桉树皮与煤共燃：热分解行为、重金属迁移及环境风险评估

《Renewable Energy》：Co-combustion of eucalyptus bark and coal: Thermal decomposition behavior, heavy metals migration and environmental risk assessment

　　

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  通过与纯煤对比，研究了EB（桉树皮）与煤的共燃性能。
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  紧密的灰渣形貌可能是导致重金属滞留率升高的原因。
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  由于共燃作用，灰渣中Cu、Ni和Zn的残留率升高。
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  Hg是灰渣中重金属生态风险的主要贡献者。

引言

近年来，化石燃料的无节制使用造成了严重的环境污染，凸显了寻找更清洁替代能源的紧迫性。生物质是一种具有高度增长潜力的碳中性能源，能够实现CO₂净零排放，从而对减缓全球变暖作出重要贡献[1]。然而，生物质的高种植成本限制了其满足不断增长的需求的能力，并往往导致供应不足。此外，由于生物质中含有较高的碱金属和碱土金属，其燃烧会引起结渣和积灰，显著缩短锅炉使用寿命[2]。相比之下，煤炭是一种储量丰富、能量密度高且成本低的化石燃料，但其燃烧会释放大量污染物。生物质与煤的共燃可以减少燃煤的污染物排放，并克服生物质的局限性（低能量密度和季节性）[3]。该策略为可再生能源转型提供了一条可行途径，并利用现有的燃煤电厂基础设施。

生物质与煤的共燃已在燃煤电厂中得到广泛应用。因此，众多研究人员对这些燃料的共燃行为进行了广泛研究，重点关注其燃烧特性、协同作用及污染物排放。Fan等人[4]研究了半焦与煤粉的共燃特性，发现添加桉树皮半焦和锯末半焦可加速煤粉点火并提高燃烧稳定性。Pu等人[5]发现板栗壳（CNS）与煤的共燃表现出明显的协同效应，随着混合燃料中CNS质量分数的增加，点火延迟时间、挥发分燃烧温度和钾蒸发现象呈非线性变化。Ni等人[6]研究了木质素（LIG）与煤浆（CS）共燃过程中的CO₂排放特性。当CS与LIG的混合比为3:7时，CO₂排放量最低，相较于单独燃烧CS降低了63.6%。尽管生物质与煤的共燃表现出协同效应，但也产生了不良副产物，即重金属。生物质和煤中重金属的含量相较于恒定元素的主要污染物相对较低，但由于这些微量元素的生物毒性和高迁移性，引起了特别关注。此外，重金属的特点在于它们无法在环境中降解，只能迁移和转化[7]。因此，生物质与煤共燃过程中重金属的迁移特性备受关注。

生物质与煤共燃过程中释放的重金属主要包括Hg、Cd、Pb、Cr、As等。根据其挥发性，重金属可分为三类：挥发元素（Hg、Se）、半挥发元素（Pb、Cd、Zn）和非挥发元素（Cr、Ni、Cu、Mn）[8]。然而，仅基于挥发性分析重金属行为是不够的，因为共燃过程中重金属的转化和最终排放受燃烧技术、类型和条件的影响。因此，深入研究生物质与煤共燃过程中重金属的迁移特性至关重要。

相关研究表明，不同重金属在生物质与煤共燃过程中表现出不同的迁移特性。Yang等人[9]发现生物质-煤共燃显著增加了大气中Pb的释放量，并将其归因于生物质中钾化合物与铝硅酸盐的反应。Fu等人[10]报道，在工业煤浆（CS）与污泥（SS）共燃过程中，SS中高含量的Cl显著促进了Cu、Zn、As和Pb的挥发（相对于单独燃烧CS），而CS与SS混合则抑制了As的挥发。Wang等人[11]研究了SS与CS共燃过程中重金属的迁移特性，发现CS灰渣中的重金属残留量随燃烧温度升高呈下降趋势，而SS灰渣中的则呈上升趋势。较高温度加剧了SS-CS之间的相互作用，从而抑制了As的挥发。Guo等人[12]报道，在脱水污泥与玉米秸秆于700-850°C共燃过程中，随温度升高，底灰中V、Cr、As、Sb和Hg的浓度先升高后降低，而Zn、Cu、Se和Cd则呈相反趋势。此外，增加污泥混合比使Cu、Hg和Tl浓度先升高后下降，而Cr则表现出相反的行为。总之，重金属的迁移特性主要受其在燃料中的化学形态、燃烧温度和混合比的影响。

