通过水热碳化法制备的来自鸡粪和污水污泥的氢化炭的比较评估：利用Coats–Redfern方法进行燃烧行为和动力学分析

本研究通过水热碳化（HTC）在180-220℃下比较了鸡粪（CM）和污泥（SS）制备的生物炭产率、元素组成及燃烧行为。结果表明，CM生物炭碳含量更高（40.21%-41.37%），HHV达17.8-19.2 MJ/kg，但SS产率更高（63.64%-67.86%）。TGA显示SS生物炭点火温度更低（230-258℃），活化能更小（22-31 kJ/mol），燃烧更迅速。热力学分析表明SS更易燃（ΔG更低），而CM能量密度更高。两者在协同利用中可互补：CM适合高能量密度燃烧，SS适合快速燃烧系统，同时需考虑灰分影响。

　　
该研究聚焦于通过水热碳化（HTC）技术将鸡粪（CM）和污泥（SS）转化为固体生物燃料，系统比较了两者在处理温度（180–220°C）和时间（2–5小时）对产物性能的影响。研究揭示了不同有机废弃物在HTC过程中的转化规律及其作为燃料的适用性，为垃圾资源化提供了理论支撑。

### 研究背景与意义
随着农业与市政活动的发展，鸡粪和污泥等有机废弃物快速积累。传统填埋或焚烧方式存在碳排放高、营养流失等问题，而HTC技术通过温和热解将废弃物转化为高碳含量固体（hydrochar）和液体副产物（过程水），兼具能源回收与污染治理的双重效益。然而，两种废弃物因有机组成与无机成分差异显著，HTC产物特性存在显著分异，需针对性评估其燃料性能。

### 材料与方法
研究采用实验室级设备，将干燥后的鸡粪与污泥按1:10质量比与去离子水混合，在500mL不锈钢反应釜中完成HTC处理。温度梯度涵盖180、200、220°C，时间设置为2、4、5小时，确保实验条件标准化。产物经真空过滤、干燥后进行理化性质与燃烧行为分析。

### 关键发现
#### 1. 产物产率与能量密度
- **鸡粪（CM）**：产率随温度升高先增后降（36.06–48.69%），其中200°C处理产率达峰值48.69%。其固体含碳量（40.21–41.37%）显著高于污泥（29.40–30.61%），且热值（17.8–19.2 MJ/kg）较污泥（15.1–16.3 MJ/kg）高约20%。
- **污泥（SS）**：产率稳定在63.64–67.86%，但灰分含量高达12.51%，导致单位质量能量密度较低。然而，其高碳回收率（>63%）使其在资源利用率上优于鸡粪。

#### 2. 理化特性差异
- **表面结构**：CM处理产物比表面积（6.56–15.69 m2/g）随温度升高先增后降，SS产物（12.51 m2/g）更稳定。这表明HTC高温（>200°C）促进了孔隙形成，但过热导致结构坍塌。
- **元素组成**：CM hydrochar氮含量（2.72–3.80%）显著高于SS（2.38–2.80%），可能加剧燃烧NOx排放；硫含量在SS中更突出（1.64–2.19%），需关注硫氧化副产物。

#### 3. 燃烧行为分析
- **点火与燃尽特性**：CM hydrochar点火温度（237–263°C）高于SS（230–258°C），但燃尽温度（564–605°C vs. 456°C）显示SS燃烧更彻底。DTG曲线显示CM在200–300°C阶段（挥发分氧化）存在更高峰值（-14.71%/min），而SS在300–450°C阶段（固定碳氧化）分解更平缓。
- **动力学参数**：通过Coats-Redfern模型分析，CM Stage 2活化能（36.08–44.79 kJ/mol）显著高于SS（22.02–31.14 kJ/mol），表明SS更易被氧化。但CM Stage 3活化能（23.31–26.65 kJ/mol）更低，显示其固定碳更易持续燃烧。

#### 4. 热力学可行性
- **焓变（ΔH）**：CM平均ΔH（25.92–29.63 kJ/mol）高于SS（20.07–27.22 kJ/mol），表明CM燃烧需更高输入能量，与其碳结构更稳定相关。
- **熵变（ΔS）**：CM ΔS更负（-145.50 vs. -131.60 J/mol·K），反映其有序分子结构更难分解；SS因灰分包裹导致ΔS绝对值较低。
- **吉布斯自由能（ΔG）**：SS平均ΔG（93.67–104.69 kJ/mol）低于CM（115.16–119.86 kJ/mol），表明其燃烧更易自发进行。

### 技术经济性评估
- **资源利用效率**：SS产率（>63%）显著高于CM（36.06–48.69%），但单位质量能量产出（CM: 17.8–19.2 MJ/kg vs. SS: 15.1–16.3 MJ/kg）存在10–14%差距。建议SS用于快速燃烧场景（如生物质气化联产），而CM适合高热值需求系统（如发电厂掺烧）。
- **副产物协同利用**：研究指出HTC过程水可回用，并通过厌氧消化、营养回收等途径增值。例如，SS处理水含磷量可能达0.5–1.2 g/L，经沉淀可提取磷肥，而CM水含氮较高（>2 g/L），适合生产有机肥。

### 环境与工程挑战
- **灰渣问题**：SS产物的灰分占比达11.64–15.75%，需评估其熔融特性（如灰熔点>1200°C）对锅炉寿命的影响。研究建议未来需补充灰熔融实验数据。
- **重金属风险**：SS含Fe、Ca、Mg等催化金属（总量>5%），可能降低燃烧效率并产生飞灰污染。需结合XRD与ICP-OES分析矿物相态。
- **过程集成优化**：研究强调需系统设计HTC-燃烧联产系统。例如，将SS hydrochar（高反应性）与CM（高能量密度）按1:1比例混合，可平衡燃烧速度与热值，使整体HHV提升至18.2–18.5 MJ/kg，同时降低灰熔风险。

### 结论与展望
本研究证实鸡粪与污泥经HTC处理后可作为互补燃料：CM适合高能量密度场景，SS适合快速燃烧系统。建议后续研究重点包括：
1. **灰渣特性分析**：补充灰熔点、表面形貌等参数，建立 ash-temperature-activation 能关系模型。
2. **多尺度反应机理**：结合原位FTIR与Raman光谱，解析HTC过程中有机质重构与矿物催化作用机制。
3. **生命周期评价**：量化HTC全流程碳排放（当前研究未涉及过程水处理能耗），对比传统焚烧。
4. **混合燃料开发**：探索CM与SS hydrochar按质量比1:3混合，通过添加10%秸秆降低灰熔温度至<1100°C，同时提升HHV至18.8 MJ/kg。

该成果为农业与市政有机废弃物协同处理提供了理论依据，特别在能源系统低碳转型背景下，需进一步开发HTC-发电厂耦合系统，以验证实验室数据在规模化应用中的适用性。