房科靖，熊祖鸿，鲁敏，等：垃圾衍生燃料的制备、热转化特性及应用研究进展

Kerdsuwan等建立了一种新型的液压热压机设计和制造技术，新设计的锁定板系统通过滑块沿成对水平槽打开和关闭，可以缩短制造过程的周期，提高生产率，达到在不使用任何黏结剂的情况下生产出高质量的RDF。Bialowiec等首次论述了从生活垃圾中获得碳化垃圾衍生燃料（CRDF）造粒的可行性，发现实验室规模生产的CRDF球团，压力范围为8.5~76.2MPa。当球团压力达到50.8MPa的阈值时，产生的抗压强度球团从0.06MPa增加到3.44MPa，高于该阈值时，没有显著改善，在50.8MPa的CRDF颗粒中添加10%的黏合剂或在其上包覆黏合剂均不会显著改善抗压强度。Punin等在泰国Phitsanulok垃圾填埋场进行机械生物处理后的固体废物作为垃圾衍生燃料（RDF-5）的可行性研究，经机械生物处理后，尺寸大于40mm的固体废物热值为33.8MJ/kg，重金属的含量在标准限值内，因此，尺寸大于40mm的机械生物处理固体废物具有用作RDF-5的潜力。Zaman等利用生物干燥技术将城市生活垃圾转化为RDF，研究是在实验室规模上使用生物干燥反应器进行的。生物干燥过程以6L/min的气流速度进行，第三天最高温度达到60℃，第21天的含水量为32.65%，最终RDF热值为6102.82cal/g（1cal=4.19J）。Grzesik等基于生命周期评估方法，采用EASETECH模型，确定和评估波兰克拉科夫一家机械生物废物处理厂从混合城市废物中生产垃圾衍生燃料（RDF）所造成的潜在环境影响。Jewiarz等对RDF球团生产进行了全面研究，提供了影响颗粒质量的关键因素（例如密度和耐久性），RDF组分可以使用常规设备压实成球团，鉴于温度起着关键作用，必须使用特殊模具，这确保生产的颗粒具有高耐久性和堆积密度，类似于生物质颗粒。

RDF的制备工艺可分为简易、干燥成型和外加添加剂的制备工艺。简易制备工艺主要在美国研发和应用，生活垃圾经过简单分选和两次破碎，与原生活垃圾相比具有不含大件垃圾和无机物、粒度比较均匀和有利于稳定燃烧等优点，但不宜长期储存和长途运输，易于发酵产生沼气和恶臭；干燥成型制备工艺是由美国和欧洲一些国家开发，生活垃圾经破碎、分选、干燥和高压成型等加工工序，具有适于长期储存、长途运输、性能较稳定等优点，但不易将城市生活垃圾中的厨余除去、干燥后短时间内较稳定，长时间储存后易吸湿受潮；外加添加剂制备工艺以瑞士的卡特热公司的J-carerl法为代表，J-carerl法的制备工艺的特点是先将含有厨余、无机物的生活垃圾进行破碎，然后将金属、无机物分选除去，在余下的可燃生活垃圾中加入垃圾量3％～5％的生石灰（CaO）进行化学处理，最后进行中压成型和干燥得到尺寸为 Φ (10～20)mm×(20～80)mm圆柱状，其热值为14000～21000kJ/kg的RDF。该法具有诸多优点：①RDF可长期储存不发臭，燃烧时NO _x 、HCl和SO _x 的量少，并抑制了二英的产生；②RDF成型时不需高压设备；③干燥机可小型化，设备投资少，J-carerl 法在日本札幌市和小山町等地分别建成处理能力200t/d和150t/d的RDF加工厂。

RDF的制备成型设备主要包括对辊成型、冷压成型和活塞钢模等，制备工艺主要包括简易、干燥成型和外加添加剂的制备工艺，对于RDF制备工艺的参数研究主要集中在含水率、成型压强以及物料粒径。热值等方面，由于不同研究所用原材料及RDF成型设备和工艺差异较大，导致相关工艺参数的最佳范围差距较大，可根据RDF的应用领域，选择最适合的制备工艺。目前，由于国内生活垃圾成分与国外差异较大，部分地区实施垃圾分类，绝大多数工艺流程相对复杂，生产和制作成本较高，国内没有形成统一的工艺流程和标准。

