房科靖，熊祖鴻，魯 敏，黎 濤，李繼青

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 引 言

改革開放以后，隨著我國城市工業(yè)化、規(guī)?；倪M(jìn)程不斷加快，社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ钕M(fèi)水平日趨遞增，使得居民生活垃圾急劇增加。2017年全國生活垃圾清運(yùn)量已經(jīng)達(dá)到21 520.9萬t，并每年以8%～10%的速度增長（見圖1），一般工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量大大增加（見圖2），生活垃圾和工業(yè)固體廢棄物攜帶大量有害成分，容易滋生細(xì)菌，在收集、運(yùn)輸和處理過程中會對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染，不僅嚴(yán)重影響城市環(huán)境狀況，而且還對人們身體健康造成危害，破壞人們賴以生存的環(huán)境[1-3]。

圖1 生活垃圾清運(yùn)量（數(shù)據(jù)來源于中國2009-2018統(tǒng)計(jì)年鑒）Fig.1 Quantity of clean transportation of domestic waste (data from China Statistical Yearbook 2009-2018)

圖2 一般工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量、綜合利用量（數(shù)據(jù)來源于中國2009-2018統(tǒng)計(jì)年鑒）Fig.2 Quantity of generation and comprehensive utilization of general industrial solid waste (data from China Statistical Yearbook 2009-2018)

垃圾處理方式主要有填埋、堆肥、焚燒。目前我國將近60%的垃圾被填埋，填埋不僅占用大量土地資源，且污染土壤和地下水。因此，國家近些年大力提倡垃圾焚燒的處理方式，截至2017年，全國垃圾焚燒處理量達(dá)到298 062 t/d，是2008年的5.77倍（見圖3）。垃圾焚燒處理方式是廣泛采用的城市垃圾處理技術(shù)，由于順應(yīng)了資源化利用的原則，正逐漸成為垃圾處理的主流方式，該方式還可實(shí)現(xiàn)生活垃圾高比例減量化、快速穩(wěn)定化、高程度無害化，對緩解垃圾所造成的城市污染問題、減少有限土地資源的浪費(fèi)起到了決定性的作用[4-5]。

垃圾能否采取焚燒的處理方式主要取決于單位發(fā)熱量，垃圾在焚燒過程中往往需要加入輔助燃料，輔助燃料的用量需要參考垃圾熱值。垃圾熱值對選擇處理方法、后期運(yùn)行維護(hù)、運(yùn)營管理等均有重要作用。目前關(guān)于垃圾熱值的相關(guān)研究主要集中在垃圾熱值的影響因素和垃圾熱值的預(yù)測計(jì)算模型兩個方面。

圖3 不同垃圾處理方式所占比例（數(shù)據(jù)來源于中國2009-2018統(tǒng)計(jì)年鑒）Fig.3 Proportion of different garbage disposal methods (data from China Statistical Yearbook 2009-2018)

擬對目前國內(nèi)外關(guān)于垃圾熱值的影響因素和預(yù)測計(jì)算模型進(jìn)行系統(tǒng)的對比分析，探究國內(nèi)垃圾熱值的主要影響因素和最佳預(yù)測計(jì)算模型。

1 垃圾熱值影響因素的研究進(jìn)展

隨著城市化的不斷加快，土地資源日趨緊張，垃圾填埋已無法滿足大量垃圾的處理，越來越多的垃圾采用了焚燒發(fā)電的處理方式。針對垃圾含水率過高導(dǎo)致的焚燒爐排煙溫度過高、鍋爐效率低等問題，鄒曉青等[6]采用立體車庫的思路，通過物理加壓降低入爐垃圾含水率，進(jìn)一步探究了入爐垃圾含水率對熱值的影響。結(jié)果表明：在施加壓力的時(shí)間一定時(shí)，脫水率隨壓力增加而呈線性增大；施加的壓力一定時(shí)，加壓時(shí)間與出水量成正比；垃圾含水率越低，垃圾熱值越高。劉波[7]結(jié)合我國生活垃圾目前普遍存在的種類繁多、熱值偏低、含水率高的特點(diǎn)，對影響垃圾熱值的因素做了分析總結(jié)，得出提高垃圾熱值的兩類方法：垃圾的分類收集，這是解決我國生活垃圾發(fā)熱量偏低的最有效手段；降低生活垃圾的含水率，建議對生活垃圾焚燒廠儲存池改造升級，使得垃圾在儲存池中堆存待燒發(fā)酵的有限時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最大限度的脫水，進(jìn)而提高垃圾進(jìn)爐發(fā)熱量。為研究干燥過程對垃圾熱值變化的影響，李清海等[8]配制了不同含水率的模擬垃圾放入加熱爐內(nèi)加熱干燥，模擬垃圾在焚燒爐內(nèi)的加熱過程，并對干燥后的“乏垃圾”進(jìn)行了工業(yè)分析、熱值分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：低水分垃圾在低溫下干燥，“乏垃圾”的熱值在水分蒸干時(shí)達(dá)到最大，而對高水分垃圾，在較高干燥溫度下，熱值峰值早于水分蒸干時(shí)間出現(xiàn)。

