2011CB201500-可燃固体废弃物能源化高效清洁利用机理研究-973项目申报书

项目名称：可燃固体废弃物能源化高效清洁利用机理研究首席科学家：严建华浙江大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部浙江省科技厅二、预期目标（一）总体目标通过本项目研究，解决可燃固体废弃物能源化利用的关键科学问题，建立新一代可燃固体废弃物高效能源化利用集成理论，为解决我国城市可持续发展过程中存在的以生活垃圾为主体的可燃固体废弃物清洁处置和资源化利用重大需求问题提供科学指导，并在促进能源供应的多元化和减少污染物排放等方面做出贡献。

1）深化我国在可燃固体废弃物高效清洁能源化利用方面的基础研究，拓展和丰富热化学转化的理论体系和方法，在低二恶英排放的热化学转化理论、二恶英、重金属等关键污染物的全过程排放控制，以及新一代近零排放的高效能源化利用集成理论等多方面取得突破。

2）以发展符合国家能源多样化和污染物近零排放等重大需求并且具有自主知识产权的新一代近零排放的高效能源化集成理论为目标，实现可燃固体废弃物能源化利用的高效率、目标产物的高值化、关键污染物的近零排放控制，形成若干具有自主知识产权的可燃固体废弃物处置创新成果，以克服传统的可燃固体废弃物直接焚烧能源化处置过程中存在的潜在二次污染问题，积极发展新一代的可燃固体废弃物热化学利用模式。

3）在能源、环境、化学等学科交叉基础上，形成可燃固体废弃物高效清洁能源化利用学科新方向。

建设具有示范意义的可燃固体废弃物高效清洁能源化利用研究平台。

培养和造就一批在能源、资源与环境及相关领域的高层次专家和青年研究骨干，形成在该项目研究领域中有国际影响力的研究团队。

（二）五年预期目标1）掌握复杂组分可燃固体废弃物在还原/氧化可控气氛下的热化学转化机理及交互影响规律，建立可燃固体废弃物高值化预处理调质和源头控污机制，探索基于氧化剂调控的低二恶英排放热转化理论，指导形成可燃固体废弃物高效热处置集成理论，为相关技术的开发和系统优化提供理论支撑。

2）探明可燃固体废弃物在不同热化学转化条件下产物的性状、能源化特性以及关键污染物的生成、迁移机理，形成二恶英类物质的生成阻滞、定向诱导机理机制，初步掌握其在线检测方法，掌握重金属的全过程指纹图谱，探索重金属化学价态无毒化定向诱导机理，形成关键污染物的协同脱除新机制，为可燃固废废弃物能源化利用全过程污染物控制新机制的发展打下基础。

3）通过相关基础研究和实验验证，构建新一代近零排放的可燃固体废弃物高效能源化利用集成模式。

在高值化能源利用、低二恶英排放的热化学转化模式、关键污染物的全过程近零排放控制等方面形成4～5项核心技术，4）在能源、环境、化学等多学科交叉和结合的基础上形成可燃固体废弃物高效清洁化利用学科新方向。

5）在研究领域内发表SCI和EI检索论文累计达200篇左右，出版专著3部以上，组织1～2次高水平的国际学术会议，申请10～20项发明专利，培养博士50名以上，硕士100名以上。

三、研究方案（一）学术思路以适合我国国情的可燃固体废弃物能源化高效清洁利用为目标，从能源、环境、化学等学科交叉提出关键科学问题，深入了解我国复杂组分可燃固体废弃物的物理化学特性及其在还原/氧化可控气氛下的热化学转化规律，通过气氛调控，研究以低二恶英排放为目标的可燃固体废弃物热转化机理，掌握关键污染物的化学价态和物理赋存的迁移变化规律，形成实现二恶英和重金属等关键污染物全过程排放控制新机制，研究不同控氧气氛下热转化过程的协同优化和热转化产物高值利用的新方法，并通过相关数值模拟和试验验证，获得新一代近零排放的可燃固体废弃物高效能源化利用集成理论，为我国可燃固体废弃物的大规模能源化高效清洁利用提供理论基础和科技指导，项目的总体研究思路见图1。

