隨著化石能源儲量下降，世界正面臨著日益嚴重的資源危機，因此在能源需求增加但資源有限的背景下，有必要向資源節約型循環經濟過渡。而有機固體廢物是一種具有前景的可再生資源。

　　我國人均國內生產總值升高以及城市化進程加快，生活垃圾產生量逐年增大，“垃圾圍城” 現象愈發嚴重。數據顯示，2022 年我國城市生活垃圾清運量達到2.4×103t，且正以 8% - 10% 的速率逐年增長。由于管理不當，巨量的生活垃圾對生態環境以及人體健康造成了嚴重的危害，已成為城市可持續發展面臨的緊迫問題。隨著我國生活水平提升，生活垃圾中可燃組分含量持續增大，其熱值也越來越大，可用作能源回收過程的原料。與煤相比，生活垃圾結構松散、能量密度低且原料均一性差，同時作為燃料經濟性較差，然而通過成型處理可有效解決上述問題。

　　垃圾衍生燃料(Refuse - derived fuel，RDF)是指將垃圾中金屬和玻璃等不可燃成分去除，經過破碎、篩選、干燥和擠壓成型后得到的可燃固體顆粒。RDF 具有能量密度高、物理化學成分穩定且均勻、方便儲存處理運輸、污染潛力小以及排渣量小等特點，相比于原生生活垃圾更適合用作燃料。生活垃圾向 RDF 的轉化不僅是解決垃圾處理問題的有效手段，也是推動可持續發展的重要措施。

　　目前，RDF 的熱轉化應用途徑主要包括焚燒、熱解及氣化。RDF 氣化是指 RDF 進入封閉高溫氣化爐后，在氣化介質(O2、CO2和水蒸氣等)作用下，其有機組分發生脫附、裂解、氧化和還原等一系列反應，最終轉化為可燃氣體、液體產物和固體殘留物的過程。相較于直接焚燒，RDF 氣化技術在提高能源利用效率、控制污染物排放等方面具有明顯優勢;相較于熱解，RDF 氣化技術擁有原料適應性好、能源回收效率高以及更適用于大規模能源回收和化學品生產等優點。RDF 氣化合成的高附加值氣體產物應用范圍廣泛，可用于能源利用、化學品生產、固體含氧燃料制備以及提取H2用于燃料電池等。

　　自 1975 年，研究者將 RDF 用于能源生產，接下來 RDF 氣化研究之路興起。如今，國外 RDF 氣化研究已經推進到中試規模，并實現大規模生產，如英國 Advanced Plasma Power(APP)公司中試規模的兩級等離子體氣化廠、巴西圣保羅州毛阿中試規模的循環流化床氣化工廠。我國較晚開始 RDF 氣化技術研究，浙江大學、中國科學院廣州能源研究所和太原理工大學等率先開展了 RDF 氣化特性、氣化產物和熱解動力學等方面的深入研究，以提高氣化效率和減少污染物排放，并取得了一定進展。

　　雖然 RDF 氣化技術在處理生活垃圾方面具有較大潛力，但提高其氣化效率、經濟可行性等方面存在挑戰，需要通過深入研究、技術創新和工程實踐來逐步解決，使 RDF 氣化技術能夠成為生活垃圾資源化處理的有效途徑。本文對 RDF 的分類與制備方法、成分特點及研究熱點進行綜述，并從工藝和應用性角度分析 3 種典型 RDF 氣化技術(固定床、流化床和等離子體氣化技術)的特點和存在的問題，詳細闡述原料成分、氣化溫度、氣化介質、當量比(氣化過程中，RDF 理論上完全燃燒所需的氧化劑(通常是空氣或O2)的實際量與給定量之比，ER)以及催化劑的選擇和使用等因素對 RDF 氣化效率和產氣品質的影響，以期為后續高效氣化技術的開發和氣化過程控制策略的優化提供參考。

　　1 RDF 分類與制備方法、成分特點及研究熱點

　　1.1 RDF 分類與制備方法

　　RDF 的概念最早由 20 世紀前的英國提出，之后以美國和德國為代表的西方發達國家對該技術進行了投資和研發，并將研究成果運用到了實際當中。目前國外 RDF 技術基本成熟，并具有相應的技術標準，其中美國 RDF 標準相對完善，包括了對 RDF 組成、性能和檢測方法等方面的規定，具有較高的權威性和實用性，得到了很多國家的認可。根據美國材料與試驗協會(ASTM)標準，將 RDF 分成 7 類。其中，應用最為廣泛的是 RDF - 5，其平均熱值在 20MJ/kg 左右，是原生垃圾的兩倍以上。