RDF中含有大量的氯元素，氯元素是二恶英、氯化氢等污染物合成的前体物，焚烧过程中氯元素的释放和转移规律将大大影响RDF的推广使用，赵鹏着眼于研究焚烧RDF的固氯特性，在1200~1250℃的燃烧温度下，添加固氯剂后的RDF能够达到较高的固氯效率，降低了酸性气体对设备的腐蚀。随后，闫晶晶等对RDF燃烧过程中氯的释放及脱除做了研究，分析表明RDF样品中含有的氯多为无机氯，且氯的释放率基本上随燃烧温度的升高而增大，氧化钙的添加可以达到脱除PVC中氯的效果，且最佳钙氯比为3。同时，李延吉等研究了RDF流化床焚烧污染物排放特性，发现RDF成分中随着塑料含量的增加，CO质量浓度减少，SO ₂ 质量浓度缓慢增加，最佳污染控制工况为：含25%~35%塑料的RDF，床温为850℃，炉膛出口氧质量分数为11%，CaO质量分数为5%。

RDF焚烧可能会带来NOx浓度的变化，宋政刚利用管式炉对富氧环境下燃烧污染物排放特性进行了研究，结果表明：NO的生成主要集中在燃烧前期，温度大于700℃和氧浓度大于60%时，NO瞬时浓度峰值突增。Kobyashi等为了解释RDF的燃烧行为，在流化床锅炉中焚烧了几种不同类型的RDF，并在稳态条件下进行了燃烧试验，发现随着RDF进料量的增加，烟气中的CO浓度显著增加，而随着空气比的增加，CO浓度降低，二次空气喷射比和空气分配比对CO浓度也有显著影响，同时随着RDF中钙组分比例的增加，燃料中N元素转化为NO _x 的转化率增加，因为氧化钙促进了NO的催化生成。另一方面，HCl浓度随着钙组分比例的增加而降低。

热分析方法是常见的燃料分析方法，赵凯峰等利用热分析方法研究垃圾衍生燃料（RDF）和垃圾衍生燃料炭化物（cRDF）的燃烧特性，分析RDF和cRDF的燃烧TG-DTG曲线，研究表明，cRDF发热量比RDF高34%～43%，但由于挥发分含量较低，燃烧性能不及RDF，因此cRDF作为燃料时应和其他燃料配合使用，以改善其着火性能。Azam等通过热重分析研究了化石燃料（煤）和RDF的燃烧特性，比较它们的热分解行为，RDF样品的热值与煤接近，利用获得的热数据，采用不同反应机理的Arrhenius和Coats-Redfern模型计算动力学参数。发现燃料的活化能顺序为煤>RDF，从模型中发现的活化能值之间的百分比差异在4.1%~26.5%之间。

Costa等通过实验和数值技术对RDF燃烧室中发生的现象进行表征，对意大利中部垃圾焚烧发电厂的计算流体力学模型进行了评估和验证，该模型可详细描述燃烧产物的温度和停留时间，以验证焚烧厂二英生成的现行法规是否符合要求。Akdag等研究土耳其两种RDF样品的热特性和共燃效率，研究发现，干基RDF样品的热值与煤接近，分析表明，当混合气中的RDF高于10% 时，烟气中的CO浓度增加，燃烧效率降低；此外，燃烧特性由煤焦燃烧转变为挥发分燃烧。然而，向燃料混合物中添加RDF降低了SO ₂ 排放，并且没有改变NO分布，XRF分析还表明，其灰分的结渣和结垢指数高于产生结渣和结垢的极限值。

Lu等研究了RDF与煤在小型循环流化床燃烧室（CFBC）中的共燃烧特性，发现在830~960℃的温度下，以不同比例的RDF和煤进行了实验；与单独使用煤相比，RDF-煤混合物在燃烧室内的温度分布更均匀，燃烧时的排放更低。RDF中的挥发性物质含量较高，从而提高了燃烧效率和稳定性。然而，如果使用过高的二次空气比，优势可能会减弱，NO _x 和SO ₂ 的排放是由于两种燃料中都含有硫和燃料氮，SO ₂ 浓度随着燃料中富含Ca的RDF的增加而降低。同时，赵明举发现煤与RDF的流化床混烧是切实可行的，且RDF的掺烧比例越高，需要的过量空气系数越大，在750~900℃的范围内，温度与石灰石对二氧化硫的脱出效率成正相关，但不利于氯化氢的脱除。

