小规模生活垃圾焚烧中负离子辅助燃烧：温度场稳定化与瞬态排放缓解

《Process Safety and Environmental Protection》：Negative-Ion-Assisted Combustion in Small-Scale MSW Incineration: Thermal-Field Stabilization and Transient Emission Mitigation

　　

摘要：小型城市固体废物（MSW）焚烧常受到燃料性质异质性、局部热峰值、挥发分氧化不完全以及短时间污染物超标排放等因素的制约。本研究通过实验评估了一种紧凑型负离子装置作为低功率上游燃烧辅助策略，在一台实验室规模的双膛MSW焚烧炉中进行了测试。实验过程包括一组完整的Ion OFF（离子关闭）和一组完整的Ion ON（离子开启）全周期运行，均在匹配的工况条件下进行，固定采样点距局部气体取样坐标2 cm，总风量为5.6 m3/h。七支轴向热电偶监测了温度响应，同时配合电化学和热萃取傅里叶变换红外（FTIR）气体分析系统，量化了主要燃烧气体以及特定的含碳氢化合物和含氮中间体。与Ion OFF工况相比，Ion ON工况下TC2–TC7平均峰值温度从878.3°C降至613.3°C（降幅30.2%），空间峰值温度标准差从95.8°C降至71.7°C（降幅25.2%），峰值温度跨度从270°C收窄至185°C（降幅31.5%）。瞬时峰值方面，CH?降低11.7%，C?H?降低14.0%，HCN降低11.3%，NO降低11.8%，SO?降低11.3%，同时特征性的O?消耗–恢复序列得以保持。由于每种执行器状态各获得了一组完整的全周期记录，因此这些结果被解释为配对效应量级，而非基于重复样本的统计估计。综合的热响应和物质响应与以下机制相符：电荷调制的输运、电动力学动量耦合以及离子–分子/自由基相互作用可能重新分配局部放热并促进挥发分中间产物的后续氧化。

引言：城市固体废物（MSW）焚烧仍然是减少废物体积、稳定有机及潜在有害物质并回收不可回收废物流中有用热量的关键热处理途径（Xia等，2022；Tang等，2022）。与填埋相比，受控焚烧可显著减少废物的最终质量和体积，减轻处置点的负担，并在配合适当的烟气处理和灰渣管理措施时支持废物能源化系统的运行（欧洲委员会联合研究中心，2019；欧洲环境署，2023；Ahmed等，2023）。然而，由于城市废物含有可变比例的生物质、纸张、塑料、纺织品、食物残渣、水分、灰烬以及燃料结合的氮、硫和氯，MSW燃烧的内在复杂性远高于均质燃料的燃烧（Tang等，2026a；Tang等，2026b；T. Wang等，2026；Z. Wang等，2026a；Wang等，2026b）。这种异质性导致强烈瞬态的干燥、挥发、火焰燃烧、焦炭氧化和燃尽过程，进而产生不均匀温度场、缺氧区域、不完全气相氧化以及短时间污染物峰值。

除了减少废物体积和回收能量之外，焚烧的气候性能在很大程度上取决于废物分类、替代能源、辅助消耗以及替代处置方式所使用的处理途径。最近的碳排放评估因此强化了将焚烧作为受控转化过程进行评估的需求，而非假定其具有固有的碳效益（Li等，2024）。MSW焚烧的环境性能同样受制于烟气净化系统上游的燃烧质量。在挥发过程中，不良的气–燃料混合会增加CO、CH?、轻烃、焦油前驱体和部分氧化的挥发性物质。局部高温区域可促进热氮氧化物（thermal-NO）的生成，而燃料结合的氮则可根据温度、停留时间、局部当量比和氧气可得性形成HCN、NH?、NO、N?O和NO?。含硫组分同样可以生成SO?，其瞬态释放受进料硫含量和局部燃烧环境控制。

近期关于二噁英行为、颗粒物生成、炉温控制、氮氧化物、生命周期排放和多污染物优化的研究一致表明，上游燃烧稳定性与下游污染控制是互补而非可替代的（Xia等，2022；Tang等，2022；Ma等，2026；Xia等，2023a；Xia等，2023b；Xia等，2023c；Liang等，2023；Xia等，2024a；Xia等，2024b；Wang等，2024；Wang等，2025a；Tian等，2025；Wang等，2026a；Wang等，2026b；Zhuang等，2022；Wang等，2025b）。

