城镇生活垃圾典型组分热解特性分析

于 杰，徐鹏举，常加富，董 磊，邹永才

（山东百川同创能源有限公司，济南 250101）

2019年，我国生活垃圾清运总量已达2.42亿t，同比增长6.16%，其中焚烧与填埋无害化处理量分别为1.22亿t、1.09亿t，焚烧处理量首次超过清运总量的50%[1]。根据《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》与《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》，2023年基本实现原生生活垃圾“零填埋”，并且在城市建成区生活垃圾日清运量超过300 t的地区加快建设焚烧处理设施，鼓励生活垃圾日清运量不足300 t的地区开展小型生活垃圾焚烧设施试点。随着社会经济的快速发展、环境保护与资源节约意识的增强、垃圾分类收集处置等政策的进一步推进实施，原本以填埋为主导的无害化处理方式必将快速转向大中型集中直燃焚烧与中小型分布式热解气化焚烧。

目前，我国大城市已建立较为成熟的城市生活垃圾直燃焚烧发电商业项目模式，并且基本配置已经建设到位，然而部分小城市及县域城镇的生活垃圾问题尚未根本解决，大型焚烧项目处理规模大、投资高，并不合适这些地区。据统计，截至2020年底，全国已开展的生活垃圾热解气化处理项目已有98个，主要集中分布于云南、广西和贵州等西南地区，采用小型热解气化炉对城镇生活垃圾进行处理，对人口分散、收集转运集中处置困难的山区或丘陵地带的生活垃圾无害化处置进行了有益探索与实践[2-3]。然而，受人为因素及自然环境条件的影响，生活垃圾具有较为明显的地区性与季节性差异，其成分之繁杂对中小型生活垃圾热解气化处理项目的连续稳定运行和无害化处置带来了严重的挑战[4-5]。针对城镇生活垃圾的特点，基于其物理组成，本文采用热重试验的方法，研究典型组分及多组分混合原料的热解气化特性，以期为中小型城镇生活垃圾热解气化处理装置的设计与运行提供基础理论和参考数据。

1 城镇生活垃圾组分分析

以云南省为例，选取2019年以来部分县市城镇生活垃圾焚烧项目环境影响报告书中公布的收到基垃圾物料物理组成数据，如表1所示。经过初步分选，对生活垃圾典型组分进行工业分析与元素分析，测试数据如表2所示。

表1 城镇生活垃圾物料物理组成

表2 原料分析测试数据

由表1可以看出，不同地区生活垃圾的物理组成确有较大差异，但也均表现出纸类、橡塑类、木竹类和厨余类等组分含量较高的一致性特征。由于厨余类生活垃圾一般采用发酵堆肥等非热解气化焚烧处理工艺进行处置，本文仅选用生活垃圾中组分含量较高且可燃的橡塑类、纸类、木竹类作为典型组分进行热解气化特性分析，并将纸与木竹两种具有相同生物质原料属性的组分统一归类为生物质类。参考生活垃圾收到基状态下的物理组成，混合类原料中，橡塑类与生物质类的掺混质量比为1∶1。

2 试验方法

试验前将橡塑类与生物质类两种生活垃圾原料分别充分自然晾晒、干燥，并粉碎研磨成粉末状备用。利用岛津公司生产的DTG-60/60H差热/热重同步热分析仪，以流速30 mL/min的高纯氮气为载气，采用10 ℃/min的升温速率将坩埚中的样品从室温加热至800 ℃，其间在105 ℃下保持20 min，进一步充分去除物料中的水分。

3 试验结果与分析

橡塑类、生物质类以及两种物料混合物的热解TG/DTG（热失重/热失重速率）曲线分别如图1至图3所示。

从图1橡塑类TG/DTG曲线可以看出，其热解反应主要集中在350～600 ℃，在此温度区间，橡胶、塑料中含有的高分子链剧烈断裂，分解成气态产物并随载气带出，导致反应原料快速失重。另外，从图1中的DTG曲线还可以看出，热解过程出现了多个峰值，其可能的原因是尽管塑料中单一组分物质的结构规整，可以在某段较窄的温度区间集中进行热解反应，但是橡塑类原料为含有聚乙烯（PE）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）及橡胶等多种组分的混合物，多组分分别在不同的温度区间集中热解，相互叠加的结果导致多个峰值。

从图2生物质类热解TG/DTG曲线可知，与橡塑类不同，生物质类原料的吸水性强，经历了明显的自由水脱除过程，即由室温至100 ℃的水分蒸发阶段；280～500 ℃是较集中的失重阶段，主要为生物质原料中的挥发分热解析出，在约380 ℃时出现最大失重峰；500 ℃后失重速率变缓，温度升至700 ℃后基本不再失重，此阶段热解残留物的碳化与缩合反应也较明显。

图2 生物质类热解TG/DTG曲线

根据图3橡塑类与生物质类混合物料热解的TG变化曲线，混合类原料热解反应主要发生在280～550 ℃。温度低于100 ℃时，主要进行的是生物质类原料的水分蒸发除湿。温度高于550 ℃后，样品失重率虽仍有进一步增大趋势，但整体趋于平缓，表明热解反应基本结束。根据DTG变化曲线，热解反应可分为两个阶段，即250～400 ℃和400～550 ℃。在低温阶段，主要是生物质类原料的半纤维素、纤维素及木质素的分解反应。在高温阶段，橡塑类原料的热解占主导地位。

综合图1至图3，生物质类与橡塑类的混合热解表现出一定的协同促进作用，使得橡塑类完成剧烈热解反应的温度由600 ℃降低至550 ℃，这与孙剑平等[6]研究报道的生物质与塑料热解过程中存在明显协同作用的结论是一致的。此外，根据以上结果可知，为保证生活垃圾在自热解气化炉中的挥发分充分释放析出，热解阶段的反应温度应控制在550 ℃以上，残余碳化物可保留至后续的气化或燃烧阶段进一步处理。

图3 混合物料热解TG/DTG曲线

4 结论

橡塑类与生物质类是生活垃圾中两种最主要的有机可燃成分，本文采用热重试验的方法对典型组分进行了热解特性分析。橡塑类的热解反应主要集中在350～600 ℃，橡塑类含有多种单质组分，导致其热解过程出现多个峰值；生物质类热解反应主要集中在280～550 ℃，且存在较明显的水分蒸发与缩合碳化反应过程；生物质类与橡塑类的混合热解具有一定的协同促进作用，有利于生活垃圾采用热解气化焚烧工艺进行无害化处置。