1.研究背景

近些年，我国经济飞速发展的同时环境污染防治工作压力倍增，大量固体废弃物的排放带来严重的环境污染问题。热处理技术处置有机固废反应速率快、有害物质分解彻底、减容率高，然而，针对高含水、低热值有机固废，传统热处理技术实施难度大、能耗及经济投入成本高昂。近年来，有国外学者提出利用阴燃原理实现有机废弃物热处置的技术思路。作为一种新型热处理技术，阴燃技术借助多孔介质辅助传质和蓄热，使有机固废自身氧化反应产生的热量足以克服干化和点燃所需热量，继而整个过程无需外界能量即可实现自持续推进，极大地降低了高含水低热值有机固废的处置难度和能耗。国外以往研究已充分验证了阴燃用于处置有机固废的技术可行性及关键工艺参数如多孔介质掺混比例、有机固废含水率（热值）、空气达西流速等对阴燃过程温度分布、反应特性的影响，然而，该技术距离实现实际的工业应用仍有较大差距，有机固废复杂组分特性所带来工艺参数差异、阴燃处置过程污染控制方法及技术、以及规模处置技术等问题仍待研究解决。目前，国内阴燃技术的研究仍主要集中在火灾防治领域，针对有机固废阴燃处置的相关研究仍处于起步阶段。考虑到环境治理任务的紧迫性和重要性，该技术的研究和相关装备的研发对于我国生态文明建设任务的推进具有重要意义。

本实验室于2017年在国内率先发力，自主设计搭建阴燃基础研究实验平台，开展了针对我国典型市政污泥的阴燃处置工艺研究；并于2020年进一步研发用于污泥工业处置的中试装置系统，实现污泥阴燃规模处置的技术验证。相关工作荣获2020年中国“长三角南太湖高层次人才创新创业大赛”总决赛二等奖；相关发明专利列入2020年国家知识产权运营服务体系建设高价值专利组合培育项目获相关支持。

2.主要研究内容

（1）污泥阴燃处置灰渣特性及重金属浸出研究

燃烧过程所产生的灰渣通常进行填埋处理或回收利用，而灰渣的组成特性、尤其是重金属元素的赋存及浸出能力特性关系着其安全处置方法的选择。以往针对污泥处置灰渣特性的相关研究主要基于传统焚烧技术，而其与阴燃处置过程有显著差异。首先，污泥阴燃温度在500 °C左右，低于普遍高于850 °C的传统焚烧技术，而温度差异所带来的无机元素赋存形态差异将对其浸出特性产生直接影响。其次，阴燃过程的传热传质过程与传统燃烧技术有显著不同，阴燃反应过程通过多孔介质表面实现，反应速率较传统燃烧更为温和缓慢，或对无机元素化合物生成过程产生影响。最后，与传统燃烧形式不同，阴燃过程为物料床层内自下而上的动态迁移过程，其对无机元素迁移转化过程产生直接影响。因此，阴燃灰渣特性及重金属浸出研究对于完善阴燃技术应用具有重要意义。