既往的固定床MSW燃烧研究表明，转化过程对进料物理和化学性质高度敏感。Sun等（2016a）采用结合计算流体力学（CFD）和实验的方法，证明模拟MSW颗粒粒径强烈影响点火、燃烧前锋传播、温度演变和燃尽过程。Sun等（2016b）进一步表明灰分含量会改变传热、燃烧速率、火焰传播和最终转化率。这些发现确认，固定床MSW焚烧受耦合的传热、传质、气–固反应、床层结构和本地氧化剂可得性的共同支配，而不仅仅是燃料氧化所决定的。因此，燃烧空气与快速释放的挥发产物之间的有效交互对于稳定小型MSW转化至关重要。近期的机理导向建模同样表明，异质进料组成和耦合输运过程会改变MSW及污泥–MSW协同焚烧过程中的颗粒物和二噁英行为（Tang等，2026a；Tang等，2026b；T. Wang等，2026；Z. Wang等，2026a；Wang等，2026b）。

电子注入空气和电辅助热化学转化为离子辅助燃烧提供了重要的科学依据。Ismail等（2020）数值研究了固体废物流体分解过程中电子注入空气的影响，报告了气相转化、温度分布和物质演变的变化。Kobayashi等（2021）随后实验证明，向空气中注入电子可以改变受控条件下固体废物流体分解行为和产气特性。将该概念扩展至生物质气化领域，Ismail等（2022）报告了电子注入空气可改善气化性能。综合而言，这些研究表明，电气条件调制的氧化剂供应可以影响局部转化环境，而非仅仅作为辅助电力输入。

等离子体辅助热化学转化提供了与之相关但具有更高能量密度的电激活介质范例。Ismail等（2019a、2019b）为等离子体固定床气化和森林残材气化建立了欧拉模型，表明在等离子体条件下传热、反应速率和合成气生成均得到强化。然而，等离子体系统通常比紧凑型电离装置更为复杂且耗能更高。对于小型焚烧炉而言，简洁性、改造可行性和辅助功率需求是重要考量因素，因此负离子辅助代表着一种潜在更低功率、更不复杂的电气辅助策略，而无需将燃烧器转变为等离子体反应器。

负离子辅助燃烧的科学基础在于带电物种、气流和反应区域之间的耦合。火焰和高温燃烧气体天然含有离子、电子、自由基、带电粒子和极性中间体。当施加外部离子源时，电荷–中性动量传递可产生电动力学（EHD）运动，通常称为离子风，并可改变局部混合、停留时间分布、火焰结构和放热模式（Ismail等，2019b；Liu和Cai，2022）。在异质MSW燃烧中，挥发物释放快速且空间不均匀，因此负离子辅助可能改变空气–挥发物相互作用和停留时间分布，从而可能减少缺氧微区、缓和局部热峰值并抑制瞬态碳氢化合物和含氮物种的释放。

在本研究中，负离子辅助燃烧的操作定义是电晕电离器在其规定电气条件下被激活；相关机理则通过测定的热响应和气体响应结合后续章节开发的电荷输运、电动力学和离子–分子/自由基框架进行解释。

该方法的相关性对于小型焚烧炉尤为明显。大型废物能源化设施可以采用优化的炉膛结构、分段送风、二次燃烧、烟气再循环、选择性非催化还原（SNCR）、选择性催化还原（SCR）、活性炭喷射、碱性吸附剂和高效率过滤（Tang等，2023；Wang等，2025b），而紧凑型间歇焚烧炉通常具有较简单的气流分配系统、较短的有效停留时间、更强的负荷变异性以及更显著的瞬态排放。因此，紧凑型负离子装置可作为上游改造模块，补充而非替代传统的烟气处理。

