MSW 与 RDF 燃烧中 PM10形成机制：挥发分 - 焦炭相互作用探秘

在垃圾焚烧处理中，PM10排放影响环境与设备运行。研究人员以 MSW 和 RDF 为样本，探究挥发分 - 焦炭相互作用对 PM10形成的影响。发现三种主要机制，为控制排放提供依据，助力清洁垃圾能源技术发展。

　　垃圾焚烧，是城市固体废弃物（Municipal Solid Waste，MSW）处理与实现能源转化的重要手段。截至 2023 年底，中国已有 648 座垃圾焚烧厂投入运营，日处理能力达 80 万吨，这一数据凸显了垃圾焚烧在 MSW 管理中的关键地位。然而，MSW 成分复杂多样，其燃烧过程中，无机成分会转化为灰烬和颗粒物（Particulate Matter，PM），带来诸多麻烦。
PM 中，空气动力学直径小于等于 10μm 的 PM₁₀尤为棘手。它会通过热泳沉积在热交换表面，加速设备腐蚀和结垢，影响焚烧设备的正常运行。而且，PM₁₀常含有害元素，传统除尘系统难以有效捕获，对环境和人体健康构成严重威胁。所以，深入了解 MSW 燃烧过程中 PM₁₀的形成机制，对推动更清洁的垃圾能源技术发展至关重要。

在固体燃料燃烧时，会经历热解和燃烧过程，产生挥发分和焦炭。二者并非独立反应，焦炭会持续与周围挥发分相互作用，影响碱及碱土金属（Alkali and Alkaline Earth Metals，AAEMs）的释放行为，进而影响 PM₁₀的形成。此前研究虽已证实这种相互作用的重要性，但在 MSW 燃烧中，其对 PM₁₀形成的具体影响机制尚不明确。

为填补这一知识空白，来自国内的研究人员开展了相关研究。研究以 MSW 和垃圾衍生燃料（Refuse - Derived Fuel，RDF）为对比样本，利用集成了滴管炉（Drop Tube Furnace，DTF）的两级石英反应器系统，在 700 - 1000℃的温度范围内，精确控制挥发分的形成及其与预先放置的焦炭的相互作用，并对相互作用后的焦炭进行后续燃烧分析。该研究成果发表在《Fuel》上，为更高效、环保的垃圾能源技术发展提供了宝贵指导。

研究中用到的主要关键技术方法包括：采用粒径 75 - 150μm 的 MSW 和 RDF 作为实验材料，通过元素组成分析确保样本均匀；利用两级石英反应器与滴管炉系统模拟燃烧过程，精准控制温度和反应条件；对有、无挥发分 - 焦炭相互作用样本的 PM₁₀排放进行细致表征和对比分析。

研究结果

1. 挥发分 - 焦炭相互作用对无机元素分配的影响：研究发现，随着温度从 700℃升至 1000℃，MSW 衍生的原始焦炭和相互作用焦炭中，挥发性元素 Na 和 K 的释放量增加，其在原始焦炭中的保留率下降。例如，Na 的保留率从 700℃时的 98.4% 降至 1000℃时的 58.6%，K 从 72.5% 降至 48.2% 。
2. PM₁₀形成机制
   • 挥发分燃烧阶段：挥发分中的 H 自由基促进 AAEMs（主要是 Na 和 K）从焦炭碳基质中转移。在挥发分燃烧时，这些释放的无机元素通过均相成核作用，增强了 PM_0.2的形成。不过，MSW 挥发分中初始 AAEMs 浓度较高，抑制了焦炭中 AAEMs 的进一步挥发，所以其 PM_0.2产率增幅比 RDF 小。
   • 焦炭燃烧阶段：挥发分 - 焦炭相互作用显著增加了两种燃料焦炭的大孔体积，加剧了焦炭破碎，导致 PM_{2 - 10}排放增多。但同时，小环芳烃和含氧官能团的消耗降低了焦炭反应性，尤其是 RDF，使得其 PM_{2 - 10}排放增幅小于 MSW。
   
   
3. 整体影响因素：含氧结构的分解、芳香结构的变化以及 AAEMs 的重新分布，共同决定了挥发分 - 焦炭相互作用过程中不同的 PM₁₀形成行为。

研究结论与讨论

该研究系统地揭示了 MSW 和 RDF 燃烧过程中，挥发分 - 焦炭相互作用影响 PM₁₀形成的复杂机制，明确了 AAEMs 重新分布、焦炭结构改变和焦炭反应性变化这三种主要影响机制。这些发现为理解垃圾燃烧过程中 PM₁₀的形成提供了深入见解，有助于开发针对性的排放控制策略。例如，可基于这些机制优化燃烧条件，减少 PM₁₀排放，提高垃圾焚烧的环境友好性；也能为设计更高效的除尘设备提供理论依据，进一步推动垃圾能源技术朝着更清洁、可持续的方向发展。