朱真真，王 進(jìn)，王沛麗，鐘 樂，徐 剛，許巖韋

（光大環(huán)境科技（中國）有限公司，南京 210007）

0 引 言

城市生活垃圾處理是一項關(guān)系城市建設(shè)、居民權(quán)益和可持續(xù)發(fā)展的重要工作，其中生活垃圾熱值又是評價生活垃圾處理方式、經(jīng)濟(jì)效益以及垃圾分類程度的主要指標(biāo)之一，具有重要的參考意義。生活垃圾熱值主要由其成分決定，城市生活垃圾是多種廢棄物的混合物，各種成分在垃圾中所占的比例變化很大，如廚余垃圾、灰土含量、含水量等，各地差異大。許多學(xué)者分析了中國部分城市垃圾的成分現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[1-6]，認(rèn)為影響垃圾物理成分的主要因素包括社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，城市民用燃料煤改氣的程度，城市規(guī)模與地域的差別等[7-8]。李曉東提出了適合中國城市生活垃圾熱值的估算公式，并對中國垃圾的成分與熱值的關(guān)系做了分析探討，認(rèn)為從可利用熱值角度來看，熱值高于3 344 kJ/kg 的城市垃圾適合焚燒法處理[9-10]。

城市生活垃圾熱值的分析方法主要有儀器測定法和經(jīng)驗公式法[11-12]，近年有學(xué)者提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[13]，但這些都是直接測量或依賴直接測量數(shù)據(jù)的熱值分析方法，受限于取樣數(shù)量和取樣方式，代表性有限。本文以我國部分城市46 座生活垃圾焚燒發(fā)電廠運營數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從發(fā)電量、機(jī)組效率的角度推導(dǎo)出入爐垃圾熱值，并對影響入爐垃圾熱值變化的因素進(jìn)行了分析，有利于增加對各地區(qū)垃圾熱值分布和變化趨勢的了解，對今后生活垃圾的合理化處置和提高垃圾焚燒發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究對象及研究方法

1.1 研究對象

選取已投運的46 座生活垃圾焚燒廠為研究對象，研究樣本覆蓋江蘇、山東、湖南、浙江等8 個省份，樣本在不同省份的分布情況如圖1 所示。焚燒廠投運年份從2014 年到2019 年，單臺焚燒爐生活垃圾處理規(guī)模范圍為300～850 t/d，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)包括4 MPa/400℃、4 MPa/450℃、6.4 MPa/450℃、6.4 MPa/480℃等4 種組合。

1.2 研究方法

研究方法包括運營資料收集整理、現(xiàn)場調(diào)研、文獻(xiàn)調(diào)研等。入爐生活垃圾低位熱值（lower heating value,LHV）（文中所稱垃圾熱值均為低位熱值）通過焚燒廠垃圾入爐噸發(fā)電量Q（kW·h/t）和對應(yīng)的全廠發(fā)電效率η（%）計算獲得，滲濾液率R（%）為滲濾液產(chǎn)生量L（m3）和對應(yīng)的垃圾入廠量m（t）計算獲得。入爐垃圾LHV 的計算公式為：

滲濾液率的計算公式為：

垃圾入爐噸發(fā)電量Q可通過垃圾發(fā)電廠的運營數(shù)據(jù)得到，全廠發(fā)電效率η和焚燒鍋爐效率、蒸汽參數(shù)、熱力系統(tǒng)等有關(guān)[14]，根據(jù)實際運行情況，可估算出全廠發(fā)電效率。本文根據(jù)每個垃圾焚燒發(fā)電廠的系統(tǒng)情況，計算出其發(fā)電效率，樣本中發(fā)電廠發(fā)電效率范圍為21%～26%。

