网络首发||杨海平教授团队：城市生活垃圾气化及灰渣结渣特性研究
文摘
科学
2024-10-30 11:00
浙江
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城市生活垃圾(Municipal Solid Waste,MSW)气化技术具有处理量大、经济附加值高等优势，在MSW处理方面具有广泛应用前景。MSW气化产物特性和灰渣生成特性受气化温度和当量比的共同影响。探究MSW气化过程中不同条件对气化产物的影响及其机理，可以提高MSW的气化效率、降低MSW灰渣结渣对机组效率及寿命的影响。本文围绕MSW气化这一热点话题，从MSW气化过程中不同气化条件对固、液、气产物生成特性和灰渣结渣特性的影响两方面分别研究了气化温度和当量比对MSW气化特性的影响，并对其相互作用机理进行了研究，从提高气化产物经济性和降低灰渣结渣倾向两方面提出了适合MSW气化的气化条件，为实际生产中的MSW高效、清洁气化提供了参考。
杨海平，华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室，教授，博导。主要从事生物质、有机固废的热化学转化负碳高质综合利用研究。获得自然科学基金委杰出青年基金、优秀青年基金，英国皇家学会牛顿高级学者基金资助，入选2014—2022爱思唯尔中国高被引学者、2022—2023年斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。获得国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金等省部级以上项目20余项；已在国内外能源领域权威学术刊物上以第一作者和通讯作者发表SCI文章100余篇，合作出版英文专著10部、主编教材2本；10余篇文章入选ESI高引，获得授权专利20余项。现任国际一流学术期刊Fuel Processing Technology副主编，并应邀任Energy Management and Conversion、Fuel、Journal of the Energy Institute、Journal of Analytical and Applied Pyrolysis以及《燃料化学学报》编委；任国际燃烧学会、中国可再生能源学会常务理事。相关成果获得湖北省自然科学一等奖、燃烧国际会议杰出论文奖、全球可再生能源领域最具投资价值的领先技术蓝天奖及中国专利优秀奖。
张雄，华中科技大学副教授，获湖北省杰青，华中科技大学“学术新人”，入选2023年美国斯坦福大学和爱思唯尔数据库发布第六版 《年度全球前2％顶尖科学家榜单》（World’s Top 2% Scientists）。一直致力能源清洁高效利用的基础理论研究和技术开发应用，主要为多孔材料制备、改性及利用，包括：1）催化应用--太阳能利用耦合CO2捕集转化、可再生能源耦合绿氢制备，2）吸附应用--气液固三态污染物捕集与脱除、化学品分离与纯化，3）储能应用--电池、超级电容器、储氢、储热等。主持国家自然科学基金、中国博士后基金等10项科研项目。发表论文60余篇，被引1600余次，授权发明专利26项（美国专利1项），参编教材1部。现任Waste Disposal & Sustainable Energy客座编辑，《过程工程学报》第一届青年编委，《燃料化学学报》学术编辑，中国植物营养与肥料学会-生物炭专业委员会委员，国家生态环境科技帮扶专家，国际燃烧学会、美国化学学会（ACS）等会员。杨若辰1，姜磊1，佟灿2， 宋丽2，岳佳鑫2，张雄1,∗，廖玮1，邵敬爱1,3，杨海平1，张世红1，陈汉平11. 华中科技大学 能源与动力工程学院 煤燃烧与低碳利用全国重点实验室
2. 北京华宇辉煌生态环保科技股份有限公司
3. 华中科技大学 能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
国家自然科学基金资助项目（51976075，52176187）
随着中国城市化进程的推进，城市生活垃圾（Municipal Solid Waste，MSW）的清运量逐年上升。MSW气化因其处理量大、经济附加值高、污染物排放水平低等特点而受到广泛关注。基于此，通过固定床反应器探究了反应温度和当量比（Equivalence Ratio，ER）对MSW气化过程及焦油生成特性的影响规律，研究了不同气化条件下垃圾气化灰渣的结渣倾向以及熔融过程。结果表明，气化温度的升高能够促进MSW分解和焦油的裂解，从而提高了产气率和气化气热值。ER的升高能够在促进焦油转化为醛、酮、酸的同时提升气化气热值，但ER过高会导致含碳气体的氧化，致使气化气热值降低。综合来看，当气化温度为700℃、ER为0.3时，气化气热值达到最大。X射线荧光光谱和灰熔点分析显示，MSW气化灰渣的主要成分是SiO2、Al2O3和CaO，灰渣的半球温度(THT)和流动温度(TFT)随ER的升高而升高。在多种工况下，由于灰渣中碱性氧化物的影响，MSW气化灰渣表现出严重的结渣倾向。随着中国城市化进程的加速，城市生活垃圾(Municipal Solid Waste, MSW)清运量逐年上升。以2022年为例，我国MSW的年清运量达24444.7万t。目前，MSW的主要处理手段以填埋和焚烧为主，其中焚烧垃圾总量高达19502.1万t，卫生填埋量高达3043.2万t。