图1 课题研究学术思路框图（二）技术途径项目的技术路线基于先进的仪器分析，依托机理性试验研究和验证性实验研究，并紧密结合理论分析和模型构建来完成，课题的研究技术思路如图2。

1) 采用色质联用、热重分析、原子力显微镜等现代测试和分析仪器分析表征、热转化实验及计算机模拟相结合的方法，对可燃固体废弃物中单元组分的物理化学结构与特性做出较清晰的表征，建立污染物的指纹图谱数据库，为后续热化学转化与高品位利用提供理论基础。

2) 通过磁悬浮热天平、热重红外联用、色谱质谱等装置对可燃固体废弃物中典型可燃组分进行热解气化动力学分析，建立单元组分的热反应动力学模型，重点考察碳氢化合物、金属和微量元素等对热反应的影响规律，揭示其在不同氧化/还原气氛下的反应机理，分析可燃组分在热化学环境下的微观反应机理和宏观反应特征，以此来掌握可燃固体废弃物中多种组分在还原/氧化可控气氛下的交互影响。

3) 基于可燃固体废弃物基元组分在不同控氧气氛下的热化学反应分析，研究复杂组分可燃固体废弃物在热解、气化、燃烧等典型热处理过程的多相流动力学、传热传质规律与化学反应机理，揭示各热化学单元之间的耦合机制，形成基于氧化剂调控和能量优化匹配的高效热转化理论和方法。

4) 利用高分辨色谱-质谱联机及飞行时间分析质谱对痕量和微量有机污染物检测分析，研究多组分可燃固体废弃物热化学转化过程中二恶英等持久性有机污染物的生成、转化和再合成规律以及关键影响因素，探索二恶英类污染物生成阻滞和非毒性诱导途径及基于等离子、臭氧等多途径耦合的分解方法。

5) 利用原子吸收光谱/等离子光谱ICP/SEM/TEM等高分辨理化分析测试方法，研究热化学转化残余物的物理化学结构，掌握灰渣中重金属的化学价态、物理分布和在不同反应气氛下的环境毒理特性，探索基于物理包裹、晶格置换等多途径耦合的灰渣无害化低能耗高值化利用模式。

6) 从能量转化、物质转换和对环境的影响等方面，汇总上述各条技术路线的研究成果，探索可燃固体废弃物高效清洁能源化利用集成理论，并开展全过程污染物控制和能效评价，对热化学转化途径进行耦合优化集成和实验室验证，对发展高效、清洁的可燃固体废弃物能源化利用技术提供指导。

图2 基础研究学术思想（三）创新点与特色以复杂组分的可燃固体废弃物为主要对象，基于源头调质、气氛调控、过程阻滞、定向诱导、协同优化等设想，构建废弃物规模化高效清洁能源化利用的理论与技术体系，研究其在控氧气氛下各组分的热化学转化机理，特别是关键污染物的生成迁移规律，探求低二恶英排放的热化学转化模式、实现关键污染物近零排放的全过程控制新理论和新一代近零排放的能源化利用集成理论是本项目的特点。

与国内外在此领域的研究相比较，本项目通过能源、环境、化工等学科的结合和交叉形成主要创新学术思想，可望为开发具有自主知识产权的创新技术和规模化应用推广提供理论指导。

在此基础上，形成可燃固体废弃物高效清洁利用的集成理论和若干拥有自己知识产权的技术创新体系，这些技术可望有效解决我国城市化发展过程中迫切需要解决的以生活垃圾为主体的可燃固体废弃物的出路问题，改变现有的固废废弃物直接焚烧利用过程中潜在的二次污染现状，同时可以为我国城市能源供应的多元化发展和减少污染物排放做出贡献。

1) 思路特色(a) 针对以城市生活垃圾为主体的可燃固体废弃物能源化高效清洁利用重大需求，从研究复杂组分理化特性出发，探索以低二恶英排放为目标的还原/氧化可控气氛下可燃固体废弃物的热化学转化规律、关键污染物的全过程排放控制以及新一代近零排放的高效能源化利用集成理论等三个科学问题。

