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该研究提出在工业相关富氢合成气环境下，通过调节污泥含水率（30-40%）和生物质配比（6:4）实现污泥干燥气化一体化技术，揭示高温（850℃）促进氢气生成、适度含水率增强水煤气变换反应、富氢环境抑制氮化合物积累的作用机制，为工业级污泥协同气化系统优化提供理论支撑。
赵中东|郝博伦|张文文|高瑶|曾鹏进|李江兵|李杰|刘继昌
山东科技大学安全与环境工程学院，中国山东省青岛市266590
摘要
本研究提出了一种在工业相关富氢合成气氛围下的污泥干燥-分段气化集成方法，以提高高湿度污泥处理的能源利用效率。在自行设计的固定床气化炉中进行了污泥和生物质的共热解实验。系统研究了温度、生物质与污泥的质量比、污泥含水量以及生物质类型对三相产物分布、合成气组成和焦油特性的影响。结果表明，较高的温度（高达850°C）通过强化蒸汽重整和布德瓦德反应提高了气体产率，并促进了氢气和一氧化碳的生成。适中的污泥含水量（30-40%）通过增强水-生物炭和水-气转化反应促进了气体生成，而过高的含水量则稀释了反应物浓度并降低了气化强度。最佳的生物质与污泥质量比为6:4，通过协同的挥发性物质释放和重整作用最大化了气体产率。在富氢条件下，通过自由基介导的裂解和蒸汽辅助的重整作用促进了焦油的轻质化，而含氮有机物由于氢气促进了燃料氮向气态氮物种的转化而得到抑制。这些发现阐明了在接近工业条件下的水分调节、氢参与和生物质协同作用对反应路径的调控作用，为优化污泥-生物质热化学转化系统提供了机制指导。
引言
中国经济的快速增长和人口增加导致了大量污泥的产生[1]。污泥是污水处理厂的固体副产品，中国每年产生的污泥量约为3000万吨（含水量为80%）[2]，[3]。目前，常见的污泥处理方法包括填埋、农业利用、生物处理和热化学转化[4]，[5]，[6]。然而，这些传统方法面临诸如填埋空间有限、生物处理后缺乏利用途径以及热化学过程能耗高等挑战[6]，[7]，[8]。
气化技术为污泥管理提供了一种新的方法，不仅可以有效减少固体废物的体积和有毒物质的产生，还可以将有机部分转化为合成气[9]。这是一种有前景的固体废物处理方法，也是生产清洁能源的有效途径[10]，[11]。与较新的水热液化技术相比，气化在产品利用（即合成气）、更彻底的体积减少和脱毒、更高的技术成熟度、更广泛的工程应用规模以及整个生命周期内的更好经济效益方面表现出优越性[6]。然而，由于污泥含水量高且碳含量低，其热值低，运输成本高，单独气化时的气化性能较差[12]，[13]。现有的污泥气化技术难以解决由于污泥含水量高而导致的能耗高和气化效率低的问题。此外，单独的干燥和气化过程需要额外的操作和投资成本[14]，[15]。
我们提出了一种新的污泥干燥和气化集成技术。该系统将高湿度污泥的干燥和气化整个过程集成在一个单元内，从而最大化能源利用。这种方法降低了高湿度污泥处理的能耗和操作成本，改善了运输、储存和安全性保护，并通过产品收入抵消提高了经济可行性，因此为污泥处理提供了一个有前景的解决方案。然而，该技术目前仍处于开发阶段，控制条件不明确，导致操作过程中出现了一些问题。工业条件下的操作参数迫切需要优化。干燥过程所需的热量由生物质作为辅助燃料燃烧提供。生物质具有低灰分和水分含量、广泛的可用性、高产率和低成本，但碳含量相对较高。污泥和生物质的物理化学性质和反应性具有显著的互补性，因此可以使用生物质作为辅助燃料[7]，[16]。从热生物质炭和高温合成气中回收的热能被用作干燥高湿度污泥的热源。
