山東科技大學(xué)清潔能源實(shí)驗(yàn)室王翠蘋教授，聯(lián)合清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系以及全俄熱工研究所，開展了市政污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)分析及模型的研究，進(jìn)行了污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)在鐵基載氧體表面化學(xué)鏈熱解的分子動(dòng)力學(xué)模擬，包括污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析與構(gòu)建、鐵基載氧體表面的熱解產(chǎn)物分析，并分析了S、N等污染性元素的遷移路徑。

基于鐵基載氧體的污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)熱解分子動(dòng)力學(xué)模擬

王翠蘋1，梁文政1，王 坤2，GEORGY Ryabov3，趙榮洋1，單明玄1，岳光溪1,4

1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 清潔能源實(shí)驗(yàn)室

2.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院

3.All Russian Thermal Engineering Institute (VTI)，Moscow

4.清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系

創(chuàng)新點(diǎn)

1）通過多種分析手段，構(gòu)建了載氧體分子表面的污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)的模型，實(shí)現(xiàn)載氧體與污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)間的復(fù)雜反應(yīng)得以在分子層面展開。

2）利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了載氧體促進(jìn)污泥熱解的反應(yīng)機(jī)理。

3）確定了污染性元素S、N的遷移路徑，為污染物生成的抑制奠定基礎(chǔ)。

研究背景

相較于污泥的傳統(tǒng)處置方式如填埋、摻燒等，化學(xué)鏈燃燒技術(shù)具有可直接利用高濕污泥，并實(shí)現(xiàn)低污染排放的優(yōu)勢。

目前，對污泥化學(xué)鏈燃燒/氣化的研究大多處在產(chǎn)物分布、載氧體性能評估等工況優(yōu)化的總結(jié)和分析，對載氧體表面的污泥熱解及其反應(yīng)機(jī)理的研究報(bào)道較少，則分子動(dòng)力學(xué)模擬的研究具有意義，并助于理解氮硫污染物的生成和遷移路徑。

研究內(nèi)容

通過元素分析、XPS、13C-NMR等多種分析手段，獲得了青島市某市政污水處理廠所產(chǎn)污泥的原子構(gòu)成、化學(xué)鍵、官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)信息，構(gòu)建了具有北方泥質(zhì)屬性的污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)。

分別構(gòu)建了污泥單獨(dú)熱解模型和污泥與AlFeO3載氧體共熱解模型，比較分析了模型在不同升溫速率、不同熱解溫度下的熱解產(chǎn)物分布，明確了污染性元素S、N的遷移規(guī)律。

研究結(jié)論

1）不同升溫速率下，污泥獨(dú)立熱解的主要熱解產(chǎn)物均為有機(jī)氣體，過高的升溫速率不利于污泥熱解。

2）熱解溫度升高和載氧體的存在會促進(jìn)污泥熱解，使產(chǎn)物中無機(jī)氣體、活性基團(tuán)和輕質(zhì)焦油的生成數(shù)量增加，說明載氧體有效催化了重質(zhì)焦油的裂解。

3）N元素主要遷移至重質(zhì)焦油中，還存在于焦炭和活性自由基團(tuán)中，在后續(xù)燃燒中，N進(jìn)入燃料型NOx。不同升溫速率對 S 元素的最終形態(tài)影響不大，S元素主要轉(zhuǎn)移到輕質(zhì)焦油中或進(jìn)入H2S氣體，參與后續(xù)燃燒。載氧體的存在促使 N 元素遷移至活性基團(tuán)中，活性基團(tuán)與熱解的中間產(chǎn)物反應(yīng)生成 NO，但鐵基載氧體同時(shí)會促進(jìn)NO分解，部分還原為N2，降低了后續(xù)燃燒中NOx的生成。

重要圖表

圖1市政污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)模型

圖2污泥熱解模型

表1不同升溫速率下各種有機(jī)物生成數(shù)量

表2 不同熱解溫度下熱解產(chǎn)物分布

引用格式：

王翠蘋，梁文政，王坤，等.基于鐵基載氧體的污泥化學(xué)結(jié)構(gòu)熱解分子動(dòng)力學(xué)模擬[J].潔凈煤技術(shù)，2022,28(3):139-149.

WANG Cuiping，LIANG Wenzheng，WANG Kun,et al.Molecular dynamics simulation of chemical structure pyrolysis of sludge based on iron-based oxygen carrier[J].Clean Coal Technology，2022,28(3):139-149.

作者簡介

王翠蘋，博士，教授，博士生導(dǎo)師，山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院清潔能源實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，中國高等教育學(xué)會工程熱物理專委會理事。主要研究領(lǐng)域?yàn)椋喝济何廴疚锞C合防治、固體廢棄物熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、儲能材料制備及應(yīng)用。近五年主持國家自然基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)、山東省自然基金項(xiàng)目2項(xiàng)、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)，獲得省部級、市級、廳級科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)各1項(xiàng)。理論研究方面，對煤焦油化學(xué)鏈熱解制備碳黑以及化學(xué)鏈重整為燃料油的研究，發(fā)現(xiàn)了鐵基載氧體表面碳?xì)淙剂细偁幮苑磻?yīng)的控制規(guī)律，在國際上較早系統(tǒng)化開展重質(zhì)液相組分化學(xué)鏈提質(zhì)的理論研究；為高濕污泥直接化學(xué)鏈氣化制備富氫燃?xì)獾难芯康於死碚摶A(chǔ)。多篇研究成果發(fā)表在Energy、Fuel、Chemical Engineering Science等燃燒領(lǐng)域的頂級國際期刊上。