污泥衍生水热炭与煤共气化协同增效机制及其对合成气品质与灰分调控的研究

针对污泥高灰分制约能源化利用及化石燃料依赖问题，研究人员创新性地采用水热碳化(HTC)预处理污水污泥获得水热炭(HC)，系统研究其与SH煤在CO2氛围下的共气化特性。通过优化HC/煤配比(25wt%)与温度(950°C)，实现灰分降低至21.32%、合成气低位热值提升至8.49 MJ/Nm3，揭示了Boudouard反应与水煤气变换反应对CO/H2生成的调控机制，为污泥资源化与清洁能源生产提供新策略。

　　

随着全球能源需求预计在2040年前增长28%，污水污泥(SS)年产量将达13亿吨，其高水分(80%)、高灰分(35-65%)的特性严重制约传统处置方式。国际能源署(IEA)指出，必须开发兼顾能源回收与CO₂减排的技术路径。江苏慧能环保科技有限公司联合研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过水热碳化(HTC)将SS转化为水热炭(HC)，创新性地与SH煤进行CO₂共气化，系统探究了配比与温度对合成气品质的影响机制。

研究采用高压反应釜(HT-250 J0)进行HTC预处理，通过元素分析仪测定原料特性，在固定床反应器中进行气化实验，利用气相色谱分析合成气组分，结合热重分析揭示反应动力学。通过调控HC/煤比例(0-100wt%)和温度(800-950°C)，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征官能团演变。

基本性质
原料分析显示SH煤具有高固定碳(77.22%)而HC富含挥发分(58.34%)，二者混合可互补特性。HTC预处理使SS灰分从52%降至39%，显著改善气化性能。

温度依赖效应
950°C时25%HC混合比实现最佳平衡：灰分降低至21.32%，合成气低位热值达8.49 MJ/Nm³。CO浓度随温度从16%(800°C)跃升至59%(950°C)，归因于CO₂氛围促进Boudouard反应(C+CO₂→2CO)。H₂含量随HC比例增至58%，源于HC中有机质热裂解产氢。

反应机制
气相产物分布证实水煤气变换反应(CO+H₂O→CO₂+H₂)的关键作用。但HC比例超过25%会导致多环芳烃(PAHs)增加，揭示能源转化与焦油生成的权衡关系。

结论
该研究确立了HC-煤共气化的协同机制：HTC预处理有效克服SS固有缺陷，25%HC配比在950°C下实现能源转化效率最大化。CO₂作为气化剂避免N₂稀释，使合成气热值提升21%。研究成果为"以废减碳"提供技术范式，推动污水厂从耗能单元转向能源生产中心。后续研究可聚焦Fe₂O₃等催化剂对PAHs的抑制效应，进一步优化工艺经济性。