西藏高原生活垃圾气化特性研究＊

常可可，李 健，陈冠益，，旦 增

（1.山西科技学院环境科学与工程学院，山西 晋城 048000；2.西藏大学生态环境学院，西藏拉萨 850000；3.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072）

0 引言

西藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原。作为重要的生态安全屏障，西藏的环境保护对我国的生态安全具有重要的战略意义。近年来，随着经济社会的快速发展，西藏地区生活垃圾清运量逐年增长，生活垃圾的处理处置引起人们的普遍关注［1］。

据统计，西藏自治区生活垃圾清运量已由2011 年的1.73×105t［2］增至2021 年的6.92×105t［3］，年均增长率14.87%。2021 年西藏自治区生活垃圾填埋4.79×105t、焚烧2.11×105t，生活垃圾处理方式仍然以填埋为主［3］。目前西藏自治区有卫生填埋场8 个，日处理能力为1 665 t。生活垃圾填埋处理占用大量土地资源，同时对周边土壤和地下水造成一定的污染风险［4］。与填埋相比，垃圾焚烧具有减量化、资源化、无害化的优势，近10 年在我国得到大力发展。全国垃圾焚烧厂由2011 年的109 座增加至2021 年的583 座，垃圾焚烧比例由19.86% 增加至72.55%［2-3］。但多数焚烧厂建于经济较为发达的东部地区，中西部偏少［5］。西藏目前仅在拉萨有1 座在运营的焚烧厂，处理能力为700 t/d。垃圾焚烧技术虽然得到迅速发展，但也有研究认为由于生活垃圾元素组成特殊、缺乏操作经验、资金不足、缺乏可靠的监管措施等原因，垃圾焚烧厂存在污染物排放不达标的问题［5］，尤其二恶英的排放引起广泛关注［6］。西藏自治区地广人稀，且垃圾收运体系不完善，经济发展落后，难以支撑建设大规模的垃圾焚烧处理设施。探索规模灵活、清洁可靠的生活垃圾处理方式对实现西藏高原垃圾无害化、资源化具有重要的现实意义。

垃圾气化是在缺氧条件下（0＜当量比＜1）将垃圾中的有机组分分解为合成气、焦油和焦炭的热化学过程，具有规模灵活的优势［7］，是符合西藏高原生活垃圾特征的极具潜力的处置方式。现有研究表明，影响气化过程的因素主要有垃圾含水率、气化温度、当量比、停留时间等［8］。王晶博等［9］研究发现随着含水率增加，气体组分中CO、CH4含量降低，CO2含量增加，H2先增加后降低，当含水率为39.45% 时气体组分中H2含量最高。但含水率过高会导致垃圾热值降低，对气化装置的连续稳定运行形成挑战。气化温度升高有利于增加碳转化率，促进焦油裂解，提高气体产量。Ozturk 等［10］的研究结果表明，较高的气化温度减少了气体中H2、CH4和CO2的摩尔分数，增加了CO、H2O 和N2的摩尔分数。当量比直接影响氧化反应过程。Zheng 等［11］在固定床反应器上进行生活垃圾气化实验，发现当量比从0.2 增加到0.5， H2和CO 的产率分别从16.9% 和24.2% 降低到3.2% 和6.5%，CO2的产率从55.9% 提高到89.0%，合成气的低位热值从5.97 MJ/m3显著降低到1.30 MJ/m3。较长的停留时间能促进焦油裂解提升气体产率，同时降低焦油中的水分和蜡质成分含量，但是垃圾处理量降低［12］。此外，反应压力也是气化过程重要的影响因素，张藤元等［13］利用Aspen Plus 对生活垃圾热解气化进行模拟，结果显示当气化压力增大时，H2和CO 产率迅速减小，气体产率、产气热值和气化效率均呈逐渐下降的趋势。Wang 等［14］也发现环境压力越低，越有利于热解气体的释放，木材在高海拔地区更易发生热解，质量损失率也较高。

西藏海拔高、空气稀薄的特殊环境，会对气化过程产生一定影响，目前鲜有高寒高海拔地区垃圾气化相关研究。本研究根据文献数据对西藏各地垃圾产生量及分布进行测算，以评估当地的垃圾气化应用潜力。同时针对气化过程影响因素，在拉萨（海拔3 650 m）实地开展相关研究，以期为西藏高原垃圾气化处理提供相关参考。

1 材料与方法

1.1 原料特性

实验中所用原料根据西藏高原生活垃圾组分特征由废纸箱、废塑料瓶（Polyethylene Terephthalate，PET）、纺织物和木竹（一次性筷子）经过粉碎后配制而成，其质量分数分别为46.67%、33.33%、13.33%、6.67%［15］。各组分及混合垃圾的工业分析和元素分析结果见表1。

