两段式预热燃烧反应器中煤气化细渣与污泥共燃特性及污染物协同控制研究

为解决工业固废煤气化细渣(CGFS)与市政污泥(SS)大规模协同处置难题，研究人员通过两段式预热燃烧反应器系统探究了共燃过程中燃尽特性、气体污染物(NOx)及重金属排放规律。结果表明：在900-1100°C条件下，残碳含量可降至0.3%以下，NOx排放低于135ppm，且重金属生态风险显著降低，为两种低品位固废的低成本规模化处置提供了技术支撑。

　　

煤炭气化细渣(CGFS)和市政污泥(SS)是我国工业和城市发展过程中产生的两大典型固体废弃物，它们不仅含水量高、热值低，而且长期堆存会侵占大量土地资源，存在土壤和地下水污染风险。随着我国煤化工基地的快速建设和城镇化进程加速，这两种废弃物的年产量分别突破千万吨级（CGFS）和7000万吨级（SS），传统填埋方式已难以为继。虽然现有研究探索了CGFS制备硅肥、CO₂吸附材料等资源化途径，以及污泥堆肥、热解制生物炭等技术，但这些方法普遍存在处理规模小、经济性差等瓶颈。特别值得注意的是，这两种废弃物都含有可燃成分，通过热化学转化实现协同处置理论上具有"一箭双雕"的潜力，但两者作为低品位燃料共燃时的燃烧效率、污染物生成特性及环境风险尚不明确。

针对这一关键科学问题，西安交通大学能源与动力工程学院的研究团队创新性地构建了模拟工业示范装置的两段式预热燃烧反应器系统，系统研究了污泥种类（天津TJSS与陕西SXSS）、混合比例（CGFS:SS从10:1到10:4）及燃烧温度（900-1100°C）对共燃过程的影响规律。该研究成果发表在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》期刊，首次揭示了CGFS与SS协同燃烧的多目标优化窗口。

研究团队采用工业级实验系统，通过分段取样分析残碳含量、在线监测NO_x浓度、ICP-MS检测重金属分布等关键技术手段，结合潜在生态风险指数法（RI）进行环境风险评估。特别设计了变温燃烧实验区，在保持其他参数恒定条件下，精确控制三个特征温度梯度；同时选取我国南北区域典型污泥样本进行对比研究，确保结论的普适性。

燃烧温度对残碳含量的影响
数据显示，在CGFS:SS=10:4的混合比例下，900°C时飞灰残碳含量已低于1.4%，满足脱碳再利用要求；当温度升至1000°C和1100°C时，该值进一步降至0.3%以下。值得注意的是，高温区残碳下降幅度趋缓，说明在保证燃尽率前提下可选择相对经济的操作温度。

NO_x排放特性
所有实验条件下NO_x排放浓度均稳定在135ppm以内，燃料氮向NO_x的转化率始终低于4%。研究发现SS的添加并未导致NO_x显著升高，这得益于两段式燃烧形成的分级燃烧效应，有效抑制了氮氧化物的生成。

重金属生态风险
通过对比CGFS单独燃烧与共燃产物的重金属含量发现，添加SS后，Cd、Pb等关键重金属的潜在生态风险指数（RI）降低20%-40%。飞灰中重金属主要以残渣态存在，环境迁移性显著降低。

该研究证实CGFS与SS共燃在技术可行性、环境安全性和经济性三个维度均表现出显著优势：在燃烧效率方面，两段式预热设计确保低品位燃料的稳定着火和高效燃尽；在污染控制方面，分级燃烧机制实现NO_x原位抑制；在环境风险方面，重金属通过高温矿化被有效固化。研究团队提出的"以废治废"技术路线，为煤化工园区与污水处理厂的固废协同处置提供了可推广的解决方案，预计单台处理量50吨/天的工业装置年可减排CO₂约3万吨。这项成果不仅推动了低热值固废能源化利用的技术进步，更为构建"无废城市"提供了重要的工程实践依据。