　　常規 RDF 制備流程：試驗設備由干燥、篩分、風選、破碎和成型裝置以及輸送皮帶等組成。原生垃圾經過初步篩選除去其中的難燃和不燃物質，然后進行脫水、烘干和破碎，再二次分選出不可燃物，并添加 CaO 或 Ca (OH)₂等助劑，在特定的溫度和壓力條件下將其擠壓成型為 RDF。RDF 制備成型技術主要包括冷壓成型、對輥成型以及活塞鋼模成型等，其制備工藝主要包括散狀 RDF 制備工藝、粉末 RDF 制備工藝、干燥成型 RDF 制備工藝、化學處理 RDF 制備工藝和液態 RDF 制備工藝，原料含水率、粒徑、熱值以及成型壓強等參數是 RDF 制備過程中的研究重點。因各研究所使用的原料以及成型裝置與工藝存在很大的差別，因此制備工藝相關參數的最佳區間相差很大，需根據實際需求來選取最適合的制備工藝。此外，還需不斷探索和優化 RDF 制備工藝，如更高的破碎效率、先進的分選技術以及新型添加劑的開發使用，旨在增大 RDF 熱值、提高穩定性和適用性，同時降低成本，以適應更加嚴格的環保標準和市場需求。

　　1.2 RDF 成分特點

　　RDF 由生活垃圾經過處理而得，主要由生活垃圾中的可燃組分組成，例如有機物、塑料、紙張、木材和紡織品。RDF 來源廣泛，成分結構復雜多變，受地域、氣候條件、城市發展水平、居民生活習慣和規章制度等因素影響。RDF 成分中揮發分以及灰分含量較大，水分和固定碳含量則較小。作為一種燃料，RDF 在能量含量方面與硬煤或生物質具有顯著的相似性，其平均熱值在 15.5MJ/kg 左右，同時受其組分影響較大。可通過調節垃圾中不同組合含量，來增大 RDF 熱值和碳含量。不同地區生產的 RDF 組分和低位熱值(LHV)有一定差別。RDF 灰渣中含有 S、Cl、K、Na、Si、O、C、Al、Fe、Mg、P、Ti 和 Zn 等元素，這些元素在高溫下較為穩定，但在灰渣熔融時，會轉化為復雜的硅酸鹽物質，如硅酸鋁鎂鈣。此外，RDF 灰渣中的 Cl 主要以氯化鈉和氯化鉀的形式存在，在高溫反應環境下會轉化為氣體逸出，從而灰渣中 Cl、Na 和 K 元素含量減小。

　　1.3 RDF 研究熱點

　　以 “垃圾衍生燃料”、“refuse - derived fuels” 為主題，分別在中國知網(CNKI)和 Web of Science(WOS)數據庫檢索出中文文獻 276 篇(1990 年至今)和英文文獻 1050 篇(1990 年至今)，其中在 WOS 選擇的是 WOS 核心文集的 SCI 文獻。

　　采用關鍵詞分析方法，通過 CiteSpace 關鍵詞共現工具進行分析，探索領域內研究熱點。中文文獻共提取關鍵詞 284 個，產生連線 476 條，其中 “熱解”、“生活垃圾”、“流化床”、“燃燒特性”、“燃燒”、“焚燒” 和 “氣化” 等關鍵詞出現頻率較高。“生活垃圾”、“二噁英”、“重金屬”、“熱解” 和 “氣化” 等關鍵詞的節點顏色鮮艷，說明以上關鍵詞的文獻來源年份較近，表明近幾年國內對于 RDF 的研究聚焦在生活垃圾制備 RDF、RDF 熱化學轉化(主要為焚燒、熱解和氣化)以及二噁英、重金屬等污染物控制。英文文獻共提取關鍵詞 277 個，產生連線 470 條，其中 “municipal solid waste”、“refuse derived fuel”、“biomass”、“combustion”、“pyrolysis” 和 “gasification” 等關鍵詞的出現頻率較高且節點顏色鮮艷。從研究內容來看，英文文獻的研究呈現以下特點：(1)城市固體廢物是 RDF 主要來源，其中對生物質類的固廢研究較多;(2)RDF 研究的主要熱處理技術為焚燒、熱解和氣化;(3)管理概念、生命周期評估、經濟 / 成本分析和排放情況是 RDF 生產和使用過程中的重點關注內容之一。關于 RDF 的研究主要以英文文獻為主，中文文獻較少，但研究熱點內容上有較強相似性。