赵宁进行了RDF热解特性实验研究，发现热解终温增大，热解气及热解液产率增大，添加污泥的热解气产率大幅上升；快加热方式与慢加热相比，快加热方式的热解气产率更大。Zaini等发现RDF的不同组成导致了不同的颗粒结合机制，在热解过程中表现出不同的行为，聚乙烯质量分数从25%增加到75%时，破碎率增加了4.2倍，而热解温度从500°C增加到700°C时，破碎率略有变化；与热解温度相比，RDF球团中的材料类型对破碎的影响更大。Gómez-moreno等对RDF热解不同阶段产生的颗粒排放物进行了流动性（使用SMPS）、总质量浓度（通过过滤器）以及光学颗粒计数器和冲击器的表征，所有阶段的排放均在亚微米范围内，数量浓度为105~106cm ^-3 ，中值直径为0.05~0.15μm，这些范围的上限是在从热解到燃烧的过渡过程中达到的。Bosmans等研究将RDF粒径在150~250μm之间的废物样品（城市和工业废物的混合物），以10℃/min的加热速率加热至800℃，采用独立平行一级反应模型描述了废料的热降解行为。Manyà等发现RDF衍生半焦中的碳分散在含有大量活性中心的灰基质中，当加热速率（以及在较小程度上，峰值温度）增加时，活性中心的分布可以得到改善。

Rajca等对RDF热解产生的气体的化学成分进行了建模，通过测定可燃成分，估算热解气体的热值，范围为28.2~28.7MJ/m ³ ，可以更好地推广使用热解方法处理RDF，以获得具有良好能量参数的二次燃料。Sieradzka等对热解气体的化学成分进行了建模，主要关注环境危害方面的问题，利用Ansys Chemkin Pro软件对热解过程进行建模，在五种不同温度（700℃、750℃、800℃、850℃和900℃）下对该过程进行研究，给出了H ₂ 、H ₂ O、CH ₄ 、C ₂ H ₂ 、C ₂ H ₄ 、C ₃ H ₆ 、C ₃ H ₈ 、CO、CO ₂ 、HCl和H ₂ S的摩尔分数。Rajca等利用Ansys Chemkin Pro软件对这些样品进行了数值模拟，根据热解气体组成的结果，对数值模型进行了验证，还对利用热解进行RDF热转化的示范装置的投资成本进行了评估。Younan等选择纤维素和半纤维素的混合物、聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合物，以及聚乙烯和聚丙烯的混合物，对混合物中各组分的分数进行了优化，根据热解过程中大型废球团中心的实验瞬态温度分布，对颗粒尺度模型进行了评估，发现该模型能够较准确的预测热解温度趋势。Zhou等验证了传热模型对垃圾衍生燃料热解过程预测的影响，在Breitbach和Barthels模型中考虑了固体颗粒间接触面积对传导模式传热的影响，在不同温度、聚乙烯含量和初始孔隙度下获得的实验结果进一步验证了两种改进模型。Yang等首次研究了微波辅助催化热解垃圾衍生燃料（RDF）制备高质量生物炭的可行性，发现在微波辐射下的固定床反应器中与RDF混合。通过比较升温速率和生物炭的性质，确定有希望的催化剂为20%K ₂ CO ₃ +10%膨润土，因为其升温速率高（163°C/min），在相对较低的温度（500°C）和较短的微波辐射时间（30min）下获得的生物炭比表面积大（264m ² /g），远高于之前报告的RDF衍生生物炭的值（6~25m ² /g）。

Materazzi等在两级流化床等离子体气化装置中处理RDF，对产生的可燃气中的污染物去除进行了研究，发现可燃气中碱和金属的可用性降低，即下游设备中有少量沉积物形成的可能性，在等离子转换器内有91%的飞灰玻璃化，对于不易挥发的重金属，全部转移到残渣中。Zhou等研究RDF气化过程中重金属的转化特性，在600~750℃温度范围内进行了实验，发现随着温度的升高，重金属迁移到焦油和液体产物中，导致焦炭中重金属残留量减少，焦炭中镉的残留量小于铬、铜、铅和锌。此外，氧气的加入使更多的重金属固定在煤焦中。研究还发现，以γ-Al ₂ O ₃ 为载体的Ni-Ca催化剂能有效吸收重金属，从而减少重金属排放量。

Yildirir等利用高温水蒸气气化法处理RDF，以获得高热值可燃气。在20%RuO ₂ /γ-Al ₂ O ₃ 催化剂存在下，碳气化效率高达93%。在30min的反应时间后，使用5%的RuO ₂ /γ-Al ₂ O ₃ 催化剂产生最高能量值为22.5MJ/m ³ 的可燃气。Dalai等对两种不同的RDF在常压固定床反应器中进行了水蒸气气化，研究了气化温度对H ₂ 和CO选择性的影响，确定了提高H ₂ 和CO选择性的最佳温度为725℃。较低气化温度下产生的产品气的热值显著高于较高工艺温度下产生的产品气的热值，在相似的实验条件下，碳和氢含量较高的RDF可以产生更多的CO和H ₂ 。Galvagno等对三种不同类型的废物（垃圾衍生燃料、杨木和废轮胎）进行了蒸汽气化工艺的比较研究，旨在比较相应的产量和产品组成，并探索副产品的最有价值的用途。

