常可可，李 健，陳冠益，，旦 增

（1.山西科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉城 048000；2.西藏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，西藏拉薩 850000；3.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(tài)安全屏障，西藏的環(huán)境保護(hù)對我國的生態(tài)安全具有重要的戰(zhàn)略意義。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，西藏地區(qū)生活垃圾清運(yùn)量逐年增長，生活垃圾的處理處置引起人們的普遍關(guān)注［1］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，西藏自治區(qū)生活垃圾清運(yùn)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(qū)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(qū)有衛(wèi)生填埋場8 個(gè)，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(shí)對周邊土壤和地下水造成一定的污染風(fēng)險(xiǎn)［4］。與填埋相比，垃圾焚燒具有減量化、資源化、無害化的優(yōu)勢，近10 年在我國得到大力發(fā)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(shù)焚燒廠建于經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的東部地區(qū)，中西部偏少［5］。西藏目前僅在拉薩有1 座在運(yùn)營的焚燒廠，處理能力為700 t/d。垃圾焚燒技術(shù)雖然得到迅速發(fā)展，但也有研究認(rèn)為由于生活垃圾元素組成特殊、缺乏操作經(jīng)驗(yàn)、資金不足、缺乏可靠的監(jiān)管措施等原因，垃圾焚燒廠存在污染物排放不達(dá)標(biāo)的問題［5］，尤其二惡英的排放引起廣泛關(guān)注［6］。西藏自治區(qū)地廣人稀，且垃圾收運(yùn)體系不完善，經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，難以支撐建設(shè)大規(guī)模的垃圾焚燒處理設(shè)施。探索規(guī)模靈活、清潔可靠的生活垃圾處理方式對實(shí)現(xiàn)西藏高原垃圾無害化、資源化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

垃圾氣化是在缺氧條件下（0＜當(dāng)量比＜1）將垃圾中的有機(jī)組分分解為合成氣、焦油和焦炭的熱化學(xué)過程，具有規(guī)模靈活的優(yōu)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。現(xiàn)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(dāng)量比、停留時(shí)間等［8］。王晶博等［9］研究發(fā)現(xiàn)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(dāng)含水率為39.45% 時(shí)氣體組分中H2含量最高。但含水率過高會(huì)導(dǎo)致垃圾熱值降低，對氣化裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行形成挑戰(zhàn)。氣化溫度升高有利于增加碳轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)焦油裂解，提高氣體產(chǎn)量。Ozturk 等［10］的研究結(jié)果表明，較高的氣化溫度減少了氣體中H2、CH4和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)，增加了CO、H2O 和N2的摩爾分?jǐn)?shù)。當(dāng)量比直接影響氧化反應(yīng)過程。Zheng 等［11］在固定床反應(yīng)器上進(jìn)行生活垃圾氣化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比從0.2 增加到0.5， H2和CO 的產(chǎn)率分別從16.9% 和24.2% 降低到3.2% 和6.5%，CO2的產(chǎn)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(shí)間能促進(jìn)焦油裂解提升氣體產(chǎn)率，同時(shí)降低焦油中的水分和蠟質(zhì)成分含量，但是垃圾處理量降低［12］。此外，反應(yīng)壓力也是氣化過程重要的影響因素，張?zhí)僭龋?3］利用Aspen Plus 對生活垃圾熱解氣化進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示當(dāng)氣化壓力增大時(shí)，H2和CO 產(chǎn)率迅速減小，氣體產(chǎn)率、產(chǎn)氣熱值和氣化效率均呈逐漸下降的趨勢。Wang 等［14］也發(fā)現(xiàn)環(huán)境壓力越低，越有利于熱解氣體的釋放，木材在高海拔地區(qū)更易發(fā)生熱解，質(zhì)量損失率也較高。

西藏海拔高、空氣稀薄的特殊環(huán)境，會(huì)對氣化過程產(chǎn)生一定影響，目前鮮有高寒高海拔地區(qū)垃圾氣化相關(guān)研究。本研究根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對西藏各地垃圾產(chǎn)生量及分布進(jìn)行測算，以評估當(dāng)?shù)氐睦鴼饣瘧?yīng)用潛力。同時(shí)針對氣化過程影響因素，在拉薩（海拔3 650 m）實(shí)地開展相關(guān)研究，以期為西藏高原垃圾氣化處理提供相關(guān)參考。

1 材料與方法

1.1 原料特性

實(shí)驗(yàn)中所用原料根據(jù)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(jīng)過粉碎后配制而成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46.67%、33.33%、13.33%、6.67%［15］。各組分及混合垃圾的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。

表1 原料工業(yè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(zhì)量比例的水進(jìn)行控制。氣化實(shí)驗(yàn)按照正交表3 中的順序進(jìn)行，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，以平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以減小隨機(jī)實(shí)驗(yàn)誤差。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 2 Factor level of orthogonal experiment

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 Design of orthogonal experiment

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

氣化實(shí)驗(yàn)在管式爐中進(jìn)行，主要包括供氣系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)和冷凝系統(tǒng)3 部分，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)開始前，先將管式爐升溫至預(yù)定溫度，待爐溫穩(wěn)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(jì)時(shí)。反應(yīng)生成的氣體依次通過2 個(gè)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(jìn)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(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行蒸發(fā)，得到反應(yīng)產(chǎn)生的焦油，并稱量氣化焦和焦油的質(zhì)量，氣體產(chǎn)物質(zhì)量通過質(zhì)量平衡由差減法計(jì)算。收集到的氣相產(chǎn)物用氣相色譜儀（Agilent7890A）進(jìn)行檢測，以確定H2、CO、CO2、CH4等組分含量。

