DCS/TGA/SEM/热值/湿值

利用微分扫描量热仪(DSC)准确地测定了城市生活垃圾的含水率；用热重分析仪(TGA)测定了垃圾的水和低温下有机物总含量、难挥发性有机物和灼烧残渣的含量。根据量热和热重分析结果，可方便地计算垃圾的水和低温条件下易挥发性有机物含量，结合609种有机物的燃烧热，估算了垃圾的热值。
关键词：城市生活垃圾；量热分析；热重分析；热值
1前言
城市生活垃圾(以下简称垃圾)是一类危害性很大的固体废弃物。其含水率、低温下易挥发性有机物、高温下灼烧的无机物残渣、可燃有机物的含量以及热值，是表征垃圾物化性质的宏观参数，也是垃圾处理与处置方法选择的重要依据。特别是采用焚烧法处理垃圾时，这些参数显得更为重要。为此，在进行垃圾组分分析时，就应该准确测定易挥发性有机物的含量。常规的105℃下烘干称重和650℃下灼烧测定的垃圾含水量，实际上是垃圾的真正含水率与易挥发性有机物百分含量的总和，即105℃下所测的含水率是偏高的，从而使通过差减法求出有机物含量偏低。
本文根据绝大多数低沸点(<105℃)有机物蒸发热均低于水的特点，利用DSC(微分扫描量热仪)比较准确地测定了有机物、灼烧残渣(无机物)、水和易挥发性有机物总含量，并进而计算出易挥发性有机物的含量。
垃圾热值是判断垃圾是否可采用焚烧法处理的决定性因素，在许多情况下，只要对其进行较准确地估算就可满足需要了。垃圾热值估算方法较多，最主要的是基于其中C、H、N、O和S的含量作近似计算。本文根据609种有机物燃烧热的简单加和均值，结合DSC和TGA分析结果，可非常方便地估算垃圾热值。
2实验条件

实验用的DSC910S型微分扫描量热仪和TGA51型热重分析仪升温速率均为30℃/min。为了与常规的105℃下烘干法测含水率相比较，DSC的恒温温度为105℃。

3结果与讨论
3.1垃圾的DSC和DGA分析
DSC可准确地测定纯水的蒸发热，测定结果为2200J/g，与理论值(即标准蒸发热)2256J/g相差2.5%。

DSC测定可挥发性溶剂(包括水)的蒸发热与起始温度有关，最佳的起始温度为室温。大量实验结果表明，蒸发热(指DSC测定值)与起始温度呈线性关系，用某一温度下(如室温)所测出的样品蒸发热除以该温度下的纯水蒸发热，所得的值即为样品的含水率。(2)典型的垃圾DSC分析曲线见图1。从图中可以看出，样品(水)的蒸发热为635.52J/g，则其含水率为(635.52/2200)×100%=28.9%。
表1给出了垃圾各主要组分的分析结果。

典型的垃圾热重分析结果见图2。第一次失重为水在拐点温度(160℃)以下可挥发性有机物含量的总和(36.4%)；第二次失重为难挥发性有机物(如纤维、高分子)的含量(9.31%)；剩余的则为灼烧残渣(54.3%)。 需要指出的是本文进行DSC和TGA分析时使用的垃圾样品经过预处理(室温下自然晾干、破碎)，其含水率低些。一般生活垃圾的平均含水率为40～60%以上。根据DSC和TGA的分析结果

3.2垃圾热值估算
3.2.1有机物的标准燃烧热
作者曾选择了609种有机物，包括糖类、氨基酸、肽、有机磷和硫化物、酯、醚、甾体等，计算出平均热值为23.22MJ/kg，对污泥中纯有机物的高位热值的测定和计算结果与此相同。本文认为，这个平均燃烧热亦适合于垃圾中纯有机物热值的估算。
高位热值与低位热值的关系为：HHV=LHV×(100－L－W)/100－24.435×W
式中LHV——低位热值，kJ/kg
HHV——高位热值，kJ/kg
L——惰性物(灼烧残渣)，%
W——含水率，%
利用表1所测定的有机物含量I%和含水率W%，则垃圾的高位热值为：

HHV=23.22(MJ/kg)×I%，其计算结果见表2。有了HHV、L和W值，就可以计算LHV。

当成分中所含的挥发性有机物较少时，据常规分析所测得的有机物而估算的热值与DSC、TGA相结合而测定的有机物所估算的热值相差无几(塑料除外)，而当成分中所含的挥发性有机物较高时(如厨余)，则给有机物的实测值带来较大的误差，从而给热值估算带来更大的误差。
需要指出的是，本文仅估算组成明显的纸张、木屑、厨余和塑料热值，并与测定值相比较，对于混合垃圾，因热值极难测准，表2中未能提供。另外，塑料热值的测定值与估算值相差较大，其原因是塑料大多由热值高于30MJ/kg的氯化烷烃组成，而本文所得出的有机物平均高位热值则是所有类型有机物燃烧热的平均值。在估算垃圾热值时塑料的高位热值应单独估算。垃圾热值的估算式可表示为(I1和I2均为TGA和DSC综合分析结果)