城市固体废弃物的处置已经逐渐成为制约我国绿色可持续发展的一个重要因素,气化作为一种固体废弃物能量再利用的有效可行途径,在单独进行气化反应时,存在气化效率较低,气化炉稳定性较差,合成气中污染物含量较高等问题。相对于固体废弃物单独进行气化反应过程,生活垃圾与具有其他优势的原料协同气化过程中会产生协同作用,弥补了两种原料单独气化反应过程中的不足之处,突破了气化反应原料选择上的限制,丰富了协同气化原料和产品的选择,同时还可以提升气化反应过程碳的反应活性,有效控制焦油量的产生并降低二次污染物的排放。然而目前面向生活垃圾协同气化的工艺基本特性和协同作用机制的研究都较为匮乏。基于此,本课题研究开发了一种新型的城市生活垃圾与高碱煤或生物质协同气化的三段式系统,旨在解决生活垃圾一级气化工艺所得合成气焦油、氯化氢和二噁英污染物含量高,热值低,工艺效率低下等问题。有望深入了解多级式协同气化工艺的基本特性和协同作用机制,为高含氯城市生活垃圾的处理提供一条可行性高的协同气化途径,并具有较强的市场化前景。本文首先研究开发了一种新型的城市生活垃圾与高碱煤或生物质协同气化的三段式系统。采用高碱含量的煤焦或生物质热解焦炭同时作为焦油催化裂解的催化剂,脱除酸性HCl污染物的吸收剂和协同气化的反应物,将一体化气化系统分为三个反应器。结果发现,合成气的稳定产气组分为氢气41.9 vol.%,一氧化碳29.3 vol.%,甲烷7.49 vol.%,二氧化碳3.90 vol.%,计算的低位热值为12.2 MJ/Nm³。合成气产率最高达到1.57 Nm³/kg,从而获得最佳的冷煤气效率（89.4%）和碳转化效率（90.3%）。随着热解温度的升高,氧化阶段的水蒸气气体浓度从15.7 g/Nm³增加到18.5 g/Nm³。氧化反应阶段排放的气体中水蒸气含量在ER为0.45时达到最大值18.1 g/Nm³,而在0.25的ER下水蒸气含量降至14.6g/Nm³。总体来说,H₂含量、焦油含量和低位热值均随ER的升高而降低。在较高的还原温度下,可燃气体组分CO和H₂含量的下降也直接导致了合成气低位热值的降低。协同气化系统的冷煤气效率、碳转化效率和合成气低位热值都随着还原温度的上升而逐渐降低,在还原温度为1000oC时分别降至55.4%、66.0%和10.6 MJ/Nm³。Boudouard反应和水煤气反应的强度比值在所有工况条件下均小于1,说明在三段式协同气化系统还原阶段中水煤气反应起了主导作用。然而,随着还原温度的不断升高,Boudouard反应相较于水煤气反应的占比越来越大,水煤气反应逐渐减弱。针对生活垃圾高含氯的特性,进一步研究了氯对复杂生活垃圾组分衍生焦炭反应活性和焦炭结构影响。选取三种典型的城市生活垃圾组分:淀粉类餐厨垃圾、木质素类木制品垃圾和纤维素类垃圾,系统性地研究了无机氯（NaCl）和有机氯（PVC）,对相应热解焦炭的基本理化特性影响。此外,还研究了不同组分在共同热解过程中对相应热解焦炭活性和结构的交互作用影响。结果发现,无机氯通过抑制晶体C（002）和C（440）的形成从而削弱了热解焦炭的氧化反应活性,热解焦炭样品的表观活化能均小于其与PVC混合物的热解焦炭。对于木质素焦炭来说,PVC的添加会使其在拉曼光谱中的I_D/I_G的比值下降,C结构更趋于有序化。碱金属和非金属元素在热解过程中挥发作用相对较为强烈。木质素与纤维素的交互作用提高了碳结构的有序度,导致木质素+纤维素焦炭样品中晶体碳峰C（100）的出现。拉曼光谱分析解释了淀粉和木质素的相互作用导致石墨畴的尺寸和厚度增大。而木质素与纤维素的相互作用使微晶的平面尺寸变小,而对石墨畴的厚度没有影响。另一方面,混合炭样品的能带面积比I_D4/I_G值均介于两个相应的单炭样品之间,说明sp2-sp3杂化过程并没有产生交互作用。基于三段式生活垃圾协同气化合成气基本特性分析,针对气化过程中两种关键污染物焦油和氯化氢的生成特性和脱除机理进一步分析。结果发现,在还原阶段采用高碱金属和碱土金属含量的“准东”煤焦,可大大提高合成气品质,同时可将生活垃圾气化过程中两种关键性污染物焦油和HCl浓度控制在较低水平,最低可将合成气中焦油和HCl浓度分别降至9.56 mg/Nm³和17.4 mg/Nm³。金属氯化物结渣对煤焦反应活性的影响大于还原温度的提高对焦油高温热裂解反应的提高。在800oC还原温度下的焦油去除率达到了90.9%,而900oC还原温度下的焦油去除率降低至84.6%。金属吸附剂在捕捉HCl气体的能力随着温度的继续升高而减弱,并且CaCl₂化合物在高温下稳定性较差。因为较高的温度（超过750oC）促进了CaCl₂的分解反应,随之促进金属氧化物与HCl的可逆反应,从而推向逆向反应产生更多的HCl酸性污染物气体。在还原反应阶段,显然CaO对HCl的吸附作用在HCl脱除反应中起了主导作用。而在还原反应区,要同时进行高温催化裂解气化焦油和进行Boudouard反应以产生合成气,则需要高于800oC的还原温度。然后,这两种氯化物的颗粒自行熔化、团聚或胶合,导致放置在还原区里的煤焦床层物料发生坍塌。因此,随着还原温度从800oC逐渐升高到1000oC,还原反应后煤焦的BET比表面积由127.6m²/g降至74.9 m²/g。研究了三段式生活垃圾协同气化二噁英排放特性,以高碱含量煤炭和生物质炭两种不同的热解焦炭为还原区域的反应物,在三段式生活垃圾协同气化系统上研究了PCDD/Fs的排放特性。结果发现,还原反应阶段后,由于缺氧气氛和高温降解反应,二噁英毒性当量值在该三段式生活垃圾协同气化装置中可以控制在0.068⁰.085 ng I-TEQ/Nm³之间。二噁英的浓度和毒性当量均随还原反应温度从800oC升高到1000oC而降低,这是由于二噁英在350oC以上的高温降解反应增强所致,低氯PCDDs（TCDD和PeCDD）在还原阶段更容易转化为高氯PCDDs（HxCDD、HpCDD和OCDD）,而稻壳焦炭则相反。还原反应过程中氯酚前驱物反应对稻壳热解焦炭样品的主导作用增强。煤焦还原反应倾向于生成高氯化度的二噁英,而稻壳焦炭还原反应更容易形成低氯化度的二噁英。还原段中水煤气反应,Boudouard反应等气化主体反应使得H₂为主的重要合成气组分的浓度显著增加,这使得二噁英前驱物A和前驱物B分别降低,从而大大降低了两种二噁英的关键高毒性同系物2,4,7,8-TCDD和1,2,3,4,7,8-HxCDD的在所有毒性二噁英同系物中的占比。此外,HCl的减少对推动自由基逆向反应的作用大于H₂的增加对推动自由基正向反应的作用,导致三段式生活垃圾协同气化实验中还原反应后二噁英的关键高毒性同系物1,2,3,7,8-PeCDD的下降。