污泥和煤泥的共燃燒行為研究

王碧茹 ，賈 里 ，王彥霖 ，程 鵬 ，郭晉榮 ，張 柳 ，金 燕

（太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院, 山西 太原 030024）

0 引 言

城鎮(zhèn)化的加速進(jìn)行導(dǎo)致城市污水排放量快速增加，污泥產(chǎn)量也隨之增加，污泥中還含有大量的重金屬、病原體等有害物質(zhì)，給周邊環(huán)境安全造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)GB/T 23484—2009 城鎮(zhèn)污泥處理廠污泥處置分類，將污泥作為燃料進(jìn)行燃燒是實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無害化、穩(wěn)定化的最佳處置途徑，同時(shí)也可以將污泥實(shí)現(xiàn)資源化利用。污泥熱值低，難以單獨(dú)燃燒，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污泥的研究主要集中在與高熱值燃料的混合[1]。由于污泥本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其有機(jī)結(jié)構(gòu)體系熱解是非常復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)。利用熱化學(xué)分析技術(shù)對(duì)污泥熱解進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，深入揭示熱解過程的物理和化學(xué)變化。目前針對(duì)燃料的熱解過程建立了不同的熱解動(dòng)力學(xué)模型[2]，如單一反應(yīng)模型、等轉(zhuǎn)化率模型等。葉聰?shù)萚3]采用FWO（Flynn-Wall-Ozawa）法計(jì)算污泥與稻殼水熱炭混合動(dòng)力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)兩者混燃有協(xié)同交互作用。陳繁榮等[4]采用Coats-Redfern 積分法分析污泥與神木煤的熱解動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)污泥的添加對(duì)神木煤的熱解具有促進(jìn)作用，污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%時(shí)混合樣品的熱解特性最優(yōu)。阮敏等[5]也采用Coats-Redfern 積分法對(duì)污泥與石下江褐煤的摻燒過程中的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。另外，也有很多學(xué)者采用聯(lián)用技術(shù)對(duì)污泥的熱解/燃燒過程開展研究。WANG 等[6]采用TG-MS 技術(shù)對(duì)污泥與稻殼共熱解過程中的熱降解行為和氣態(tài)物質(zhì)的演化進(jìn)行了探討。DUAN 等[7]采用KZDL-4A 快速硫測(cè)定裝置研究了有機(jī)鈣化合物（OCC）對(duì)污泥燃燒過程中硫的釋放特性的影響。ZHOU 等[8]使用Py-GC-MS 和Py-FTIR 研究了污泥的熱解過程，提出了三階段氮轉(zhuǎn)化過程。

我國(guó)資源稟賦決定了當(dāng)前和未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，煤炭將繼續(xù)作為能源消耗的主力資源，隨著環(huán)境控制要求的提高，我國(guó)原煤入洗率逐年攀升，煤泥產(chǎn)量不斷增加。將煤泥用于燃燒發(fā)電是最有效的處理方式之一[9]。煤泥本身高固定碳的特點(diǎn)使其存在與污泥混燒的潛力，國(guó)內(nèi)也存在污泥-煤泥混合焚燒的實(shí)例[10]，均證實(shí)了這種處置方式的可行性。目前，眾多研究均關(guān)注污泥與煤等高熱值燃料的混燒特性和污染物生成特性，對(duì)污泥與煤泥等低熱值燃料混燒的相關(guān)研究相對(duì)匱乏。由于煤泥低熱值的特性，也使得兩者的混合燃燒將更加困難。實(shí)現(xiàn)污泥-煤泥焚燒的大規(guī)模使用，對(duì)于實(shí)現(xiàn)污泥-煤泥的減量化、資源化、無害化利用具有重大現(xiàn)實(shí)意義。采用熱重質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（TG-MS）對(duì)污泥-煤泥耦合燃料的燃燒過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，探究摻混比例對(duì)污泥-煤泥燃燒過程中的燃燒特性、動(dòng)力學(xué)特性、氣體析出特性的影響，探究相應(yīng)的燃燒機(jī)理，揭示兩者在混燃過程中的相互作用，以期為污泥-煤泥協(xié)同清潔高效燃燒利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 樣品制備