表1 原料工业分析和元素分析（空气干燥基）Table 1 Proximate and ultimate analysis of raw material（ad）

1.2 实验方法

为研究高原条件下生活垃圾气化影响因素，采取正交实验法L16（31×43）。4 种影响因素分别为气化温度、空气流速、垃圾含水率和气化时间，4种因素水平的选取如表2 所示。垃圾含水率的变化通过向干燥垃圾中添加一定质量比例的水进行控制。气化实验按照正交表3 中的顺序进行，每组实验重复3 次，以平均值作为最终实验结果，以减小随机实验误差。

表2 正交实验因素水平Table 2 Factor level of orthogonal experiment

表3 正交实验设计Table 3 Design of orthogonal experiment

1.3 实验系统

气化实验在管式炉中进行，主要包括供气系统、气化系统和冷凝系统3 部分，该实验系统装置如图1 所示。实验开始前，先将管式炉升温至预定温度，待炉温稳定后将装有5 g 混合垃圾的石英舟置于管式炉中间位置，开始计时。反应生成的气体依次通过2 个浸泡在冰水混合浴（0 ℃）中的锥形瓶，用于收集气化焦油，不凝性气体则通过集气袋进行收集。待温度降到室温后，用二氯甲烷（CH2Cl2）冲洗管路和锥形瓶，收集到的混合液用旋转蒸发仪进行蒸发，得到反应产生的焦油，并称量气化焦和焦油的质量，气体产物质量通过质量平衡由差减法计算。收集到的气相产物用气相色谱仪（Agilent7890A）进行检测，以确定H2、CO、CO2、CH4等组分含量。

图1 气化实验装置Figure 1 Setup of gasification experiment

1.4 数据分析

气化过程主要参数有合成气热值、气体产率和气化效率，其计算公式见式（1）～式（3）［16-17］。

气体产率：

式中：Gv为气体产率，m3/kg；V为燃气体积，m3；m为燃料质量，kg。

合成气低位热值：

式中：LHV 为燃气低位热值，kJ/m3；ΦCO、ΦH2、ΦCH4、ΦCnHm分别为CO、H2、CH4、CnHm在合成气中的体积分数，%。

气化效率：

式中：η为气化效率，%；LHVMSW为垃圾低位热值，kJ/kg。

正交实验数据分析采用直观分析法，又叫极差分析法，通过计算每一项因素的极差来判断各因素对实验结果的影响程度，并得到最佳因素水平。由于混合正交实验中各因子水平不同，因此在求极差R时用各因子不同水平的算数平均值取代和值进行计算［18］。

2 结果与讨论

2.1 高原生活垃圾气化三相产物分布

垃圾气化三相产物质量分布和极差见图2、表4。由表4 中极差可以看出，固相产物产率影响因素由大到小依次为：气化时间、气化温度、垃圾含水率、空气流速；液相产物产率影响因素由大到小依次为：空气流速、气化时间、垃圾含水率、气化温度；气相产物产率影响因素由大到小依次为：空气流速、垃圾含水率、气化时间、气化温度。由图2 可知，随着气化温度的升高，固相产物减少，气相产物增多，液相产物先减少后增多。主要是温度升高有利于吸热反应的进行，促进了焦炭的转化，同时气体组分中CO 含量也升高。当气化温度由700 ℃增加到800 ℃时，同步促进了焦油的裂解和焦炭气化，固、液相产物减少而气相产物增加；但当温度升高至900 ℃时，液相产物产率变化不大，此时焦炭气化占据主要作用，气相产物产率继续增加；温度继续升高至1 000 ℃，气相产物产率变化较小，此时焦炭主要转化为可凝性气体，焦油产率增大。随着空气流速的增加，固、液相产率均减小，气相产率增加。主要是空气流量的增加增大了氧气供应，促进了气化反应的进行，这与空气流速由100 mL/min 增加到200 mL/min 时，气体组分中CnHm含量明显增加一致；当气流速率继续增加时，氧化反应加强，CnHm含量减小而CO2含量增加。有文献表明气化过程合适的当量比为0.25～0.35［9］。垃圾含水率对气化产物分布的影响与空气流速类似，垃圾含水率为10%时的产物分布与干燥垃圾相差不大，随着含水率的增加，促进了水煤气反应的进行，但当含水率由20% 增加到30% 时，焦炭的转化率并未增加，主要是促进了液相产物向气相产物的转化。气化反应时间过短不利于气化反应完全进行，随着气化反应时间的延长，焦炭气化反应得以持续进行，固相产率减小而气相产率增加，气化时间对液相产物产率影响较小。高原气化参数对三相产物分布的影响规律与平原一致，增加气化温度、停留时间和空气流速均促进了焦炭的减少和气相产物的增加［19］。高原气化产物中焦炭产率较低，焦油和气化气产率较高，主要是较低的环境压力促使反应向体积增大方向进行，同时低压也有利于形成更高的梯度浓度，增大扩散系数，促进了焦炭气化［20］。