2 垃圾熱值分布和變化規(guī)律

城市生活垃圾的熱值主要是由塑料橡膠類、紙張類、紡織物類、木竹類、灰土和瓜果皮廚余類及垃圾含水量決定。由于不同地區(qū)的居民生活習(xí)慣不同，不同季節(jié)對居民生活習(xí)性的影響不同以及居民不同生活水平的差異等，導(dǎo)致生活垃圾的成分有較大的差異。生活垃圾水分的變化會使垃圾熱值發(fā)生顯著的變化，隨著水分的增加，垃圾熱值大幅度減小[15]，垃圾的含水量受地域、季節(jié)的影響較大，是影響垃圾熱值最主要的因素。生活垃圾成分復(fù)雜，含水量大，入爐前需在垃圾池中堆酵5～7 d。通過堆酵，垃圾中所含部分水分以滲濾液形式滲出，垃圾中的有機(jī)物含量相對提高，垃圾熱值增加。李華等[16]估算了垃圾堆酵對焚燒廠垃圾熱值的影響，認(rèn)為垃圾在堆酵5 d 后，其熱值可提高40%以上。

2.1 垃圾熱值與地理區(qū)域的關(guān)系

根據(jù)所收集的各省份垃圾焚燒發(fā)電廠2019 年的運營情況，對各省份的垃圾熱值和滲濾液率取均值進(jìn)行計算，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖2 所示。統(tǒng)計地主要集中在華東、華南、華中和西南地區(qū)。由圖中數(shù)據(jù)可知，南方省份的垃圾熱值明顯高于北方省份。其中北方地區(qū)如山東和河南的垃圾熱值分別為5 983 kJ/kg 和6 259 kJ/kg，南方地區(qū)如廣東、江蘇和浙江的垃圾熱值范圍為7 400～8 000 kJ/kg，均為東南沿海經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)。有研究表明，人均收入高的區(qū)域，其垃圾中有機(jī)物含量高于人均收入低的區(qū)域[3]。大城市的渣石、灰土等無機(jī)物含量明顯低于中小城市，可燃物的含量明顯高于中小城市。在發(fā)達(dá)地區(qū)，紙張在城市生活垃圾中所占比例很大，但在欠發(fā)達(dá)地區(qū)的生活垃圾中食品是主要的組成物[7]。

除社會發(fā)展因素外，地域影響也很大，我國南北地區(qū)溫差和生活習(xí)慣相差較大，也會體現(xiàn)在生活垃圾熱值中[1]，北方整體氣溫低，降水量少，但是灰土量大，部分地區(qū)還有散煤取暖的習(xí)慣，產(chǎn)生大量煤灰等，使得北方的垃圾呈現(xiàn)灰土量大、垃圾熱值低的特點。實際情況中，根據(jù)統(tǒng)計，北方地區(qū)的山東省、河南省的垃圾滲濾液率均在15%以上，而南方地區(qū)的廣東和海南的垃圾滲濾液率最低，其范圍在8%～13%，主要原因為北方地區(qū)的垃圾熱值整體較低，需要更多的發(fā)酵天數(shù)，因此滲濾液反而更高，南方地區(qū)入爐垃圾熱值本身較高或處理壓力較大，垃圾發(fā)酵時間普遍較短，出現(xiàn)了滲濾液指標(biāo)倒掛的現(xiàn)象。

圖2 各省份垃圾熱值的對比Fig.2 Garbage calorific value comparison of MSW in different provinces

南方地區(qū)不同省份之間的垃圾熱值也有差異，由圖2 可以看出，海南地區(qū)的垃圾熱值為6 619 kJ/kg，其垃圾熱值明顯低于廣東、江蘇、浙江，雖然同為南方省份，但是海南地處熱帶季風(fēng)區(qū)，受海洋性氣候影響大，降雨量為中國最高的地區(qū)之一。除了降雨量的影響之外，海南的經(jīng)濟(jì)水平遠(yuǎn)低于廣東、江蘇、浙江地區(qū)，所以垃圾熱值較低。