图1. 市政污泥阴燃处置灰渣无机元素赋存形态含量对比示意图

针对本地市政污泥，结合自研实验装置，本实验室研究表明原污泥中Na、K主要是酸可溶态，而阴燃灰和热解焦中可氧化态较多，表明热处理过程中一部分离子态Na、K在污泥有机质热反应过程中转化为有机结合态。相较而言，焚烧过程经历剧烈的氧化反应，因此燃烧灰中可氧化态Na、K（以及Ca、Mg、Al、Fe、P）含量较低；热解反应过程除挥发逃逸的物质外，其余物质均赋存在热解焦中成为有机结合态，因此各元素在热解焦中可氧化态相对于其他样品含量较高。Zn在污泥热解过程中，其赋存形态分布变化不大，而阴燃灰中可氧化态由干污泥中的20.24%降低至4.21%，与此同时酸溶态含量从干污泥中的31.22%提升至45.97%，说明一部分有机结合态Zn通过氧化反应转化为离子交换态Zn；另外，燃烧灰中残渣态由干污泥中的5.55%提升至90.39%，表明有机结合态、铁锰氧化物结合态、酸溶性离子态的Zn在燃烧过程中或通过与Si、Al进一步反应生成残渣态硅铝酸盐（ZnO·Al₂O₃、2ZnO·SiO₂）。阴燃灰中有机结合态Ni占比达14.93%，表明阴燃过程中一部分Ni存留在未燃尽碳中与残碳相结合；阴燃灰中可还原态Ni占比达13.87%，高于干污泥中的7.16%，表明一部分Ni在阴燃过程中与氧化铁结合（NiO·Fe₂O₃）。干污泥、热解焦中的有机结合态Cu含量相对阴燃灰和燃烧灰高（达56.25和41.92%），当处于阴燃或燃烧工况时，这部分Cu极易随挥发分释放而逸散，在氧化氛围下成为CuO，并在高温下进一步与Al、Si、Fe反应生成硅铝酸盐（CuO·Al₂O₃、Cu₆Si₆O₁₈·6H₂O）或氧化铁结合体（CuO·Fe₂O₃）。浸出实验进一步表明相较于污泥热解焦和焚烧灰，阴燃灰中的K、Mg、Ca等植物生长元素更易于析出，而重金属元素浸出量则相对更低，符合填埋处置要求。以上研究成果发表在《Proceedings of the Combustion Institute》。

（2）阴燃灰有机碳含量精确测量方法研究

阴燃灰中的总有机碳含量包括挥发碳组分和未燃尽碳组分，其含量关系着阴燃过程的燃烧反应效率情况，同时是灰渣处置的重要因素之一。以往对于未燃尽碳的测量方法包括热重法和精度较差的烧蚀率法，然而，针对阴燃灰的为燃尽碳测量，传统方法或带来精确性不足的问题。首先，污泥的燃料特性与传统燃料有很大不同，其灰分含量极高，无机碳含量或对有机碳测量产生影响。其次，由于阴燃过程的低温特性（~500°C），导致其未燃尽碳中挥发分含量较高，且无机碳含量未能充分释放。为了进一步实现阴燃灰中有机碳的精确测量，本实验室研究人员开发了一种“两步测量法”。

图2. 阴燃灰有机碳含量测量方法示意图

本实验室研究表明金属网的添加不会对阴燃特征温度曲线即阴燃过程产生显著影响，该方法可以用于相关实验过程中炉内物料的精确收集。通过对>700°C、<700°C阴燃灰分别在空气和氮气气氛下的热重实验研究表明二者失重过程有明显不同。通过对<700°C阴燃灰的微商热重曲线进行高斯分峰处理进一步发现，<700°C阴燃灰中碳的释放分为∼550°C、∼422-430°C和∼311-330°C三个特征段；其中，∼550°C失重量在空气和氮气气氛下几乎相同，表明该温度失重为无机碳的分解释放；在氮气气氛下、∼422-430°C和∼311−330°C的失重表明阴燃灰中存在挥发分有机碳。另外，大颗粒的阴燃灰失重量大于小颗粒的阴燃灰，表明阴燃灰具有明显的非均一性特征，相关影响需在研究中通过前处理予以剔除。通过实验对比验证提出适用于阴燃灰有机碳检测的“两步测试法”。第一步为在氮气气氛、500°C条件下对阴燃灰进行1小时热处理，对原阴燃灰和经过热处理的阴燃灰进行工业分析，并对比二者差值。第二步通过热重在310−500°C对经过热处理的阴燃灰进行氧化处理，得出可氧化的有机碳含量。最终，阴燃灰中的有机碳含量为第一步和第二步测得的有机碳含量之和。以上研究成果发表在《ACS OMEGA》。