图2 西藏高原生活垃圾气化产物分布Figure 2 Distribution of MSW gasification products in Tibet Plateau

表4 固-液-气三相产率极差Table 4 Range of solid-liquid-syngas product yield

从三相产物质量分布来看，高原生活垃圾气化的合适条件为气化温度800～900 ℃、空气流速300 mL/min、垃圾含水率20%～30%、气化反应时间20～30 min，此时固相产率约为8%～11%，液相产率约为24%～28%，气相产率约为60%～65%。

2.2 高原生活垃圾气化产气特征

气化合成气组分随气化温度、垃圾含水率、空气流速和气化时间的变化以及气化过程评价指标分别见图3、表5。

图3 西藏高原生活垃圾气化气组分含量Figure 3 Composition of MSW gasification gas in Tibet Plateau

表5 西藏高原生活垃圾气化特性指标Table 5 Characteristics of MSW gasification in Tibet Plateau

从图3 可以看出，随着气化温度从700 ℃升高到1 000 ℃，气化气中H2含量从4% 增加到17%，CO 从23% 增加到34%，CH4含量则从8% 减少到5%，CnHm也从25% 减少到9%。主要是由于气化温度的升高促进了水煤气反应和甲烷重整反应的发生，这与固相和液相产率随温度升高呈下降趋势一致。随着温度的增加，产气热值从4.17 MJ/m3降低至3.83 MJ/m3，呈降低趋势。由热值计算公式（2）可知，造成上述现象的主要原因是组分中高热值组分CnHm的减少。Shayan 等［21］的研究结果也表明气化气的热值随气化温度的升高而降低。

随着空气流速的增加，合成气中高热值组分增加，合成气热值增加。但当空气流速从200 mL/min 增加到300 mL/min 时，热值的增加不再明显，主要是空气流速的增加促进了气化反应的进行，同时由于引入了大量的N2，对燃气中的有效组分也起到了稀释作用。从实验结果看，当空气流速增加到300 mL/min 时，对气化的促进作用和对可燃气的稀释效果已基本相当，但此时的燃气产率明显较大。从气体组分上，当空气流速从100 mL/min 增加到200 mL/min 时，燃气中的CnHm显著增加，此时气体流量的增加明显促进了气化反应进行；但继续增大到300 mL/min 时，可能由于空气过量导致氧化反应加强，从而导致CnHm含量降低，CO2含量增加。这与Chen 等［19］的研究结果一致。

增加垃圾含水率后，气化气热值降低，这主要是由垃圾热值降低所致［19］，同时气体组分中大分子烃类占比增加，气化性能下降。在垃圾含水率从10% 增加至30% 的过程中，气体中的H2和CO 含量先增加后降低，主要是适量的水分有利于水煤气反应的发生，而过高的水分含量则导致水分蒸发带走更多热量使反应物周围实际反应温度降低，不利于吸热反应的进行［20］。Zheng等［22］的研究结果也表明过高的蒸汽/生活垃圾质量比会造成H2、CO 和CH4产率下降，合成气热值降低。

随着气化反应时间的延长，气化反应进行的更为充分，气化气产率、热值均大幅增加。从组分看，随着气化时间增加，固相、液相产物减少，气相产物增加，气化气中H2含量增加，CO2含量降低。有研究表明高温下过量的焦碳存在时有利于反应的进行，O2也更容易与碳反应生成CO/CO2，而不是与H2生成H2O［7］，这也与上述结果一致。当气化时间为30 min 时，合成气中CO2含量最低，气化反应进行的较为完全。

从表5 中极差值可以看出，各因素对气化气热值的影响从大到小依次为：气化时间、垃圾含水率、空气流速、气化温度；对气体产率的影响从大到小为：气化时间、空气流速、气化温度、垃圾含水率；对气化效率的影响依次为：气化时间、空气流速、垃圾含水率、气化温度。综合上述结果，高原生活垃圾气化效果受气化反应温度的影响较小，而受气化时间和空气流速的影响较大。当气化温度800 ℃、气化时间30 min、气体流速300 mL/min、垃圾含水率30% 时，气化气产率达到2.15 m3/kg，气体热值约为6.34 MJ/ m3，此时气化效率达到最大值79.47%。

3 结论

在高原（拉萨）实地开展了生活垃圾气化研究，形成以下主要结论：

1）西藏高原生活垃圾气化过程影响因素重要性由大到小依次为气化时间、空气流速、垃圾含水率和气化温度。

2）西藏生活垃圾低水分、高热值的特点，适合进行气化处理。以5 g 模拟生活垃圾为原料在管式炉进行空气气化，得到的优化气化条件为气化反应时间20～30 min、空气流速300 mL/min、垃圾含水率20%～30%、气化温度800～900 ℃。此时固、液、气三相质量分布范围分别为8%～11%、24%～28% 和60%～65%，合成气产率可达2.15 m3/kg，气体热值约为6.34 MJ/m3，最高气化效率达到79.47%。