摘要：研究针对含油污泥热解效率低和产物品质不稳定的问题，探讨惰性气氛下煤矸石炭与含油污泥共热解制备富氢热解气的潜力。研究通过在氮气流下对煤矸石进行400~900℃的热活化处理，制备出不同温度下的煤矸石炭，并将其与含油污泥按一定比例混合后进行共热解实验。研究结果表明，在700℃时，共热解产生的热解气中CO和H2的产率分别达到68.88 g/kg和13.34 g/kg，芳烃质量分数在热解油中高达97.55%，而热解炭的高位热值为3.75 MJ/kg。煤矸石炭的加入显著提高了热解效率和产物品质，尤其是在富氢热解气的生成上。研究为含油污泥的高效资源化利用提供了新策略，具有重要的环境和能源意义。

　　关键词：煤矸石炭；含油污泥；共热解；富氢热解气

　　0引言

　　随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，对废弃含油污泥进行有效处理和资源化利用已成为能源和环境领域的重要课题。含油污泥（oil sludge，OS）作为一种富含有机物的工业废弃物，其热解转化不仅可以实现废物的减量化和无害化，还能回收能源，具有重要的经济和环境价值[1]。然而，传统的热解技术存在热解效率低、产物品质不稳定等问题，限制了其大规模应用。煤矸石（coal gangue，CG）作为一种常见的固体废弃物，含有丰富的矿物组成和潜在的催化特性，其热活化处理生成的煤矸石炭（coal gangue Char，CGC）显示出良好的催化活性。CGC在OS热解过程中可以作为催化剂，促进有机物的分解和气态产物的生成[2]。然而，目前关于CGC与OS共热解的研究还不够深入，尤其是在不同热解温度下CGC对热解产物的影响规律和作用机制尚不明确[3]。本文研究旨在通过惰性气氛下的热活化处理制备CGC，并将其与OS进行共热解，以提高热解效率和产物品质，特别是富氢热解气的生成。研究的创新点在于系统地探讨了不同热解温度下CGC对OS共热解特性的影响，揭示了CGC在共热解过程中的催化作用机制，为优化共热解工艺和提高富氢热解气产率提供了理论依据和技术支持。

　　1基于热活化的CGC制备与OS混合物共热解分析

　　1.1惰性气氛下CGC与富氢热解气的制备

　　煤矸石作为一种常见的工业固体废弃物，具有丰富的矿物组成和潜在的催化特性。通过惰性气氛下的热活化处理，煤矸石可以转化为具有高活性的CGC，进而与OS进行共热解，不仅能够提高热解效率，还能显著改善产物品质，尤其是富氢热解气的生成[4]。在惰性气体环境中，通过对CGC进行热活化处理，并将其与OS联合热解，成功制取富含H2的热解气体。在惰性气体保护下，CGC与OS共热解制取富H2的工艺流程如图1所示。

　　图1中，把CG平整地铺在石英容器里，然后放入管式反应炉中，以200 mL/min的流量持续通入氮气。对CG进行持续60 min的加热处理，之后让其自然冷却至常温，从而获得不同温度处理后的CGC。随后与OS按一定质量比混合均匀，装入固定床反应器中。反应器升温至设定温度后，将炉子移至样品位置启动热解，保持氮气流速为200 mL/min，热解过程持续60 min。在热解过程中，产生的高温蒸汽依次经过两套冷凝装置和两套净化装置，所有冷凝与净化设备均置于冰水混合物中以维持低温环境。其中，无水乙醇用于捕捉蒸汽中的有机化合物，而质量分数为4%的醋酸锌溶液则用于吸收硫化氢。最终气袋收集清洁气体并测量热解气成分。