唐素琴等[9]模擬杭州市生活垃圾焚燒廠的垃圾儲存池發(fā)酵過程，探究垃圾發(fā)酵時(shí)間與入爐發(fā)熱量及含水率的關(guān)系。研究結(jié)果表明：生活垃圾發(fā)酵時(shí)間超過3 d時(shí)，含水率明顯下降、入爐垃圾發(fā)熱量顯著提高，生活垃圾焚燒發(fā)電廠的熱效率隨之提高；垃圾含水率降低1%，對應(yīng)垃圾熱值提高303 kJ/kg。文科軍等[10]考察了垃圾原料、粒度、含水率對生活垃圾熱值的影響，通過正交實(shí)驗(yàn)分析得出各影響因素對可燃垃圾熱值的影響程度：焚燒原料 ＞ 含水率 ＞ 破碎粒度；在自然風(fēng)干狀態(tài)下，未破碎塑料類生活垃圾熱值約為3 902 kJ/kg。BONIFAZI等[11]對垃圾焚燒爐的發(fā)熱量和含氫量進(jìn)行了創(chuàng)新性的測量，選取荷蘭四個城鎮(zhèn)的生活垃圾進(jìn)行發(fā)熱量和含氫量的測定，通過調(diào)節(jié)垃圾的熱值及焚燒來優(yōu)化焚燒過程。HOSSAIN等[12]考察了目前用于可再生能源城市生活垃圾的類型，指出孟加拉國生活垃圾具有低熱值、高含水率的特點(diǎn)，垃圾中有機(jī)物含量相對較高。付曉風(fēng)等[13]對南昌市垃圾進(jìn)行為期三個月的檢測，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，得出商業(yè)區(qū)垃圾低位熱值最大，約為9 500 kJ/kg；生活區(qū)垃圾低位熱值較小，在5 200 kJ/kg左右。KOMILIS等[14]研究了城市固體廢物有機(jī)部分的元素組成和熱值，結(jié)果表明：碳與有機(jī)物的比例范圍為0.40～0.99，城市生活垃圾有機(jī)部分的近似經(jīng)驗(yàn)公式為C32NH55O16。KOMILIS等[15]通過實(shí)驗(yàn)考察有機(jī)物和水分對有機(jī)固體廢物熱值的影響，實(shí)驗(yàn)使用了9種材料，發(fā)現(xiàn)污泥含有更高的熱量，表明有機(jī)物質(zhì)的成分可能是造成熱值變化的原因。HORTTANAINEN等[16]收集了芬蘭混合廢棄物和能源含量的數(shù)據(jù)，城市混合垃圾中可再生能源的平均比例為30%。ORIBE-GARCIA等[17]發(fā)現(xiàn)城市旅游活動、教育水平、經(jīng)濟(jì)狀況對生活垃圾熱值具有較大的影響。EDJABOU等[18]主要研究不同氣候（如降雨量）對非洲農(nóng)村小鎮(zhèn)生活垃圾的影響。SKOURIDES等[19]研究發(fā)現(xiàn)綠色垃圾的轉(zhuǎn)移率較低，商業(yè)來源的食物垃圾的處理率較城市社區(qū)更高，從家庭收集的食物垃圾的數(shù)量受到社會經(jīng)濟(jì)因素（家庭規(guī)模、收入、兒童比例）和人為活動的影響，而花園植被的重復(fù)利用和家庭堆肥是控制綠色垃圾處理的主要因素。

綜上所述，垃圾熱值的影響因素主要包括：原料種類、含水率、干燥過程、發(fā)酵時(shí)間、破碎粒度、地區(qū)降水量、旅游活動、經(jīng)濟(jì)狀況、氣候條件、季節(jié)變化等。我國的垃圾具有含水率高、成分復(fù)雜等特點(diǎn)；含水率高主要是由于國內(nèi)外飲食習(xí)慣的差異，導(dǎo)致國內(nèi)餐廚垃圾所占比例較大，且沒有做到合理的分類收集，進(jìn)而降低了垃圾熱值，影響垃圾焚燒熱轉(zhuǎn)化率。因此，垃圾的合理分類收集是解決我國生活垃圾發(fā)熱量偏低的最有效手段。