圖1 氣化實(shí)驗(yàn)裝置Figure 1 Setup of gasification experiment

1.4 數(shù)據(jù)分析

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

氣體產(chǎn)率：

式中：Gv為氣體產(chǎn)率，m3/kg；V為燃?xì)怏w積，m3；m為燃料質(zhì)量，kg。

合成氣低位熱值：

式中：LHV 為燃?xì)獾臀粺嶂?，kJ/m3；ΦCO、ΦH2、ΦCH4、ΦCnHm分別為CO、H2、CH4、CnHm在合成氣中的體積分?jǐn)?shù)，%。

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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用直觀分析法，又叫極差分析法，通過計(jì)算每一項(xiàng)因素的極差來判斷各因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度，并得到最佳因素水平。由于混合正交實(shí)驗(yàn)中各因子水平不同，因此在求極差R時(shí)用各因子不同水平的算數(shù)平均值取代和值進(jìn)行計(jì)算［18］。

2 結(jié)果與討論

2.1 高原生活垃圾氣化三相產(chǎn)物分布

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

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

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

從三相產(chǎn)物質(zhì)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(yīng)時(shí)間20～30 min，此時(shí)固相產(chǎn)率約為8%～11%，液相產(chǎn)率約為24%～28%，氣相產(chǎn)率約為60%～65%。

2.2 高原生活垃圾氣化產(chǎn)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(shí)間的變化以及氣化過程評價(jià)指標(biāo)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(biāo)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(jìn)了水煤氣反應(yīng)和甲烷重整反應(yīng)的發(fā)生，這與固相和液相產(chǎn)率隨溫度升高呈下降趨勢一致。隨著溫度的增加，產(chǎn)氣熱值從4.17 MJ/m3降低至3.83 MJ/m3，呈降低趨勢。由熱值計(jì)算公式（2）可知，造成上述現(xiàn)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(jié)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(dāng)空氣流速從200 mL/min 增加到300 mL/min 時(shí)，熱值的增加不再明顯，主要是空氣流速的增加促進(jìn)了氣化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)由于引入了大量的N2，對燃?xì)庵械挠行ЫM分也起到了稀釋作用。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)空氣流速增加到300 mL/min 時(shí)，對氣化的促進(jìn)作用和對可燃?xì)獾南♂屝Ч鸦鞠喈?dāng)，但此時(shí)的燃?xì)猱a(chǎn)率明顯較大。從氣體組分上，當(dāng)空氣流速從100 mL/min 增加到200 mL/min 時(shí)，燃?xì)庵械腃nHm顯著增加，此時(shí)氣體流量的增加明顯促進(jìn)了氣化反應(yīng)進(jìn)行；但繼續(xù)增大到300 mL/min 時(shí)，可能由于空氣過量導(dǎo)致氧化反應(yīng)加強(qiáng)，從而導(dǎo)致CnHm含量降低，CO2含量增加。這與Chen 等［19］的研究結(jié)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(shí)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(yīng)的發(fā)生，而過高的水分含量則導(dǎo)致水分蒸發(fā)帶走更多熱量使反應(yīng)物周圍實(shí)際反應(yīng)溫度降低，不利于吸熱反應(yīng)的進(jìn)行［20］。Zheng等［22］的研究結(jié)果也表明過高的蒸汽/生活垃圾質(zhì)量比會(huì)造成H2、CO 和CH4產(chǎn)率下降，合成氣熱值降低。

隨著氣化反應(yīng)時(shí)間的延長，氣化反應(yīng)進(jìn)行的更為充分，氣化氣產(chǎn)率、熱值均大幅增加。從組分看，隨著氣化時(shí)間增加，固相、液相產(chǎn)物減少，氣相產(chǎn)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(shí)有利于反應(yīng)的進(jìn)行，O2也更容易與碳反應(yīng)生成CO/CO2，而不是與H2生成H2O［7］，這也與上述結(jié)果一致。當(dāng)氣化時(shí)間為30 min 時(shí)，合成氣中CO2含量最低，氣化反應(yīng)進(jìn)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(shí)間、垃圾含水率、空氣流速、氣化溫度；對氣體產(chǎn)率的影響從大到小為：氣化時(shí)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(shí)間、空氣流速、垃圾含水率、氣化溫度。綜合上述結(jié)果，高原生活垃圾氣化效果受氣化反應(yīng)溫度的影響較小，而受氣化時(shí)間和空氣流速的影響較大。當(dāng)氣化溫度800 ℃、氣化時(shí)間30 min、氣體流速300 mL/min、垃圾含水率30% 時(shí)，氣化氣產(chǎn)率達(dá)到2.15 m3/kg，氣體熱值約為6.34 MJ/ m3，此時(shí)氣化效率達(dá)到最大值79.47%。

3 結(jié)論

在高原（拉薩）實(shí)地開展了生活垃圾氣化研究，形成以下主要結(jié)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(shí)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(diǎn)，適合進(jìn)行氣化處理。以5 g 模擬生活垃圾為原料在管式爐進(jìn)行空氣氣化，得到的優(yōu)化氣化條件為氣化反應(yīng)時(shí)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(shí)固、液、氣三相質(zhì)量分布范圍分別為8%～11%、24%～28% 和60%～65%，合成氣產(chǎn)率可達(dá)2.15 m3/kg，氣體熱值約為6.34 MJ/m3，最高氣化效率達(dá)到79.47%。