　　通過生活垃圾制備 RDF，可增大垃圾熱值、能源回收效率，并減少污染物和溫室氣體排放，實現垃圾資源化和減量化，同時提高垃圾處理設施的經濟效益，并促進綠色循環經濟發展。我國在 RDF 制備技術方面已經取得了一定進展，但仍面臨一些挑戰，如技術標準化較低、成本較高和成形技術成熟度較低等。為了推動 RDF 廣泛應用，需要制定統一的技術標準，降低成本以便與傳統化石燃料競爭，并進一步優化 RDF 制備技術，以提高燃料熱值，同時減少污染物排放。近年來，國內外對于 RDF 利用主要圍繞在焚燒、氣化和熱解這 3 種熱轉化利用方式上，相比于焚燒和熱解，RDF 氣化技術具有高效轉化、低污染排放的特點，在垃圾資源化和能源化方面具有顯著潛力，因此具有較好的技術前景。

　　2 RDF 氣化基本原理及典型 RDF 氣化技術應用研究進展

　　2.1 RDF 氣化基本原理

　　氣化是指可燃物質在較高的溫度和氣化介質作用下轉化為 H₂、CO、CO₂、CH₄和小分子碳氫化合物(CₙHₘ)等作為主要成分的合成氣的熱化學反應。RDF 氣化主要反應階段：由于氣化爐內的溫度較高，RDF 中水分蒸發較快，同時發生熱解反應脫除揮發分，在這一階段生成了焦炭、焦油和輕組分燃氣，接著這些物質在高溫以及催化劑作用下與氣化劑發生反應，同時反應生成的氣體發生反應，最終生成含有 CO、H₂、CH₄和 CO₂等組分的合成氣。RDF 氣化過程十分復雜，包含許多連續的吸熱和放熱反應，涉及化學反應眾多且不固定。

　　2.2 典型 RDF 氣化技術應用研究

　　2.2.1 固定床氣化技術

　　固定床氣化爐一般可分為上吸式和下吸式兩種類型，適用于處理揮發性組分含量較大的固體廢物，因此適合用來處理 RDF。下吸式固定床氣化爐易于制造和操作、焦油產生量較小，然而同時也存在對原料水分容忍度低、氣化效率低且爐排易堵塞等缺點。上吸式固定床氣化爐具有熱效率大、壓降低、氣化原料含水率高和粒徑范圍廣等顯著優點，然而焦油的產生是上吸式氣化爐面臨的最大挑戰。固定床氣化爐適用于處理成分復雜多變的 RDF，但因其產氣量小、合成氣成分波動大以及運行穩定性差等特點，僅適用于小型氣化站及熱電聯產。

　　NÁSNER 等將下吸式固定床氣化爐與奧托循環內燃機(ICE)集成在一起對 RDF 進行了技術和經濟評估，發現與城市固體廢物(MSW)相比，使用 RDF(水分質量分數：12.0%，灰分質量分數：6%，LHV：15.20MJ/kg)具有明顯的能源技術優勢，當 ER 為 0.25 - 0.30 且溫度為 650 - 700℃時，氣化爐的最大冷氣效率(CGE)達到 57% - 60%，LHV 峰值為 5.8MJ/m³。此外，RDF 的生產和使用可以產生積極的財務凈效益。FAZIL 等采用了鋸末和 RDF 在下吸式固定床氣化爐中進行共氣化，發現當 RDF 質量分數從 25% 增大到 75% 時，氣化氣中 CO 和 H₂含量減小，而 CH₄和 CO₂含量增大。當原料中 RDF 含量較大時，在 RDF 和鋸末之間的共氣化表現出正協同作用，且可通過控制 RDF 組分來防止結渣、結垢和腐蝕等問題。CHIEMCHAISRI 等通過混合塑料垃圾與木薯根莖制得了 RDF，將其在小型下吸式固定床氣化爐中氣化，氣化氣中 CO 和 CH₄含量較大，熱值為 1.76MJ/m³，平均產氣量為 8.3m³/h，冷氣效率為 66%。