污泥SS（Sewage Sludge）取自某污水處理廠，煤泥CS（Coal Slime）選用貧煤的煤泥，取自某選煤廠。試驗(yàn)原料均選用空氣干燥基樣品，經(jīng)105 ℃干燥24 h，用磨煤機(jī)粉碎后過100 目（150 μm）篩后封入樣品袋中保存。工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1，灰成分分析結(jié)果見表2。為了保證燃料的均勻性，混合樣品在磨煤機(jī)內(nèi)以910 r/min 的速度研磨20 min 后，通過100目（網(wǎng)徑150 μm）篩子篩分。混合物根據(jù)其成分命名，如SS80CS20 代表含有80%SS 和20%CS 的混合物。

表1 污泥和煤泥的工業(yè)分析與元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of sludge and coal slime

表2 污泥和煤泥的灰成分分析Table 2 Ash ingredient analysis of sludge and coal slime

1.2 試驗(yàn)過程

采用熱重質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)（日本thermo plus EV2/thermo mass photo）對(duì)不同的樣品進(jìn)行燃燒，評(píng)估摻混比例對(duì)燃燒行為和氣體排放特性的影響。在試驗(yàn)過程中，將（4±0.05）mg 的樣品置于Al2O3坩堝中，設(shè)置以10 ℃/min 的升溫速率從室溫升高到1 000 ℃，輸入氣體流速為300 mL/min 的空氣，質(zhì)譜儀測(cè)試范圍（m/z為質(zhì)荷比）為0～400m/z。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)測(cè)燃燒過程中生成的污染性氣態(tài)產(chǎn)物（質(zhì)荷比）為CH4（15）、CO（28）、CO2（44）、NH3（17）、HCN（27）、NO（30）、NO2（46）、H2S（34）、CH3SH（48）、COS（60）、SO2（64）、CS2（76）、SO3（80）。

1.3 交互作用

SS 和CS 混燃過程中，用式（1）計(jì)算理論值，用式（2）計(jì)算偏差值用于評(píng)價(jià)交互作用程度。偏差D為正值表示該過程受到相互作用的抑制。

式中：γ1和γ2分別為摻混樣品中2 種樣品的質(zhì)量比，%；Y1、Y2分別為對(duì)應(yīng)樣品的氣體生成量，A/mg；Ytheo為理論值；Yexp為實(shí)際值。

1.4 燃燒動(dòng)力學(xué)方程

燃燒動(dòng)力學(xué)分析主要用于探索燃燒反應(yīng)機(jī)理、燃燒反應(yīng)速度及其影響因素。為深入細(xì)致地研究燃燒現(xiàn)象，對(duì)SS、CS 及其摻混樣品的燃燒結(jié)果進(jìn)行燃燒動(dòng)力學(xué)分析，從而有效控制燃燒反應(yīng)。燃燒動(dòng)力學(xué)方程可以表示為

式中：α為轉(zhuǎn)化率，α=（m0-mt）/（m0-m∞）；T為反應(yīng)溫度，℃；β為加熱速率，℃/min，β=dT/dt；A為指前因子，min-1；E為表觀活化能，kJ/mol；R為反應(yīng)氣體常數(shù)，8.314×10-3kJ/（mol·K）。Coats-Redfern 積分法被廣泛用于研究燃燒過程中的動(dòng)力學(xué)。用Coats-Redfern 積分法對(duì)式（3）進(jìn)行處理得到：