　　1.2 OS混合物共热解特性分析

　　研究在惰性气氛下通过热活化处理成功制备了CGC，并将其应用于与OS的共热解过程中，以提高热解效率并改善产物品质。接下来分析OS混合物的共热解特性，探讨不同温度下CGC对OS热解行为的影响。研究采用热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）和差示热重分析（differential thermogravimetric analysis，DTG）技术，结合高斯解卷积法，对惰性气氛下CGC与OS混合物的协同热解特性展开分析。实验中将CGC与OS按设定质量比混合后置于热重分析仪中，以10℃/min的升温速率从室温升至900℃,全程通入氮气作为保护气体。高斯解卷积法将复杂的热解过程分解为多个平行反应阶段，从而更精确地描述混合物在不同温度区间内的热解特性[5]。每个解卷积后的峰值对应于混合物中某一特定组分或反应阶段的质量损失速率，其面积则反映了该阶段的总质量损失量。

　　2 CGC与富氢热解气成分与OS混合物共热解特性分析

　　研究通过实验分析惰性气氛下CGC与OS混合物共热解过程中产生的热解气、热解油和热解炭的特性。不同热解温度下热解气、热解油和热解炭的主要成分及特性参数如表1所示。

　　表1中，随着热解温度的升高，CO和H2的产率呈现出明显的增加趋势。例如，从400℃到900℃,CO的产率从3.31 g/kg增加到102.67 g/kg，H2的产率从0.38 g/kg增加到23.88 g/kg。这表明高温有利于促进石油烃的深度裂解，生成更多的小分子气体。在400℃时，热解油中酮类和杂环类化合物质量分数较高，分别达到35.67%和10.89%。然而，随着温度升高至700℃,芳烃质量分数显著增加至97.55%，而其他类型的化合物质量分数大幅减少。在400℃时，热解炭的碳质量分数为27.01wt%，灰分质量分数为65.85%；而在900℃时，碳质量分数为14.53%，灰分质量分数为82.83%。在惰性气氛下，CGC与OS混合物共热解过程中，热解温度对产物的成分和特性具有显著影响。700℃是生产富氢热解气的最佳温度，此时热解气的产率和热值均较高。同时，高温有利于提高热解油中芳烃的含量，改善其品质。此外，热解炭的特性也随温度升高而发生变化，高温促进了有机物的深度裂解，生成更多的焦炭和无机灰粉。OS混合物共热解特性分析结果如图2所示。

　　图2-1中，OS的TG曲线表现出明显的质量损失，尤其是在200℃至400℃之间，质量损失接近60%，这主要是由于OS中挥发性组分的蒸发和热解。相比之下，CGC与OS混合物的TG曲线在相同温度范围内的质量损失较小，约为40%，这表明CGC的存在有助于抑制OS中挥发性组分的释放。随着温度进一步升高至800℃,OS的质量损失趋于稳定，而CGC与OS混合物的质量损失则继续缓慢下降，最终在1 000℃时稳定在约45%左右。这表明CGC在高温下具有较好的热稳定性，能够促进OS中碳质组分的转化，从而提高热解炭的产率。图2-2中，OS主要的质量损失速率峰值出现在约350℃,速率约为60%/min，这与TG曲线中观察到的主要热解阶段相吻合。而对于CGC与OS混合物，DTG曲线显示出两个主要的质量损失速率峰值，分别出现在约300℃和500℃,速率分别约为40%/min和30%/min。这表明CGC的加入导致了OS热解过程的复杂化，由于CGC与OS之间的相互作用，促进了OS中不同组分的分阶段热解。

　　3结论

　　研究旨在通过惰性气氛下CGC与OS的共热解过程，提高热解效率并改善产物品质，尤其是富氢热解气的生成。实验结果表明，随着热解温度的升高，热解气中CO和H2的产率显著增加，其中在900℃时CO的产率达到102.67 g/kg，H2的产率达到23.88 g/kg。同时，热解油中芳烃的质量分数在700℃时达到最高，为97.55%，显示出CGC对OS热解过程中芳构化反应的促进作用。此外，热解炭的HHV在不同温度下有所变化，其中在400℃时最高，为11.28 MJ/kg。CGC的加入显著提高了OS的热解效率和产物品质，尤其是在富氢热解气的生成上。然而，研究对CGC在共热解过程中的催化作用机制的探讨尚不够深入。未来的研究可以进一步探索CGC的催化机理，以实现更高效的能源回收和环境友好的废物处理。

参考文献

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