在煤水浆气化炉中多源固体废物的协同处理：重金属排放、分布及环境风险

《Journal of Environmental Management》：Co-processing of multi-source solid wastes in a coal-water slurry gasifier: Heavy-metal emissions, distribution and environmental risks

协同处理多源危险固体废物在煤-水浆气化炉中的重金属迁移与环境影响研究，发现协同处理可提升合成气产量7.4%和温度5.9%，通过非挥发性金属（如Cr）固化为高熔点矿物和挥发性金属（如Pb、Zn）的气液相循环实现双重固定机制，显著降低挥发率。粗渣（CGCS）重金属固定稳定，细渣（CGFS）中Mn、Ni、Zn迁移率超97%，Ni被列为高风险。研究证实CWSG可作为安全危险废物处理技术，但需针对细渣制定分级管理策略。

　　

崔长浩|李莉|刘美佳|严大海|王建元|黄启飞

北京师范大学水科学学院，北京，100085，中国

摘要

在煤水浆气化炉（CWSGs）中共同处理多源危险固体废物是一种有前景的废物转化为能源的策略，然而在这种高温还原气氛中重金属的迁移行为和环境命运仍知之甚少。这项工业规模的研究调查了在共同处理蒽醌染料、蒸馏残渣和废弃活性炭过程中Ba、Zn、Ni、Mn、Cr和Pb的排放、分配和环境风险。结果表明，引入固体废物对操作是有利的，合成气产量增加了7.4%，温度增加了5.9%。值得注意的是，该系统实现了金属的保留，由于双重固定机制，挥发性金属（如Cr）被稳定在高熔点矿物相（如CaCr₂O₄）中，而挥发性金属（Pb、Zn）则通过挥发-冷凝途径迅速从合成气转移到液相。不同类型的熔渣在环境风险方面存在显著差异；粗熔渣有效固定了金属，使其残留在稳定的组分中，而细熔渣（CGFS）中的Mn、Ni和Zn的迁移率非常高（>97%），其中Ni被归类为高风险。这些发现验证了CWSG共同处理作为一种环境安全的技术，用于危险废物的销毁，前提是必须为富含重金属的细熔渣实施特定的下游管理策略。

引言

在高温工业窑炉（如水泥窑、砖窑和燃煤锅炉）中共同处理固体废物，已成为中国迅速发展的废物处理和利用技术。这些窑炉内的高温条件有助于分解废物中的有害成分（Yan等人，2014年）。此外，某些固体废物成分，如无机矿物成分和热值，可以作为原材料或传统燃料的替代品，从而减少自然资源和化石燃料的消耗（Ziegler等人，2006年）。

除了传统的工业窑炉外，煤水浆气化炉（CWSGs）最近也因固体废物的共同处理而受到广泛关注。作为一种广泛用于煤气化行业的流化床气化炉，CWSGs具有高碳转化率、广泛的燃料适应性和低残余碳含量（Higman和Tam，2014年）。与水泥窑或燃煤锅炉相比，CWSGs在固体废物共同处理方面有三个关键优势：快速淬火防止二噁英生成、适用于高湿度废物，以及运行能力不受建筑行业周期的影响（Li等人，2020年；Yan等人，2021年）。

然而，对于CWSG共同处理过程中重金属的环境命运仍存在关键的认识空白。尽管最近的研究集中在CWS的流变性质（Gu等人，2023年）或一般气化性能（Wu等人，2024年；Ritz等人，2025年）上，但关于气化独特还原气氛中重金属分配的文献相对于已建立的燃烧情景来说仍然不足。与燃烧不同，在燃烧条件下氧化作用有利于金属氧化物的形成（Verbinnen等人，2013年），CWSG中的高温还原气氛可能会引发不同的重金属挥发机制和矿物转化。特别是，引入多源危险废物引入了复杂的基质（例如不同的Cl/S比率），这可能会显著改变Pb和Zn等金属的挥发-冷凝途径（Xu等人，2024年），从而可能产生环境排放风险。

此外，重金属在固体残渣中的分配，特别是粗熔渣（CGCS）和细熔渣（CGFS）之间的区别，是一个被忽视的关键问题。以往关于煤气化渣（CGS）的研究主要集中在微观结构特性、碳灰分离技术或资源利用上（Xu等人，2009年；Wu等人，2020年；Guo等人，2022a）。然而，富含细颗粒和挥发性冷凝物的CGFS所构成的环境风险可能与从底部排出的非晶态CGCS有根本不同。最近的研究表明，气化渣可能对地下水和土壤构成潜在风险，某些元素（如As、Se）超过了监管限制（Wang等人，2021年）。值得注意的是，CGFS比CGCS具有更高的土壤污染概率和对酸性条件的更大浸出敏感性（Zhang等人，2024a；Zhao等人，2025年）。当前的研究缺乏足够的工业规模数据来量化危险废物共同处理时风险状况的差异，这在气化残渣的下游管理中留下了一个盲点。

本研究对一个工业规模的CWSG进行了全面的现场调查。主要目标是：（1）量化特征重金属在气相、液相和固相中的分配；（2）探索共同处理过程中重金属的固定行为；（3）区分和评估CGCS与CGFS的环境风险（浸出和形态）。这项研究为CWSG作为多源固体废物最终处理技术的可行性提供了验证。

实验设计

现场测试在中国浙江省金华市的一个工业煤水浆气化厂进行。使用CWSGs共同处理固体废物的基本原则是，这种处理不应显著影响气化炉的原始运行参数，如气化温度、压力和合成气产量。因此，现场测试在两种条件下进行。空白条件使用了标准的工业CWS

共同处理对气化炉性能的影响

固体废物的共同处理在操作上是可行的，对气化炉的稳定性影响很小。与空白条件相比，平均气化压力略微下降了1.4%（1.89 MPa–1.86 MPa），而温度和合成气产量分别增加了5.9%（1176.9°C–1246.3°C）和7.4%（21513.9 m³/h至23235.6 m³/h）。图3展示了两种条件下的主要合成气成分及其体积分数。尽管总

气化残渣的分层管理策略

本研究的一个重要发现是CGCS和CGFS之间的环境风险存在显著差异，这需要从传统的混合处理方法转向分层管理策略。CGCS具有稳定的非晶结构和低重金属迁移性，建议将其归类为一般工业固体废物，并优先考虑其资源利用，例如用作建筑材料或水泥添加剂，从而

结论

这项工业规模的研究调查了在CWSG中共同处理多源危险固体废物过程中重金属的迁移、分配和环境风险。得出以下结论：

(1)

共同处理在操作上是可行的，保持了稳定的气化压力和温度，并使合成气产量增加了7.4%。虽然成分变化（CO减少，CO₂增加）反映了O₂/C比率和较低的碳输入，但这并不影响

CRediT作者贡献声明

崔长浩：撰写——原始草稿，可视化，软件，形式分析，数据整理。李莉：验证，资源，调查。刘美佳：可视化，软件，数据整理。严大海：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，概念化。王建元：项目管理。黄启飞：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。