式中：g(α)為f(α)的積分形式。對(duì)一般的反應(yīng)區(qū)的E而言，2RT/E＜＜1，（1-2RT/E）可以忽略不計(jì)。一般來說，峰兩側(cè)的反應(yīng)機(jī)理不同，選取了10 種常見的反應(yīng)機(jī)理函數(shù)[11]進(jìn)行擬合得到熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式。相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理函數(shù)及其數(shù)學(xué)表達(dá)式見表3。

表3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型及其表達(dá)式Table 3 Reaction kinetic model and expression

混合樣品的質(zhì)均活化能（Em）通過加權(quán)平均法計(jì)算如下：

式中：xi為不同反應(yīng)階段的重量損失百分比，%；Ei為對(duì)應(yīng)階段的反應(yīng)活化能，kJ/mol。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱重分析

圖1 為煤泥、污泥及其混合樣品在升溫速率10 ℃/min 下燃燒的TG 曲線和DTG 曲線。從TG曲線可以發(fā)現(xiàn)，SS 燃盡后剩余47.1%，CS 燃盡后剩余50.7%，與工業(yè)分析的結(jié)論基本一致。比較幾種摻混樣品的TG 曲線發(fā)現(xiàn)，燃料摻混燃燒的失重曲線處于2 種燃料單獨(dú)燃燒曲線之間，隨著摻混樣品中SS比例的增加，TG 最終的失重率減小，這是因?yàn)橄鄬?duì)于CS 而言，SS 樣品中的揮發(fā)份含量多，灰分含量少，燃燒完全的殘余量少。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著SS 比例的增加，TG 曲線整體向低溫側(cè)偏移，表明混合物中SS 越多，混合物整體更容易燃燒。

從DTG 曲線可以看到，樣品失重過程中的幾個(gè)階段存在一定的重疊，假定峰值為分界溫度。SS 單獨(dú)燃燒過程中可以分為3 個(gè)階段：①水分的失重（70～145 ℃），占總失重的4.8%；②揮發(fā)分的失重（145～350 ℃），占總失重的56.1%；③固定碳的失重（350～530 ℃），占總失重的33.6%。說明在SS 的整個(gè)燃燒過程中以揮發(fā)分的析出和燃燒為主，大量有機(jī)質(zhì)在此階段裂解，如蛋白質(zhì)、糖類等[12]。在CS 單獨(dú)燃燒過程中，溫度在390～690 ℃內(nèi)存在一個(gè)大的失重峰，占到總失重的94.0%，由于CS 中的揮發(fā)分含量較低，且析出緩慢，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分和焦炭的燃燒沒有明確的界限。

SS80CS20、SS50CS50、SS20CS80 三個(gè)摻混樣品燃燒過程中，大致可以分為4 個(gè)失重階段：①水分的失重（70～160 ℃），分別占總失重的3.6%、2.8%、2.0%；②揮發(fā)分的失重（160～345 ℃），分別占總失重的43.4%、28.4%、12.7%；③燃燒過程中生成的焦炭的失重（345～465 ℃），分別占總失重的25.1%、18.3%、11.2%；④內(nèi)部碳的失重（465～670 ℃），分別占總失重的23.2%、45.5%、68.8%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SS 的揮發(fā)分燃燒溫度遠(yuǎn)低于CS，一方面是由于SS 的揮發(fā)分含量較高，低沸點(diǎn)小分子有機(jī)物含量較高，另一方面是由于SS 本身的孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)，有利于揮發(fā)分的析出。隨著CS 比例的增大，固定碳失重峰向低溫區(qū)偏移，揮發(fā)分的燃燒溫度區(qū)間變寬，說明添加CS 可以減緩揮發(fā)分的析出，同時(shí)促進(jìn)固定碳的燃燒。CS 含量的增加還導(dǎo)致了主要燃燒過程的變化，在CS 添加比例50%時(shí)，混合樣品的主要燃燒過程開始由固定碳主導(dǎo)，并且隨著CS 比例的進(jìn)一步增大，固定碳的主導(dǎo)作用增強(qiáng)。為綜合評(píng)價(jià)CS、SS 及其混合物的燃燒特性，引入綜合燃燒特性指數(shù)S，計(jì)算方法如下：