桉树是一种生长迅速、适应性强的树种，具有很高的经济价值。桉树在中国广泛种植，尤其在广西壮 族自治区，这是桉树生产的重要地区。广西的种植面积已达到约184,132 km²，位居中国第一。尽管仅占广西林地的14%，但桉树种植园提供了该地区约80%的木材。此外，仅占全国森林总面积的0.6%，却贡献了全国30%的木材产量[13]。因此，桉树皮作为副产品被大量生产。然而，桉树皮的主要处理方式包括丢弃、堆积或填埋，这构成了生物质资源的严重浪费。

尽管EB资源丰富，但以往关于桉树皮-煤共燃的研究大多局限于燃烧性能和动力学[14]，对重金属迁移行为、灰渣组分的作用以及相关的生态风险研究较为缺乏。此外，桉树皮的无机组成可能影响重金属的赋存形态，而这一可能性尚未得到系统考察。为弥补这些研究空白，本研究对EB与四种不同煤种（MC、IC、TC、SC）的共燃进行了综合评估。采用TGA研究了EB与煤共燃的热分解行为。随后，通过XRF分析了共燃过程中无机元素对重金属迁移的影响。采用SEM考察了灰渣微观结构对重金属残留的影响。进一步通过ICP-MS分析了重金属的迁移特性。最后，应用环境风险评估方法评估了灰渣中重金属的生态风险。本研究为燃煤电厂选择煤-生物质混合燃料提供了框架，以支持可持续发电。

章节摘要

材料与燃烧实验

本研究所用的煤包括：中国内蒙古的内蒙古褐煤（MC）、印度尼西亚的低阶褐煤（IC）、中国山西的大同烟煤（TC）以及中国陕西的陕西煤（SC）。生物质为中国广西的桉树皮（EB）。

实地调研表明，运行电厂中生物质共燃比通常维持在较低水平，例如5 wt%。这种做法的采用是因为其需要

热重分析

图1系统地比较了四种煤种、EB及其混合物的TG和DTG曲线。EB在燃烧过程中的氧化分解表现出四个不同的反应阶段。第一阶段（28-220°C）为干燥和失水阶段。在此阶段，由于加热过程中自由水和结合水的蒸发，EB的质量减少。第二阶段（220-370°C）为挥发分的释放和燃烧阶段，

结论

本研究探讨了EB与四种煤种（MC、IC、TC、SC）的热分解、重金属迁移和环境风险。EB表现出比煤更低的T_i、T_b和T_max以及更高的DTG_max、DTG_mean和S，与EB共燃相较于单独燃烧煤进一步提高了整体性能。EB灰渣中较高含量的K₂O、CaO和MgO导致共燃后重金属残留率升高。TBE和SBE灰渣表现出比TC和SC

CRediT作者贡献声明

魏广盛：撰写—初稿，可视化，资源，项目管理，调查研究，正式分析。李冰洁：撰写—初稿，验证，资源，项目管理，调查研究，正式分析。陈春香：监督，资源，方法论，资金获取，数据整理，概念化。秦硕：撰写—审阅与编辑，调查研究。王玲：撰写—审阅与编辑。余兆生：撰写—审阅与编辑。彭光明：

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：52366013、52666014）、广西自然科学基金（2023GXNSFAA026375）、广西石化资源加工与过程强化技术重点实验室开放项目（2023K008）以及华南理工大学广东省高效清洁能源利用重点实验室（2013A061401005）的支持。

魏广盛|李冰洁|陈春香|秦硕|王玲|余兆生|彭光明|马喜