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摘要：采用热重分析仪、固定床反应器、气相色谱仪及红外分析仪对生活垃圾、玉米秆及其共热解特性进行分析，并探讨添加玉米秆对生活垃圾热解液气体产物特性的影响。结果表明：添加玉米秆与生活垃圾混合热解过程可分为脱水、热解、炭化、焦催化气化4个阶段，玉米秆与生活垃圾混合物热解的实际活化能为28.49 kJ/mol，低于玉米秆（32.35 kJ/mol）、生活垃圾（50.60 kJ/mol）单独热解活化能，可见混合热解利于热解反应进行；添加玉米秆与生活垃圾混合热解，使固液产物产率降低，有利于提高气体产物产率；添加40%玉米秆与垃圾混合热解过程中，在800～900 ℃，气体产物中H2、CH4产量比其单独热解提高；液体产物中芳香烃、烯烃、醛类、酮类等有机物含量增加，羧酸、酯类、醚类等有机物含量降低。
关键词：生活垃圾；玉米秆；共热解；产物特性
中图分类号： X799.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0494-04
我国城市生活垃圾（MSW）近年来增长迅速，这些垃圾主要是家庭和商业废弃物，如不恰当处理会造成较大的环境污染。热解是一种有效处理城市生活垃圾的方法，而且垃圾热解过程中可生成气、液等能源及化学产品。
生活垃圾单独热解已有较多研究[1-8]，生活垃圾热解可生产燃料和化学品，但是由于生活垃圾的灰分含量较高、氢碳比及热值较低，因此热解中液气产物的产率较低。在生活垃圾热解中添加灰分较低、氢碳比及热值较高的农业秸秆是一种可行的方法。另一方面，我国农林废弃物丰富，每年产生约7×109 t[9]的废弃物。大部分秸秆废弃或直接焚烧，这不仅造成资源浪费，而且污染了周围环境。
生活垃圾热解中添加农业秸秆可以提升垃圾热解产物的品质、减轻生活垃圾堆积和农业秸秆燃烧造成的污染。Ren等利用TG-FTIR研究生活垃圾和棉秆共热解过程中热解特性，结果表明：添加棉秆比例提高，热解过程中混合物总失质量增大[10]。然而，生活垃圾和农业秸秆共热解的研究仍然较少，需要深入的研究。
本研究以生活垃圾、玉米秆（CS）为研究对象，对生活垃圾、玉米秆及其共热解特性进行分析，并探讨添加玉米秆对生活垃圾热解液气体产物特性的影响。
1材料与方法
1.1材料
本试验中所用生活垃圾由北京市某城市固废分选转运站提供，玉米秆采自北京市大兴区农村。生活垃圾经手选除去无机成分，剩余有机物料经自然风干后，用高速旋转式粉碎机粉碎成平均粒径为1～2 mm的垃圾样品。玉米秆则直接粉碎成平均粒径为1～2 mm的试验样品。试验前，所有样品均在105 ℃干燥4 h。生活垃圾和玉米秆的工业分析、元素分析结果见表1。
表1生活垃圾、玉米秆的基础性质
工业分析类别含量（%）挥发分固定碳灰分水分热值
（MJ/kg）生活垃圾63.757.3125.143.809.34玉米秆77.779.416.036.7915.40元素分析类别含量（%）碳氢氮硫氧生活垃圾25.102.781.900.3846.99玉米秆42.965.812.000.2234.47
1.2试验装置及方法
热重分析采用北京恒久科学仪器厂的HCT-2热重分析仪。热重分析载气为高纯氮气，气体流速为60 mL/min。试验时将20 mg样品置于坩埚中，先通入氮气，驱赶加热区空气；稳定后再进行加热，并继续通入氮气，热解终温为900 ℃。
热解试验装置如图1所示，由石英反应器、管式电阻炉、温度控制仪、冷凝器、气体流量计等组成。热解过程中所用样品为生活垃圾、玉米秆及其混合物，玉米秆在混合物料中的质量比为0%、20%、40%、60%、80%、100%，0%即全部为生活垃圾，100%即全部为玉米秆，每次进样20 g，升温速率为 10 ℃/min，最终热解温度为900 ℃。
热解气体用气相色谱法分析其中的H2、CO、CH4、CO2。热解液所含官能团采用美国尼高力公司Nicolet Magna 750 Series Ⅱ型傅里叶红外光谱仪测定。
2结果与分析
2.1添加玉米秆对生活垃圾热重影响