式中：（dw/dt）max為最大失重速率，%/℃；（dα/dt）mean為平均失重速率，%/℃；Ti為著火溫度，℃，由TG 切線法求得；Tf為燃盡溫度，℃，這里將樣品失重占到總失重95%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為燃盡溫度。表4 是由各個(gè)樣品在10 ℃/min 的加熱速率下的熱重圖像計(jì)算得到的燃燒特性參數(shù)。

表4 樣品的燃燒特性指數(shù)Table 4 Sample combustion characteristic index

由表4 可知，SS 與CS 的燃燒特性參數(shù)相差較大，主要是兩者的組成結(jié)構(gòu)不同造成的。SS 的O/C較高，含有較多的含氧基團(tuán)，具有高反應(yīng)性，因此SS具有較低的Ti；CS 中含有較高的灰分含量，無機(jī)礦物的分解延遲了反應(yīng)終止，因此CS 具有較高的Tf。就混合物而言，燃燒特性參數(shù)均介于兩者之間。隨著CS 比例的增加，低溫區(qū)的最大失重速率逐漸減小，高溫區(qū)的最大失重速率逐漸增大，燃燒的主導(dǎo)過程向高溫區(qū)偏移，同時(shí)CS 比例的增加導(dǎo)致綜合燃燒特性指數(shù)逐漸減小。其中，SS80CS20 的Ti比CS 單獨(dú)燃燒時(shí)降低了269 ℃，綜合燃燒特性指數(shù)是CS 單獨(dú)燃燒時(shí)的4.42 倍，是SS 單獨(dú)燃燒時(shí)的85.48%，表明交互作用會(huì)促進(jìn)兩者的燃燒。這表明污泥比例的增加，不會(huì)對(duì)燃料整體的燃燒特性造成影響。在實(shí)際燃燒過程中，在不影響鍋爐效率的前提下可以適度增加污泥比例。

2.2 排放特性分析

在10 ℃/min 的加熱速率下，用TG-MS 監(jiān)測(cè)燃燒過程中的常見的溫室效應(yīng)氣體（CO、CO2、CH4），釋放曲線如圖2 所示。從圖2a 中可以看出，所有樣品的釋放曲線都是雙峰結(jié)構(gòu)，但溫度區(qū)間有所差異。SS分別在304 ℃和391 ℃達(dá)到峰值；CS 分別在404 ℃和544 ℃達(dá)到峰值，此外在800 ℃后又有CO2的產(chǎn)生；混合樣品的峰值溫度分別在307、432、558 ℃左右。從低溫到高溫的燃燒過程中，CO2的來源可能是依次樣品本身吸附的CO2、羧基、芳香族中一些弱鍵、醚鍵、穩(wěn)定的含氧雜環(huán)和碳酸鹽的分解[13-14]。CO 的排放趨勢(shì)與CO2極其相似，如圖2b 所示，這是由于CO2和CO 存在直接的相互轉(zhuǎn)化（如式（7）所示）[13]，兩者的生成是一個(gè)綜合競(jìng)爭(zhēng)的過程。圖2c 是CH4氣體的排放曲線，CH4的釋放溫度范圍很廣，說明CH4是由不同的脂肪烴演變而來。一般來說，在250～450 ℃CH4的生成歸因于長(zhǎng)鏈烷基斷裂分解，450～550 ℃是由于甲基等相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)鍵的二次裂解，由芳香族分子的縮聚反應(yīng)而來[15]。

圖2 SS 與CS 單獨(dú)/混合燃燒時(shí)的溫室氣體析出曲線Fig.2 Greenhouse gas release curve at SS and CS alone / mixed combustion