2 垃圾熱值預(yù)測和計(jì)算模型的研究進(jìn)展

垃圾熱值（又稱發(fā)熱量）是單位質(zhì)量垃圾完全燃燒所釋放出的熱量[20]。垃圾的能量回收率、轉(zhuǎn)化潛力完全取決于垃圾熱值的大小。趙由才等[21]分析焚燒發(fā)電的處理方式，推算出垃圾采用焚燒處理方式對應(yīng)的低位發(fā)熱量應(yīng)不小于3 767 kJ/kg。

目前用于表示垃圾熱值的常用方法有高位熱值法和低位熱值法。除了上述表示方法以外，還有濕基高位發(fā)熱量和干基高位發(fā)熱量等多種表示方法。干基高位發(fā)熱量是指待測原始樣品經(jīng)過烘干（105℃條件下）和粉碎處理后，采用實(shí)驗(yàn)室熱值測定儀器進(jìn)行測定，多次測定并取平均值。濕基高位發(fā)熱量可利用實(shí)驗(yàn)室測定的干基高位發(fā)熱量和特定的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得到[22]。實(shí)驗(yàn)室中多用彈筒式發(fā)熱量的熱值表示方式；彈筒發(fā)熱量與干基高位發(fā)熱量的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：彈筒總發(fā)熱量減去稀硫酸、稀硝酸反應(yīng)生成熱量，即可得到測試樣品的干基高位熱值[23]。

關(guān)于垃圾熱值的測定方法有兩種：一種是實(shí)驗(yàn)儀器測定法，利用專業(yè)熱值儀器在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成測定；另一種為預(yù)測公式模型法，利用學(xué)者們總結(jié)的熱值計(jì)算公式或算法運(yùn)行程序計(jì)算熱值。公式計(jì)算法具有方便快捷、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，但目前大多數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式是基于國外垃圾的物性總結(jié)推理出來。由于國外與國內(nèi)的生活方式、飲食習(xí)慣的不同及文化差異，導(dǎo)致垃圾組分差異較大，因此，利用國外的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際測量值相差甚遠(yuǎn)。近年來，國內(nèi)學(xué)者對垃圾熱值計(jì)算方法或預(yù)測模型的研究方興未艾，既有對國外計(jì)算公式的修正研究，也有基于國內(nèi)垃圾熱值計(jì)算的新方法、新模型。垃圾熱值的準(zhǔn)確測定可指導(dǎo)垃圾處理技術(shù)工藝的選擇、焚燒運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整及運(yùn)營管理策略的制定。

通過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式和預(yù)測模型計(jì)算垃圾熱值的應(yīng)用范圍較為廣泛，因其方便快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為常用方法之一。經(jīng)過學(xué)者們長時(shí)間的摸索和探究，形成了垃圾物理組成成分、垃圾元素含量分析、工業(yè)特性分析三大類經(jīng)驗(yàn)公式和預(yù)測模型[24]。垃圾物理組成成分計(jì)算模型用到的參數(shù)均不需要實(shí)驗(yàn)室分析儀器，且對操作人員的專業(yè)技能要求較低，因此，垃圾物理組成計(jì)算模型比其他兩類的應(yīng)用更為廣泛。大部分物理組成計(jì)算模型認(rèn)為垃圾中的塑料、紙張和廚余對熱值影響較大，進(jìn)而忽略其他物理成分的影響，簡化計(jì)算模型。Tokyo公式是基于日本垃圾建立的計(jì)算公式，最大優(yōu)勢是將竹木、橡膠、皮革等對熱值的影響考慮進(jìn)計(jì)算模型中，使模型預(yù)測熱值更接近于真實(shí)熱值。Moh'd Abu-Qudais公式利用垃圾中塑料與紙張之比，建立關(guān)于塑料/紙張的熱值計(jì)算模型，熱值估算精度比常規(guī)模型高[24]。元素含量分析計(jì)算模型根據(jù)元素分析儀測定垃圾中C、H、O、N、S等元素含量，建立基于元素含量的計(jì)算模型，此類計(jì)算模型的關(guān)鍵在于垃圾元素含量測定結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性[25]，應(yīng)用較為廣泛的有Dulong公式和Scheurer-Kestner公式。工業(yè)特性分析模型參數(shù)主要包括含水率、固定碳、揮發(fā)分和灰分，選取其中若干或全部參數(shù)構(gòu)建工業(yè)特征計(jì)算模型[26]，應(yīng)用較為廣泛的有Bentos公式、Jigisha Parikh公式[27]。目前國外關(guān)于垃圾熱值的相關(guān)計(jì)算公式列于表1。

