基于CaO矿物的垃圾衍生燃料热解与二氧化碳捕集相结合技术

《Journal of the Energy Institute》：Pyrolysis of Refuse-Derived Fuel (RDF) Coupled with CO2 Capture Using CaO-Based Minerals

　　

Xizhi Cheng|Bo Song|Jingyan Zhang|Cui Quan|Safidy Ravelomanantsoa|Aneta Magdziarz|Ningbo Gao

中国西安，陕西省环境科学研究院

摘要

随着人们对化石燃料引发的环境问题及资源枯竭问题的日益关注，从固体废物中回收能源已成为当务之急。垃圾衍生燃料是通过分类、干燥和压实处理城市固体废物而得到的高热值、成分更均匀的替代燃料。本研究评估了三种天然钙氧化物基矿物——白云石、石灰石和大理石——在垃圾衍生燃料热解过程中进行原位二氧化碳捕获的效果。热重分析表明，垃圾衍生燃料的分解温度在225℃至600℃之间。热重-傅里叶变换红外光谱分析结果显示，垃圾衍生燃料热解过程中释放的主要挥发性气体为二氧化碳、甲烷和一氧化碳，还有水蒸气。实验在固定床反应器中进行，二氧化碳捕获温度为600℃。此时产生的二氧化碳量低于仅进行垃圾衍生燃料热解时的量。当使用白云石作为捕获剂时，产生的二氧化碳量从29.34%降至14.24%。这些结果表明，将垃圾衍生燃料热解与钙氧化物基原位二氧化碳捕获技术相结合，尤其是使用白云石，是一种实现更清洁的废物转化為能源的有效途径。

引言

随着人口快速增长、城市化进程加快、工业活动不断扩大以及生活水平提高，现代社会面临着能源需求持续上升、传统化石资源逐渐枯竭以及固体废物大量产生的严峻挑战[1]。全球范围内，城市固体废物的年产生量已超过20亿吨，预计到2050年还将增加近70%[2]。由于收入水平、消费模式和废物管理系统的差异，不同地区的城市固体废物组成差异很大，这大大增加了废物处理的复杂性[3]。目前，超过40%的城市固体废物被填埋处理，19%通过回收和堆肥处理，11%通过焚烧处理。传统的填埋和焚烧处理方式不仅需要大量土地，还会产生渗滤液、甲烷和有毒污染物，带来严重的环境风险。与传统的处理方式相比，热解和气化等热化学技术能够提供稳定的能源，减少对填埋场的需求及相关成本，同时为传统系统提供燃料，产生的有害副产品和污染物也更少[4]、[5]。然而，由于原始城市固体废物的成分复杂、含水量高、灰分和杂质含量高，以及原料质量不稳定，直接对其进行热解仍面临诸多挑战。

垃圾衍生燃料是由城市生活垃圾中的可燃成分经过分类、破碎、干燥和压实等一系列预处理过程制成的[6]、[7]。其主要成分包括塑料、纸张、纸板、纺织品和木材等有机物质，同时还会尽可能去除金属、玻璃和石头等不可燃成分[8]。用于生产垃圾衍生燃料的典型城市固体废物组成中，塑料占比15-35%，纸张和纸板占比15-50%，木材占比2-10%，不可燃材料占比约为5-10%[9]、[10]。与未经处理的城市固体废物相比，垃圾衍生燃料具有成分更均匀、含水量更低、热值更高、储存稳定性更好以及运输更便捷等优点，因此更适于用于热解和气化等能源回收过程[11]。垃圾衍生燃料可在多种工业领域替代化石燃料，近年来，由于其优异的特性——高热值可达18-24 MJ·kg^-1，低含水量为3-6%，挥发分和碳含量分别高达77-84%和47-57%——被广泛视为废物转化为能源的理想替代燃料。在热解过程中，垃圾衍生燃料可转化为富含氢气（H₂）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）和轻质烃类的可燃气体，同时还会有可冷凝的生物油或焦油成分以及富含碳的炭产物生成[12]。此外，垃圾衍生燃料的热解还能减少填埋量，回收有价值的资源，并替代化石燃料，从而有助于循环经济的发展。不过，垃圾衍生燃料的热解仍会受到原料成分和反应温度等多种因素的显著影响。目前许多研究并未系统地比较不同热解温度下气体、液体和炭产品的特性，这使得难以准确评估不同废物混合物的资源回收潜力。