2.2 垃圾熱值與季節(jié)的關(guān)系

四季分明的城市，生活垃圾的成分隨季節(jié)變化較大。按春夏秋冬四季統(tǒng)計，3～5 月為春季，6～8 月為夏季，9～11 月為秋季，12～2 月為冬季。四個典型城市的垃圾熱值按季節(jié)統(tǒng)計如圖3 所示，南京市和常州市的垃圾熱值最高的季節(jié)為秋季，垃圾熱值最低的季節(jié)為冬季，其中南京市秋季比冬季垃圾熱值高10%，常州市秋季比冬季垃圾熱值高8.6%。南京經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，垃圾熱值比較高[4]，垃圾噸發(fā)電量受季節(jié)的變化影響較大。濟(jì)南市的垃圾熱值最高的季節(jié)為夏季，發(fā)電量最低的季節(jié)為冬季，夏季比冬季的垃圾熱值高21.4%。壽光市垃圾熱值最高的季節(jié)為秋季，發(fā)電量最低的季節(jié)為春季，秋季比春季垃圾熱值高15.7%。濟(jì)南和壽光同屬北方地區(qū)，垃圾熱值受季節(jié)的影響較大。

圖3 不同季節(jié)垃圾熱值的對比Fig.3 Garbage calorific value comparison of MSW in different seasons

由統(tǒng)計結(jié)果可知，春季和冬季的垃圾熱值普遍要低于夏季和秋季，根據(jù)郭志軍等的研究結(jié)論，這是由于夏、秋季的垃圾中有機(jī)物比冬季高10%～15%，夏、秋季垃圾含水率比冬季高7%～21%，夏、秋季垃圾中無機(jī)物比冬季低12%～20%[2]。有機(jī)物含量越高，垃圾熱值越高。夏、秋季的垃圾含水率比較高，由于夏、秋季溫度要高于冬季，垃圾在垃圾倉中發(fā)酵較好，入爐垃圾含水率大幅度降低，從而垃圾熱值較高，冬季環(huán)境溫度低，導(dǎo)致垃圾發(fā)酵不足，垃圾熱值低。

2.3 垃圾熱值與年份的關(guān)系

統(tǒng)計垃圾焚燒廠從2014 年到2019 年的運行數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4 所示，隨著年份的變化，各典型城市近年來垃圾的熱值均呈增長趨勢。南京市某廠2014 年的垃圾熱值為6 977 kJ/kg，2019 年的垃圾熱值增長到8 583 kJ/kg，五年內(nèi)垃圾熱值提高1 606 kJ/kg，增長了23%。江陰市某廠五年內(nèi)垃圾熱值增長了36.7%。濟(jì)南市某廠五年內(nèi)垃圾熱值增長了30.4%。日照市某廠四年內(nèi)垃圾熱值增長了25.4%。這是由于隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，垃圾中可燃物成分增加，有機(jī)物含量呈逐漸增長的趨勢，無機(jī)物含量則逐年下降，垃圾熱值有所提高[17]。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時期，城市生活垃圾熱值增長也較快，當(dāng)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展時期，城市生活垃圾熱值則相應(yīng)穩(wěn)定在某一較高范圍內(nèi)。目前我國城市生活垃圾熱值仍處于提高階段。

圖4 不同年份垃圾熱值變化趨勢Fig.4 Garbage calorific value variation trend of MSW in different years

3 結(jié) 論

選取46 個焚燒廠樣本，研究國內(nèi)城市生活垃圾熱值和成分分布以及變化趨勢。主要結(jié)論如下：

（1）目前南方典型省份入爐垃圾熱值明顯高于北方典型省份。這既與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān)，也受地域差異、生活習(xí)慣等因素影響，其中經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的東南沿海三省份的入爐垃圾熱值均在7 400 kJ/kg以上，顯著高于其他省份。

（2）不同地域的冬季和春季的垃圾熱值普遍要低于夏季和秋季，且大部分項目冬季的垃圾熱值最低，不同季節(jié)入爐垃圾的熱值最大相差8%～22%。

（3）近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，垃圾的熱值呈逐年增長趨勢，典型城市5 年內(nèi)其生活垃圾熱值增長了20%～40%。