西藏高原生活垃圾氣化特性研究＊

?？煽?，李 健，陳冠益，，旦 增

（1.山西科技學院環境科學與工程學院，山西 晉城 048000；2.西藏大學生態環境學院，西藏拉薩 850000；3.天津大學環境科學與工程學院，天津 300072）

0 引言

西藏高原是世界上面積最大、海拔最高的高原。作為重要的生態安全屏障，西藏的環境保護對我國的生態安全具有重要的戰略意義。近年來，隨著經濟社會的快速發展，西藏地區生活垃圾清運量逐年增長，生活垃圾的處理處置引起人們的普遍關注［1］。

據統計，西藏自治區生活垃圾清運量已由2011 年的1.73×105t［2］增至2021 年的6.92×105t［3］，年均增長率14.87%。2021 年西藏自治區生活垃圾填埋4.79×105t、焚燒2.11×105t，生活垃圾處理方式仍然以填埋為主［3］。目前西藏自治區有衛生填埋場8 個，日處理能力為1 665 t。生活垃圾填埋處理占用大量土地資源，同時對周邊土壤和地下水造成一定的污染風險［4］。與填埋相比，垃圾焚燒具有減量化、資源化、無害化的優勢，近10 年在我國得到大力發展。全國垃圾焚燒廠由2011 年的109 座增加至2021 年的583 座，垃圾焚燒比例由19.86% 增加至72.55%［2-3］。但多數焚燒廠建于經濟較為發達的東部地區，中西部偏少［5］。西藏目前僅在拉薩有1 座在運營的焚燒廠，處理能力為700 t/d。垃圾焚燒技術雖然得到迅速發展，但也有研究認為由于生活垃圾元素組成特殊、缺乏操作經驗、資金不足、缺乏可靠的監管措施等原因，垃圾焚燒廠存在污染物排放不達標的問題［5］，尤其二惡英的排放引起廣泛關注［6］。西藏自治區地廣人稀，且垃圾收運體系不完善，經濟發展落后，難以支撐建設大規模的垃圾焚燒處理設施。探索規模靈活、清潔可靠的生活垃圾處理方式對實現西藏高原垃圾無害化、資源化具有重要的現實意義。

垃圾氣化是在缺氧條件下（0＜當量比＜1）將垃圾中的有機組分分解為合成氣、焦油和焦炭的熱化學過程，具有規模靈活的優勢［7］，是符合西藏高原生活垃圾特征的極具潛力的處置方式?，F有研究表明，影響氣化過程的因素主要有垃圾含水率、氣化溫度、當量比、停留時間等［8］。王晶博等［9］研究發現隨著含水率增加，氣體組分中CO、CH4含量降低，CO2含量增加，H2先增加后降低，當含水率為39.45% 時氣體組分中H2含量最高。但含水率過高會導致垃圾熱值降低，對氣化裝置的連續穩定運行形成挑戰。氣化溫度升高有利于增加碳轉化率，促進焦油裂解，提高氣體產量。Ozturk 等［10］的研究結果表明，較高的氣化溫度減少了氣體中H2、CH4和CO2的摩爾分數，增加了CO、H2O 和N2的摩爾分數。當量比直接影響氧化反應過程。Zheng 等［11］在固定床反應器上進行生活垃圾氣化實驗，發現當量比從0.2 增加到0.5， H2和CO 的產率分別從16.9% 和24.2% 降低到3.2% 和6.5%，CO2的產率從55.9% 提高到89.0%，合成氣的低位熱值從5.97 MJ/m3顯著降低到1.30 MJ/m3。較長的停留時間能促進焦油裂解提升氣體產率，同時降低焦油中的水分和蠟質成分含量，但是垃圾處理量降低［12］。此外，反應壓力也是氣化過程重要的影響因素，張藤元等［13］利用Aspen Plus 對生活垃圾熱解氣化進行模擬，結果顯示當氣化壓力增大時，H2和CO 產率迅速減小，氣體產率、產氣熱值和氣化效率均呈逐漸下降的趨勢。Wang 等［14］也發現環境壓力越低，越有利于熱解氣體的釋放，木材在高海拔地區更易發生熱解，質量損失率也較高。