　　JANČAUSKAS 等采用上吸式固定床氣化爐對城市生活垃圾中分選出的 3 種物質(固體回收燃料(SRF)、滾筒分離器分選后的廢物(FDS)和塑料包裝混合物(PPM))進行了氣化，發現以上 3 種物質的 ER 均從 0.21 減小到 0.15，3 種固體廢物的可燃氣 LHV 均增大，其中 PPM 產生的氣化氣中 H₂含量(體積分數)最大(11.39%)，SRF 產生的氣化氣中焦油含量最大(47.44g/m³)，焦油的主要成分為苯、甲苯、萘和苊，可通過二級除焦油系統來減小焦油含量。所有分選的城市生活垃圾樣品產生的氣體最小 LHV 和最大焦油含量不超過燃氣發動機的允許值，因此可用作氣化原料，從而證明了上吸式固定床氣化爐適用于生產用于燃氣發動機的可燃氣。

　　2.2.2 流化床氣化技術

　　流化床反應器可以促進原料與氣化劑混合，保持溫度均勻，對原料的適應性較好、傳熱效率高且燃氣品質好，在垃圾處理上有較多的應用。目前，流化床氣化爐可分為鼓泡流化床氣化爐、循環流化床氣化爐、雙流化床氣化爐和攜帶床氣化爐，常用的主要是前兩種。相比于固定床氣化爐，流化床氣化爐具有處置規模較大、原料適應性較強和產品氣成分較穩定等優勢，適用于工業合成。但流化床氣化過程中存在未氣化燃料損失大和生成的氣體帶走的熱量較多的缺點，因此使流化床氣化技術廣泛應用于 RDF，還需對其進行優化。

　　LANGNER 等在熱功率為 500kW 鼓泡流化床氣化爐上對固體回收燃料(SRF)的氣化特性進行了研究，證明了流化床高溫溫克勒技術在 SRF 氣化方面的可行性。ARENA 等在中試規模鼓泡流化床氣化爐上對 SRF 進行了氣化試驗，發現 ER 在 0.24 - 0.39 時，碳轉化率可達 93%，冷氣效率達 67%。由纖維素和塑料制得的 SRF 氣化產生的合成氣 LHV 可達 7.4MJ/m³，但由于塑料存在，其焦油產量較大。PIO 等研究了 RDF 與生物質在鼓泡流化床氣化爐上的共氣化特性，發現隨著 RDF 含量增大，氣體產物的 LHV 增大(最大值為 6.4MJ/m²)。鄭仁棟等以模擬合成氣為氣化劑，在流化床上進行了 RDF 氣化實驗，發現 RDF 在合成氣回用氣氛下產生的合成氣組分特性類似于空氣氣化，CO 和 CO₂含量較大，而 H₂和 CH₄含量則較小。由于合成氣中無 N₂稀釋，其可燃組分含量較大，且合成氣熱值相對更大。

　　FERREIRA 等采用中試規模循環流化床(CFB)氣化爐對 RDF 進行了氣化試驗，發現試驗過程無焦油產生，并能保證可燃氣連續生產，說明 CFB 氣化爐應用于 RDF 氣化的效率較高。此外，作者還對合成氣燃燒排放的污染物進行了分析，發現污染物排放水平低于巴西和美國的法律標準。

　　SALMAN 等將不同類型的氣化爐(間接加熱雙流化床氣化爐(DFBG)、直接加熱循環流化床氣化爐(CFBG)、夾帶流氣化爐(EFG))與熱電聯產(CHP)工廠進行了集成，通過技術經濟分析確定和評估了可以與現有或新 CHP 工廠集成的最佳氣化爐配置，以便在非高峰時段最大限度地利用鍋爐運行能力，同時將對鍋爐性能的影響降至最低。氣化爐的選擇需基于其從 RDF 中生產高品質合成氣的能力，合成氣用于生產生物甲烷，而 CHP 工廠的熱量和電力則用于運行氣化過程。結果表明，對于所有氣化爐配置，集成導致鍋爐運行時間延長。DFBG 與 CHP 工廠集成具有最大的生物甲烷產量，且對區域熱電生產的影響較小，投資也較少。

