城鎮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

（山東百川同創能源有限公司，濟南 250101）

2019年，我國生活垃圾清運總量已達2.42億t，同比增長6.16%，其中焚燒與填埋無害化處理量分別為1.22億t、1.09億t，焚燒處理量首次超過清運總量的50%[1]。根據《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》與《城鎮生活垃圾分類和處理設施補短板強弱項實施方案》，2023年基本實現原生生活垃圾“零填埋”，并且在城市建成區生活垃圾日清運量超過300 t的地區加快建設焚燒處理設施，鼓勵生活垃圾日清運量不足300 t的地區開展小型生活垃圾焚燒設施試點。隨著社會經濟的快速發展、環境保護與資源節約意識的增強、垃圾分類收集處置等政策的進一步推進實施，原本以填埋為主導的無害化處理方式必將快速轉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，我國大城市已建立較為成熟的城市生活垃圾直燃焚燒發電商業項目模式，并且基本配置已經建設到位，然而部分小城市及縣域城鎮的生活垃圾問題尚未根本解決，大型焚燒項目處理規模大、投資高，并不合適這些地區。據統計，截至2020年底，全國已開展的生活垃圾熱解氣化處理項目已有98個，主要集中分布于云南、廣西和貴州等西南地區，采用小型熱解氣化爐對城鎮生活垃圾進行處理，對人口分散、收集轉運集中處置困難的山區或丘陵地帶的生活垃圾無害化處置進行了有益探索與實踐[2-3]。然而，受人為因素及自然環境條件的影響，生活垃圾具有較為明顯的地區性與季節性差異，其成分之繁雜對中小型生活垃圾熱解氣化處理項目的連續穩定運行和無害化處置帶來了嚴重的挑戰[4-5]。針對城鎮生活垃圾的特點，基于其物理組成，本文采用熱重試驗的方法，研究典型組分及多組分混合原料的熱解氣化特性，以期為中小型城鎮生活垃圾熱解氣化處理裝置的設計與運行提供基礎理論和參考數據。

1 城鎮生活垃圾組分分析

以云南省為例，選取2019年以來部分縣市城鎮生活垃圾焚燒項目環境影響報告書中公布的收到基垃圾物料物理組成數據，如表1所示。經過初步分選，對生活垃圾典型組分進行工業分析與元素分析，測試數據如表2所示。

表1 城鎮生活垃圾物料物理組成

表2 原料分析測試數據

由表1可以看出，不同地區生活垃圾的物理組成確有較大差異，但也均表現出紙類、橡塑類、木竹類和廚余類等組分含量較高的一致性特征。由于廚余類生活垃圾一般采用發酵堆肥等非熱解氣化焚燒處理工藝進行處置，本文僅選用生活垃圾中組分含量較高且可燃的橡塑類、紙類、木竹類作為典型組分進行熱解氣化特性分析，并將紙與木竹兩種具有相同生物質原料屬性的組分統一歸類為生物質類。參考生活垃圾收到基狀態下的物理組成，混合類原料中，橡塑類與生物質類的摻混質量比為1∶1。

2 試驗方法

試驗前將橡塑類與生物質類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。利用島津公司生產的DTG-60/60H差熱/熱重同步熱分析儀，以流速30 mL/min的高純氮氣為載氣，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，進一步充分去除物料中的水分。

3 試驗結果與分析

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

從圖1橡塑類TG/DTG曲線可以看出，其熱解反應主要集中在350～600 ℃，在此溫度區間，橡膠、塑料中含有的高分子鏈劇烈斷裂，分解成氣態產物并隨載氣帶出，導致反應原料快速失重。另外，從圖1中的DTG曲線還可以看出，熱解過程出現了多個峰值，其可能的原因是盡管塑料中單一組分物質的結構規整，可以在某段較窄的溫度區間集中進行熱解反應，但是橡塑類原料為含有聚乙烯（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間集中熱解，相互疊加的結果導致多個峰值。

從圖2生物質類熱解TG/DTG曲線可知，與橡塑類不同，生物質類原料的吸水性強，經歷了明顯的自由水脫除過程，即由室溫至100 ℃的水分蒸發階段；280～500 ℃是較集中的失重階段，主要為生物質原料中的揮發分熱解析出，在約380 ℃時出現最大失重峰；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也較明顯。

圖2 生物質類熱解TG/DTG曲線

根據圖3橡塑類與生物質類混合物料熱解的TG變化曲線，混合類原料熱解反應主要發生在280～550 ℃。溫度低于100 ℃時，主要進行的是生物質類原料的水分蒸發除濕。溫度高于550 ℃后，樣品失重率雖仍有進一步增大趨勢，但整體趨于平緩，表明熱解反應基本結束。根據DTG變化曲線，熱解反應可分為兩個階段，即250～400 ℃和400～550 ℃。在低溫階段，主要是生物質類原料的半纖維素、纖維素及木質素的分解反應。在高溫階段，橡塑類原料的熱解占主導地位。

綜合圖1至圖3，生物質類與橡塑類的混合熱解表現出一定的協同促進作用，使得橡塑類完成劇烈熱解反應的溫度由600 ℃降低至550 ℃，這與孫劍平等[6]研究報道的生物質與塑料熱解過程中存在明顯協同作用的結論是一致的。此外，根據以上結果可知，為保證生活垃圾在自熱解氣化爐中的揮發分充分釋放析出，熱解階段的反應溫度應控制在550 ℃以上，殘余碳化物可保留至后續的氣化或燃燒階段進一步處理。

圖3 混合物料熱解TG/DTG曲線

4 結論

橡塑類與生物質類是生活垃圾中兩種最主要的有機可燃成分，本文采用熱重試驗的方法對典型組分進行了熱解特性分析。橡塑類的熱解反應主要集中在350～600 ℃，橡塑類含有多種單質組分，導致其熱解過程出現多個峰值；生物質類熱解反應主要集中在280～550 ℃，且存在較明顯的水分蒸發與縮合碳化反應過程；生物質類與橡塑類的混合熱解具有一定的協同促進作用，有利于生活垃圾采用熱解氣化焚燒工藝進行無害化處置。