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水热炭化技术是能高效处理含水生物质的可持续化处理技术。近年来，对于生物质废物如污泥、秸秆、微藻、城市有机废物等的水热处理研究日益增多，然而大多数研究主要集中在水热液化制备生物油与水热炭化制备生物炭在土壤改良和吸附剂性能上的应用。缺乏对污泥和农业废物水热炭化能源化利用研究。本文对污泥与农业废物联合水热炭化制备固体燃料过程进行了深入研究。
首先确定了影响水热炭化的主要参数为反应温度和反应时间，通过对比各生物质炭的性能，考察了反应参数对生物质炭燃料性能特征的影响，结果表明，污泥生物质炭燃料高位热值可以提高1.02-1.10倍，固定碳含量最高可达12.24%。而污泥与农业废物生物质炭燃料热值更高，性能可以与低等煤相似，反应温度在260℃以上时生物质炭燃料脱水性能更好，水热炭化还可降低生物质炭中N、S的含量，污泥中的N、S含量最低降至1.12%和0.49%，同时提高生物质炭燃料燃点，提高在处理、储存和运输方面的安全性，建议水热炭化反应温度260℃，反应时间不应超过360分钟。
在了解水热炭化主要参数对生物质炭燃料性质影响的基础上，为进一步提升水热炭化固碳效率，需要了解含碳物质转化途径。因此对污泥和农业废物联合水热炭化过程中含碳物质转化行为进行研究，结果表明，水热炭化过程可以促进原料的脱水反应，提升生物炭中-CHn基团数量，形成长脂肪链碳结构，在260℃下混合生物炭中脱羟基反应程度更高，致使生成更多的脂肪醚。污泥与玉米芯联合水热制备出来的生物质炭石墨化程度高。在水热过程中的含碳物质一方面由链状结构向环状结构转化，另一方面芳香环碳结构的数量由小变大。
为进一步提高水热反应效率，在相同反应环境下拟获得含C量更高的生物质炭，采用两种类型ZSM-5催化剂作为对比考察了其对污泥水热炭化过程的影响，对生物质炭燃料主要性能和含碳物质形态结构进行了分析，结果表明，ZSM-5有助于原料挥发组分的分解过程，使得生物炭燃料中含C量增加，低硅铝比的ZSM-5催化剂在高温下催化效果更好，高硅铝比的ZSM-5催化剂适合在低温下进行反应。ZSM-5催化剂提升了生物质炭燃料的炭化程度，部分生物质炭燃料中O/C、H/C值已经达到了褐煤的所在范围，采用ZSM-5(Si/Al:38)辅助水热反应得到的生物质炭燃料在储存和稳定性方面更好。ZSM-5催化剂促进了污泥在水热过程中的脱羟基反应、去碳酸基反应、水解反应以及环化反应，含碳物质经催化反应易形成芳杂环结构，高硅铝比ZSM-5(Si/Al:300)催化剂辅助水热炭化制备的生物质炭燃料石墨化程度较高。
由于污泥组分复杂，为探究其在水热过程中的转化机理和途径，在以上研究基础上采用污泥中主要有机组分所对应的模型化合物为研究对象，对比研究模型化合物拟合污泥与各模型化合物单独水热炭化过程的机理和途径。结果表明，纤维素是生物炭当中有序碳结构组成的重要因素，ZSM-5(Si/Al:38)催化剂可以促进纤维素中C-(C,H)的解聚过程，此外，ZSM-5可促进污泥在水热炭化过程中的反应效率，降低污泥生物炭平均粒径，建议在260℃条件下采用ZSM-5(Si/Al:38)作催化剂进行水热过程。提出了污泥及其模型化合物纤维素、葡萄糖、木质素、蛋白质在水热炭化过程中的转化过程。
结合以上研究基础，在能量转换方面对污泥与农业废物联合水热炭化过程中能量回收进行了分析，剖析了水热炭化各阶段的质量分布和含碳量分布。结果表明，在260℃下，污泥与玉米芯联合水热炭化制备的生物质炭燃料热值最高，可达22.22MJ/kg。随着反应温度升高，含碳组分逐渐向气相中转移。生物质炭燃料中含水量对能量回收效率有着显著影响，高灰分含量的污泥水热炭化温度应在220℃以上，污泥与农业废物联合水热炭化温度应该在260℃以上。在300℃下，以污泥与玉米芯为原料的生物质炭燃料能量回收率可达到最高值71.60%。