　　2.2.3 等離子體氣化技術

　　等離子體氣化是一種具有處理高熱量廢物潛力的技術，可以獨立控制溫度和 O₂供應。原料在反應室中通過等離子炬進行處理，有機成分被轉化為高熱值合成氣，無機成分被轉化為不可浸出的玻璃化爐渣。根據電弧放電技術，等離子體氣化可分為 3 類：直流電(DC)、微波(MW)和射頻(RF)等離子體。一般等離子體氣體包括 Ar、N₂、空氣、CO₂，水蒸氣及其混合物。基于等離子炬的應用，等離子體氣化分為等離子體輔助氣化(單級)和等離子體與常規氣化一體化氣化(兩級)。等離子體氣化技術由于具有不產生二噁英、原料適應性好和減量化效果較好等優點，近年來在垃圾處理中應用較多，然而，其同樣面臨著亟待解決的問題，例如投資成本較高、能源消耗過度以及基礎研究匱乏等。

　　MALLICK 等將等離子體氣化與熔融碳酸鹽電池(MCFC)集成用于 H₂和電力生產，并通過 Aspen plus 仿真進行了能源、性能、經濟和環境分析。分析報告顯示，將 RDF 作為原料引入 MCFC 的等離子體氣化有利于 H₂生產和電力熱電聯產，同時對環境更友好。AICH 等將垃圾填埋場的垃圾制備成 RDF 作為氣化原料，并提出了兩種基于等離子體氣化的制氫工藝(配置 1：基于吸附增強 / 水 - 氣變換工藝;配置 2：基于水 - 氣變換 / 酸性氣體去除工藝)，在生命周期和技術經濟分析下評估了這兩種工藝的性能，發現在能量轉化效率和環境方面，配置 1 表現出更好的性能。此外，與獨立的等離子體氣化工藝相比，與 CO₂捕集和儲存工藝相結合的 RDF 制氫工藝擁有更好的環保性能和熱力學性能。

　　LEMMENS 等研究發現 RDF 等離子體氣化可以產生高品質合成氣和污染物浸出較低的爐渣，合成氣中含有 17.6% CO、8.1% H₂、3.6% CO₂、2.8% 碳氫化合物(THC)和 1.1% O₂(均為體積分數)。AGON 等采用不同氣化劑組合對 RDF 進行了單級等離子體氣化，結果表明，RDF 等離子體氣化產生了中等熱值(LHV 為 10.9MJ/m³)合成氣，碳轉化效率保持在 80% - 86%。MALLICK 等對 RDF 進行了 CO₂等離子體氣化，制備了 H₂體積分數為 42.6%、CO 體積分數為 44.06% 以及 LHV 為 13.95MJ/m³ 的高品質合成氣，CGE 為 39.60%。

　　英國 APP 公司在斯溫頓設立了使用兩級流化床 - 等離子體氣化技術的 RDF 氣化廠，日 RDF 處理規模達到 2.4t。氣化爐為鼓泡流化床，RDF 中的有機組分在氣化爐中進行氣化并轉化為粗合成氣，在反應器中向上流動。氣化爐中產生的粗合成氣和飛灰在等離子轉換器中進一步反應，焦油完全裂解轉化為氣體，提高了合成氣品質，飛灰則玻璃化成熔渣。相比于其他單級氣化系統，兩級流化床 - 等離子體氣化系統顯著減小了合成氣中可冷凝焦油濃度，增大了系統的產氣率和碳轉化率。

　　2.3 不同 RDF 氣化技術對比

　　固定床氣化爐是相對簡單的氣化爐，固定床氣化的碳轉化率較小，通常適用于處理分散且產量較少的村鎮生活垃圾。

　　3 影響 RDF 氣化因素

　　3.1 RDF 組分

　　RDF 組分影響合成氣組分。眾多研究表明，增大 RDF 碳含量和氫含量能夠增大合成氣產氣率，同時優化合成氣組分。ALURI 等將 RDF 和其各個組分進行了 CO₂氣化實驗，發現 RDF 的氣化效率大于其單個組分的氣化效率，在 RDF 氣化過程中，各個組分有一定的協同作用。DALAI 等發現碳含量和氫含量大的 RDF 氣化產物中 CO 和 H₂含量較大。SHARMA 等發現碳含量大的 RDF 氣化具有更大的合成氣產氣率，CO、CO₂和 CH₄產量也更大。