西藏海拔高、空氣稀薄的特殊環境，會對氣化過程產生一定影響，目前鮮有高寒高海拔地區垃圾氣化相關研究。本研究根據文獻數據對西藏各地垃圾產生量及分布進行測算，以評估當地的垃圾氣化應用潛力。同時針對氣化過程影響因素，在拉薩（海拔3 650 m）實地開展相關研究，以期為西藏高原垃圾氣化處理提供相關參考。

1 材料與方法

1.1 原料特性

實驗中所用原料根據西藏高原生活垃圾組分特征由廢紙箱、廢塑料瓶（Polyethylene Terephthalate，PET）、紡織物和木竹（一次性筷子）經過粉碎后配制而成，其質量分數分別為46.67%、33.33%、13.33%、6.67%［15］。各組分及混合垃圾的工業分析和元素分析結果見表1。

表1 原料工業分析和元素分析（空氣干燥基）Table 1 Proximate and ultimate analysis of raw material（ad）

1.2 實驗方法

為研究高原條件下生活垃圾氣化影響因素，采取正交實驗法L16（31×43）。4 種影響因素分別為氣化溫度、空氣流速、垃圾含水率和氣化時間，4種因素水平的選取如表2 所示。垃圾含水率的變化通過向干燥垃圾中添加一定質量比例的水進行控制。氣化實驗按照正交表3 中的順序進行，每組實驗重復3 次，以平均值作為最終實驗結果，以減小隨機實驗誤差。

表2 正交實驗因素水平Table 2 Factor level of orthogonal experiment

表3 正交實驗設計Table 3 Design of orthogonal experiment

1.3 實驗系統

氣化實驗在管式爐中進行，主要包括供氣系統、氣化系統和冷凝系統3 部分，該實驗系統裝置如圖1 所示。實驗開始前，先將管式爐升溫至預定溫度，待爐溫穩定后將裝有5 g 混合垃圾的石英舟置于管式爐中間位置，開始計時。反應生成的氣體依次通過2 個浸泡在冰水混合?。? ℃）中的錐形瓶，用于收集氣化焦油，不凝性氣體則通過集氣袋進行收集。待溫度降到室溫后，用二氯甲烷（CH2Cl2）沖洗管路和錐形瓶，收集到的混合液用旋轉蒸發儀進行蒸發，得到反應產生的焦油，并稱量氣化焦和焦油的質量，氣體產物質量通過質量平衡由差減法計算。收集到的氣相產物用氣相色譜儀（Agilent7890A）進行檢測，以確定H2、CO、CO2、CH4等組分含量。

圖1 氣化實驗裝置Figure 1 Setup of gasification experiment

1.4 數據分析

氣化過程主要參數有合成氣熱值、氣體產率和氣化效率，其計算公式見式（1）～式（3）［16-17］。

氣體產率：

式中：Gv為氣體產率，m3/kg；V為燃氣體積，m3；m為燃料質量，kg。

合成氣低位熱值：

式中：LHV 為燃氣低位熱值，kJ/m3；ΦCO、ΦH2、ΦCH4、ΦCnHm分別為CO、H2、CH4、CnHm在合成氣中的體積分數，%。

氣化效率：

式中：η為氣化效率，%；LHVMSW為垃圾低位熱值，kJ/kg。

正交實驗數據分析采用直觀分析法，又叫極差分析法，通過計算每一項因素的極差來判斷各因素對實驗結果的影響程度，并得到最佳因素水平。由于混合正交實驗中各因子水平不同，因此在求極差R時用各因子不同水平的算數平均值取代和值進行計算［18］。

