1 引言(Introduction)

根据《中国城市生活垃圾管理状况评估报告》，2012年我国城市生活垃圾无害化处理率(考虑市辖区农村部分)仅为62.02%，城市人均生活垃圾清运量为1.12 kg，生活垃圾简单填埋量为814.1万t(再协，2015). 随着社会经济水平的发展，人民生活水平的提高，重庆市生活垃圾年增长率约为4.9%(Wang et al.，2009)，2014年重庆市生活垃圾总量已达349.8万t，无害化处理347.8万t(中华人民共和国国家统计局，2014).

传统的生活垃圾处理处置方式主要有:卫生填埋、焚烧和堆肥(Zhao et al.，2009).其中，焚烧处理能同时实现垃圾的减量化、无害化和资源化(3R).然而，由于生活垃圾含水率较高，热值普遍较低，重庆的生活垃圾主要依靠填埋和焚烧进行处理.2005年同兴生活垃圾焚烧发电厂投入运营，到目前重庆已有3座生活垃圾焚烧厂，日处理量达3600 t·d^-1.根据统计数据(中华人民共和国国家统计局，2014)，2014年重庆市生活垃圾焚烧占32.6%，填埋占67.4%，可见焚烧逐渐成为重庆市生活垃圾处理的重要选择.

近年来，垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel，RDF)引起了国内外研究者的关注.RDF是由美国材料与试验协会(ASTM)提出，并将RDF分成7大类，RDF-5是将生活垃圾中的金属、玻璃等不可燃物剔除后，经过破碎等预处理后制得的固体颗粒燃料(雷建国等，2010).RDF-5与生活垃圾相比有如下一些优点:1含水率低，热值高;2成型致密，便于运输和贮存;3组分简单.因而，RDF-5是一种比较理想的衍生燃料，既能单独燃烧，也能用于混合燃烧.国内外已有学者对RDF的制备和燃烧特性做了研究，主要探究了生活垃圾制备RDF的可行性及其燃烧过程中气态污染物的排放(Lombardi et al.，2015; Lu et al.，2014;雷建国等，2010; 徐昕，2010; Kaliyan et al.，2009; 张宪生等，2003; 沈伯雄等，2002; 郭小汾等，2001; Li et al.，2000;张焕芬等，1999).由于生活垃圾的理化性质因时因地存在较大差异，其结果也有很大不同.重庆市属于典型的亚热带气候，2014年年平均气温19.8 ℃，年降水量达1026.9 mm(中华人民共和国国家统计局，2014)，导致生活垃圾含水率高达58.7%，热值仅为4326 kJ·kg^-1，另外厨余组分占总量的59.2%(Wang et al.，2009).

因此，本文以重庆市生活垃圾为研究对象，探讨不同影响因素下制备的RDF-5的物理性质;同时，在实验室条件下考察其燃烧特性，并分析生活垃圾制备RDF-5过程对温室气体排放的贡献，以期为优化重庆市生活垃圾处理处置的管理工作提供新的选择.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 RDF-5制备

制备RDF-5的原生生活垃圾样品采自于重庆大学生活垃圾中转站，采集时间为2015年3-4月，主要成分见表 1.

张鹏等(2014)的研究表明，重庆市的生活垃圾中厨余组分比例高达72.97%，李东等(2001)的调查结果显示，厨余组分比例为69.3%.可见，重庆市生活垃圾中有机物主要以厨余形式存在.因而在探讨其制备RDF-5时，根据美国ASTM定义，筛除金属、玻璃、陶土等惰性组分，保留厨余、橡塑、纸类、竹木和织物等可燃组分，分别破碎至2~5 mm，烘干备用，其元素分析结果和低位热值(LHV)见表 2.针对重庆市厨余组分含量较高的特点，制备RDF-5的原料配比如表 1所示.探讨在不同的制备条件下，所得RDF-5产品的物理特性(长度延展性和耐性指数).RDF-5颗粒成型设备选用的是电动压片机(YJL-20TA)，压力范围:~40 MPa，钢模内径15 mm、长30 mm.

Lu等(2014)在研究掺杂锯末和粘结剂的小麦杆颗粒燃料的制备中，考察了燃料颗粒从设备中挤出后的空间膨胀变化，结果表明，燃料颗粒在储备过程中其长度会发生一定程度的延展.因而本文亦将RDF-5的膨胀变化作为其重要物理特性之一进行探讨，其长度延展率LR表达式如式(1).

(1)

式中，L_i是第i天时RDF-5颗粒的长度(mm);L₀为RDF-5颗粒初始长度(mm).

RDF-5的耐性指数测定根据美国ASTM提供的跌落试验获取(ASTM，1998)，并参考其他学者(Richards，1990;Li et al.，2000;Kaliyan et al.，2009)对颗粒燃料抗耐性的表征研究，本文采用7天耐性指数(IRI)来表征所制备的RDF-5在运输过程中的耐性特征，其表达式如式(2).IRI值越大(最大值为200)，表明RDF-5的抗耐性能越好，越有助于其贮存和运输.

