摩洛哥城市固体废弃物热化学转化制氢、甲醇及发电的实验与模拟研究

针对发展中国家城市固体废弃物(MSW)管理难题，研究人员通过热解(350-550°C)和气化(800°C)双阶段实验，结合CHEMCAD流程模拟，评估了未分类MSW转化为氢气(H2 )、甲醇(MeOH)和电能的技术可行性。结果表明：每10万吨MSW可年产4000吨甲醇或1000吨氢气，发电300kWh/吨，CO2 减排达60t/ktMSW，为资源化处理未收集废弃物提供了创新方案。

　　

随着全球城市化进程加速，摩洛哥等发展中国家面临严峻的城市固体废弃物(MSW)管理危机。摩洛哥年产生900万吨MSW，其中半数通过非法填埋处理，不仅造成资源浪费，更引发环境污染。传统焚烧技术存在二噁英排放风险，而机械生物处理(MBT)等方案在基础设施薄弱地区难以实施。在此背景下，热化学转化技术——特别是无需复杂预处理的直接热解-气化联用工艺，成为破解未收集废弃物资源化难题的新思路。

为探索MSW高效转化路径，国外研究团队在《Fuel Processing Technology》发表最新成果。研究创新性地采用双阶段热化学转化策略：首先在固定床反应器中对未分类MSW进行中低温热解(350-550°C)，随后在800°C下对所得焦炭进行空气气化。通过CHEMCAD软件模拟三种产物路径，首次系统评估了非洲地区未收集MSW直接转化制备高值化学品的可行性。

关键技术方法包括：1) 采用元素分析仪(Perkin Elmer 2400)和离子色谱测定MSW组分；2) 半间歇式热解装置与转窑气化系统联用；3) 气相色谱在线分析合成气组成；4) 基于Redlich-Kwong-Soave方程的流程模拟优化甲醇合成(80bar)与PSA提氢工艺；5) 全生命周期评估对比电力/甲醇/氢气的CO₂
减排效益。

3.1 废弃物特性分析
MSW组分分析显示有机质(42.3%)和纸张(24.1%)为主，含14.4%惰性物质。经去除金属/惰性物后，热值达17.8MJ/kg，但灰分(24.4%)和氯含量(0.91%)较高，提示需控制熔渣和腐蚀风险。电感耦合等离子体(ICP)检测发现铁(31,849mg/kg)、钙(30,602mg/kg)等金属富集，可能催化二噁英生成。

3.2 热解实验结果
450-500°C时生物油产率峰值达50%，550°C时气体产率升至20%。热解气以CO(43%)和CH₄
(20%)为主，LHV达34.2MJ/kg。焦炭灰分随温度升至62.7%，证实有机质逐步分解。值得注意的是，550°C时CO₂
占比从15%降至7%，反映布杜阿尔反应(Boudouard reaction)增强。

3.3 焦炭气化特性
空气气化产生含20%CO、11%H₂
的合成气，LHV仅3.8MJ/Nm³
。气相色谱-质谱(GC-MS)检测显示萘(50%)主导焦油组分，但总焦油浓度仅0.95g/Nm³
，远低于常规生物质气化水平，这归因于前置热解已脱除大部分挥发分。

3.4 流程模拟评估
模拟100kt/y处理规模显示：1)电力方案可获3.68MW净输出；2)经水煤气变换(WGS)和Selexol?碳捕集(87%效率)后，甲醇和氢气年产分别达3.7kt和1.0kt；3)CO₂
封存使甲醇方案减排48tCO₂
eq/ktMSW，优于电力方案的60t减排量。

该研究证实未预处理MSW直接热解-气化联用的技术可行性，特别适合收集系统不完善地区。创新点在于：1)实验验证两段式处理可降低焦油生成；2)揭示450°C为热解最佳温度窗口；3)量化不同产物路线的碳减排差异。尽管化学产物收率较低(甲醇4%、氢1%)，但环境效益显著，为发展中国家废弃物能源化提供了兼顾技术简易性与环保效益的解决方案。未来研究可探索氧/蒸汽气化提高合成气品质，并开展中试验证工艺稳定性。