2 結果與討論

2.1 高原生活垃圾氣化三相產物分布

垃圾氣化三相產物質量分布和極差見圖2、表4。由表4 中極差可以看出，固相產物產率影響因素由大到小依次為：氣化時間、氣化溫度、垃圾含水率、空氣流速；液相產物產率影響因素由大到小依次為：空氣流速、氣化時間、垃圾含水率、氣化溫度；氣相產物產率影響因素由大到小依次為：空氣流速、垃圾含水率、氣化時間、氣化溫度。由圖2 可知，隨著氣化溫度的升高，固相產物減少，氣相產物增多，液相產物先減少后增多。主要是溫度升高有利于吸熱反應的進行，促進了焦炭的轉化，同時氣體組分中CO 含量也升高。當氣化溫度由700 ℃增加到800 ℃時，同步促進了焦油的裂解和焦炭氣化，固、液相產物減少而氣相產物增加；但當溫度升高至900 ℃時，液相產物產率變化不大，此時焦炭氣化占據主要作用，氣相產物產率繼續增加；溫度繼續升高至1 000 ℃，氣相產物產率變化較小，此時焦炭主要轉化為可凝性氣體，焦油產率增大。隨著空氣流速的增加，固、液相產率均減小，氣相產率增加。主要是空氣流量的增加增大了氧氣供應，促進了氣化反應的進行，這與空氣流速由100 mL/min 增加到200 mL/min 時，氣體組分中CnHm含量明顯增加一致；當氣流速率繼續增加時，氧化反應加強，CnHm含量減小而CO2含量增加。有文獻表明氣化過程合適的當量比為0.25～0.35［9］。垃圾含水率對氣化產物分布的影響與空氣流速類似，垃圾含水率為10%時的產物分布與干燥垃圾相差不大，隨著含水率的增加，促進了水煤氣反應的進行，但當含水率由20% 增加到30% 時，焦炭的轉化率并未增加，主要是促進了液相產物向氣相產物的轉化。氣化反應時間過短不利于氣化反應完全進行，隨著氣化反應時間的延長，焦炭氣化反應得以持續進行，固相產率減小而氣相產率增加，氣化時間對液相產物產率影響較小。高原氣化參數對三相產物分布的影響規律與平原一致，增加氣化溫度、停留時間和空氣流速均促進了焦炭的減少和氣相產物的增加［19］。高原氣化產物中焦炭產率較低，焦油和氣化氣產率較高，主要是較低的環境壓力促使反應向體積增大方向進行，同時低壓也有利于形成更高的梯度濃度，增大擴散系數，促進了焦炭氣化［20］。

圖2 西藏高原生活垃圾氣化產物分布Figure 2 Distribution of MSW gasification products in Tibet Plateau

表4 固-液-氣三相產率極差Table 4 Range of solid-liquid-syngas product yield

從三相產物質量分布來看，高原生活垃圾氣化的合適條件為氣化溫度800～900 ℃、空氣流速300 mL/min、垃圾含水率20%～30%、氣化反應時間20～30 min，此時固相產率約為8%～11%，液相產率約為24%～28%，氣相產率約為60%～65%。

2.2 高原生活垃圾氣化產氣特征

氣化合成氣組分隨氣化溫度、垃圾含水率、空氣流速和氣化時間的變化以及氣化過程評價指標分別見圖3、表5。

圖3 西藏高原生活垃圾氣化氣組分含量Figure 3 Composition of MSW gasification gas in Tibet Plateau

表5 西藏高原生活垃圾氣化特性指標Table 5 Characteristics of MSW gasification in Tibet Plateau

從圖3 可以看出，隨著氣化溫度從700 ℃升高到1 000 ℃，氣化氣中H2含量從4% 增加到17%，CO 從23% 增加到34%，CH4含量則從8% 減少到5%，CnHm也從25% 減少到9%。主要是由于氣化溫度的升高促進了水煤氣反應和甲烷重整反應的發生，這與固相和液相產率隨溫度升高呈下降趨勢一致。隨著溫度的增加，產氣熱值從4.17 MJ/m3降低至3.83 MJ/m3，呈降低趨勢。由熱值計算公式（2）可知，造成上述現象的主要原因是組分中高熱值組分CnHm的減少。Shayan 等［21］的研究結果也表明氣化氣的熱值隨氣化溫度的升高而降低。

