城鎮(zhèn)生活垃圾典型組分熱解特性分析

于 杰，徐鵬舉，常加富，董 磊，鄒永才

（山東百川同創(chuàng)能源有限公司，濟(jì)南 250101）

2019年，我國(guó)生活垃圾清運(yùn)總量已達(dá)2.42億t，同比增長(zhǎng)6.16%，其中焚燒與填埋無(wú)害化處理量分別為1.22億t、1.09億t，焚燒處理量首次超過(guò)清運(yùn)總量的50%[1]。根據(jù)《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類(lèi)和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》與《城鎮(zhèn)生活垃圾分類(lèi)和處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》，2023年基本實(shí)現(xiàn)原生生活垃圾“零填埋”，并且在城市建成區(qū)生活垃圾日清運(yùn)量超過(guò)300 t的地區(qū)加快建設(shè)焚燒處理設(shè)施，鼓勵(lì)生活垃圾日清運(yùn)量不足300 t的地區(qū)開(kāi)展小型生活垃圾焚燒設(shè)施試點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、環(huán)境保護(hù)與資源節(jié)約意識(shí)的增強(qiáng)、垃圾分類(lèi)收集處置等政策的進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)施，原本以填埋為主導(dǎo)的無(wú)害化處理方式必將快速轉(zhuǎn)向大中型集中直燃焚燒與中小型分布式熱解氣化焚燒。

目前，我國(guó)大城市已建立較為成熟的城市生活垃圾直燃焚燒發(fā)電商業(yè)項(xiàng)目模式，并且基本配置已經(jīng)建設(shè)到位，然而部分小城市及縣域城鎮(zhèn)的生活垃圾問(wèn)題尚未根本解決，大型焚燒項(xiàng)目處理規(guī)模大、投資高，并不合適這些地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，全國(guó)已開(kāi)展的生活垃圾熱解氣化處理項(xiàng)目已有98個(gè)，主要集中分布于云南、廣西和貴州等西南地區(qū)，采用小型熱解氣化爐對(duì)城鎮(zhèn)生活垃圾進(jìn)行處理，對(duì)人口分散、收集轉(zhuǎn)運(yùn)集中處置困難的山區(qū)或丘陵地帶的生活垃圾無(wú)害化處置進(jìn)行了有益探索與實(shí)踐[2-3]。然而，受人為因素及自然環(huán)境條件的影響，生活垃圾具有較為明顯的地區(qū)性與季節(jié)性差異，其成分之繁雜對(duì)中小型生活垃圾熱解氣化處理項(xiàng)目的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和無(wú)害化處置帶來(lái)了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[4-5]。針對(duì)城鎮(zhèn)生活垃圾的特點(diǎn)，基于其物理組成，本文采用熱重試驗(yàn)的方法，研究典型組分及多組分混合原料的熱解氣化特性，以期為中小型城鎮(zhèn)生活垃圾熱解氣化處理裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供基礎(chǔ)理論和參考數(shù)據(jù)。

1 城鎮(zhèn)生活垃圾組分分析

以云南省為例，選取2019年以來(lái)部分縣市城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(shū)中公布的收到基垃圾物料物理組成數(shù)據(jù)，如表1所示。經(jīng)過(guò)初步分選，對(duì)生活垃圾典型組分進(jìn)行工業(yè)分析與元素分析，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 城鎮(zhèn)生活垃圾物料物理組成

表2 原料分析測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可以看出，不同地區(qū)生活垃圾的物理組成確有較大差異，但也均表現(xiàn)出紙類(lèi)、橡塑類(lèi)、木竹類(lèi)和廚余類(lèi)等組分含量較高的一致性特征。由于廚余類(lèi)生活垃圾一般采用發(fā)酵堆肥等非熱解氣化焚燒處理工藝進(jìn)行處置，本文僅選用生活垃圾中組分含量較高且可燃的橡塑類(lèi)、紙類(lèi)、木竹類(lèi)作為典型組分進(jìn)行熱解氣化特性分析，并將紙與木竹兩種具有相同生物質(zhì)原料屬性的組分統(tǒng)一歸類(lèi)為生物質(zhì)類(lèi)。參考生活垃圾收到基狀態(tài)下的物理組成，混合類(lèi)原料中，橡塑類(lèi)與生物質(zhì)類(lèi)的摻混質(zhì)量比為1∶1。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前將橡塑類(lèi)與生物質(zhì)類(lèi)兩種生活垃圾原料分別充分自然晾曬、干燥，并粉碎研磨成粉末狀備用。利用島津公司生產(chǎn)的DTG-60/60H差熱/熱重同步熱分析儀，以流速30 mL/min的高純氮?dú)鉃檩d氣，采用10 ℃/min的升溫速率將坩堝中的樣品從室溫加熱至800 ℃，其間在105 ℃下保持20 min，進(jìn)一步充分去除物料中的水分。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