黄等人提出了一种使用污泥和干燥生物质作为原料的新型自热气化方案[17]。结果表明，添加生物质提高了合成气的生产效率。经过热处理的生物质具有高能量密度、低氧含量和疏水性，显著提高了气化性能并改善了合成气的质量（H2和CO）。李等人提出了一种污泥热解和生物质气化（SPBG）的集成方法，以促进污泥和生物质的高效利用，但该系统仅利用了热解蒸汽，未能解决污泥含水量高的核心问题[18]。胡等人研究了在蒸汽条件下园艺废弃物和污泥混合物的气化[19]。结果表明，增加园艺废弃物的比例提高了合成气中的H2含量，但降低了其产率。在较高温度下，协同效应促进了H2的生成。然而，所有上述共气化研究仍停留在理论和实验室规模，仅关注理想条件，而没有考虑模拟的工业气体氛围、定量的污泥水分调节或污泥干燥和原位气化的集成耦合。迄今为止，仍缺乏在工业相关条件下以生物质为辅助燃料的污泥-生物质共气化的系统研究。
基于此，本研究建立了一个在工业相关富氢合成气氛围（N?-H?-CO-CO?）下的污泥干燥-分段气化系统，而不是在惰性或理想化的实验室条件下。与之前仅关注简化氛围下的共气化性能或概念性过程整合的研究不同，本研究系统地结合了（i）可控的污泥水分梯度（10-60%）、（ii）生物质与污泥的质量比以及（iii）实际的气相组成，以阐明它们对三相产物演变和氮迁移路径的交互作用。
特别强调了适中水分（30-40%）在调节蒸汽重整、水-气转化、布德瓦德反应和甲烷化反应平衡中的机制作用，以及富氢氛围如何影响焦油裂解和燃料氮向气态氮物种的转化。通过将过程级设计与反应级分析相结合，本研究提供了在接近工业条件下的水分辅助气固耦合和氢介导的焦油重整的机制洞察，从而为污泥-生物质热化学转化系统的优化提供了一个更现实的框架。
材料
本研究使用了来自中国山东的松木锯末（PS）、玉米芯（CB）、玉米秸秆（CS）和葡萄藤（GV）。污泥从中国青岛的一个市政污水处理厂收集。根据GB/T 476-2008和GB/T 30732-2014标准对两种样品进行了最终分析和近似分析，结果总结在表1中。
我们分别将污泥在105°C下干燥，以达到10-20%、20-30%、30-40%、40-50%和50-60%的含水量，以模拟实际情况
三相产物分布
图2(a)显示了在控制的大气条件下（50% N2、25% H2、15% CO和10% CO2）进行共热解过程中观察到的温度依赖性产物分布模式，操作温度范围为700-900°C。
实验数据揭示了三种不同的产物分布轨迹：炭、液相（包含焦油和水溶性成分）和气态产物。例如，炭的产生表现出复杂的温度依赖性
结论
在定义的富氢工业氛围下，温度、生物质与污泥的比例以及污泥含水量共同调节了气-液-固产物的演变。较高的温度通过增强吸热重整和裂解反应促进了气体的生成，而适中的水分（30-40%）优化了蒸汽辅助气化与反应物稀释效应之间的平衡。过高的水分削弱了局部反应强度，限制了进一步的炭转化。
CRediT作者贡献声明
郝博伦：方法论、概念化设计。张文文：撰写——审稿与编辑。高瑶：数据管理。曾鹏进：监督。赵中东：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据分析、概念化设计。李江兵：研究。李杰：项目管理、方法论设计、研究、资金获取。刘继昌：资源支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52306258）；新疆智力支持-创新与扩展人才计划——“小团队”援疆团队和柔性专家人才项目（2025ZLYJ005）；山东省科技创新指导计划（中央政府指导地方科技发展资金，项目编号：YDZX2025046）；第十二届科学技术发展专项项目的支持