尽管已有大量关于电场辅助气体火焰、等离子体辅助燃烧和电子注入热化学转化的工作（Ismail等，2019b；Liu和Cai，2022；Kuhl等，2017；Starikovskiy和Aleksandrov，2013），但将负离子辅助直接应用于异质小型MSW焚烧的研究仍然相对匮乏。这一空白之所以重要，是因为MSW转化同时涉及干燥、挥发、气相氧化、焦炭燃尽、灰烬形成以及随时间变化的氮和硫释放（Li等，2024；Radwan和Paul，2024；Zake等，2001）。

本工作通过在一台实验室规模的双膛MSW焚烧系统中进行受控实验来填补这一空白，实验采用两种直接测量的运行模式：Ion OFF和Ion ON。两种模式均在相同的反应器结构、风量、废物装填程序、热电偶布置、气体取样配置和排气设置下进行，以便观察到的响应可以在匹配工况条件下归因于电离器的激活。其创新之处在于评估紧凑型负离子装置作为瞬态间歇焚烧条件下低功率上游辅助策略，并量化其耦合的轴向温度和多污染物响应。分析整合了三个层次：测定的温度和气体浓度行为、电荷辅助输运和电动力学动量耦合，以及与碳氢化合物、燃料氮和硫化学相关的离子–分子/中性自由基路径。

据此，主要目标是量化负离子装置激活如何改变小型MSW焚烧过程中的温度场行为和瞬态排放。本研究评估了：（i）轴向温度演变和空间峰值温度缓和，作为操作温度场稳定化标准的定量依据；（ii）O?、CO?和CO在点火、活跃燃烧和燃尽阶段的行为；（iii）CH?和C?H?作为轻烃逃逸和气相氧化行为的指标；（iv）HCN、NH?、N?O、NO?和NO作为耦合氮路径的指标；（v）瞬态SO?行为；（vi）温度缓和、电动力学输运和燃烧化学之间的整合关系。所产生的数据集旨在定义反应器尺度对负离子辅助的响应，同时为后续的机理解释和放大分析提供具有物理约束的基础。

实验焚烧系统：本实验采用一台实验室规模的间歇操作MSW焚烧系统进行研究，旨在评估负离子辅助对燃烧行为、温度场演变和瞬态烟气排放的影响。该系统由两个串联热区组成：一次燃烧室和二次燃烧室，通过一段短法兰管道连接。一次室用于废物装填和初始

Ion OFF和Ion ON操作下的整体燃烧响应：结果按递进顺序呈现，涵盖轴向温度响应、主要燃烧气体、轻烃、含氮物种、二氧化硫以及综合机理解释。所有比较均基于在相同匹配工况条件下进行的配对全周期Ion OFF和Ion ON实验。

温度演变和温度场缓和：图3(a)中Ion OFF曲线显示的特征性间歇燃烧序列为快速升温、高温活跃

创新性声明：本研究的创新之处在于对紧凑型负离子装置作为小型城市固体废物焚烧低功率上游辅助策略进行受控实验评估。与主要依赖分段送风、二次燃烧、烟气再循环或下游烟气净化装置的传统改进方法不同，本工作探讨了电离器激活是否与燃烧环境的可测量变化相关，在

工业相关性声明：负离子辅助作为一种低功率、紧凑型且可与改造兼容的方法，展现出改善传统烟气处理上游小型MSW焚烧的潜力。在测试的配对条件下，Ion ON操作与主要燃烧区和后燃烧区局部热强度降低以及瞬态CH?、C?H?、HCN、NO和SO?峰值降低相关。这些耦合效应表明通过降低热

结论：本研究评估了一台实验室规模双膛MSW焚烧炉在2.8节所述匹配条件下运行所得的一组完整Ion OFF和一组完整Ion ON全周期记录。因此，这些结果代表在测试的间歇条件下配对效应量级，不应被解释为基于重复样本的总体统计。

Ion ON操作与轴向峰值温度场的显著缓和相关：TC2–TC7平均峰值从878.3°C降

作者贡献声明：Tamer M. Ismail：初稿撰写、指导、方法论、概念化。Safwat Gazal：调查研究、正式分析。Emad Gamal：调查研究、正式分析。Hussein Emad：调查研究、正式分析。M. Abd El-Salam：可视化、指导。

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的任何可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

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