从废弃物到高效能源：多维度添加剂调控老化垃圾衍生燃料（RDF）的性能

老垃圾衍生燃料（RDF）通过生物质与功能添加剂协同配比（5:4:1）优化物理性能（长度弹性11.9%~13.0%，密度0.58~0.64 g/cm³，抗压强度指数300）及热值（25003~26184 kJ/kg），其中椰壳作为生物质添加剂显著降低CO₂和NO₂排放（分别减少8.5%和7.8%），白泥通过物理吸附和化学固定减少重金属浸出（Zn 2.17%，Fe 1.16%）。

韩东林|李南南|夏新欣|徐宇|宋晓毛|匡美娟|杨蕾|周天鹏|梁翔|李国豪|史宇|徐志华

上海科技大学环境与建筑学院，中国上海市中工路516号，200093

摘要

老旧的垃圾填埋场存在环境和健康风险，因此需要通过垃圾挖掘来回收资源。本研究重点关注了基于老旧垃圾的衍生燃料（RDF）所存在的问题，这类燃料物理性质较差、燃烧行为不稳定且污染物排放不利。为了解决这些问题，本研究利用生物质和功能性添加剂与老旧垃圾共同制粒，以生产高质量的RDF。实验结果表明，在老旧垃圾、生物质添加剂和功能性添加剂的比例为5:4:1时，RDF的拉伸韧性为11.9%～13.0%，颗粒密度为0.58～0.64 g/cm³，抗性指数为300，热值为25003～26184 kJ/kg。此外，椰子壳被证明是更合适的生物质添加剂。与空白样品相比，椰子壳使RDF燃烧过程中的CO₂和NO₂排放分别减少了8.5%和7.8%。碳酸钙促进了纸屑和纤维素的燃烧，形成了多孔的灰分结构，从而物理吸附了烟气中的污染物。静电吸附作用固定了Zn²⁺和Fe²⁺，使其浸出量分别降至2.56%和1.03%。白泥通过其碱性成分与酸性烟气成分的反应，使CO₂和NO₂排放分别减少了16.3%和13.1%。白泥还通过其多孔结构中的物理吸附和玻璃相中的化学固定作用，将Zn和Fe离子的浸出量降至2.17%和1.16%。本研究为老旧垃圾的资源化利用提供了新的见解，推动了可持续的垃圾填埋场管理和回收。

引言

随着城市化的快速发展，填埋场中储存的老旧垃圾量不断增加，环境污染问题也愈发严重[1]。据统计，仅中国填埋场的老旧垃圾堆存量就超过了60亿吨，目前有200多个城市面临“垃圾围城”的问题[2]。研究人员通常采用焚烧[3]、热解[5]和回填[6]等方法处理老旧垃圾。然而，到2025年，中国的年垃圾处理能力仅达到2.34亿吨[7]，这还不到累积填埋垃圾量的5%。因此，寻找新的处理和处置策略以提高老旧垃圾资源的利用率至关重要。

衍生燃料（RDF）被广泛认为是资源回收的有希望的解决方案[8]~[15]。近年来，关于利用老旧垃圾填埋场垃圾制备RDF的研究越来越多。例如，Awassada等人研究了泰国一家机械处理厂的垃圾，并发现当地老旧垃圾制成的RDF热值为26,380 kJ/kg，符合欧洲RDF标准[16]；而Wolfsberger对奥地利两个填埋场的采样显示，当地老旧垃圾的热值仅为10,750 kJ/kg，不适合直接用作燃料[17]。Reba等人报告称，基于老旧垃圾的RDF颗粒密度仅为0.47 g/cm³，伸长率超过20%，导致运输成本较高[18]。Tang等人比较了新鲜生活垃圾和老旧垃圾制成的RDF，发现后者燃烧时产生的气体排放量增加了69.7%[19]。这些结果指出了从老旧垃圾填埋场垃圾制备RDF面临的三大挑战：燃烧性能不稳定、物理性质差以及无法控制污染物排放。