　　RDF 來源復雜多變，物理特性不同，且往往脆性不夠，韌性和柔軟度過高，難以將其粉碎為細碎粉末。此外，RDF 中多種重金屬、F、Cl 和 S 等有害物質也使得常見的氣化爐不適用于處理氣化成分較為復雜的 RDF。因此，未來應將設計并改造適用于 RDF 氣化的氣化爐作為研究重點，從而實現垃圾清潔化、資源化。

　　3.2 氣化溫度

　　氣化溫度是影響氣化產物分布及污染物生成的重要指標。根據勒夏特列原理，溫度升高會促進吸熱反應進行，因此氣化溫度對 Boudouard 反應、水蒸氣重整反應以及焦油裂解反應等吸熱反應影響較大，從而影響反應程度、氣體產物產率和產物品質。

　　REN 等在實驗室規模的氣化系統中研究了 RDF 蒸汽氣化，發現升高溫度可以增大合成氣中 H₂產率。LANGNER 等在鼓泡流化床上研究了操作溫度對 SRF 與褐煤共氣化合成氣的影響，發現合成氣中 CO 和 H₂產率主要取決于氣化溫度，隨著氣化溫度升高，CO 和 H₂產率呈現增大趨勢。LIU 等發現在 700 - 900℃，升高溫度能夠增大 H₂和 CO 產率。此外，隨著溫度升高，合成氣的碳轉化率、氣化效率以及 LHV 均呈現增大趨勢。張云賀等研究了 RDF 化學鏈氣化，發現溫度從 650℃升高到 850℃，產氣率由 0.42m³/kg 增大到 0.81m³/kg。

　　升高氣化溫度可有效實現 RDF 轉化為高品質氣體產物，同時減少二噁英生成以及重金屬排放。但由于高溫氣化操作的溫度較高，因此在新建 RDF 高溫氣化裝置設計中要考慮材料的高溫穩定性、良好抗腐蝕性能和機械性能等，以保證設備長期穩定運行。氣化溫度高意味著能耗較高，因此也要考慮整個工藝的能源效益和經濟性，降低能耗和減少裝置投資，可以從優化工藝設計和操作參數、余熱回收利用、電氣化改造以及低碳和綠色能源替代等方面出發，從而實現用能電氣化、低碳化和綠色化。

　　3.3 氣化介質

　　氣化介質是 RDF 氣化過程中影響產物品質的關鍵因素，不同氣化介質下的氣體產物的用途不同。空氣、O₂、CO₂和水蒸氣等是氣化過程中常用的氣化介質。空氣氣化是自熱反應，不需要外部加熱供應，焦油和焦炭產率適中，但是合成氣中 N₂含量較大，導致合成氣熱值偏小。在純氧或富氧條件進行氣化反應，可增大轉化效率，同時增大氣化過程產氣熱值，但純氧或富氧條件進行 RDF 氣化反應成本相對較高。在氣化過程中加入水蒸氣作為氣化劑，通過水 - 氣變換反應增大 H₂產率，可以獲得高品位和幾乎不含 N₂并富含 H₂的產品氣，但氣化過程中需要外部供熱。因此在碳中和背景下，CO₂氣化技術擁有廣闊的發展前景，其產氣熱值大且富含 H₂和 CO，但氣化過程需外部供熱以保持氣化溫度。

　　此外，眾多研究者還研究了不同氣化劑聯合氣化對氣體產物組分的影響，發現相較于其他氣化劑組合方式，O₂/ 水蒸氣氣化具有更好的氣化性能。LIU 等采用 O₂/ 水蒸氣對 RDF 進行了氣化，發現水蒸氣的加入促進了合成氣中 H₂和 CO₂生成，但 CO 含量和 LHV 減小。O₂/ 水蒸氣氣化可有效增大 H₂含量和 n (H₂)/n (CO)。AGON 等采用不同氣化劑組合(CO₂/O₂、水蒸氣、CO₂/ 水蒸氣和 O₂/ 水蒸氣)對 RDF 進行了等離子體氣化，發現 O₂/ 水蒸氣氣化劑擁有更好的氣化性能。

