城市生活垃圾熱重分析

謝冰心

（浦湘生物能源股份有限公司，長沙 410000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市生活垃圾產(chǎn)生量逐年遞增，不少城市都面臨“垃圾圍城”的困境，因此如何有效處理城市生活垃圾，已經(jīng)成為我國推進(jìn)環(huán)境保護(hù)，充分利用資源的重要研究內(nèi)容。城市生活垃圾是環(huán)境的污染源，但它又是可再生利用的資源，而且其總量還在不斷增長中。減量化、無害化、資源化是城市垃圾處理的終極目標(biāo)。城市生活垃圾熱解技術(shù)具有有效減容、減量，垃圾資源化等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為城市生活垃圾處理的主要手段。熱重分析法是指在程序控制溫度的條件下測定物質(zhì)質(zhì)量隨溫度的變化，確認(rèn)質(zhì)量與溫度的關(guān)系。只要物質(zhì)受熱而質(zhì)量發(fā)生變化，就可利用熱重分析法進(jìn)行分析。熱重分析法利用熱重試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)制作TG圖像，試驗(yàn)儀器操作簡單，該方法廣為科學(xué)研究者使用。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)根據(jù)長沙市城區(qū)生活垃圾成分制備樣品，其間選取大米、豬肉、廢紙、一次性筷子（竹木）、聚乙稀（PE）粉末、聚丙烯（PP）粉末、廢棄輪胎（橡膠）和棉T恤（織物），使用榮浩/RHP-100高速多功能粉碎機(jī)分別粉碎，研磨至粒徑小于200目。為消除樣品中水分的影響，將樣品置于恒溫干燥箱中，105 ℃溫度下恒溫干燥1 h以上。試驗(yàn)儀器包括電子天平、恒溫干燥箱和馬弗爐等。試驗(yàn)步驟為：外在水分的測定→樣品內(nèi)部水分的測定→揮發(fā)分的測定→灰分的測定。

2 工業(yè)試驗(yàn)分析

由表1可以看出，兩種塑料（聚乙烯、聚丙烯）的灰分比生物質(zhì)（竹木）低，但其揮發(fā)分高于生物質(zhì)。物質(zhì)中揮發(fā)分越高，則越容易燃燒，著火點(diǎn)越低，火焰高度越大；物質(zhì)中固定碳的含量越高，則物質(zhì)的發(fā)熱量越高。

表1 城市生活垃圾的工業(yè)分析

3 熱失重試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用熱天平對長沙城市生活垃圾樣品進(jìn)行熱重分析。城市生活垃圾在不同升溫速率下的微商熱重分析（DTG）曲線如圖1所示，熱重分析（TG）曲線如圖2所示。

由圖1分析可得，隨著升溫速率的增加，城市生活垃圾熱解的熱失重區(qū)間有所增大。城市生活垃圾熱解前20～130 ℃為水分蒸發(fā)過程，130 ℃后固定碳和一些揮發(fā)分開始熱解，分別對應(yīng)于DTG曲線上兩個(gè)明顯的失重峰，其分別介于130～450 ℃和450～600 ℃，揮發(fā)分析出階段失重速率較固定碳燃燒階段快。隨著升溫速率的增加，DTG曲線向高溫區(qū)移動(dòng)。

圖1 不同升溫速率下的DTG曲線

從圖2可知，隨著溫度的升高，樣品達(dá)到著火溫度以后，揮發(fā)分與氧氣發(fā)生熱解燃燒反應(yīng)，TG曲線上出現(xiàn)明顯的失重，對應(yīng)的DTG曲線出現(xiàn)高而陡的峰。傳熱差和溫度梯度受升溫速率的影響，導(dǎo)致熱滯后程度加重，使TG曲線向高溫側(cè)偏移。

圖2 不同升溫速率下的TG曲線

從室溫升到130 ℃左右，為樣品水分的脫除階段。樣品中水分受熱蒸發(fā)，塑料類高分子聚合物（PE、PP）在87～146 ℃吸熱軟化，橡膠在100 ℃以下吸熱軟化。150～434 ℃溫度區(qū)間為揮發(fā)分析出階段，熱解機(jī)理為：