(2)

式中，N为跌落实验次数;n为N次跌落实验后RDF-5的总碎片数量.

2.2 RDF-5温室气体排放分析

近年来，生活垃圾管理系统中温室气体的排放引起了国内外学者的关注(Haibin et al.，2010; 何品晶等，2011; Wang et al.，2014)，同时在数据缺失/不足的情况下，生命周期评价(LCA)能够较好地估计温室气体的排放(Astrup et al.，2015;Fernández-Nava et al.，2014 ; Zhao et al.，2009).因此，本文以生产单位质量(1 kg)RDF-5为功能单元，考察了其制备对温室气体排放的贡献.LCA范围如图 1所示，具体评价及结果见3.4节.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 RDF-5原料的理化性质

表 1和表 2分别给出了本研究所用生活垃圾的理化性质.可知，重庆市的生活垃圾厨余组分比例较高，因而垃圾含水率高(58.7%，Wang et al.，2009).虽然厨余含量高导致生活垃圾易腐，但其含有的有机纤维等在RDF-5的成型过程中起着粘结剂的作用(Kaliyan et al.，2009)，有助于RDF-5的制备;且其挥发分和固定碳含量也较高，因而干燥基的热值较高(14.34 kJ·kg^-1).因此，本研究保留厨余、橡塑、纸类、竹木和织物5种可燃组分.

按照《煤的工业分析方法》(GB/T212-2008)对原料组分进行了工业分析，结果如表 2所示.可见剔除惰性组分后的生活垃圾是制备衍生燃料的理想原料，可燃的挥发分较高(70%~96%)，灰分和固定碳含量较少(0.33%~13%、5.61%~12.8%)，低位热值高(14.34~39 kJ·kg^-1).各组分按照表 1中干燥基比例混合后低位热值为22.28 kJ·kg^-1，而烟煤的低位热值为20.84 kJ·kg^-1(Wan et al.，2008).由此可知，筛除惰性组分后的生活垃圾制备得到的RDF-5在一定程度上可作为煤的替代燃料或与煤混烧.

3.2 RDF-5产品特性 3.2.1 不同含水率的影响

由于生活垃圾原样含水率较高，经过分选后不能直接压制成型，因而先经过烘干(厨余通过风干)再加入不同比例的水，探究在不同含水率条件下制得RDF-5的物理性能变化情况.成型压力固定为15 MPa，含水率分别为5%、8%、10%、15%、20%和25%，RDF-5产品的延展率和耐性指数结果如表 3所示.

水分在RDF-5成型过程中有两重作用:润湿和粘结.一方面为物料的均匀混合润湿提供条件，另一方面能作为成型中的粘结剂.Li等(2000)认为生物质燃料颗粒在挤压成型过程中有5种结合机理，而水分的多寡对于固体颗粒间的架桥作用、分子间/内的吸附和结合等有着显著的影响.实验结果发现，当含水率大于15%时RDF-5成型困难，而含水率超过20%就无法成型.另外，原料中厨余组分比例较高，而厨余中含有较多易腐的有机物(植物)，挤压过程中，随着压力的增大，易腐成分被挤出钢模，从而导致模具吃力困难，成型失败.

根据延展率和抗耐性指数(表 3)可知，原料含水率为8%时制得的RDF-5延展率较低(7天延展率为37.38%)，抗耐性指数高(7天IRI为114.58)，有利于其储存和运输，这与Li等(2000)在高压条件下用锯末制备颗粒燃料的研究结果一致(最佳含水率为8%左右).

3.2.2 不同成型压力的影响

由3.2.1节可知，含水率的高低对RDF-5的物理性能影响较大.另一方面，成型压力亦是制备生物质颗粒燃料过程中影响其物理性能的主要因素，因为不同的压力意味着不同的动力消耗和不同的产品密度.因而，本文在制备原料含水率一定时(根据3.2.1节取含水率为8%)，考察不同压力条件下(即5、10和15 MPa)所制得RDF-5的物理性能，结果如表 4所示.

根据延展率和抗耐性指数(表 4)不难发现，当组分配比和含水率一定时，压力越大，所得RDF-5颗粒的性能越好.另外，随着成型压力的增大(5、10、15 MPa)，所得的RDF-5的容重分别为1047、1100、1110 kg·m^-3，较原生生活垃圾的容重(208.5 kg·m^-3)提高5.02~5.32倍.这与其他学者制备相关生物质颗粒燃料的结果相似，Li等(2000)采用高压制备锯末颗粒燃料得到的容重为990~1113 kg·m^-3.

可见，生活垃圾通过分选、破碎等预处理之后，在一定含水率和压力条件下压制成RDF-5颗粒，其体积将大大减小，容重得到显著提高，且其抗耐性能较好，为生活垃圾的长距离运输打下了基础.另外，在不同成型压力下，制得RDF-5产品的单位能耗分别为50、40、55 kJ·kg^-1.因此，10 MPa条件下的单位能耗较低，且产品物理性能良好.