近年来，人们越来越重视将垃圾衍生燃料热解与催化升级和二氧化碳捕获技术相结合，以提高产品品质并降低环境影响[13]。在各种催化材料中，白云石、石灰石和大理石等钙氧化物基矿物因其天然丰富、成本低廉且具有多种功能而备受关注[14]。经过煅烧后，这些矿物会形成富含钙氧化物的活性相，可在热化学转化过程中同时充当裂解催化剂和二氧化碳吸附剂[15]。它们的催化作用有助于分解重质烃类和焦油化合物，促进重整反应，提高氢气和一氧化碳等有用气体的产量。同时，钙氧化物能够原位捕获二氧化碳，使气相平衡向氢气生成方向偏移，从而得到更清洁的合成气。这种双重功能使得钙氧化物基矿物在垃圾衍生燃料热解与二氧化碳捕获一体化系统中具有巨大应用潜力。白云石、石灰石和大理石等天然矿物价格低廉且易于获取，因此更适合大规模工业化应用[16]、[17]。此外，将垃圾衍生燃料转化与二氧化碳捕获相结合，也为发展低碳甚至负排放的能源系统提供了良好的途径。

因此，本研究选取了钙氧化物基矿物（如白云石、石灰石和大理石）作为天然的低成本吸附材料。虽然此前已有研究探讨过钙氧化物在垃圾衍生燃料和生物质热解中的作用，但大多数研究仅聚焦于一种吸附剂。本研究的独特之处在于，它系统地比较了三种来源不同的天然钙氧化物基矿物——沉积岩类石灰石、变质岩类大理石以及钙镁质白云石——在垃圾衍生燃料热解过程中的原位二氧化碳捕获效果。研究结合了热重-傅里叶变换红外光谱分析、Coats–Redfern动力学和热力学分析、两阶段反应器产物分布分析以及反应后的吸附剂表征分析（扫描电子显微镜、X射线衍射和热重-差热分析），从而将催化作用和二氧化碳捕获行为与每种吸附剂的矿物学特征联系起来。通过这些方法，研究了这些吸附剂在垃圾衍生燃料热解过程中的二氧化碳捕获能力，旨在降低二氧化碳排放量并优化气体产出成分。将垃圾衍生燃料热解与二氧化碳捕获相结合，旨在提高氢气产量和合成气质量，解决传统热解过程中碳排放高、产品附加值低以及能源利用效率不足等问题，进而提升资源回收效率并增强整体环境的可持续性。此外，白云石、石灰石和大理石都是天然丰富且价格低廉的吸附剂，这一特点也使其具有实际应用优势。

章节节选

原料的准备

本研究所使用的垃圾衍生燃料来自中国西安。它是通过多道工序处理城市固体废物后得到的，具有更优质的性能。实验中使用的垃圾衍生燃料样品经过研磨并过100目筛，以确保颗粒分布均匀。该样品的近似分析和最终分析是按照ASTM标准E790、E830进行近似分析，最终分析则通过

垃圾衍生燃料及其与矿物混合物的热分解行为

通过热重分析可以评估垃圾衍生燃料这类非均质固体燃料的热稳定性、脱挥特性以及反应阶段。通过监测程序升温过程中的质量变化，热重分析能够确定水分蒸发、有机物分解以及无机矿物转化发生的温度区间[19]。因此，本研究进行了不同升温速率下的非等温热重分析，以探究

结论

本研究分析了垃圾衍生燃料的成分和热值，以及热解温度对产物产量、成分和特性的影响。为了解垃圾衍生燃料各组分的反应行为以及热解过程中产生的气体，研究人员进行了多项分析。研究发现，升温速率会对降解过程产生显著影响，较低的升温速率（10℃·min^-1）更有利于确定垃圾衍生燃料热解的动力学参数。通过

作者贡献说明

Xizhi Cheng：文章撰写——初稿撰写。Bo Song：方法设计。Aneta Magdziarz：结果验证。Ningbo Gao：文章撰写——审阅与编辑，项目监督。Cui Quan：方法设计。Safidy Ravelomanantsoa：数据整理。Jingyan Zhang：方法设计

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢以下机构的资助：中国国家自然科学基金委员会（项目编号：52276211、52376207），中国国家重点研发计划（项目编号：2026YFE0152100、2026YFE0154100），中国政府间国际科技合作重点研发计划（项目编号：2025YFE0109000），以及陕西省科技创新引导计划（项目编号：2024QCY-KXJ-046），还有波兰国家学术交流机构（GA BPN/BCH/2025/1/00038/U/00001）的资助。