溫度為234～255 ℃時(shí)，塑料固體吸熱，相變從固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)。溫度為260～366 ℃時(shí)，竹木、辦公用紙以及織物中纖維素經(jīng)歷快速聚合度降低過程，形成低聚合度的活性纖維素。在自由基作用下，活性纖維素降解為焦油木質(zhì)素、半焦和可燃?xì)怏w。溫度大于366 ℃時(shí)，纖維素反應(yīng)后的半焦進(jìn)一步分解，同時(shí)聚合度降低后的纖維素含有還原性末端基，容易發(fā)生轉(zhuǎn)糖苷作用生成左旋葡聚糖、糖化合物成分以及以HO為主的氣體產(chǎn)物。木質(zhì)素和纖維素共熱解時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互作用。

油脂具有較高的氫碳比，溫度為350 ℃時(shí)，脂類完全分解或揮發(fā)，能為生物質(zhì)熱解提供氫源。塑料類高分子聚合物熱解過程存在競爭反應(yīng)。380 ℃以后，此階段熱解過程以交聯(lián)縮聚反應(yīng)為主，軟化后的塑料類高分子聚合物和橡膠短時(shí)間內(nèi)急劇熱解，吸熱析出大量揮發(fā)分。從工業(yè)分析可知，塑料揮發(fā)分含量大于98%，固定碳含量少，這表明大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)變在這一溫度范圍內(nèi)基本完成。這與肖剛等人的塑料廢棄物氣化研究正好相符。塑料與橡膠共熱解，較單一熱解效率更高，同時(shí)在混合熱解過程中添加生物質(zhì)，固體殘?jiān)l(fā)熱量有所提高，氣體產(chǎn)量減小。434～592 ℃溫度區(qū)間為固定碳分解階段，熱解機(jī)理為：

竹木、辦公用紙以及織物的未反應(yīng)完全的木質(zhì)素中，C-H鍵和C-O鍵進(jìn)一步斷裂，趨于芳香化，部分分解產(chǎn)物縮合，游離基團(tuán)相互作用，逐步形成石墨結(jié)構(gòu)。塑料類高分子聚合物反應(yīng)后，烴類蠟發(fā)生二次分解。橡膠發(fā)生脫鏈解聚反應(yīng)，可能存在C-C鍵斷裂，逸出氣體以CH和CO為主。

4 結(jié)論

本文利用熱重分析儀分析長沙城市生活垃圾樣品的熱解特性，根據(jù)熱失重?cái)?shù)據(jù)繪制DTG、TG曲線，探究城市生活垃圾熱解反應(yīng)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，城市生活垃圾熱解可分為兩個(gè)階段，即揮發(fā)分析出階段和固定碳燃燒階段，揮發(fā)分析出階段失重速率要大于固定碳燃燒階段。隨著升溫速率的增加，城市生活垃圾熱解的熱失重區(qū)間有所增大，DTG曲線向高溫區(qū)移動(dòng)。初始階段（初溫至100 ℃）為脫水階段，城市生活垃圾水分受熱蒸發(fā)，其間會(huì)發(fā)生失重；升溫至900 ℃的過程中，樣品發(fā)生兩次失重，第一次失重發(fā)生于低溫段（小于450 ℃），原因是試樣中小分子氣體熱裂解，第二次失重發(fā)生在高溫段（大于450 ℃），原因是低溫下較難裂解成分在高溫下熱裂解。城市生活垃圾增長速度快，如果城市生活垃圾熱解技術(shù)走在時(shí)代前列，那么我國勢必會(huì)在能源上有一定的主動(dòng)權(quán)，在日益嚴(yán)重的資源危機(jī)中立于不敗之地。未來，我國要重視城市生活垃圾的減量化、無害化、資源化，給予城市生活垃圾熱解技術(shù)更多的關(guān)注，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。