于 杰，徐鵬舉，常加富，董 磊，鄒永才

（山東百川同創(chuàng)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(jù)《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設施發(fā)展規(guī)劃》與《城鎮(zhèn)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(xiàn)原生生活垃圾“零填埋”，并且在城市建成區(qū)生活垃圾日清運量超過300 t的地區(qū)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(qū)開展小型生活垃圾焚燒設施試點。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、環(huán)境保護與資源節(jié)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(zhuǎn)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(fā)電商業(yè)項目模式，并且基本配置已經(jīng)建設到位，然而部分小城市及縣域城鎮(zhèn)的生活垃圾問題尚未根本解決，大型焚燒項目處理規(guī)模大、投資高，并不合適這些地區(qū)。據(jù)統(tǒng)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(qū)，采用小型熱解氣化爐對城鎮(zhèn)生活垃圾進行處理，對人口分散、收集轉(zhuǎn)運集中處置困難的山區(qū)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(huán)境條件的影響，生活垃圾具有較為明顯的地區(qū)性與季節(jié)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(xù)穩(wěn)定運行和無害化處置帶來了嚴重的挑戰(zhàn)[4-5]。針對城鎮(zhèn)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(zhèn)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(shù)據(jù)。

1 城鎮(zhèn)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(zhèn)生活垃圾焚燒項目環(huán)境影響報告書中公布的收到基垃圾物料物理組成數(shù)據(jù)，如表1所示。經(jīng)過初步分選，對生活垃圾典型組分進行工業(yè)分析與元素分析，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 城鎮(zhèn)生活垃圾物料物理組成

表2 原料分析測試數(shù)據(jù)

由表1可以看出，不同地區(qū)生活垃圾的物理組成確有較大差異，但也均表現(xiàn)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(fā)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(zhì)原料屬性的組分統(tǒng)一歸類為生物質(zhì)類。參考生活垃圾收到基狀態(tài)下的物理組成，混合類原料中，橡塑類與生物質(zhì)類的摻混質(zhì)量比為1∶1。

2 試驗方法

試驗前將橡塑類與生物質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(qū)間，橡膠、塑料中含有的高分子鏈劇烈斷裂，分解成氣態(tài)產(chǎn)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(xiàn)了多個峰值，其可能的原因是盡管塑料中單一組分物質(zhì)的結構規(guī)整，可以在某段較窄的溫度區(qū)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(qū)間集中熱解，相互疊加的結果導致多個峰值。

從圖2生物質(zhì)類熱解TG/DTG曲線可知，與橡塑類不同，生物質(zhì)類原料的吸水性強，經(jīng)歷了明顯的自由水脫除過程，即由室溫至100 ℃的水分蒸發(fā)階段；280～500 ℃是較集中的失重階段，主要為生物質(zhì)原料中的揮發(fā)分熱解析出，在約380 ℃時出現(xiàn)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(zhì)類熱解TG/DTG曲線

根據(jù)圖3橡塑類與生物質(zhì)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(fā)生在280～550 ℃。溫度低于100 ℃時，主要進行的是生物質(zhì)類原料的水分蒸發(fā)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(jù)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(zhì)類原料的半纖維素、纖維素及木質(zhì)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(zhì)類與橡塑類的混合熱解表現(xiàn)出一定的協(xié)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(zhì)與塑料熱解過程中存在明顯協(xié)同作用的結論是一致的。此外，根據(jù)以上結果可知，為保證生活垃圾在自熱解氣化爐中的揮發(fā)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(xù)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(zhì)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(zhì)組分，導致其熱解過程出現(xiàn)多個峰值；生物質(zhì)類熱解反應主要集中在280～550 ℃，且存在較明顯的水分蒸發(fā)與縮合碳化反應過程；生物質(zhì)類與橡塑類的混合熱解具有一定的協(xié)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。