至此，本课题对污泥与农业废物联合水热炭化过程有了更深入的研究，掌握了水热反应参数与生物质炭性质的关系，了解了ZSM-5催化剂对水热炭化的促进作用，同时提出了污泥相关模型化合物以及污泥在水热炭化过程中的转化机理和途径，综合考量了水热炭化过程中的质量、能量平衡过程。该研究为今后生物质在水热炭化过程中的转化研究提供理论依据及指导。同时对推动污泥与农业废物水热处理制备固体燃料能源化利用的进步有重要意义。
首先确定了影响水热炭化的主要参数为反应温度和反应时间，通过对比各生物质炭的性能，考察了反应参数对生物质炭燃料性能特征的影响，结果表明，污泥生物质炭燃料高位热值可以提高1.02-1.10倍，固定碳含量最高可达12.24%。而污泥与农业废物生物质炭燃料热值更高，性能可以与低等煤相似，反应温度在260℃以上时生物质炭燃料脱水性能更好，水热炭化还可降低生物质炭中N、S的含量，污泥中的N、S含量最低降至1.12%和0.49%，同时提高生物质炭燃料燃点，提高在处理、储存和运输方面的安全性，建议水热炭化反应温度260℃，反应时间不应超过360分钟。
在了解水热炭化主要参数对生物质炭燃料性质影响的基础上，为进一步提升水热炭化固碳效率，需要了解含碳物质转化途径。因此对污泥和农业废物联合水热炭化过程中含碳物质转化行为进行研究，结果表明，水热炭化过程可以促进原料的脱水反应，提升生物炭中-CHn基团数量，形成长脂肪链碳结构，在260℃下混合生物炭中脱羟基反应程度更高，致使生成更多的脂肪醚。污泥与玉米芯联合水热制备出来的生物质炭石墨化程度高。在水热过程中的含碳物质一方面由链状结构向环状结构转化，另一方面芳香环碳结构的数量由小变大。
为进一步提高水热反应效率，在相同反应环境下拟获得含C量更高的生物质炭，采用两种类型ZSM-5催化剂作为对比考察了其对污泥水热炭化过程的影响，对生物质炭燃料主要性能和含碳物质形态结构进行了分析，结果表明，ZSM-5有助于原料挥发组分的分解过程，使得生物炭燃料中含C量增加，低硅铝比的ZSM-5催化剂在高温下催化效果更好，高硅铝比的ZSM-5催化剂适合在低温下进行反应。ZSM-5催化剂提升了生物质炭燃料的炭化程度，部分生物质炭燃料中O/C、H/C值已经达到了褐煤的所在范围，采用ZSM-5(Si/Al:38)辅助水热反应得到的生物质炭燃料在储存和稳定性方面更好。ZSM-5催化剂促进了污泥在水热过程中的脱羟基反应、去碳酸基反应、水解反应以及环化反应，含碳物质经催化反应易形成芳杂环结构，高硅铝比ZSM-5(Si/Al:300)催化剂辅助水热炭化制备的生物质炭燃料石墨化程度较高。
由于污泥组分复杂，为探究其在水热过程中的转化机理和途径，在以上研究基础上采用污泥中主要有机组分所对应的模型化合物为研究对象，对比研究模型化合物拟合污泥与各模型化合物单独水热炭化过程的机理和途径。结果表明，纤维素是生物炭当中有序碳结构组成的重要因素，ZSM-5(Si/Al:38)催化剂可以促进纤维素中C-(C,H)的解聚过程，此外，ZSM-5可促进污泥在水热炭化过程中的反应效率，降低污泥生物炭平均粒径，建议在260℃条件下采用ZSM-5(Si/Al:38)作催化剂进行水热过程。提出了污泥及其模型化合物纤维素、葡萄糖、木质素、蛋白质在水热炭化过程中的转化过程。
结合以上研究基础，在能量转换方面对污泥与农业废物联合水热炭化过程中能量回收进行了分析，剖析了水热炭化各阶段的质量分布和含碳量分布。结果表明，在260℃下，污泥与玉米芯联合水热炭化制备的生物质炭燃料热值最高，可达22.22MJ/kg。随着反应温度升高，含碳组分逐渐向气相中转移。生物质炭燃料中含水量对能量回收效率有着显著影响，高灰分含量的污泥水热炭化温度应在220℃以上，污泥与农业废物联合水热炭化温度应该在260℃以上。在300℃下，以污泥与玉米芯为原料的生物质炭燃料能量回收率可达到最高值71.60%。
至此，本课题对污泥与农业废物联合水热炭化过程有了更深入的研究，掌握了水热反应参数与生物质炭性质的关系，了解了ZSM-5催化剂对水热炭化的促进作用，同时提出了污泥相关模型化合物以及污泥在水热炭化过程中的转化机理和途径，综合考量了水热炭化过程中的质量、能量平衡过程。该研究为今后生物质在水热炭化过程中的转化研究提供理论依据及指导。同时对推动污泥与农业废物水热处理制备固体燃料能源化利用的进步有重要意义。