市政固体废弃物与褐煤共气化催化制氢富集合成气的实验研究

本研究针对MSW（市政固体废弃物）气化过程中焦油（tar）堵塞设备、腐蚀部件等问题，采用流化床共气化技术结合天然白云石（DL）、煅烧白云石（CDL）及镍负载白云石（Ni/CDL）催化剂，系统探究了温度（700-1000°C）、当量比（ER 0.3-0.45）和共气化比例（CGR 0-100%）对合成气组分、H2含量（最高达14.88%）及热值（5.5 MJ/Nm3）的影响，为废弃物资源化与清洁能源生产提供技术支撑。

　　

随着全球城市化进程加速，市政固体废弃物（MSW）年产量激增，中国2022年MSW总量已达2.44亿吨，较十年前增长15%。这些废弃物若处理不当，将引发严重的环境污染问题。与此同时，可再生能源开发需求迫切，而MSW因其含生物质组分（如食品残渣、木质纤维）被视为潜在能源载体。然而，MSW的高湿度、成分不均及气化过程中产生的焦油（tar，多环芳烃PAHs混合物）易造成设备堵塞与腐蚀，制约其规模化应用。如何通过技术手段实现MSW高效清洁转化，成为能源与环境交叉领域的关键课题。

针对这一挑战，重庆教育委员会和国家创新训练计划资助的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，系统考察了MSW与褐煤在流化床中的共气化行为。研究采用三种催化剂——天然白云石（DL）、煅烧白云石（CDL）和镍负载白云石（Ni/CDL），结合热重分析（TGA）和比表面积测试（BET），揭示了温度、当量比（ER）和原料配比对合成气品质的影响规律。

关键技术方法包括：1）使用流化床反应器模拟工业气化条件；2）通过TGA和BET表征催化剂热稳定性与孔隙结构；3）采用气相色谱分析合成气组分；4）基于中国典型MSW组分（含55.14%食品残渣、21.04%废塑料）设计混合燃料。

结果与讨论

1. 催化剂性能比较：Ni/CDL展现出最优的焦油降解活性，焦油去除效率序列为Ni/CDL > CDL > DL。镍的引入使H₂产量从12.14%提升至14.26%，气体热值从5.11 MJ/Nm³增至5.5 MJ/Nm³。
2. 温度效应：1000°C时H₂产率达峰值（14.88%），高温促进水煤气变换反应（R3: CO+H₂O→CO₂+H₂）。
3. 当量比优化：ER=0.35时碳转化效率最高，过量空气会降低H₂浓度。
4. 原料配比影响：褐煤比例增加可提升合成气热值，因其固定碳含量（表1）高于MSW。

结论与意义
该研究证实MSW-褐煤共气化能有效缓解单一MSW气化的不稳定性，Ni/CDL催化剂可同步实现焦油减排与H₂富集。通过建立温度-ER-CGR协同调控策略，为废弃物能源化提供了明确的技术路径。相较于传统焚烧，该工艺不仅能减少SO₂/NO_x排放，还可生产高附加值合成气，对实现"双碳"目标具有双重效益。Ye Tian等作者特别指出，未来需进一步研究镍催化剂的抗积碳性能，以推动该技术走向工业化应用。