城市固体废物及衍生燃料在分段燃烧过程中PM10的形成机制与无机元素迁移研究

《Renewable Energy》：PM 10 formation behaviors from staged volatile and char combustion of municipal solid waste and refuse-derived fuel

本文系统研究了城市固体废物（MSW）及衍生燃料（RDF）在挥发分与焦炭分段燃烧过程中PM10（空气动力学直径≤10微米的颗粒物）的形成机制。通过两级反应管耦合滴管炉实验发现，分段燃烧模式下PM0.2形成主要依赖热解原位生成的Na、K挥发-燃烧机制，而焦炭燃烧对PM0.2-2和PM2-10贡献显著。研究揭示了实际燃烧中气固相互作用减弱导致PM0.2线性叠加预测值偏高，为废弃物焚烧颗粒物排放控制提供了理论依据。

　　

^Highlight

^样品制备

本研究选取与前期工作相同的城市固体废物（MSW）和衍生燃料（RDF）作为原料。考虑到MSW成分受地域季节、经济水平等因素影响显著，而RDF成分主要取决于生产工艺，实验样品代表性经过严格论证。MSW样品根据中国典型城市垃圾组成人工配制，包含厨余、塑料、纸张等组分；RDF则通过机械分选MSW中高热值组分制成，具有更稳定的工业应用特性。

^{热解过程中无机元素在挥发分与焦炭的分配}

图2展示了MSW和RDF在700-1000°C两级热解器中挥发分与焦炭产率。值得注意的是，两种样品的焦炭产率在此温度区间内高度接近，其中MSW略高。随着热解温度升高，焦炭产率呈现下降趋势（27-32%），这暗示了高温促进有机质裂解为挥发性组分。通过X射线荧光光谱（XRF）分析发现，碱金属（AAEMs）在挥发分中的分配率随温度上升而增加，例如钾元素在1000°C时的挥发率高达58%，这直接关联后续PM_0.2的生成潜力。特别有趣的是，氯元素作为碱金属挥发的“助推剂”，在800°C以上显著促进钠钾元素的迁移，形成氯化物气溶胶前体物。

^结论

本研究深入揭示了分段燃烧模式下PM₁₀的形成密码：挥发分燃烧主导着超细颗粒物PM_0.2的诞生（贡献42-65%），而焦炭燃烧则是粗颗粒PM_2-10的“主力产房”（贡献80-97%）。特别值得关注的是，焦炭燃烧对细颗粒物仍有显著贡献（PM_0.2占35-58%，PM_0.2-2占44-90%）。热解原位生成的钠钾元素通过“挥发-氧化-成核”三部曲转化为PM_0.2，而焦炭中难熔矿物则通过熔融-破碎机制生成较大颗粒。与直接燃烧相比，分段燃烧中气固相互作用的减弱如同“拆除了颗粒物生长的脚手架”，导致PM_0.2预测值虚高而PM_2-10实际产量降低。这些发现为精准调控废弃物焚烧颗粒物排放提供了新的科学视角。

^{CRediT作者贡献声明}

刘天宇: 原稿撰写-方法构建-概念化。 文畅: 评审编辑-研究监督。 张博涵: 数据分析-数据治理。 刘芳琪: 方法验证-软件支持。 徐明厚: 学术指导。 张雪薇: 可视化呈现。 吴玉亭: 实验探究。

^{利益冲突声明}

作者声明不存在可能影响研究结果的财务或人际关系冲突。

^致谢

作者感谢国家重点研发计划（2023YFB41027001）和国家自然科学基金（52036003）的资助，同时感谢华中科技大学分析测试中心提供的XRF分析支持。