这三个科学问题层层相扣，相互关联，科学问题的解决将极大地促进我国具有自主知识产权的可燃固体废弃物能源化清洁利用技术的发展。

(b) 围绕项目科学问题，开展能源、环境、化工等学科交叉研究，形成可燃固体废弃物高效清洁能源化利用新的方向。

(c) 通过相关基础研究，构建可燃固体废弃物高效清洁能源化利用集成理论和技术创新体系，在满足城市生活垃圾规模化可持续能源利用的同时，提高能量转换品质和效率，实现关键污染物的近零排放控制。

2)创新点(a) 从可燃固体废弃物的复杂组分入手，探求可燃固体废弃物高值化预处理调质和污染物的源头控制机制。

(b) 基于可燃固体废弃物中复杂组分在还原/氧化可控气氛下的热化学反应机理和传热传质规律，探求通过热化学反应气氛的调控形成低二恶英类物质排放的新一代热化学转化模式。

(c) 基于关键污染物的生成、迁移机理的认识，建立二恶英生成过程阻滞、非毒性定向诱导以及生成后多途径耦合分解的排放控制新机制。

基于化学价态和物理赋存的研究，建立重金属化学价态无毒化定向诱导和稳定脱毒新理论。

通过研究热转化过程中污染物的交互影响，探求关键污染物协同脱除机制，实现可燃固体废弃物能源化利用过程中的近零排放。

(d) 针对可燃固体废弃物的规模化利用的需要，通过数值模拟和实验验证，基于源头调质、气氛调控、过程阻滞、定向诱导、协同优化等创新设想，建立新一代近零排放的可燃固体废弃物高效能源化利用集成理论。

（四）可行性分析我国目前以城市生活垃圾为主体的可燃固体废弃物直接焚烧能源化利用解决方案存在着潜在的二次污染和能源转化效率低下等问题，而先进高效清洁的热化学转化新技术开发受到基础研究不足的制约，特别是由于废弃物组分的复杂性，导致能源化利用过程中低二恶英排放的高效热化学反应机理、关键污染物的全过程排放控制、新一代近零排放的高效能源化利用集成理论等基础研究相当薄弱。

深入研究这些基础问题，可望为可燃固体废弃物高效清洁能源化利用提供理论支撑。

（五）课题设置1) 课题设置思路为了推动项目顺利地实施，把前面提到的六项主要研究内容归结为三个层面，组织六个课题进行分工研究。

以低二恶英排放为目标的还原/氧化气氛下的热化学转换机理、热转化过程中关键污染物的全过程排放控制、以及适应我国可燃固体废弃物特性的新一代近零排放的高效能源化利用集成理论是本项目研究拟解决的三个关键科学问题。

针对科学问题，本项目研究课题从三个层面进行设置。

这三个层面分别是：1)可燃固体废弃物中复杂组分物理化学特性的认识及低二恶英排放的热化学转化机理；2)能源化利用过程中二恶英及重金属等关键污染物全过程排放控制；3)高效能源化利用及热化学转换产物的高值化。

三个层面相互联系，互相依托，将项目的研究目标和关键科学问题作为两条纵线贯穿三个层面的研究，并作为纽带把六个课题紧紧锁定在六个主要研究内容上。

在课题部署上，在第一个层面是整个项目研究的基础，主要安排了2个课题(课题1和课题2)；第二个层面是项目研究的关键，也是实现第三方面内容的基础，在这个层面的研究中，部署了2个课题(课题3和课题4)联合进行研究，在第三个层面的研究中，设置了课题5。

而课题6将其他课题的研究成果进行耦合集成及优化，形成新一代近零排放的适合我国可燃废弃物特性的高效能源化利用集成理论。

整个研究方案概括为三个层面、六个课题。

六个课题有分工，有协作，也有多学科的交叉、融合，相互借鉴，形成一个有机整体。