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）

隨著社會經濟的不斷發展，城市生活垃圾產生量逐年遞增，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，已經成為我國推進環境保護，充分利用資源的重要研究內容。城市生活垃圾是環境的污染源，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。城市生活垃圾熱解技術具有有效減容、減量，垃圾資源化等優點，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質量隨溫度的變化，確認質量與溫度的關系。只要物質受熱而質量發生變化，就可利用熱重分析法進行分析。熱重分析法利用熱重試驗得到的數據制作TG圖像，試驗儀器操作簡單，該方法廣為科學研究者使用。

1 試驗材料

本試驗根據長沙市城區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。試驗儀器包括電子天平、恒溫干燥箱和馬弗爐等。試驗步驟為：外在水分的測定→樣品內部水分的測定→揮發分的測定→灰分的測定。

2 工業試驗分析

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

表1 城市生活垃圾的工業分析

3 熱失重試驗數據分析

利用熱天平對長沙城市生活垃圾樣品進行熱重分析。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間有所增大。城市生活垃圾熱解前20～130 ℃為水分蒸發過程，130 ℃后固定碳和一些揮發分開始熱解，分別對應于DTG曲線上兩個明顯的失重峰，其分別介于130～450 ℃和450～600 ℃，揮發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曲線向高溫區移動。

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，樣品達到著火溫度以后，揮發分與氧氣發生熱解燃燒反應，TG曲線上出現明顯的失重，對應的DTG曲線出現高而陡的峰。傳熱差和溫度梯度受升溫速率的影響，導致熱滯后程度加重，使TG曲線向高溫側偏移。

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，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 ℃溫度區間為揮發分析出階段，熱解機理為：

溫度為234～255 ℃時，塑料固體吸熱，相變從固態變為熔融態。溫度為260～366 ℃時，竹木、辦公用紙以及織物中纖維素經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素、半焦和可燃氣體。溫度大于366 ℃時，纖維素反應后的半焦進一步分解，同時聚合度降低后的纖維素含有還原性末端基，容易發生轉糖苷作用生成左旋葡聚糖、糖化合物成分以及以HO為主的氣體產物。木質素和纖維素共熱解時會產生相互作用。

油脂具有較高的氫碳比，溫度為350 ℃時，脂類完全分解或揮發，能為生物質熱解提供氫源。塑料類高分子聚合物熱解過程存在競爭反應。380 ℃以后，此階段熱解過程以交聯縮聚反應為主，軟化后的塑料類高分子聚合物和橡膠短時間內急劇熱解，吸熱析出大量揮發分。從工業分析可知，塑料揮發分含量大于98%，固定碳含量少，這表明大部分有機物轉變在這一溫度范圍內基本完成。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，同時在混合熱解過程中添加生物質，固體殘渣發熱量有所提高，氣體產量減小。434～592 ℃溫度區間為固定碳分解階段，熱解機理為：

竹木、辦公用紙以及織物的未反應完全的木質素中，C-H鍵和C-O鍵進一步斷裂，趨于芳香化，部分分解產物縮合，游離基團相互作用，逐步形成石墨結構。塑料類高分子聚合物反應后，烴類蠟發生二次分解。橡膠發生脫鏈解聚反應，可能存在C-C鍵斷裂，逸出氣體以CH和CO為主。

4 結論

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，根據熱失重數據繪制DTG、TG曲線，探究城市生活垃圾熱解反應機理。研究發現，城市生活垃圾熱解可分為兩個階段，即揮發分析出階段和固定碳燃燒階段，揮發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間有所增大，DTG曲線向高溫區移動。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，其間會發生失重；升溫至900 ℃的過程中，樣品發生兩次失重，第一次失重發生于低溫段（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走在時代前列，那么我國勢必會在能源上有一定的主動權，在日益嚴重的資源危機中立于不敗之地。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更多的關注，以實現可持續發展。