城市生活垃圾热重分析

谢冰心

（浦湘生物能源股份有限公司，长沙 410000）

随着社会经济的不断发展，城市生活垃圾产生量逐年递增，不少城市都面临“垃圾围城”的困境，因此如何有效处理城市生活垃圾，已经成为我国推进环境保护，充分利用资源的重要研究内容。城市生活垃圾是环境的污染源，但它又是可再生利用的资源，而且其总量还在不断增长中。减量化、无害化、资源化是城市垃圾处理的终极目标。城市生活垃圾热解技术具有有效减容、减量，垃圾资源化等优点，目前已成为城市生活垃圾处理的主要手段。热重分析法是指在程序控制温度的条件下测定物质质量随温度的变化，确认质量与温度的关系。只要物质受热而质量发生变化，就可利用热重分析法进行分析。热重分析法利用热重试验得到的数据制作TG图像，试验仪器操作简单，该方法广为科学研究者使用。

1 试验材料

本试验根据长沙市城区生活垃圾成分制备样品，其间选取大米、猪肉、废纸、一次性筷子（竹木）、聚乙稀（PE）粉末、聚丙烯（PP）粉末、废弃轮胎（橡胶）和棉T恤（织物），使用荣浩/RHP-100高速多功能粉碎机分别粉碎，研磨至粒径小于200目。为消除样品中水分的影响，将样品置于恒温干燥箱中，105 ℃温度下恒温干燥1 h以上。试验仪器包括电子天平、恒温干燥箱和马弗炉等。试验步骤为：外在水分的测定→样品内部水分的测定→挥发分的测定→灰分的测定。

2 工业试验分析

由表1可以看出，两种塑料（聚乙烯、聚丙烯）的灰分比生物质（竹木）低，但其挥发分高于生物质。物质中挥发分越高，则越容易燃烧，着火点越低，火焰高度越大；物质中固定碳的含量越高，则物质的发热量越高。

表1 城市生活垃圾的工业分析

3 热失重试验数据分析

利用热天平对长沙城市生活垃圾样品进行热重分析。城市生活垃圾在不同升温速率下的微商热重分析（DTG）曲线如图1所示，热重分析（TG）曲线如图2所示。

由图1分析可得，随着升温速率的增加，城市生活垃圾热解的热失重区间有所增大。城市生活垃圾热解前20～130 ℃为水分蒸发过程，130 ℃后固定碳和一些挥发分开始热解，分别对应于DTG曲线上两个明显的失重峰，其分别介于130～450 ℃和450～600 ℃，挥发分析出阶段失重速率较固定碳燃烧阶段快。随着升温速率的增加，DTG曲线向高温区移动。

图1 不同升温速率下的DTG曲线

从图2可知，随着温度的升高，样品达到着火温度以后，挥发分与氧气发生热解燃烧反应，TG曲线上出现明显的失重，对应的DTG曲线出现高而陡的峰。传热差和温度梯度受升温速率的影响，导致热滞后程度加重，使TG曲线向高温侧偏移。

图2 不同升温速率下的TG曲线

从室温升到130 ℃左右，为样品水分的脱除阶段。样品中水分受热蒸发，塑料类高分子聚合物（PE、PP）在87～146 ℃吸热软化，橡胶在100 ℃以下吸热软化。150～434 ℃温度区间为挥发分析出阶段，热解机理为：

温度为234～255 ℃时，塑料固体吸热，相变从固态变为熔融态。温度为260～366 ℃时，竹木、办公用纸以及织物中纤维素经历快速聚合度降低过程，形成低聚合度的活性纤维素。在自由基作用下，活性纤维素降解为焦油木质素、半焦和可燃气体。温度大于366 ℃时，纤维素反应后的半焦进一步分解，同时聚合度降低后的纤维素含有还原性末端基，容易发生转糖苷作用生成左旋葡聚糖、糖化合物成分以及以HO为主的气体产物。木质素和纤维素共热解时会产生相互作用。

油脂具有较高的氢碳比，温度为350 ℃时，脂类完全分解或挥发，能为生物质热解提供氢源。塑料类高分子聚合物热解过程存在竞争反应。380 ℃以后，此阶段热解过程以交联缩聚反应为主，软化后的塑料类高分子聚合物和橡胶短时间内急剧热解，吸热析出大量挥发分。从工业分析可知，塑料挥发分含量大于98%，固定碳含量少，这表明大部分有机物转变在这一温度范围内基本完成。这与肖刚等人的塑料废弃物气化研究正好相符。塑料与橡胶共热解，较单一热解效率更高，同时在混合热解过程中添加生物质，固体残渣发热量有所提高，气体产量减小。434～592 ℃温度区间为固定碳分解阶段，热解机理为：

竹木、办公用纸以及织物的未反应完全的木质素中，C-H键和C-O键进一步断裂，趋于芳香化，部分分解产物缩合，游离基团相互作用，逐步形成石墨结构。塑料类高分子聚合物反应后，烃类蜡发生二次分解。橡胶发生脱链解聚反应，可能存在C-C键断裂，逸出气体以CH和CO为主。

4 结论

本文利用热重分析仪分析长沙城市生活垃圾样品的热解特性，根据热失重数据绘制DTG、TG曲线，探究城市生活垃圾热解反应机理。研究发现，城市生活垃圾热解可分为两个阶段，即挥发分析出阶段和固定碳燃烧阶段，挥发分析出阶段失重速率要大于固定碳燃烧阶段。随着升温速率的增加，城市生活垃圾热解的热失重区间有所增大，DTG曲线向高温区移动。初始阶段（初温至100 ℃）为脱水阶段，城市生活垃圾水分受热蒸发，其间会发生失重；升温至900 ℃的过程中，样品发生两次失重，第一次失重发生于低温段（小于450 ℃），原因是试样中小分子气体热裂解，第二次失重发生在高温段（大于450 ℃），原因是低温下较难裂解成分在高温下热裂解。城市生活垃圾增长速度快，如果城市生活垃圾热解技术走在时代前列，那么我国势必会在能源上有一定的主动权，在日益严重的资源危机中立于不败之地。未来，我国要重视城市生活垃圾的减量化、无害化、资源化，给予城市生活垃圾热解技术更多的关注，以实现可持续发展。