生活垃圾、玉米秆及其混合物的热重分析（TG）、TG的一次微分（DTG）曲线如图2所示，由于需要研究添加玉米秆对生活垃圾热解反应的影响，生活垃圾、玉米秆混合物热解的理论计算TG、DTG曲线也表示在图2中。其中玉米秆在混合物料中的质量比为40%。从图2可以看出，垃圾、玉米秆的热失质量过程类似，大致分为以下3个阶段。第1阶段为干燥阶段，生活垃圾、玉米秆的温度区间分别为室温至230 ℃、室温至180 ℃，主要是样品中水分、小分子物质的脱除，生活垃圾失质量为总质量的3.42%，总失质量为总质量的6.11%，比垃圾热解增加2.69%，主要因为玉米秆样品中含水分比垃圾多。第2阶段为挥发分析出阶段，生活垃圾、玉米秆的温度区间分别为230～650 ℃、180～600 ℃，此阶段垃圾所含有机物（厨余、塑料等）裂解成小分子非冷凝气体和大分子可冷凝气体，最大失质量峰温度为333 ℃，失质量约为总质量的5884%；玉米秆中所含纤维素、半纤维素裂解成小分子非冷凝气体、大分子可冷凝气体，最大失质量峰温度为314 ℃，比生活垃圾前移19 ℃，失质量约为总质量的66.51%，可见玉米秆加热至600 ℃时可析出绝大部分挥发分。第3阶段为炭化阶段，生活垃圾、玉米秆的温度区间分别为650～900 ℃、600～900 ℃，此阶段垃圾失质量整体变化缓慢，垃圾所含有机物（橡胶、包装纸类等）降解，失质量约为总质量的5.40%，固体剩余物为32.29%，一些研究者也有类似的结论[4-7]；此阶段玉米秆主要是其中所含木质素裂解，失质量约为总质量的516%，固体剩余物为22.04%。 3结论
（1）生活垃圾和玉米秆混合热重分析表明，混合热解过程可分为脱水、热解、炭化、焦催化气化4个阶段。（2）生活垃圾和玉米秆混合热解动力学计算表明，混合物热解的实际活化能为28.49 kJ/mol，低于玉米秆（32.35 kJ/mol）、生活垃圾（50.60 kJ/mol）单独热解活化能，可见混合热解利于热解反应进行；生活垃圾、玉米秆混合物热解的实际活化能低于生活垃圾、玉米秆单独热解及其混合热解理论计算的活化能，可见混合热解利于热解反应进行。
（3）固定床热解试验表明，在不同的混合比例下，添加玉米秆与生活垃圾混合热解，使固液产率降低，有利于增加气体产率。
（4）添加40%玉米秆与垃圾混合热解过程中，在800～900 ℃，气体产物中H2、CH4产量比其单独热解高。（5）添加40%玉米秆、垃圾混合热解过程中，液体产物中芳香烃或烯烃、醛类或酮类等有机物产量增加，羧酸、酯类或醚类等有机物产量降低。
参考文献：
[1]Liang L G，Sun R，Fei J，et al. Experimental study on effects of moisture content on combustion characteristics of simulated municipal solid wastes in a fixed bed[J]. Bioresource Technology，2008，99（15）：7238-7246.
[2]Lima A T，Ottosen L M，Pedersen A J，et al. Characterization of fly ash from bio and municipal waste[J]. Biomass
关键词：生活垃圾；玉米秆；共热解；产物特性
中图分类号： X799.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0494-04
我国城市生活垃圾（MSW）近年来增长迅速，这些垃圾主要是家庭和商业废弃物，如不恰当处理会造成较大的环境污染。热解是一种有效处理城市生活垃圾的方法，而且垃圾热解过程中可生成气、液等能源及化学产品。
生活垃圾单独热解已有较多研究[1-8]，生活垃圾热解可生产燃料和化学品，但是由于生活垃圾的灰分含量较高、氢碳比及热值较低，因此热解中液气产物的产率较低。在生活垃圾热解中添加灰分较低、氢碳比及热值较高的农业秸秆是一种可行的方法。另一方面，我国农林废弃物丰富，每年产生约7×109 t[9]的废弃物。大部分秸秆废弃或直接焚烧，这不仅造成资源浪费，而且污染了周围环境。
生活垃圾热解中添加农业秸秆可以提升垃圾热解产物的品质、减轻生活垃圾堆积和农业秸秆燃烧造成的污染。Ren等利用TG-FTIR研究生活垃圾和棉秆共热解过程中热解特性，结果表明：添加棉秆比例提高，热解过程中混合物总失质量增大[10]。然而，生活垃圾和农业秸秆共热解的研究仍然较少，需要深入的研究。
本研究以生活垃圾、玉米秆（CS）为研究对象，对生活垃圾、玉米秆及其共热解特性进行分析，并探讨添加玉米秆对生活垃圾热解液气体产物特性的影响。
1材料与方法
1.1材料
本试验中所用生活垃圾由北京市某城市固废分选转运站提供，玉米秆采自北京市大兴区农村。生活垃圾经手选除去无机成分，剩余有机物料经自然风干后，用高速旋转式粉碎机粉碎成平均粒径为1～2 mm的垃圾样品。玉米秆则直接粉碎成平均粒径为1～2 mm的试验样品。试验前，所有样品均在105 ℃干燥4 h。生活垃圾和玉米秆的工业分析、元素分析结果见表1。
表1生活垃圾、玉米秆的基础性质
