西藏高原村镇垃圾热解气化机理及多环芳烃释放规律研究
随着国家对环境保护的重视，生活垃圾带来的污染问题已经成为青藏高原生态环境研究的热点之一。西藏是青藏高原的主体，随着当地经济社会的发展，西藏自治区生活垃圾清运量已经从2011年的17.3万吨增长到2021年的69.2万吨，年均增长率14.87%，如何安全、高效的处理生活垃圾已经成为当地面临的现实问题。同时，由于西藏地广人稀、垃圾收运距离大，给传统的大规模集中焚烧造成挑战。热解气化具有规模灵活的技术优势，但高原海拔高、气压低的环境特点对热解气化的影响有待研究。针对上述问题，本文以西藏高原村镇垃圾为原料，在拉萨（海拔3650 m）开展了生活垃圾热解气化研究，主要内容及结论如下： （1） 在热重分析平台对村镇垃圾典型组分开展热解特性及动力学分析，结果表明：混合垃圾热失重过程可以分为三个阶段，第一阶段为198℃~383℃，峰值温度352℃，对应木竹和纸板的热解过程；第二阶段为383℃~514℃，峰值温度419℃，对应塑料和纺织物的热解过程。704℃的失重峰对应纸板无机物的分解，质量损失为4.74%。动力学参数计算结果表明塑料热解过程符合1.5级化学反应机理，其他组分的热解过程均符合D3模型机理函数。混合垃圾两个主要热解阶段活化能E分别为121.70 kJ/mol、97.24 kJ/mol，指前因子A分别为9.63×107 min-1和7.95×105 min-1。 （2） 以5g模拟村镇垃圾为原料，在管式炉开展气化研究，发现高原村镇垃圾气化过程各因素的影响规律与平原一致，但重要性不同。高原生活垃圾气化效果受气化温度影响较小，而受反应时间和空气流量影响较大。在本研究条件下，西藏村镇生活垃圾的最优气化条件为反应时间 20~30 min ，空气流量 300 mL/min ，垃圾含水率20%~30%，气化温度800~900℃。此条件下固、液、气三相质量分布为8%~11%、24%~28%和60%~65%，气化气产率可达2.15 Nm3/kg，气体热值6.34 MJ/Nm3，气化效率最高达到79.47%。气化焦油以含氧化合物为主，芳香烃中主要组分为甲苯、联苯、菲、萘及其衍生物，非苯环类芳香烃主要为薁。芳香烃苯环数量以3个及以下为主，在700℃~1000℃，随着温度的升高，单环芳香烃的含量逐渐减少，三环芳香烃含量增加。 （3） 反应条件对高原村镇垃圾气化过程PAHs总毒性当量的影响次序为：反应时间gt;气化温度gt;垃圾含水率gt;空气流量。PAHs在三相产物中的分布为焦油gt;气化焦gt;气化气，占比分别为80%~90%、10%~15%和1%~6%。16种PAHs中，6环PAHs含量最低，2~3环PAHs含量最多，4~5环PAHs对总毒性当量贡献最大。PAHs总毒性当量在温度800℃时最大为42.39μg·g-1，在空气流量300 mL/min时最大为38.71μg·g-1，在30%垃圾含水率时最大为45.54μg·g-1，在反应时间30 min时最大为52.04μg·g-1。 （4） 西藏铜铅锌尾矿和铁尾矿均能有效促进垃圾气化气热值的增加，铜铅锌尾矿的催化效果优于铁尾矿。铜铅锌尾矿在1000℃煅烧后（#1-1000）比表面积达到最大值35.49 m2/g，最佳添加比例为10%时，气化气热值从5.30 MJ/Nm3 增加到6.35 MJ/Nm3 ，提升了19.81%。铁尾矿在900℃煅烧后比表面积达到最大值14.87 m2/g，添加量5%时使气化气热值增加了6.79%。混合垃圾添加尾矿前后热失重曲线在第一失重区间（50℃~362℃）基本重合，在第二失重区间（362℃~500℃）发生分化。#1-1000尾矿的添加使纺织物单独热解的活化能由546.86 kJ/mol显著降低到了254.95 kJ/mol，使混合垃圾在第二温度区间的热解活化能由301.05 kJ/mol降低到293.20 kJ/mol。 本文对高原村镇垃圾典型组分动力学参数计算表明四种组分热解由易到难顺序为：木竹、纸板、塑料、纺织物；气化参数对产物特性的影响规律与平原无明显差异，但由于氧气含量的降低，空气流量的影响大于气化温度。此外，对气化过程PAHs在固、液、气三相中的分布特性进行了系统研究，为村镇垃圾气化过程污染物控制提供借鉴。
生活垃圾;热解气化;动力学参数;多环芳烃
西藏大学
博士
生态学
陈冠益
2023
中文
X799.3;X705
2023-09-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）