（3）污泥阴燃规模处置工艺研究

目前，针对污泥阴燃处置的研究均基于实验室罐式反应器，其规模化处置的实现及研究仍属空白。同时，污泥燃料品质的差异性给规模化处置的最优工况选择带来难题。例如，国外研究表明用于阴燃的污泥其含水率可达80%、热值最低为1.6MJ/kg，其阴燃处置工艺参数为掺沙比>3.3、空气达西流速3.3cm/s。然而，该工艺参数并不能直接应用于实际规模处置过程。其一，我国市政污泥虽然含水率也在70-80%，但污泥干基灰分含量>40%，远高于国外的10-20%，导致其热值远低于1.6MJ/kg，难以达到阴燃处置要求。其二，可以实现阴燃处置的工艺参数未必是最优工艺参数，最优工艺参数应当是可以实现最大污泥处置量的工况条件，而现有研究无法提供相关数据。

图3. 阴燃规模处置实验示意图

本实验室研究人员基于阴燃原理在该领域首次搭建了直径1.2m的中试级污泥阴燃处置装置系统，并针对性的开展适用于本地污泥的阴燃处置最佳工况条件研究。本研究提出阴燃混燃的方法，通过掺入高热值的锯末与污泥进行混合阴燃，达成污泥的阴燃处置。所选择的锯末其特征在于成本低廉，同时，阴燃过程的实现需基于最低的锯末添加量，以降低成本投入的同时确保污泥的高处置率。研究表明，通过掺烧锯末可以成功实现污泥的自持阴燃处置，对于阴燃技术的进一步应用推广意义重大。其次，污泥/锯末的掺混比需满足总投入燃料热值达到1.9MJ/kg，同时，掺沙后系统投入总物料含水率不能高于17.98%时，才能实现本地污泥的阴燃处置。另外，实验表明相同工况条件下规模处置过程所得到的阴燃传播速率和平均峰值温度分别比实验室小型台架小0.06kg/h·m²和47.3°C。最后，污泥/锯末掺混比为5、掺沙比为3时可实现针对本地污泥阴燃处置的最大处置速率，处置能力可达44 kgh·m²。以上研究成果荣获2020年中国“长三角南太湖高层次人才创新创业大赛”总决赛二等奖。

3.主要创新点和贡献

阴燃作为一种有机固废热处置新型技术，从原理上有效克服传统技术难以处置低热值有机固废的问题，为低热值有机固废如市政污泥、餐厨垃圾、油田污泥、禽畜粪便等的科学处置提供了新的思路，极具发展前景。本实验室在国内率先开展相关技术的研究，并在阴燃最佳工艺参数、污染控制方法及技术、以及规模处置等关键技术问题方面展开了有力的探索，并在污泥阴燃规模处置技术及装备研发取得了显著的成效。

（1）通过逐级提取和浸出实验对污泥阴燃灰渣中的常量无机元素如Na、K、Mg、Ca、Al、Fe、P以及重金属元素如As、Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni的赋存形态和浸出特性进行了充分的研究。研究表明污泥的阴燃处置灰渣相较于热解焦和焚烧灰具有更好的K、Mg、Ca浸出特性以及更低的重金属浸出能力，可通过填埋法进行安全处置；无机元素赋存形态对比表明了其在不同热处理过程中的迁移转化路径，间接印证了阴燃过程的化学反应进程随温度的变化特征。

（2）针对污泥阴燃灰渣中挥发有机碳组分和无机碳组分难以区分识别的问题，提出一种新型未燃尽碳精确测量方法。首先在氮气气氛、500°C条件下对阴燃灰进行1小时热处理，对原阴燃灰和经过热处理的阴燃灰进行工业分析，并对比二者差值。其次通过热重在310-500°C对经过热处理的阴燃灰进行氧化处理，得出可氧化的有机碳含量。阴燃灰中的有机碳含量即可通过以上有机碳含量之和精确获得。

（3）通过研制搭建罐式阴燃规模处置装置系统，开展了针对本地市政污泥的阴燃规模处置实验。在该领域首次提出通过添加有机固废燃料进行热值调质并进行阴燃掺烧的方法解决极低热值有机固废的阴燃处置难题，极大地提升了阴燃处置技术应用的推广难度。进一步研究表明，针对我国含水率普遍为80%、干基灰分为40-45%的市政污泥，通过添加~20%的锯末、在掺沙比为3、空气达西流速为3.5cm/s的情况下，即可实现污泥的最佳阴燃处置条件。

4.重要论著及专利