　　RDF 在不同氣化劑下氣化生成的氣體產物大致相同，都含有 H₂、CO 和 CH₄等，但含量有一定的差異，可根據需求和成本來選擇合適的氣化介質，并調整反應工況和條件，增大目標產物產量并提升產物品質。

　　3.4 ER

　　由于 RDF 中的氧含量隨組分波動較大，因此在氣化過程中選取適當的 ER 至關重要。LIU 等研究了 ER 對 RDF 氣化特性的影響，發現 ER 為 0.10 - 0.32 時，隨著 ER 增大，氣化產物中 CO 和 CH₄含量減小，H₂含量先減小后增大，CO₂含量增大，LHV 減小，產氣率增大。KHOSASAENG 等研究了 ER(0.15 - 0.50)對產氣組分、低位熱值和冷氣效率的影響，結果表明，合成氣中不可燃組分(CO₂和 O₂)體積分數隨 ER 的增大而減小，可燃組分含量(CO、H₂和 CH₄)隨 ER 的增大而出現波動，ER 為 0.35 時，CO 體積分數達到最大(14.72%);ER 為 0.30 時，CH₄體積分數達到最大(8.76%);LHV 和 CGE 隨 ER 的增大先增大后減小，ER 為 0.35 時，合成氣 LHV 最大(5.87MJ/m³)，CGE 為 73.04%。FAZIL 等研究了 ER 對 RDF 氣化特性的影響，發現 ER 為 0.25 - 0.40 時，隨著 ER 增大，CO、H₂和 CH₄產率先增大后減小，當 ER 為 0.40 時，LHV 達到最大(4.34MJ/m²)，且隨著 ER 增大，氣化區溫度升高，促進了焦油裂解，焦油產量從 9.4g/m² 減小到 3.6g/m²。

　　綜上，不同的 RDF 組分、氣化爐型和反應溫度下，RDF 氣化的最佳 ER 不同，但大致分布在 0.30 - 0.40。RDF 氣化技術需要根據當地的垃圾產生種類以及采用的氣化爐型來調整溫度、ER 等運行參數，從而最大程度地增大 RDF 轉化效率和提升合成氣品質，實現對垃圾的高效利用。

　　3.5 催化劑類型和使用條件

　　焦油是氣化過程中產生的副產品，不僅降低了能源利用效率，還會對設備造成堵塞和腐蝕，增加設備的維護成本，而且未經過充分處理的焦油排放到環境中，會對土壤和水體造成污染。研究發現，催化劑對焦油二次裂解有促進作用，同時能有效增大合成氣產率。周顯超等在 RDF 氣化過程中采用了 Ni 基催化劑，發現該催化劑能促進焦油、碳氫化合物裂解，從而增大合成氣收率、熱值和冷氣效率。此外，Ni 基催化劑中加入 Mg、Ce、K、Ca 和 Zn 等金屬可以改善其催化性能。ONWUDILI 等發現使用非均相 Ru 基催化劑催化 RDF 氣化可將 CGE 增大至 99%，與非催化實驗相比至少增大了 83%。在 RuO₂/γ - Al₂O₃催化劑的作用下，氣體產物的高位熱值(HHV)至少增大了兩倍。PENNEY 等采用 10% Ni - Al₂O₃催化劑(Ni 質量分數為 10%)對 RDF 進行了氣化催化重整，發現增大催化劑添加量，可以增大氣體產物中 H₂和 CO 含量。ŠUHAJ 等采用鎳基催化劑催化 RDF 氣化，發現增大催化劑添加量后，從催化反應器排出的氣體中 H₂和 CO 含量增大，且 n (H₂)/n (CO) 由 0.672(未使用催化劑)增大到 1.694。

　　RDF 氣化所用的催化劑需根據成分(如含水量、有機物種類等)、氣化溫度、目標產物(如合成氣、H₂等)以及環保要求來選定。常見的催化劑有 Ni 基催化劑、Ca 基催化劑、Fe 基催化劑、堿金屬催化劑、活性炭和天然礦石類等，不同的催化劑對氣化效果和產物有不同影響。RDF 的氣化規模化利用過程中需大量使用催化劑，但常規的催化劑面臨催化活性不高、催化效率較低、易積炭失活、制備成本高及回收困難等問題。因此，研究催化劑與原料的充分接觸條件，理清催化劑使用壽命與再生機制，測試和優化催化劑催化性能，降低催化劑的成本、再生費用，提高整體效益和氣化系統經濟性，是當前亟待解決的問題。

