山東科技大學清潔能源實驗室王翠蘋教授，聯合清華大學能源與動力工程系以及全俄熱工研究所，開展了市政污泥化學結構分析及模型的研究，進行了污泥化學結構在鐵基載氧體表面化學鏈熱解的分子動力學模擬，包括污泥化學結構的分析與構建、鐵基載氧體表面的熱解產物分析，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結構熱解分子動力學模擬

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 土木工程與建筑學院 清潔能源實驗室

2.青島大學 機電工程學院

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

4.清華大學 能源與動力工程系

創新點

1）通過多種分析手段，構建了載氧體分子表面的污泥化學結構的模型，實現載氧體與污泥化學結構間的復雜反應得以在分子層面展開。

2）利用分子動力學模擬，揭示了載氧體促進污泥熱解的反應機理。

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。

研究背景

相較于污泥的傳統處置方式如填埋、摻燒等，化學鏈燃燒技術具有可直接利用高濕污泥，并實現低污染排放的優勢。

目前，對污泥化學鏈燃燒/氣化的研究大多處在產物分布、載氧體性能評估等工況優化的總結和分析，對載氧體表面的污泥熱解及其反應機理的研究報道較少，則分子動力學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污泥的原子構成、化學鍵、官能團等結構信息，構建了具有北方泥質屬性的污泥化學結構。

分別構建了污泥單獨熱解模型和污泥與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物分布，明確了污染性元素S、N的遷移規律。

研究結論

1）不同升溫速率下，污泥獨立熱解的主要熱解產物均為有機氣體，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污泥熱解，使產物中無機氣體、活性基團和輕質焦油的生成數量增加，說明載氧體有效催化了重質焦油的裂解。

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

重要圖表

圖1市政污泥化學結構模型

圖2污泥熱解模型

表1不同升溫速率下各種有機物生成數量

表2 不同熱解溫度下熱解產物分布

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結構熱解分子動力學模擬[J].潔凈煤技術，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，博士生導師，山東科技大學土木工程與建筑學院清潔能源實驗室負責人，中國高等教育學會工程熱物理專委會理事。主要研究領域為：燃煤污染物綜合防治、固體廢棄物熱化學轉化、儲能材料制備及應用。近五年主持國家自然基金面上項目2項、山東省自然基金項目2項、山東省重點研發計劃項目1項，獲得省部級、市級、廳級科學技術獎勵各1項。理論研究方面，對煤焦油化學鏈熱解制備碳黑以及化學鏈重整為燃料油的研究，發現了鐵基載氧體表面碳氫燃料競爭性反應的控制規律，在國際上較早系統化開展重質液相組分化學鏈提質的理論研究；為高濕污泥直接化學鏈氣化制備富氫燃氣的研究奠定了理論基礎。多篇研究成果發表在Energy、Fuel、Chemical Engineering Science等燃燒領域的頂級國際期刊上。