升高。添加油污泥使污泥的平均活化能（E）增加。添加牛粪对燃烧性能有一定的抑制作用。
作者贡献声明
邓双辉：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。郑克雷：撰写 – 原稿撰写，数据管理。朱金伟：实验研究。徐宽：数据可视化。王学斌：方法学研究。谭后章：实验监督。潘志成：数据分析。张向宇：概念构思。杜志华：资源协调。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2024YFE0111000）和中国华能集团科技项目（合同编号：HNKJ22-H150）的支持。