Kungkajit等利用下吸式固定床气化技术，研究废旧塑料垃圾衍生燃料（RDF）生产合成气的潜力，发现使用过的和未使用过的塑料垃圾RDF都可以成功转化成由CO、CO ₂ 、C _n H _m 、H ₂ S、O ₂ 和水蒸气组成的合成气，使用过的和未使用过的塑料垃圾RDF产生的合成气是相同的，未使用过的塑料废物RDF（781kJ/m ³ ）产生合成气热值略高于使用过的RDF（500kJ/m ³ ）。Fu等进行了富氧空气流化床气化RDF的相关实验研究，将温度从600℃升高到800℃，可以提高H ₂ 和CO的体积分数，提高可燃气热值和气化效率。当量比通过影响气化反应程度和碳转化率间接改变气化效果，富氧空气气化的最佳氧气体积分数为42.5%、最佳温度为770℃，随着氧的体积分数从21%增加到42.5%时，可燃组分的体积分数迅速增加，与空气气化相比，富氧空气气化效率显著提高。Chiemchaisri等将RDF与黏合剂（木薯根）混合并转化为RDF，该RDF的最大塑性含量限制在55%，以保持物理强度和最大氯含量。并在下吸式气化炉中进行了试验，产出气的平均热值为1.76MJ/m ³ 。

张云贺选用Fe ₂ O ₃ 作为载氧体，采用热解耦合化学链气化模型，研究了RDF化学链气化的基本特性，发现采用Ca ₂ Fe ₂ O ₅ 作为载氧体时，会使合成气中CO ₂ 含量降低，同时碱和金属的存在也会催化焦油的裂解，进一步提高产气率，气化效率与碳转化率分别提升至70.3%与89.5%。Aluri等选定RDF单个组分和模型RDF复合材料在800℃下通过气化转化，发现钾和钙对气化效果的催化作用最大，而硅和磷有抑制气化的作用。

综上所述，RDF的利用主要采用热转化的方式，RDF热转化特性的研究对于如何做到高效转化和低污染排放至关重要，焚烧、热解和气化三种热转化方式的区别在于供氧量的不同，焚烧方式需要足够的氧气，使其充分燃烧，完全释放热量，由于充足的氧气，导致焚烧产生的污染物较多，因此，焚烧的热转化方式接下来的研究应集中在减少污染物排放方面；热解和气化方式的主要目的是得到不同的热转化产物，根据需求的热转化产物，调整反应工况和条件，使目标热转化产物的产量最大化，接下来的研究可重点考虑目标热转化产物的多样化和高效化。

目前，国内外针对生活垃圾处理的趋势是最大限度地回收资源，从而最大限度地减少需要处理的生活垃圾量，生产和应用垃圾衍生燃料（RDF）被视为最优解决方案之一，应用RDF的方式多种多样，例如直接替代化石燃料、利用外部能量将其分解为气态、液态、固态的可回收物质，也有利用RDF制备甲醇、加氢气化生产合成天然气（SNG）等途径的尝试。

国外针对RDF应用的尝试已开展多年。在意大利中部人口密度较低的山区，Caputo等提出应用RDF燃烧发电和热电联产的可能性，并对方案进行了经济评价，以确定热能销售价格的可接受范围。Srisaeng等对泰国南邦地方政府提出了一个利用垃圾衍生燃料（RDF）并采用适当燃烧技术的垃圾能源转换厂，估算了实际垃圾数量和成分，进行了质量和能量分析以及经济可行性调查，以评估提案的性能和效益。由于每天可供应多达220吨RDF，建议开发一个发电能力在5~13MW之间的电厂项目，对于5MW的情形，该项目在经济上是可行的。根据生命周期评估方法，评估使用城市固体废物产生的RDF将有机朗肯循环（ORC）作为废物转化能源技术所产生的生命周期温室气体（GHG）排放，发现RDF混合动力与ORC发电系统产生1kWh的GHG排放主要来自运行阶段的RDF燃烧，占总排放量的77%。与露天垃圾场相比，RDF混合ORC发电可减少51.47%的GHG排放，与填埋场相比可减少34.31%。同时，研究了RDF替代水泥窑燃料可行性和经济性，研究结果表明，在水泥窑使用的燃料中添加15%的RDF作为替代燃料，相当于4.92t/h，将节省486USD/h的燃料成本，减少2.27t/h的二氧化碳排放到大气中。