式中：CO 為由表面氧絡(luò)合物一次解析產(chǎn)生的游離氣態(tài)一氧化碳；C（O）為表面結(jié)合的氧絡(luò)合物；Cf為的表面活性位點(diǎn)。

在整個(gè)燃燒過程中，未能監(jiān)測(cè)到CS2和SO3的生成，含硫氣體產(chǎn)物（SO2、H2S、CH3SH、COS）的排放曲線如圖3 所示。由于CS 樣品中的硫含量較高，主要對(duì)CS 單獨(dú)燃燒過程中的含硫氣體釋放規(guī)律進(jìn)行分析?？梢钥闯?，含硫有機(jī)化合物斷裂會(huì)首先產(chǎn)生H2S 氣體，在燃燒過程中被氧化生成大量SO2，再經(jīng)過氣體間的二次反應(yīng)向其他含硫氣體轉(zhuǎn)化，和ZHANG 等[16]的結(jié)論基本一致。從低溫到高溫的燃燒過程中，H2S 氣體的來源依次是樣品本身溶解的硫蒸氣、烷基硫、芳香硫、穩(wěn)定的含硫雜環(huán)以及硫酸鹽的分解[17]。由于SS 中較高的揮發(fā)分含量，低沸點(diǎn)含硫有機(jī)物的相對(duì)含量較多，且燃燒較為迅速，未能體現(xiàn)出明顯的含硫氣體排放先后順序。與CS 不同的是，SS 在＞800 ℃時(shí)有SO2氣體的析出，是由于在碳素和礦物質(zhì)的作用下，硫酸鹽在此時(shí)分解析出SO2[18-19]?；旌蠘悠返腃OS 排放曲線明顯受到兩者共同作用的影響，此外，隨著CS 比例的增大，混合樣品的其他3種含硫氣體排放趨勢(shì)向CS 單獨(dú)燃燒時(shí)的氣體排放規(guī)律靠近，當(dāng)CS 比例為50%時(shí)完全表現(xiàn)為CS 的性質(zhì)。

圖3 SS 與CS 單獨(dú)/混合燃燒時(shí)的含硫氣體析出曲線Fig.3 Sulfur-containing gas release curves at SS and CS alone / mixed combustion

圖4a-圖4d 分別為NO2、NH3、NO、HCN 的排放曲線。由于SS 樣品中的氮含量較高，因此主要對(duì)SS 的排放趨勢(shì)進(jìn)行分析。在燃燒過程中，含氮?dú)怏w的生成NH3＞HCN＞NO＞NO2，均以雙峰結(jié)構(gòu)存在，分別出現(xiàn)在揮發(fā)分的燃燒階段（145～350 ℃）和固定碳的燃燒階段（350～530 ℃），其中NH3的第一個(gè)峰強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第二個(gè)峰。結(jié)果表明，樣品SS 中的揮發(fā)性氮主要生成了NH3，認(rèn)為本次試驗(yàn)中NH3是氮氧化物的主要前驅(qū)體，這是由于中低溫條件下，胺氮化合物脫氨基和脫氫生成NH3和HCN 的活化能相當(dāng)，它們的生成存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[20]，而SS 中較高的CaO含量會(huì)促進(jìn)樣品中含氮化合物向NH3的轉(zhuǎn)化，同時(shí)對(duì)HCN 向NH3的轉(zhuǎn)化也有一定的促進(jìn)作用[21]。由于CS 中的CaO 含量很少，CS 生成的NH3和HCN峰強(qiáng)度相當(dāng)，NH3的第一個(gè)峰略高于HCN 可能是CS 中的胺類氮含量高于腈類氮、雜環(huán)氮的含量導(dǎo)致的。在500～700 ℃間NH3和HCN 主要來源于含氮化合物的裂解[20]。3 種混合樣品的含氮?dú)怏w釋放曲線均為兩者的結(jié)合。