表1 國外關(guān)于垃圾熱值的計(jì)算公式Table 1 Calorific value formula of waste abroad

由于地域文化、經(jīng)濟(jì)差異，不同地區(qū)生活飲食習(xí)慣等多種因素的影響，導(dǎo)致生活垃圾的物理組成成分復(fù)雜多變，地域之間差異巨大，且上述大部分經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算模型都是基于不同國家產(chǎn)生的不同垃圾得出的，用于我國垃圾熱值計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值誤差較大，很難普遍適用于我國每個城市生活垃圾熱值的估算，因此，將這些計(jì)算模型引入到國內(nèi)有必要對其進(jìn)行修正。鄒元龍等[33]基于我國垃圾特性，修正了Dulong計(jì)算公式，修正后的公式：

其中：C有機(jī)、C無機(jī)、H、S、O、N為垃圾中有機(jī)碳、無機(jī)碳、氫、硫、氧、氮元素的質(zhì)量含量。

張瑛華等[34]在總結(jié)各城市垃圾熱值的基礎(chǔ)上，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生活垃圾熱值計(jì)算模型，一定程度上可以有效預(yù)測城市生活垃圾的熱值大小。楊濤[35]利用經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱值估算，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析得出影響城市生活垃圾熱值的主要因素，將這些影響因素作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，利用 MATLAB 工具箱建立基于社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的城市生活垃圾熱值 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算模型。該模型具有仿真效果好、計(jì)算準(zhǔn)確度高、仿真結(jié)果誤差小等特點(diǎn)。孫巍等[36]利用政府統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的人均收入水平、人均生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值及年降雨量等數(shù)據(jù)建立與垃圾熱值之間的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，根據(jù)建立的神經(jīng)元預(yù)測模型可以對市政垃圾的熱值進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測。孫培鋒等[37]依據(jù)已有的各地城市生活垃圾的數(shù)據(jù)，以垃圾物理成分中紙類、塑料、橡膠、紡織物、竹木的元素含量（C，H，S，O）為基礎(chǔ)，提出統(tǒng)計(jì)性的生活垃圾各組分的元素含量表，并以此表為依據(jù)，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法和各物理成分質(zhì)量百分比，基于Dulong和Steuer計(jì)算模型進(jìn)行預(yù)測，利用14個已知生活垃圾數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，預(yù)測的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際熱值較接近。馬曉茜等[38]采用遺傳算法優(yōu)化 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，建立垃圾焚燒爐入爐垃圾熱值的預(yù)測模型，研究結(jié)果表明：該模型預(yù)測平均相對誤差為2.64%，檢驗(yàn)樣本相對誤差平均值概率為95%的置信區(qū)間為 [-1.75, 2.59]，有較高的準(zhǔn)確性和置信度。

綜上所述，不同區(qū)域的垃圾種類差異較大，以不同區(qū)域垃圾為研究對象的垃圾熱值計(jì)算公式和預(yù)測模型的研究種類繁多，每種計(jì)算公式或預(yù)測模型只適用某種特定的垃圾，普遍適用性較差，無法統(tǒng)一。國內(nèi)各地區(qū)的垃圾差異較大，也沒有統(tǒng)一的計(jì)算公式可適用于全國的垃圾熱值計(jì)算。

3 結(jié)論和展望

垃圾熱值作為最終選擇處理方式的一個重要參考依據(jù)，同時(shí)又是直接影響焚燒輔助燃料用量的重要參數(shù)，對選擇處理工藝、工藝設(shè)計(jì)、后期運(yùn)行維護(hù)、運(yùn)營管理等均有重要意義。通過上述分析，認(rèn)為未來關(guān)于垃圾熱值的研究應(yīng)聚焦于以下幾個方面：

（1）垃圾熱值的提升，可提高垃圾的資源化利用率。影響垃圾熱值的諸多因素中含水率是主要因素，我國餐廚垃圾是垃圾中大量水分的絕對貢獻(xiàn)者，因此，垃圾的前期分類是降低垃圾含水率的有效解決途徑，垃圾的前期分類需要政府部門制定具體分類措施，加大宣傳力度，逐步完善垃圾的前期分類工作。

（2）目前，關(guān)于垃圾熱值的計(jì)算公式和預(yù)測模型大多數(shù)是基于國外的垃圾提出的，其適用性較低，不具有普遍性；因此，提高針對我國垃圾計(jì)算公式或預(yù)測模型的精度，提出適用性廣泛的計(jì)算公式或預(yù)測模型是未來需要深入研究的方向。