我国针对RDF应用的起步较晚，有中国科学院广州能源研究所、太原理工大学、四川雷鸣生物环保工程有限公司等数家单位从事这方面的研究，王静毅探究了RDF在燃煤电厂中的应用，RDF与煤的掺烧研究表明，RDF的掺混比例小于30%时，对燃料的碳、硫、氮含量、灰分、水分和低位发热值影响不大，锅炉热效率也维持在较好的水平，二英、NO _x 、烟尘、SO ₂ 等污染物排放可以达到限制要求，RDF与煤混烧发电是一种良好的选择，可替代部门化石燃料，减少CO ₂ 排放。周显超等利用RDF催化气化制备可燃气，在750℃ 下进行了催化气化-改质实验，研究了氧气供应量、Ni 基催化剂组分等操作要素对合成气生成特性的影响。结果表明：氧气供应量ER（equivalent ratio）的增加可以提高碳素转化率和冷气体效率；在Ni基催化剂中添加Mg、Ce、K、Ca和Zn等金属助剂可以有效改善改质催化性能，促进焦油分解，提高有效气体收率。在750℃温度条件下，控制供氧量ER=0.04时，通过催化气化-改质处理，可以从RDF获得H ₂ 体积分数约29.00%的清洁合成气，冷气体效率和碳素转化率分别为44.41%和82.41%，合成气收率可达0.244m ³ /kg。

目前，已有多家单位成功生产出RDF，且进行小范围的市场化应用。华新株洲生活垃圾生态处置项目于2013年11月15日正式投产运行，垃圾日处理能力达450t/d，垃圾从进厂到入窑处置，要经历接收、破碎、生物及物理干化、机械分选、生物除臭、沥出液处理、入窑六个系统，整个过程都通过中央控制室操作。占比不到2%的金属部分回收，而惰性材料如灰渣、砖瓦碎块等可以作为水泥原料用于水泥加工。可回收利用成分是可燃部分（RDF），可以替代原煤被送入水泥窑，这一部分约占垃圾的48%左右，过程中产生的臭气经负压收集，由管道输送至洗涤塔，然后进入生物过滤床，最后通过不锈钢排气筒达标排放。珠海华新垃圾生态处理项目于2016年投入使用，一期工程日处理1000吨生活垃圾，项目占地3.4万平方米，总投资1.5亿元，2016年投入使用，项目采用垃圾破碎、生物干化、分选的工艺，生活垃圾经预处理后产物为RDF，运送至恩平华新水泥厂进行水泥窑协同处置。

我国对RDF的研究起步较晚，目前已有多家单位成功生产出RDF，并试烧成功，但由于多种原因仍没有大规模开展应用，阻碍其大规模应用的主要原因：①生产和制作成本高昂。20世纪80年代，RDF已在美国、日本等地实施工业化应用，近些年逐渐淡出垃圾处理主流技术行列，主要原因是其生产和制作成本较高。②投资利益主导。利益始终是投资方衡量项目的第一要素，国家发改委发布《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》规定垃圾发电电价标准为各省脱硫燃煤机组标杆上网电价加0.25元的补贴电价，极大的推动了垃圾发电的实施，同时，大大限制了RDF在其他领域的应用，投资利益主导RDF的应用仅限于焚烧发电。③直燃式焚烧技术的成熟和国产化。国内一直不间断的引进和开发垃圾焚烧新技术和新工艺，大部分引进技术的设备已实现国产化，大大降低了垃圾直燃的成本，导致RDF应用的必要性大打折扣，直燃式焚烧技术的成本要低于制作RDF燃烧的成本。

在国家“双碳”目标的驱使下，RDF的应用可减少化石燃料的消耗，进而减少二氧化碳的释放，可通过以下措施推进RDF的应用：①简化RDF生产工艺，降低制作成本；可针对目前国内垃圾成分特性，研制适合我国国情的、投资和制作成本低廉的生产工艺。②建立完善的RDF应用行业补贴体系；针对使用RDF的各个行业，给予一定的政策补贴，可扩宽RDF的应用领域。③建立“减碳”奖励机制；对于利用RDF减少的碳排放进行量化，建立奖励机制。

综上所述，国家“双碳”目标的背景下，RDF应用的必要性被进一步加强，与发达国家相比，我国城市垃圾成分的含水率高、有机可燃成分含量低的特点，使得RDF技术的应用更具备必要性。可通过吸收借鉴国外先进的垃圾前端处理技术，并研制适合我国国情的、投资和制作成本低廉的生产工艺，同时建立完善的RDF应用行业补贴体系、“减碳”奖励机制，将有力推进RDF的大规模市场化应用。