山东科技大学王翠苹教授：基于铁基载氧体的污泥化学结构热解分子动力学模拟

山东科技大学清洁能源实验室王翠苹教授，联合清华大学能源与动力工程系以及全俄热工研究所，开展了市政污泥化学结构分析及模型的研究，进行了污泥化学结构在铁基载氧体表面化学链热解的分子动力学模拟，包括污泥化学结构的分析与构建、铁基载氧体表面的热解产物分析，并分析了S、N等污染性元素的迁移路径。

基于铁基载氧体的污泥化学结构热解分子动力学模拟

王翠苹1，梁文政1，王 坤2，GEORGY Ryabov3，赵荣洋1，单明玄1，岳光溪1,4

1.山东科技大学 土木工程与建筑学院 清洁能源实验室

2.青岛大学 机电工程学院

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

4.清华大学 能源与动力工程系

创新点

1）通过多种分析手段，构建了载氧体分子表面的污泥化学结构的模型，实现载氧体与污泥化学结构间的复杂反应得以在分子层面展开。

2）利用分子动力学模拟，揭示了载氧体促进污泥热解的反应机理。

3）确定了污染性元素S、N的迁移路径，为污染物生成的抑制奠定基础。

研究背景

相较于污泥的传统处置方式如填埋、掺烧等，化学链燃烧技术具有可直接利用高湿污泥，并实现低污染排放的优势。

目前，对污泥化学链燃烧/气化的研究大多处在产物分布、载氧体性能评估等工况优化的总结和分析，对载氧体表面的污泥热解及其反应机理的研究报道较少，则分子动力学模拟的研究具有意义，并助于理解氮硫污染物的生成和迁移路径。

研究内容

通过元素分析、XPS、13C-NMR等多种分析手段，获得了青岛市某市政污水处理厂所产污泥的原子构成、化学键、官能团等结构信息，构建了具有北方泥质属性的污泥化学结构。

分别构建了污泥单独热解模型和污泥与AlFeO3载氧体共热解模型，比较分析了模型在不同升温速率、不同热解温度下的热解产物分布，明确了污染性元素S、N的迁移规律。

研究结论

1）不同升温速率下，污泥独立热解的主要热解产物均为有机气体，过高的升温速率不利于污泥热解。

2）热解温度升高和载氧体的存在会促进污泥热解，使产物中无机气体、活性基团和轻质焦油的生成数量增加，说明载氧体有效催化了重质焦油的裂解。

3）N元素主要迁移至重质焦油中，还存在于焦炭和活性自由基团中，在后续燃烧中，N进入燃料型NOx。不同升温速率对 S 元素的最终形态影响不大，S元素主要转移到轻质焦油中或进入H2S气体，参与后续燃烧。载氧体的存在促使 N 元素迁移至活性基团中，活性基团与热解的中间产物反应生成 NO，但铁基载氧体同时会促进NO分解，部分还原为N2，降低了后续燃烧中NOx的生成。

重要图表

图1市政污泥化学结构模型

图2污泥热解模型

表1不同升温速率下各种有机物生成数量

表2 不同热解温度下热解产物分布

引用格式：

王翠苹，梁文政，王坤，等.基于铁基载氧体的污泥化学结构热解分子动力学模拟[J].洁净煤技术，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.

作者简介

王翠苹，博士，教授，博士生导师，山东科技大学土木工程与建筑学院清洁能源实验室负责人，中国高等教育学会工程热物理专委会理事。主要研究领域为：燃煤污染物综合防治、固体废弃物热化学转化、储能材料制备及应用。近五年主持国家自然基金面上项目2项、山东省自然基金项目2项、山东省重点研发计划项目1项，获得省部级、市级、厅级科学技术奖励各1项。理论研究方面，对煤焦油化学链热解制备碳黑以及化学链重整为燃料油的研究，发现了铁基载氧体表面碳氢燃料竞争性反应的控制规律，在国际上较早系统化开展重质液相组分化学链提质的理论研究；为高湿污泥直接化学链气化制备富氢燃气的研究奠定了理论基础。多篇研究成果发表在Energy、Fuel、Chemical Engineering Science等燃烧领域的顶级国际期刊上。