分析污泥焚烧的新策略：热解产物与图像分析技术

《Renewable Energy》：Novel strategies for analyzing sewage sludge incineration: Pyrolysis derived products and image analysis technologies

研究通过生物炭（BC）和热解油（PO）协同焚烧市政污泥，提升其能源效率和减少污染物排放。实验表明，BC与PO的添加使污泥热值（HHV）从14.14提升至24.59 MJ/kg，火焰体积和红光强度增加30%-49.4%，同时CO、SO?和NOx排放分别降低至基线水平的36%、41%和32%。火焰图像分析法有效评估了不同配比下污泥的燃烧特性。该成果为污泥焚烧技术提供低排放高能效解决方案，助力循环经济发展。

　　

穆斯塔法·尤尔滕（Mustafa Yurten）|古尔贡·德德（Gulgun Dede）|塞尔坎·奥兹德米尔（Serkan Ozdemir）|塞尔吉·奥兹坎·耶尔迪里姆（Sevgi Ozkan Yildirim）

土耳其萨卡里亚大学自然科学研究所环境工程系，54187埃森特佩（Esentepe），萨卡里亚（Sakarya）

摘要

通过焚烧处理城市污水污泥（SS）有助于促进资源循环利用、环境保护，并制定符合联合国可持续发展目标的可持续能源战略。然而，由于存在诸多结构、化学和物理方面的挑战，往往导致能量产出较低，同时会释放出气体和污染物。本研究采用了一种创新的火焰图像分析方法，探讨了生物炭（BC）和热解油（PO）对提升污水污泥燃料特性和燃烧行为的影响。通过将生物炭以25%（T₁）、50%（T₂）和75%（T₃）的比例与污水污泥混合，制备了多种生物质混合物，并将其与纯污水污泥（T₀）作为对照组进行比较。此外，部分样品还添加了10%的热解油以增加能量含量和自燃速率。结果表明，增加生物炭的比例并添加热解油后，燃料的挥发性成分增加，而水分和灰分含量降低。生物炭和热解油的添加使高位热值（HHV）从14.14 MJ kg^?1提升至24.59 MJ kg^?1；同时碳和氢含量也有所增加，从而改善了生物燃料的性能指标。火焰图像分析（包括火焰大小和红色强度）有效区分了不同生物质材料的燃烧特性。与纯污水污泥相比，混合了生物炭的样品火焰体积和红色强度分别提高了约30.0%至49.4%。此外，添加生物炭可减少CO生成，SO₂和NOx排放量分别降低了36%、41%和32%；而添加热解油则进一步降低了CO排放量，尽管效果不如生物炭显著。这些发现表明，生物炭和热解油的协同使用能够克服污水污泥焚烧的固有局限性，为优化废物转化为能源的过程提供了高效、低排放的途径，有助于推进全球循环经济目标。

引言

鉴于传统能源资源即将枯竭，废弃物正逐渐成为化石燃料的生态替代品。污水处理厂每年产生大量污水污泥；2022年土耳其的污水污泥年产量为200万吨，预计到2025年将增至540万吨。目前最常见的污泥处置方法包括土地利用、焚烧和填埋。然而，根据法规，污水污泥的土地利用和填埋受到了严格限制甚至被禁止[1]。因此，需要开发更加经济且环保的处理方法。由于能源危机、地缘政治局势、化石燃料短缺、环境污染以及对多元能源的需求以及大量的温室气体排放，对替代本地燃料的需求日益增长[2]。已开发出多种生物质转化技术（如热解、酯交换和水热液化）来生产替代液体燃料[3]。与其他热化学转化方法相比，焚烧技术最为成熟，并已针对包括污水污泥在内的多种有机废弃物进行了持续改进[4]。从气候和能源角度来看，利用可再生资源发电得到了大力支持。

焚烧污水污泥具有减少处置空间、分解有害物质和回收能量的优势。但由于污水污泥含水量高，高效燃烧需要先进行脱水干燥[5]。推荐的含水量应在30%至40%之间[1]，焚烧前必须进行脱水处理。湿污泥的热值通常低于6.00 MJ kg^?1 [6]，因此需要干燥或辅助燃料才能实现能量转化。热干燥可将高位热值提升至13.50 MJ kg^?1 [7]，从而使污水污泥成为可行的燃烧燃料。然而，高灰分含量、挥发性成分释放受限、燃烧孔隙发育不足以及氧气接触不足等问题会严重影响燃烧过程和火焰稳定性，尤其是当污泥占比超过10%时[8]。