工业分析类别含量（%）挥发分固定碳灰分水分热值
（MJ/kg）生活垃圾63.757.3125.143.809.34玉米秆77.779.416.036.7915.40元素分析类别含量（%）碳氢氮硫氧生活垃圾25.102.781.900.3846.99玉米秆42.965.812.000.2234.47
1.2试验装置及方法
热重分析采用北京恒久科学仪器厂的HCT-2热重分析仪。热重分析载气为高纯氮气，气体流速为60 mL/min。试验时将20 mg样品置于坩埚中，先通入氮气，驱赶加热区空气；稳定后再进行加热，并继续通入氮气，热解终温为900 ℃。
热解试验装置如图1所示，由石英反应器、管式电阻炉、温度控制仪、冷凝器、气体流量计等组成。热解过程中所用样品为生活垃圾、玉米秆及其混合物，玉米秆在混合物料中的质量比为0%、20%、40%、60%、80%、100%，0%即全部为生活垃圾，100%即全部为玉米秆，每次进样20 g，升温速率为 10 ℃/min，最终热解温度为900 ℃。
热解气体用气相色谱法分析其中的H2、CO、CH4、CO2。热解液所含官能团采用美国尼高力公司Nicolet Magna 750 Series Ⅱ型傅里叶红外光谱仪测定。
2结果与分析
2.1添加玉米秆对生活垃圾热重影响
生活垃圾、玉米秆及其混合物的热重分析（TG）、TG的一次微分（DTG）曲线如图2所示，由于需要研究添加玉米秆对生活垃圾热解反应的影响，生活垃圾、玉米秆混合物热解的理论计算TG、DTG曲线也表示在图2中。其中玉米秆在混合物料中的质量比为40%。从图2可以看出，垃圾、玉米秆的热失质量过程类似，大致分为以下3个阶段。第1阶段为干燥阶段，生活垃圾、玉米秆的温度区间分别为室温至230 ℃、室温至180 ℃，主要是样品中水分、小分子物质的脱除，生活垃圾失质量为总质量的3.42%，总失质量为总质量的6.11%，比垃圾热解增加2.69%，主要因为玉米秆样品中含水分比垃圾多。第2阶段为挥发分析出阶段，生活垃圾、玉米秆的温度区间分别为230～650 ℃、180～600 ℃，此阶段垃圾所含有机物（厨余、塑料等）裂解成小分子非冷凝气体和大分子可冷凝气体，最大失质量峰温度为333 ℃，失质量约为总质量的5884%；玉米秆中所含纤维素、半纤维素裂解成小分子非冷凝气体、大分子可冷凝气体，最大失质量峰温度为314 ℃，比生活垃圾前移19 ℃，失质量约为总质量的66.51%，可见玉米秆加热至600 ℃时可析出绝大部分挥发分。第3阶段为炭化阶段，生活垃圾、玉米秆的温度区间分别为650～900 ℃、600～900 ℃，此阶段垃圾失质量整体变化缓慢，垃圾所含有机物（橡胶、包装纸类等）降解，失质量约为总质量的5.40%，固体剩余物为32.29%，一些研究者也有类似的结论[4-7]；此阶段玉米秆主要是其中所含木质素裂解，失质量约为总质量的516%，固体剩余物为22.04%。 3结论
（1）生活垃圾和玉米秆混合热重分析表明，混合热解过程可分为脱水、热解、炭化、焦催化气化4个阶段。（2）生活垃圾和玉米秆混合热解动力学计算表明，混合物热解的实际活化能为28.49 kJ/mol，低于玉米秆（32.35 kJ/mol）、生活垃圾（50.60 kJ/mol）单独热解活化能，可见混合热解利于热解反应进行；生活垃圾、玉米秆混合物热解的实际活化能低于生活垃圾、玉米秆单独热解及其混合热解理论计算的活化能，可见混合热解利于热解反应进行。
（3）固定床热解试验表明，在不同的混合比例下，添加玉米秆与生活垃圾混合热解，使固液产率降低，有利于增加气体产率。
（4）添加40%玉米秆与垃圾混合热解过程中，在800～900 ℃，气体产物中H2、CH4产量比其单独热解高。（5）添加40%玉米秆、垃圾混合热解过程中，液体产物中芳香烃或烯烃、醛类或酮类等有机物产量增加，羧酸、酯类或醚类等有机物产量降低。
参考文献：
[1]Liang L G，Sun R，Fei J，et al. Experimental study on effects of moisture content on combustion characteristics of simulated municipal solid wastes in a fixed bed[J]. Bioresource Technology，2008，99（15）：7238-7246.
[2]Lima A T，Ottosen L M，Pedersen A J，et al. Characterization of fly ash from bio and municipal waste[J]. Biomass