　　綜上所述，RDF 氣化的主要影響因素包括 RDF 成分、氣化溫度、氣化介質、ER 以及催化劑的類型和使用條件。RDF 成分影響氣化過程及產物成分，可調整 RDF 組分來增大其碳含量和氫含量，從而促進 CO 和 H₂生成。氣化溫度是影響氣化反應動力學和產物分布的關鍵因素，一般來說，隨著氣化溫度升高，合成氣中 H₂和 CO 含量會增大，而焦油和 CO₂含量會減小，但溫度不能過高，否則會影響氣化經濟性。氣化介質會影響氣化過程中的產物分布，要根據需求和成本來選擇合適的氣化介質。適當的 ER 可以增大 RDF 氣化的碳轉化率和氣化效率，過大或過小的 ER 都會影響氣化效果。添加催化劑可以有效減小合成氣中的焦油含量，增大 H₂和 CO 含量，從而提高合成氣品質，但催化劑面臨催化效率不高、高溫失活等問題，因此開發更高效和穩定，特別是那些能夠在高溫下保持活性并促進氣化反應的催化劑，對于提高氣化過程的整體性能至關重要。

　　4 結語與展望

　　本文重點介紹了典型 RDF 氣化技術和影響 RDF 氣化的主要因素。RDF 氣化技術主要包括固定床、流化床和等離子體氣化技術等。固定床氣化技術操作簡單，但氣化效率偏低，且焦油的生成對設備會造成損害，需改造并優化固定床氣化技術，提高氣化效率并解決焦油生成的問題。流化床氣化技術氣化效率較高且氣體產物品質較好，適用于商業化生產，能夠很好地實現生活垃圾減容，但存在未氣化燃料和熱量損失大的問題，因此還需對該工藝的應用進行進一步研究。等離子體氣化技術雖有較高的原料適應性和氣化效率，但由于投資成本和能源消耗較大，用于 RDF 氣化經濟性較差，難以實現大規模應用，未來可重點研究如何減小等離子體氣化裝置的投資成本和能源消耗。固定床、流化床和等離子體氣化技術各自具有優缺點，適用于不同的原料和處理需求。在選擇合適的氣化技術時，需要綜合考慮原料特性、處理效率、環境影響和經濟可行性等因素。

　　對于調控氣化效率的影響因素以提高氣化效率及經濟性并降低污染物排放的措施，提出了以下建議：(1)基于垃圾種類、規模和經濟性等因素，選擇合適的 RDF 制備工藝并進行改進以增大 RDF 熱值，選擇合適的氣化爐型并優化氣化反應器設計以適用于 RDF 氣化，從而實現產能最大化和成本最小化;(2)升高氣化溫度能夠增大氣體產物產率并提升其品質，同時減小二噁英類物質生成量以及重金屬排放量，但溫度過高會影響整個氣化工藝的能源效益和經濟性，可通過優化工藝設計和操作參數、余熱回收利用以及電氣化改造來減小能耗和投資成本;(3)根據需求和成本來選擇合適的氣化介質，調整 ER 等運行參數，最大程度實現目標產物高值化，并增大合成氣熱值和改善其品質;(4)RDF 氣化催化劑的使用可以減小氣化產物中焦油含量，增大氣體產物產率和熱值，但催化劑存在成本較高、催化效率不高和高溫失活等問題，因此催化劑類型和使用條件需要根據具體的氣化條件和原料特性來確定，以確保最佳的焦油控制效果和經濟效益，此外還需不斷優化催化劑組成和結構，開發更高效、穩定的催化劑。RDF 氣化技術的研究正朝著提高氣化效率和經濟性的方向發展，通過對影響因素的深入理解并進行技術創新，有望實現更加高效和環境友好的垃圾能源化解決方案。未來的研究可集中在開發新型高效 RDF 氣化技術、優化 RDF 氣化過程控制策略以及集成 RDF 氣化與其他能源系統。

龔夢銀;郭 帥;李 偉;任強強,中國科學院工程熱物理研究所;中國科學院大學,202503