3.3 RDF-5燃烧特性

如前所述，生活垃圾在筛除惰性组分后，可燃组分在适当含水率(8%)和压力(10 MPa)条件下制备得到RDF-5，其物理抗耐性能良好，容重较生活垃圾大大提高，热值亦优于一般的烟煤，具有作为替代燃料的的潜力.因此，需要对其燃烧特性进行考察.燃烧实验在管式炉中进行，空气过剩系数取α=1.2，分别以10、20和30 ℃·min^-1进行程序升温控制(目标温度为850 ℃，升温速率越高，所需时间也就越短).

实验结果如图 2所示，在不同的升温速率下，随着升温速率的增大，NO_x和SO₂的排放浓度逐渐降低，相反，HCl的排放浓度不减反增.当升温速率增大时，RDF-5在炉内很快发生下面的连续反应:1水分蒸发;2液化;3碳化和挥发分脱除;4氧化燃烧.尽管升温速率升高，但最高的焚烧温度依然是850 ℃，因而热力型的NO_x可忽略，NO_x主要是燃料型.由表 2可知，RDF-5含氮量为1.16%，大都源于厨余组分(2.33%).在较高的升温速率下，RDF-5氧化燃烧得更加快速，其燃烧会相对(慢速燃烧10 ℃·min^-1)不充分，因而在如下反应(式(3)~(5)，Chyang et al.，2010)下导致NO_x浓度降低，而不充分的燃烧将导致HCl浓度升高.

(3)

(4)

(5)

氮氧化物和二氧化硫的产生量随着升温速率的提高而降低，而HCl的产量与NO_x、SO₂相反，可见RDF-5燃烧后烟气中的污染物浓度之间有着一定的关联.Kobyashi等(2005)认为生活垃圾中的氯(Cl)不仅和二噁英的形成有关，而且是烟气中HCl的来源，在原料中添加一定的钙将有助于降低HCl的排放浓度.

由图 3可知，RDF-5燃烧后灰渣的热灼减率均小于5%(2.52%~4.32%)，满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485-2014)中的要求.随着升温速率的增加，灰渣的热灼减率随之升高，分析其原因是由于升温速率的增加，导致RDF-5颗粒由外向内存在加大的温度梯度差，升温速率大，其燃烧时间短，从而燃烧就没有升温速率小时"充分"(实验结果表明，升温速率大，即30 ℃·min^-1时，RDF-5的燃烧也是充分的).因而，从节约能耗的前提出发，可选择较大的升温速率，以提高RDF-5的综合燃烧效率.

3.4 RDF-5制备过程中的温室气体排放

制备RDF-5过程中涉及的温室气体是根据IPCC温室气体指导名录中提到的CO₂、CH₄和N₂O，并转换成100年时间尺度下的CO₂当量(GWP₁₀₀)，根据IPCC第四次评估报告，CH₄的升温潜力是CO₂的25倍，N₂O的升温潜力是CO₂的298倍(Forster et al.，2007; IPCC，2006).

根据图 1，RDF-5(含水率8%，成型压力10 MPa)制备过程的生命周期评价范围内涉及到直接和间接的温室气体排放，包括生活垃圾收集后的分选、破碎、干燥、压制成型等过程中的电力消耗(间接排放)，制备中辅料的消耗(间接排放)，以及堆存期间的温室气体排放(直接排放).制备RDF-5间接排放的温室气体参照已有的相关研究和报告，在其基础上进行估算;而堆存期间直接排放的温室气体(CH₄)则根据IPCC(2006)计算导则进行估算(甲烷释放系数取0.5 g·kg^-1 RDF-5)，其结果见表 5.结果表明，生活垃圾经过简单分选、破碎、干燥之后

制备RDF-5过程中，对于环境的影响，即温室气体的排放为455.92 g·kg^-1(以CO₂当量计)，这其中原料和辅料对于温室气体的贡献不大(分别占总排放的2.74%和4.83%)，其主要贡献来自原料的预处理，以及压制成型中的电力消耗(421.42 g·kg^-1，占总排放量的92.43%).可见，RDF-5制备过程中的温室气体控制需要从间接排放入手.因此，提高原料预处理效率，降低制备能耗等可减少RDF-5对温室气体的贡献.

4 结论(Conclusions)

重庆市生活垃圾由于含水率和厨余组分均较高，在剔除不可燃物之后，用于制备RDF-5的成分为塑料、纸类、竹木、织物和厨余，且厨余比例超过50%.通过考察不同含水率和成型压力下制得的RDF-5的理化性质，结果表明，原料含水率为8%，成型压力为10 MPa时，RDF-5的延展率和耐性指数均较好，便于贮存和运输.另外，通过燃烧实验，RDF-5燃烧后灰渣的热灼减率均小于5%，满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485-2014)中的要求.另外，对于制备RDF-5的环境影响(即温室气体排放)，LCA结果表明，制备单位质量(1 kg)RDF-5将排放455.92 g温室气体(以CO₂当量计)，主要来自电力消耗的贡献.