圖4 SS 與CS 單獨(dú)/混合燃燒時(shí)的含氮?dú)怏w析出曲線Fig.4 Nitrogen-containing gas release curve at SS and CS alone / mixed combustion

用積分法計(jì)算的燃燒過程中各種氣體生成量見表5。從表5 中可以看出，在5 種樣品的燃燒過程中，CO2、CO、NH3為主要?dú)怏w，三者總和均占到所有氣體總量的93%以上。就混合樣品而言，CO2、CO、SO2、NO2、HCN 的生成量隨CS 含量的增加而增加，NO、NH3的趨勢(shì)則相反，還存在CH4、CH3SH、COS和H2S 三種氣體在摻混50%時(shí)生成量最大。隨著樣品CS 含量的增加，含硫氣體總量和含氮?dú)怏w總量均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，且都在CS 摻混最多時(shí)達(dá)到最小值，與前期根據(jù)樣品本身硫、氮含量預(yù)估的趨勢(shì)不符。這是由于部分硫、氮以熱穩(wěn)定的無機(jī)或有機(jī)物形式存在于固體產(chǎn)物灰中，在燃燒過程中難以釋放。將SS、CS 單獨(dú)燃燒的生成氣體總量分析發(fā)現(xiàn)，基本與樣品中的碳、硫、氮含量趨勢(shì)相符，表明在氣體生成過程中，相互作用的影響較大。結(jié)果表明，當(dāng)CS比例為20%時(shí)，相互作用對(duì)溫室氣體排放的抑制作用最強(qiáng)；當(dāng)CS 比例為80%時(shí)，相互作用對(duì)含硫氣體和含氮?dú)怏w的抑制作用最強(qiáng)?？偟膩碚f，在混合燃燒時(shí)，可以有效降低氣體污染物的釋放。

表5 燃燒過程中的氣體生成量及偏差DTable 5 Gas generation amount and deviation D during combustion

2.3 動(dòng)力學(xué)分析

以不同摻混比的摻混樣品為研究對(duì)象，通過對(duì)ln(g(a)/T2)和1/T擬合直線得到活化能E和指前因子A。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)動(dòng)力學(xué)，按DTG 曲線峰值點(diǎn)將燃燒過程分為多個(gè)階段，選用相關(guān)系數(shù)R2最大的模型，計(jì)算燃燒過程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表6。從樣品的失重過程中可以看出，樣品燃燒的主要階段是揮發(fā)分、生物炭、內(nèi)部碳的反應(yīng)，因此可以忽略由干燥和殘余成分降解引起的動(dòng)力學(xué)過程。

表6 樣品的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 6 Sample combustion dynamics parameters