隨著空氣流速的增加，合成氣中高熱值組分增加，合成氣熱值增加。但當空氣流速從200 mL/min 增加到300 mL/min 時，熱值的增加不再明顯，主要是空氣流速的增加促進了氣化反應的進行，同時由于引入了大量的N2，對燃氣中的有效組分也起到了稀釋作用。從實驗結果看，當空氣流速增加到300 mL/min 時，對氣化的促進作用和對可燃氣的稀釋效果已基本相當，但此時的燃氣產率明顯較大。從氣體組分上，當空氣流速從100 mL/min 增加到200 mL/min 時，燃氣中的CnHm顯著增加，此時氣體流量的增加明顯促進了氣化反應進行；但繼續增大到300 mL/min 時，可能由于空氣過量導致氧化反應加強，從而導致CnHm含量降低，CO2含量增加。這與Chen 等［19］的研究結果一致。

增加垃圾含水率后，氣化氣熱值降低，這主要是由垃圾熱值降低所致［19］，同時氣體組分中大分子烴類占比增加，氣化性能下降。在垃圾含水率從10% 增加至30% 的過程中，氣體中的H2和CO 含量先增加后降低，主要是適量的水分有利于水煤氣反應的發生，而過高的水分含量則導致水分蒸發帶走更多熱量使反應物周圍實際反應溫度降低，不利于吸熱反應的進行［20］。Zheng等［22］的研究結果也表明過高的蒸汽/生活垃圾質量比會造成H2、CO 和CH4產率下降，合成氣熱值降低。

隨著氣化反應時間的延長，氣化反應進行的更為充分，氣化氣產率、熱值均大幅增加。從組分看，隨著氣化時間增加，固相、液相產物減少，氣相產物增加，氣化氣中H2含量增加，CO2含量降低。有研究表明高溫下過量的焦碳存在時有利于反應的進行，O2也更容易與碳反應生成CO/CO2，而不是與H2生成H2O［7］，這也與上述結果一致。當氣化時間為30 min 時，合成氣中CO2含量最低，氣化反應進行的較為完全。

從表5 中極差值可以看出，各因素對氣化氣熱值的影響從大到小依次為：氣化時間、垃圾含水率、空氣流速、氣化溫度；對氣體產率的影響從大到小為：氣化時間、空氣流速、氣化溫度、垃圾含水率；對氣化效率的影響依次為：氣化時間、空氣流速、垃圾含水率、氣化溫度。綜合上述結果，高原生活垃圾氣化效果受氣化反應溫度的影響較小，而受氣化時間和空氣流速的影響較大。當氣化溫度800 ℃、氣化時間30 min、氣體流速300 mL/min、垃圾含水率30% 時，氣化氣產率達到2.15 m3/kg，氣體熱值約為6.34 MJ/ m3，此時氣化效率達到最大值79.47%。

3 結論

在高原（拉薩）實地開展了生活垃圾氣化研究，形成以下主要結論：

1）西藏高原生活垃圾氣化過程影響因素重要性由大到小依次為氣化時間、空氣流速、垃圾含水率和氣化溫度。

2）西藏生活垃圾低水分、高熱值的特點，適合進行氣化處理。以5 g 模擬生活垃圾為原料在管式爐進行空氣氣化，得到的優化氣化條件為氣化反應時間20～30 min、空氣流速300 mL/min、垃圾含水率20%～30%、氣化溫度800～900 ℃。此時固、液、氣三相質量分布范圍分別為8%～11%、24%～28% 和60%～65%，合成氣產率可達2.15 m3/kg，氣體熱值約為6.34 MJ/m3，最高氣化效率達到79.47%。