MSW组成复杂，包括厨余垃圾、金属、废塑料、木屑及大量灰渣，直接焚烧MSW会导致生成二噁英等大量有害物质，同时灰渣中的重金属、氯化物和硫化物等也可能造成二次污染。因此，开发新型MSW处理技术，实现MSW资源化利用迫在眉睫。相对于卫生填埋和直接焚烧，MSW气化具有处理量大、经济附加值高、污染物排放水平低等优点，被认为是最具前景的MSW处理技术之一。与单一组分的燃料相比，MSW的构成复杂，其内部不同组分之间的相互作用和整体的气化特性受气化参数的影响较大。探究不同气化工况下的MSW气化特性有利于进一步提升气化技术经济性。QI等通过机器学习发现，气化温度和当量比(Equivalence Ratio，ER)是最重要的影响因素。在针对气化温度的研究中，LIN等基于固定床反应器研究了气化温度对气化气组分的影响，发现随着反应温度的上升，气化气中H2、CH4的产量和碳转化率逐渐上升。CHEN等发现高温条件下水煤气变换(Water-Gas Shift，WGS)反应和蒸汽-甲烷重整(Steam-Methane Reforming，REF)反应的反应速率明显提高，导致气化气中H2、CH4的产量持续上升。SAKURI等通过研究MSW中具有代表性的10种组分各自的气化规律，发现MSW的气化过程主要发生在450~650℃。GU等基于此，对中温条件下MSW的气化特性展开研究，发现气化温度在600~650℃时合成气生成质量最高。同时，ER也是影响MSW气化特性的主要因素，CAI等发现当ER处于0.1~0.3范围内时，ER的增加对气化气有较强的正向作用，而当ER超过0.3后，其作用逐渐减弱。ZHENG等研究发现当ER从0.2增至0.5时，MSW气化气中H2和CO产率明显降低，CO2产率明显升高。现阶段研究多集中于中温气化条件下的气化气生成特性，但随着MSW处理规模的扩大和对MSW处理速度要求的提高，MSW在更高温度、更高ER条件下的气化特性和焦油转化特性研究日益重要，对特定工况下MSW气化特性的研究对现有厂家的生产具有指导意义。与其他燃料相比，MSW的高灰分特性会导致气化过程出现大量气化灰渣堆积，进而导致系统效率和设备寿命下降。研究表明，不同灰渣成分对气化过程结渣特性影响存在差异，根据灰渣成分的不同作用可将其分为碱性氧化物(如Fe2O3、K2O和Na2O等)和酸性氧化物(如SiO2和Al2O3等)两类。VAN等发现酸性氧化物在灰熔融过程中能够形成“骨架”结构，进而提高灰熔点。WEI等将SiO2作为添加剂，研究发现SiO2的适量加入会促进霞石和铝硅酸钙的生成，进而降低灰渣熔点。WANG等重点研究了ER对灰渣中Fe形态的影响，发现弱还原性条件会使灰渣中Fe2+比例提高，进而导致灰渣黏度下降，影响结晶行为和灰渣结构。实际MSW中碱金属、碱土金属盐及其氧化物和其他非金属氧化物的相互作用复杂，仅对模拟MSW中的某一组分开展研究存在局限性，而对实际MSW在不同工况下的气化灰渣熔融及结渣特性开展研究具有更高的工程应用价值。MSW气化特性及灰渣结渣特性是影响气化炉经济性和长期运行可靠性的关键因素。现阶段研究多集中于对单一组分或模化物气化特性的影响，针对实际MSW气化特性及焦油转化特性的研究较少，气化过程焦油转化与气化气生成的交互作用尚未明确。基于MSW处理的实际生产需要，本文选取实际MSW，通过固定床反应器探究了反应温度和ER对MSW气化过程及焦油生成特性的影响规律，并探讨了不同气化条件下垃圾气化灰渣的结渣倾向以及熔融过程，为MSW气化技术的大规模应用及工艺优化提供了理论指导。![]()
图1 实验装置简图
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图2 气化条件对气体组分和热值的影响
杨若辰, 姜磊, 佟灿, 宋丽, 岳佳鑫, 张雄, 廖玮, 邵敬爱, 杨海平, 张世红, 陈汉平. 城市生活垃圾气化及灰渣结渣特性研究[J/OL]. 能源环境保护: 1-11[2024-10-18]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240907.YANG Ruochen, JIANG Lei, TONG Can, SONG Li, YUE Jiaxin, ZHANG Xiong, LIAO Wei, SHAO Jingai, YANG Haiping, ZHANG Shihong, CHEN Hanping. Study on municipal solid waste gasification and ash residue slagging characteristics[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-11[2024-10-18]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240907.
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《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts，CA）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜邵方嫄
审核｜金丽丽