由表6 可知，混合樣品在第一階段的E值隨著CS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，第二、三階段的E值則下降，表明CS 的加入抑制了揮發(fā)分的燃燒，有利于生物炭和固定碳的反應(yīng)。CS 單獨(dú)燃燒時(shí)的質(zhì)均活化能是SS 單獨(dú)燃燒時(shí)的1.53 倍，SS20CS80 樣品的質(zhì)均活化能比SS 單獨(dú)燃燒時(shí)增大了2.06%，其余混合樣品均低于SS 單獨(dú)燃燒時(shí)的質(zhì)均活化能，表明SS 中的礦物質(zhì)促進(jìn)了CS 的燃燒[22-23]，同時(shí)CS 的燃燒又進(jìn)一步促進(jìn)了SS 的燃燒化學(xué)反應(yīng)，二者相互促進(jìn)，提高整體的燃燒特性。對(duì)于SS 燃燒，動(dòng)力學(xué)過程由D4 和D3 控制，CS 燃燒模型為F1，表明在SS燃燒的整個(gè)過程中燃燒反應(yīng)都由三維擴(kuò)散過程控制，在CS 燃燒過程中由一維化學(xué)反應(yīng)控制整個(gè)過程。與文獻(xiàn)中分析得到的煤泥反應(yīng)機(jī)理一致[24]。隨著CS 比例的增加，3 個(gè)混合樣品的區(qū)間動(dòng)力學(xué)模型分別為D3→D1→D3、D3→D1→D3 和D3→D1→F1。表明兩者的交互作用可以改變混燃過程中的反應(yīng)機(jī)理。關(guān)于混合樣品的燃燒過程，可以解釋為：第一階段，揮發(fā)分由顆粒內(nèi)部向周圍擴(kuò)散，高濃度的揮發(fā)分抑制了氧擴(kuò)散到固相表面，因此燃燒反應(yīng)由三維擴(kuò)散過程控制；第二階段，揮發(fā)分物質(zhì)幾乎完全降解，生成的生物炭堵塞了樣品的孔隙，抑制了氧向樣品內(nèi)部擴(kuò)散，燃燒反應(yīng)受到一維擴(kuò)散過程的控制；第三階段，隨著生物炭的降解，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)大，對(duì)于SS80CS20 和SS50CS50 而言，前期生物炭的生成量較大，現(xiàn)階段孔隙較小，因此仍由三維擴(kuò)散過程來控制，對(duì)于SS20CS80 而言，多孔結(jié)構(gòu)提供了充足的氧氣通道，燃燒過程由化學(xué)組分的燃燒來控制。

根據(jù)我國(guó)煤種的結(jié)渣程度最優(yōu)分割準(zhǔn)則，即采用灰熔點(diǎn)、堿酸比B/A、硅比G、m(SiO2)/m(Al2O3)四個(gè)判別指標(biāo)來預(yù)測(cè)結(jié)渣。其中，堿酸比B/A=[m(Ca)+m(Fe2O3)+m(Na2O)+m(K2O)]/[m(SiO2)+m(Al2O3)+m(TiO2)]，硅比G=[m(SiO2)×100]/[m(SiO2+m(Fe2O3)+m(CaO)+m(MgO)]，判別標(biāo)準(zhǔn)及判別結(jié)果見表7。由表7可知，本研究中采用樣品的結(jié)渣程度都較為嚴(yán)重。在一定程度上，添加CS 可以緩解爐內(nèi)的結(jié)渣。

表7 結(jié)渣程度預(yù)測(cè)Table 7 Slag level prediction

3 結(jié) 論

1）混合樣品的燃燒特性均在兩者之間，在混燃過程中，SS 與CS 相互促進(jìn)，提高整體的燃燒特性，其中混合樣品SS80CS20 的燃燒特性最優(yōu)。這表明污泥比例的增加，不會(huì)對(duì)燃料整體的燃燒特性造成影響。

2）相互作用對(duì)混合樣品的氣體生成有較大的抑制作用。當(dāng)CS 摻混20%時(shí)對(duì)溫室氣體的抑制效果最好，偏差為319.742%；當(dāng)CS 摻混80%時(shí)對(duì)含硫氣體和含氮?dú)怏w的抑制效果最好，偏差分別為636.492%和534.811%。

3）SS 和CS 的質(zhì)均活化能Em分別為51.170 kJ/mol和78.538 kJ/mol，混燃時(shí)SS 可以降低混合樣品的質(zhì)均活化能，協(xié)同作用使得混合樣品的實(shí)際質(zhì)均活化能低于計(jì)算值。

4）相互作用會(huì)改變?nèi)紵^程中的反應(yīng)機(jī)理。SS單獨(dú)燃燒過程中由三維擴(kuò)散過程（D3→D4）主導(dǎo)，CS單獨(dú)燃燒過程由一級(jí)化學(xué)反應(yīng)（F1）控制，混合樣品中前兩個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)模型一致（D3→D1），在第三階段SS80CS20 和SS50CS50 由三維擴(kuò)散過程主導(dǎo)（D3→D1→D3），而SS20CS80 由一級(jí)化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)（D3→D1→F1）。