橡塑類(lèi)、生物質(zhì)類(lèi)以及兩種物料混合物的熱解TG/DTG（熱失重/熱失重速率）曲線(xiàn)分別如圖1至圖3所示。

從圖1橡塑類(lèi)TG/DTG曲線(xiàn)可以看出，其熱解反應(yīng)主要集中在350～600 ℃，在此溫度區(qū)間，橡膠、塑料中含有的高分子鏈劇烈斷裂，分解成氣態(tài)產(chǎn)物并隨載氣帶出，導(dǎo)致反應(yīng)原料快速失重。另外，從圖1中的DTG曲線(xiàn)還可以看出，熱解過(guò)程出現(xiàn)了多個(gè)峰值，其可能的原因是盡管塑料中單一組分物質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)整，可以在某段較窄的溫度區(qū)間集中進(jìn)行熱解反應(yīng)，但是橡塑類(lèi)原料為含有聚乙烯（PE）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）及橡膠等多種組分的混合物，多組分分別在不同的溫度區(qū)間集中熱解，相互疊加的結(jié)果導(dǎo)致多個(gè)峰值。

從圖2生物質(zhì)類(lèi)熱解TG/DTG曲線(xiàn)可知，與橡塑類(lèi)不同，生物質(zhì)類(lèi)原料的吸水性強(qiáng)，經(jīng)歷了明顯的自由水脫除過(guò)程，即由室溫至100 ℃的水分蒸發(fā)階段；280～500 ℃是較集中的失重階段，主要為生物質(zhì)原料中的揮發(fā)分熱解析出，在約380 ℃時(shí)出現(xiàn)最大失重峰；500 ℃后失重速率變緩，溫度升至700 ℃后基本不再失重，此階段熱解殘留物的碳化與縮合反應(yīng)也較明顯。

圖2 生物質(zhì)類(lèi)熱解TG/DTG曲線(xiàn)

根據(jù)圖3橡塑類(lèi)與生物質(zhì)類(lèi)混合物料熱解的TG變化曲線(xiàn)，混合類(lèi)原料熱解反應(yīng)主要發(fā)生在280～550 ℃。溫度低于100 ℃時(shí)，主要進(jìn)行的是生物質(zhì)類(lèi)原料的水分蒸發(fā)除濕。溫度高于550 ℃后，樣品失重率雖仍有進(jìn)一步增大趨勢(shì)，但整體趨于平緩，表明熱解反應(yīng)基本結(jié)束。根據(jù)DTG變化曲線(xiàn)，熱解反應(yīng)可分為兩個(gè)階段，即250～400 ℃和400～550 ℃。在低溫階段，主要是生物質(zhì)類(lèi)原料的半纖維素、纖維素及木質(zhì)素的分解反應(yīng)。在高溫階段，橡塑類(lèi)原料的熱解占主導(dǎo)地位。

綜合圖1至圖3，生物質(zhì)類(lèi)與橡塑類(lèi)的混合熱解表現(xiàn)出一定的協(xié)同促進(jìn)作用，使得橡塑類(lèi)完成劇烈熱解反應(yīng)的溫度由600 ℃降低至550 ℃，這與孫劍平等[6]研究報(bào)道的生物質(zhì)與塑料熱解過(guò)程中存在明顯協(xié)同作用的結(jié)論是一致的。此外，根據(jù)以上結(jié)果可知，為保證生活垃圾在自熱解氣化爐中的揮發(fā)分充分釋放析出，熱解階段的反應(yīng)溫度應(yīng)控制在550 ℃以上，殘余碳化物可保留至后續(xù)的氣化或燃燒階段進(jìn)一步處理。

圖3 混合物料熱解TG/DTG曲線(xiàn)

4 結(jié)論

橡塑類(lèi)與生物質(zhì)類(lèi)是生活垃圾中兩種最主要的有機(jī)可燃成分，本文采用熱重試驗(yàn)的方法對(duì)典型組分進(jìn)行了熱解特性分析。橡塑類(lèi)的熱解反應(yīng)主要集中在350～600 ℃，橡塑類(lèi)含有多種單質(zhì)組分，導(dǎo)致其熱解過(guò)程出現(xiàn)多個(gè)峰值；生物質(zhì)類(lèi)熱解反應(yīng)主要集中在280～550 ℃，且存在較明顯的水分蒸發(fā)與縮合碳化反應(yīng)過(guò)程；生物質(zhì)類(lèi)與橡塑類(lèi)的混合熱解具有一定的協(xié)同促進(jìn)作用，有利于生活垃圾采用熱解氣化焚燒工藝進(jìn)行無(wú)害化處置。