值得注意的是，即使在利用城市固体废物等传统废物来源制备RDF时，也存在物理性质差、燃烧特性不稳定和污染物排放不利等持续存在的问题。为了改善RDF的物理完整性和燃烧性能，研究人员采取了两种主要方法：一是通过增加成型压力或调整成型技术等手段对成型过程进行机械优化[20]、[21]；二是添加添加剂来改进RDF的配方。其中，污泥[22]、[23]以及农林废弃物[24]、[25]等生物质添加剂因其稳定的热值、简单的成分和广泛的可用性而受到广泛关注[26]。例如，Gundim等人向RDF中添加了甘蔗秸秆，发现添加25%的秸秆后颗粒密度增加了2.5倍，热值提高了22,081 kJ/kg，比原始材料提高了25%[27]。Gil等人使用松木锯末也提高了RDF颗粒的耐久性3%，并将其净热值从11,000 kJ/kg提高到18,000 kJ/kg[28]。Nyashina等人进一步表明，添加葵花壳后RDF颗粒密度增加了2%～9%，同时水分的存在增强了界面间的结合力和毛细压力，提高了抗冲击性并促进了热氧化反应，从而加速了燃烧[29]。上述研究表明，生物质添加剂（如污泥和农林废弃物）能有效改善RDF的物理性质（如密度和硬度）和热值。这种效果源于它们稳定的热值、易获取性以及促进结合和热氧化的能力，为提高RDF整体质量提供了可行的途径。同时，为了减少RDF燃烧过程中的污染物排放，研究人员添加了碱性功能性添加剂（如CaO[30]、Ca(OH)₂[31]、Al₂O₃[32]和NaOH[33]），这些添加剂有效减少了CO₂和NO₂的排放，并降低了燃烧灰分中重金属的浸出[34]。最近，人们开始关注具有类似功能的替代固体废物材料。例如，Lou等人使用含有60% MgO的工业干燥残渣（IDR）与树脂废物和厌氧污泥结合制备RDF，发现IDR通过氧化还原反应将NO₂转化为NO₃，从而减少了26%以上的NO₂排放[35]。Gao等人使用红泥（含38% SiO₂、27% CaO）作为商业RDF的添加剂，发现红泥中的活性成分有助于硅酸盐和铝硅酸盐化合物的形成、熔化和玻璃化，这种处理在800°C时形成了致密的表面涂层，有效固定了Ni、Cu和Zn等重金属[36]。这些发现突显了碱性固体废物作为经济高效功能性添加剂的潜力。通过利用其固有的化学反应性，它们为同时抑制气体排放和固定灰分中的有害金属提供了可行的策略。然而，关于生物质添加剂对基于老旧垃圾的RDF的物理和燃烧特性的影响的研究仍然较少，关于固体废物基功能性添加剂在控制老旧垃圾RDF燃烧过程中污染物排放方面的作用的研究也相对不足。因此，迫切需要系统地研究将农林废弃物作为生物质添加剂、固体废物作为功能性添加剂，以同时调节RDF的物理性质、燃烧行为和污染物排放。

在本研究中，使用秸秆和椰子壳作为生物质添加剂，白泥和椰子壳作为功能性添加剂来制备基于老旧垃圾的RDF。针对现有研究的局限性，本研究提出了一种多维度添加剂调控策略，用于从老旧垃圾中生产RDF。该策略涉及添加剂组合的协同设计，以调节RDF的三个关键方面：物理储存性能（密度和弹性）、燃烧特性（反应性和稳定性）以及环境影响（气体排放减少和重金属固定）。通过系统比较不同生物质添加剂对RDF物理和燃烧性能的影响，以及功能性添加剂对CO₂和NO₂排放及燃烧过程中重金属迁移的影响，本研究确定了优化混合比例，以协同改进农林废弃物和固体废物的效果。此外，还阐明了RDF基质中生物质和功能性添加剂之间的协同机制。通过系统评估这些参数，本研究旨在为老旧垃圾的清洁高效能源利用提供理论指导。

原材料

原材料

原材料来自不同地区，以代表典型的废物类型：老旧垃圾取自中国海南省海口市澄迈县的盐春岭填埋场；秸秆取自江苏省连云港市东海县的农田；椰子壳取自海南省文昌市。白泥由海南省海口市新Lu区的纸浆厂提供。

储存性能

RDF的储存性能可以通过监测其拉伸韧性和颗粒密度随时间的变化来确定。RDF颗粒在常温和常压下储存，记录了21天内的体积和密度变化。较高的拉伸韧性和较低的颗粒密度是导致RDF储存过程中体积膨胀的因素，这种膨胀改变了其物理性质，降低了燃烧效率。

结论

本研究主要阐明了不同添加剂对基于老旧垃圾的RDF的物理性质、燃烧特性和污染物排放的影响及其相关机制。主要结论如下：

首先，通过优化配方，成功将生物质和功能性添加剂结合使用，将老旧垃圾转化为高性能的RDF，提高了其结构完整性和热值。

资金来源

本研究得到了中国国家自然科学基金（21707090）、中国博士后科学基金（2017M611590）、海口市重点科技计划项目（2023-014）以及中国国家自然科学基金（72574146）的支持。

作者贡献声明

韩东林：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、项目管理、方法论、调查、数据分析、概念化。李南南：撰写——初稿、数据可视化、软件应用、方法论、调查、数据分析。夏新欣：撰写——审稿与编辑、数据可视化、软件应用、数据管理。徐宇：软件应用、数据管理。宋晓毛：项目管理、资金筹集、数据管理。匡美娟：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。