为解决污水污泥焚烧问题，许多研究探讨了将其与可再生能源共焚烧的方法。Rong等人通过热重分析（TGA）研究了稻壳对污水污泥点火、燃烧和燃尽特性的影响，并建议使用约70%的稻壳进行共焚烧[6]。Ulusoy等人研究了污水污泥与小麦秸秆的共焚烧效果，发现两者之间存在协同效应，NO排放量有所降低[9]。Guo等人研究了玉米秸秆与污水污泥的共燃烧现象[10]，发现混合比例为60%时协同效应显著。Ni等人通过热重分析和傅里叶变换红外光谱实验评估了咖啡渣对污水污泥共燃烧的影响，结果表明咖啡渣比例从10%增加到90%时，综合燃烧指数和质量损失显著提升[11]。

多项研究表明，污水污泥与其他燃料的共燃烧比单独焚烧更具效率和成本效益。生物质燃烧速率高于煤炭，从而实现更快的点火和火焰扩展。除了传统生物质外，热解产物（如生物炭和热解油）也能弥补焚烧污水污泥的不足，提供更实用且经济可行的工程解决方案。尽管生物炭和热解油产量可观，但在可再生能源应用中的使用仍相对有限。鉴于原料材料（包括农业废弃物、林业副产品、粪肥和农工业废料）的丰富性，生物炭作为一种有前景的替代品逐渐受到重视，尤其是在不同类型废物的共燃烧过程中。生物炭可由本地材料（如木材产品和农业废弃物）制成，成本较低。应用适当的热解温度可降低生物炭的氧和氢含量，同时增加碳含量、高位热值、孔隙率和表面积[12]。假设生物炭和热解油与污水污泥的结合使用能提升其焚烧性能，同时弥补热解生物炭技术的潜在缺陷，从而拓展应用范围。

大多数研究采用传统的热重分析方法来表征固体燃料的燃烧特性，包括点火温度、燃尽温度、最高峰值温度及重量损失[13]。但这些方法的缺点在于依赖人工操作和专业知识，且需要额外实验室分析来提高可靠性。此外，这些方法成本较高，需要专门培训的人员。因此，传统的和新型的可视化方法在燃烧火焰分析领域找到了新的应用前景[14,15]。火焰图像分析具有快速、灵敏的优点，成本低廉且易于使用，非专业人员及现场条件下也能应用。

为填补现有研究的空白，本研究采用新型图像分析方法研究了污水污泥的燃烧特性及其与生物质热解产物（生物炭和热解油）的共燃烧特性。主要研究目标如下：（1）分析污水污泥及其混合物的燃烧行为；（2）通过图像分析探讨生物炭和热解油对生物燃料特性的影响；（3）比较混合物的污染物排放情况。本研究结果将有助于深入理解污水污泥与生物炭、热解油的共燃烧过程。

实验材料

实验所用材料详见表1。脱水后的污水污泥来自土耳其萨卡里亚省卡拉曼（Karaman）的一家当地污水处理厂。生物炭和热解油则来自一家采用快速热解工艺（600°C）的商业气化工厂，该工艺以禽粪和木屑作为垫料。热解过程中产生的可凝气体在冷凝器中冷却后……

初步和元素分析

初步分析参数（如水分、灰分、挥发性物质和固定碳含量）是决定生物质能量含量、能量回收率及燃烧适用性的关键因素。表1中列出的原始实验生物质的初步和元素组成因材料性质不同而有所差异。太阳能干燥使污水污泥的含水量从80%降至14%

结论

城市污水污泥和禽粪是全球最丰富的固体生物质废弃物之一，对环境造成严重威胁。合理回收这些废弃物至关重要。废物转化为能源的技术为将生物质转化为能源、生物炭和热解油提供了宝贵机会，从而减少回收所需的时间、成本和精力。本研究通过将污水污泥与禽粪生物炭混合，旨在提升其燃烧性能。

CRediT作者贡献声明

穆斯塔法·尤尔滕（Mustafa Yurten）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。古尔贡·德德（Gulgun Dede）：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、方法论设计、概念构建。塞尔坎·奥兹德米尔（Serkan Ozdemir）：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、数据分析、概念构建。塞尔吉·奥兹坎·耶尔迪里姆（Sevgi Ozkan Yildirim）：撰写 – 审稿与编辑、实验设计、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。