污泥是污水处理的衍生品,其中含有大量的有毒物质,如病原体、激素和重金属等。污泥热处理技术不仅能够最大程度地实现污泥的减量化,还能够实现污泥的资源化利用,更加符合可持续发展的要求。本文基于污泥热处理技术,提出了一种烟气循环式燃煤耦合污泥焚烧发电系统,并对其开展了模拟研究以及实验研究。首先,利用Aspen plus软件对烟气循环式燃煤耦合污泥焚烧发电系统进行了全流程模拟,通过模拟得到了系统热效率、系统总投资、内部收益率和投资回报期等热力学和经济学指标,并与煤粉直燃发电系统进行对比,评估了烟气循环式燃煤耦合污泥焚烧发电系统的可行性。结果表明,虽然烟气循环式燃煤耦合污泥焚烧发电系统的热效率较煤粉直燃发电系统的有所降低,但由于污泥焚烧具有补贴,因此其经济性更好。然后,利用单颗粒燃烧实验台,研究了煤粉颗粒在模拟的烟气循环式燃煤耦合污泥焚烧发电系统的燃烧条件下的燃烧特性,分析了O₂、CO₂和H₂O浓度对煤粉颗粒火焰形态、着火延迟、燃尽时间和燃烧温度的影响规律。结果表明烟煤颗粒的着火模式为单相着火,且燃烧过程可分为挥发分燃烧和半焦燃烧两个阶段。O₂浓度的升高对烟煤颗粒的燃烧起到了促进作用,具体表现在燃烧火焰亮度上升,着火延迟和燃尽时间缩短,燃烧温度上升。相反地,CO₂浓度的上升抑制了烟煤颗粒的燃烧,使其燃烧火焰亮度下降,着火延迟和燃尽时间变长,燃烧温度降低。H₂O浓度的升高会抑制烟煤颗粒挥发分的燃烧,延长了挥发分的燃尽时间并降低了燃烧温度;但是能够促进其半焦的燃烧,缩短了半焦的燃尽时间并提高了燃烧温度。最后,利用热重分析仪研究了含水率对污泥燃烧特性的影响规律,并采用恒温水平管式炉和X荧光光谱分析仪研究了管式炉温度、O₂、CO₂和H₂O浓度对污泥燃烧过程中Mn、Ni、Pb、Zn、Cu和Cr这六种重金属迁徙特性的影响规律。结果表明污泥中含水率的升高会恶化污泥的燃烧,表现在降低污泥的着火指数和综合燃烧特性指数,并提高了污泥燃烧的平均活化能。随着管式炉温度的升高,所研究的六种重金属的残留率均有所降低。随着O₂浓度的升高,Mn和Ni的残留率先增大后减小;Pb、Cu和Cr的残留率逐渐增大;Zn的残留率逐渐减小。CO₂一方面会降低燃烧温度以及半焦的孔隙率,另一方面还会促使重金属亚氧化物向稳定的氧化物转化,因此CO₂浓度提高时,所研究的六种重金属的残留率均有所升高。H₂O一方面会提高半焦的燃烧温度,另一方面还会提高半焦的孔隙率,因此H₂O浓度提高时,所研究的六种重金属的残留率均有所降低。