揭示酸碱比调控下污泥-糠醛渣共气化系统矿物演化与灰熔融调控路径：实验与理论模拟

《Journal of the Indian Chemical Society》：Unraveling Mineral Evolution and Ash Fusion Regulation Pathways Controlled by Acid-Base Ratio in the Sludge-Furfural Residue Co-gasification System: Experiment and Theoretical Simulation

　　研究考察了煤与污泥共气化灰渣的酸碱性（A/B）对比热稳定性（AFT）的影响。- 研究考察了煤与污泥共气化灰渣的酸碱性（A/B）对比热稳定性（AFT）的影响。- 高熔点相（CaAl?Si?O?、KAlSi?O?、Ca?P?O?）导致AFT升高。- 硅-铝氧化物网络结构的增加导致AFT升高。- 低聚合度结构的出现导致AFT降低。## 引言当前，随着城镇化和工业化的快速发展，污泥产量迅速增长[1]、[2]、[3]。我国每年湿基城市污泥产量已超过6000万吨[4]。大量污泥的堆积带来重金属、持久性有机污染物和病原体，危害人类健康和生态环境[5]、[6]、[7]、[8]。在此背景下，污泥气化作为一种战略性重要的清洁处理技术应运而生[9]。在气化过程中，熔融炉渣的流动行为影响灰渣的熔融特性[10]。具体而言，灰渣熔融温度（AFT）是造成炉渣积聚、流动阻塞的主要原因之一[11]、[12]、[13]。总之，AFT是影响气化炉使用寿命的根本因素，因此研究灰渣熔融温度具有重要意义。污泥的AFT已被广泛研究，主要关注污泥与煤的共气化/共燃烧。一些研究报告称，污泥与煤共气化/共燃烧灰渣的AFT升高[14]、[15]、[16]、[17]。他们关注两种气氛（弱还原气氛、氧化气氛）对灰渣AFT的影响、污泥中磷的含量、煤的类型以及Na的催化作用。AFT的升高源于高熔点相的生成。相反，其他研究发现，涉及脱水城市污泥中磷、铁、高AFT煤、富含铁的纺织印染污泥（TDS）和褐煤的系统，其灰渣的AFT降低[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。结果表明，随着低熔点相的形成，灰渣的AFT降低。综上所述，这些研究从宏观角度分析了AFT的变化。然而，很少有研究从微观角度探索灰渣AFT的变化。为促进污泥的资源回收，研究了污泥与生物质（糠醛渣、玉米秸秆）灰渣的AFT。Wang等人[23]研究了黑麦秸秆灰渣的烧结特性及Ca-污泥废渣的影响。结果表明生成了K-Al-硅酸盐，导致熔融温度升高。Li等人[24]探索了污泥对玉米秸秆灰渣熔融行为的影响。他们发现Ca?MgSi?O?、CaAl?Si?O?、CaMgSi?O?、KAlSi?O?和Ca?(PO?)?的生成使AFT升高。Liu等人[25]研究了燃烧玉米秸秆时污泥对灰渣熔融的影响。结果表明，反应生成了高熔点相（KAlSi?O?、KCaFe(PO?)?、KAlSiO?），使污泥与玉米秸秆共燃烧灰渣的AFT升高。总体而言，现有研究针对污泥与生物质的共燃烧灰渣。相比之下，很少有研究针对污泥-糠醛渣共气化灰渣的AFT演变。碳质和矿物组分不仅影响灰渣的AFT，还具有在功能材料（如吸波材料）中的应用潜力。因此，促进了工业固废的资源化利用。Gao等人[26]将水热合成与高温碳化相结合，以煤矸石（CG）为基体，成功制备了三元复合材料MnFe?O?/C/CG（MFC）。结果表明MFC-2样品表现出强低频吸波性能。Chen[27]采用简便的一步法表面活性剂辅助水热法合成了铁氧体纳米棒/石墨烯（MgFe?O? NR/G）复合材料。该复合材料表现出优异的微波吸收能力。Heidari等人[28]使用一锅法溶液燃烧合成法获得了MgFe?O?/还原氧化石墨烯纳米复合粉体。基于上述发现，研究人员可以探索利用污泥生产功能材料。在本研究中，选取了低硅铝比污泥（LS）、高硅铝比污泥（HS）、高铁污泥（HI）和糠醛渣（FR）作为气化样品。研究了污泥-糠醛渣共气化灰渣的酸碱性（A/B）对AFT的影响。在弱还原气氛（CO/CO?=3:2）下考察了熔融炉渣的矿物转化。通过XRD分析了矿物转化情况。使用FactSage（8.3）软件计算了灰渣样品的理论矿物组成。使用MS（2020）软件计算了RDF、原子扩散系数和炉渣体积。本工作考察了如何调节污泥气化灰渣的熔融特性。研究结果为维持气化炉稳定运行提供了理论基础，并为污泥资源回收和污染治理提供了实践参考。## 各部分摘要### 材料实验中，低硅铝比污泥（LS）、高硅铝比污泥（HS）和高铁污泥（HI）分别来自中国山东德州的三座污泥处理厂（卓奥、广达、尚氏）。糠醛渣（FR）来自一家糠醛生产企业（中国山东德州）。LS、HS、HI和FR气化灰渣的组成如表1所示。### 共气化灰渣的制备将LS、HS和HI分别与FR按污泥质量分数0%、9%、17%、23%进行混合。### 灰渣形态变化图2展示了不同温度下LS-FR共气化灰渣的外观。对于LS-FR共气化产生的灰渣，随着LS质量比增加，AFT值升高。图2(a)中，FR气化灰渣的初熔温度和完全熔融温度分别为1000°C和1200°C。如图2(b–e)所示，LS-FR共气化灰渣的初熔温度随LS质量比增加而升高。同时，LS-FR### 结论本研究通过实验和理论模拟系统揭示了由污泥和糠醛渣共气化体系的酸碱比控制的矿物演变和灰渣熔融调控途径。本研究表明，形成了高熔点相（CaAl?Si?O?、KAlSi?O?和Ca?(PO?)?），导致随着A/B（>1）的增加，LS-FR和HS-FR共气化灰渣的AFT升高。此外，HI-FR共气化灰渣的主要组成是碱性的。### CRediT作者贡献声明**何崇：** 软件。**王晓霞：** 验证。**郭腾飞：** 项目管理。**孙利民：** 资源。**马晓通：** 监督。**庄淑娟：** 可视化。**王敏：** 方法论。**王志刚：** 资源、调查。**刘文文：** 概念化。**孔令雪：** 监督。**戴存青：** 撰写——初稿、数据整理。**孙子雄：** 可视化。**刘伟：** 撰写——审阅与编辑、数据整理### 数据可用性作者未能或选择不指定所用数据。### 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本工作获得了山东省自然科学基金（ZR2022QB206、ZR2024QD265）和山东省重点研发计划（2025TSGCCZZB0906）的资助，中国。戴存青|刘伟|王志刚|刘文文|郭腾飞|孙利民|何崇|王晓霞|王敏|马晓通|庄淑娟|孔令雪|孙子雄