0 引言
城市生活垃圾处理是一项关系城市建设、居民权益和可持续发展的重要工作,其中生活垃圾热值又是评价生活垃圾处理方式、经济效益以及垃圾分类程度的主要指标之一,具有重要的参考意义。生活垃圾热值主要由其成分决定,城市生活垃圾是多种废弃物的混合物,各种成分在垃圾中所占的比例变化很大,如厨余垃圾、灰土含量、含水量等,各地差异大。许多学者分析了中国部分城市垃圾的成分现状和发展趋势[1,2,3,4,5,6],认为影响垃圾物理成分的主要因素包括社会经济发展程度,城市民用燃料煤改气的程度,城市规模与地域的差别等[7,8]。李晓东提出了适合中国城市生活垃圾热值的估算公式,并对中国垃圾的成分与热值的关系做了分析探讨,认为从可利用热值角度来看,热值高于3 344 kJ/kg的城市垃圾适合焚烧法处理[9,10]。
1 研究对象及研究方法
1.1 研究对象
选取已投运的46座生活垃圾焚烧厂为研究对象,研究样本覆盖江苏、山东、湖南、浙江等8个省份,样本在不同省份的分布情况如图1所示。焚烧厂投运年份从2014年到2019年,单台焚烧炉生活垃圾处理规模范围为300 ~ 850 t/d,余热锅炉蒸汽参数包括4 MPa/400℃、4 MPa/450℃、6.4 MPa/450℃、6.4 MPa/480℃等4种组合。
Fig. 1 Samples distribution of MSW incineration plants in different provinces图1 生活垃圾焚烧发电厂样本在各省的分布 |
1.2 研究方法
研究方法包括运营资料收集整理、现场调研、文献调研等。入炉生活垃圾低位热值（lower heating value, LHV）（文中所称垃圾热值均为低位热值）通过焚烧厂垃圾入炉吨发电量Q（kW∙h/t）和对应的全厂发电效率η（%）计算获得,渗滤液率R（%）为渗滤液产生量L（m3）和对应的垃圾入厂量m（t）计算获得。入炉垃圾LHV的计算公式为:
$\text{LHV}=3600Q/\left( 1000\eta \right)$ (1)
渗滤液率的计算公式为:
$R=L/\text{m}$ (2)
垃圾入炉吨发电量Q可通过垃圾发电厂的运营数据得到,全厂发电效率η和焚烧锅炉效率、蒸汽参数、热力系统等有关[14],根据实际运行情况,可估算出全厂发电效率。本文根据每个垃圾焚烧发电厂的系统情况,计算出其发电效率,样本中发电厂发电效率范围为21% ~ 26%。
2 垃圾热值分布和变化规律
城市生活垃圾的热值主要是由塑料橡胶类、纸张类、纺织物类、木竹类、灰土和瓜果皮厨余类及垃圾含水量决定。由于不同地区的居民生活习惯不同,不同季节对居民生活习性的影响不同以及居民不同生活水平的差异等,导致生活垃圾的成分有较大的差异。生活垃圾水分的变化会使垃圾热值发生显著的变化,随着水分的增加,垃圾热值大幅度减小[15],垃圾的含水量受地域、季节的影响较大,是影响垃圾热值最主要的因素。生活垃圾成分复杂,含水量大,入炉前需在垃圾池中堆酵5 ~ 7 d。通过堆酵,垃圾中所含部分水分以渗滤液形式渗出,垃圾中的有机物含量相对提高,垃圾热值增加。李华等[16]估算了垃圾堆酵对焚烧厂垃圾热值的影响,认为垃圾在堆酵5 d后,其热值可提高40%以上。
2.1 垃圾热值与地理区域的关系
根据所收集的各省份垃圾焚烧发电厂2019年的运营情况,对各省份的垃圾热值和渗滤液率取均值进行计算,统计数据如图2所示。统计地主要集中在华东、华南、华中和西南地区。由图中数据可知,南方省份的垃圾热值明显高于北方省份。其中北方地区如山东和河南的垃圾热值分别为5 983 kJ/kg和6 259 kJ/kg,南方地区如广东、江苏和浙江的垃圾热值范围为7 400 ~ 8 000 kJ/kg,均为东南沿海经济最发达地区。有研究表明,人均收入高的区域,其垃圾中有机物含量高于人均收入低的区域[3]。大城市的渣石、灰土等无机物含量明显低于中小城市,可燃物的含量明显高于中小城市。在发达地区,纸张在城市生活垃圾中所占比例很大,但在欠发达地区的生活垃圾中食品是主要的组成物[7]。
Fig. 2 Garbage calorific value comparison of MSW in different provinces图2 各省份垃圾热值的对比 |
除社会发展因素外,地域影响也很大,我国南北地区温差和生活习惯相差较大,也会体现在生活垃圾热值中[1],北方整体气温低,降水量少,但是灰土量大,部分地区还有散煤取暖的习惯,产生大量煤灰等,使得北方的垃圾呈现灰土量大、垃圾热值低的特点。实际情况中,根据统计,北方地区的山东省、河南省的垃圾渗滤液率均在15%以上,而南方地区的广东和海南的垃圾渗滤液率最低,其范围在8% ~ 13%,主要原因为北方地区的垃圾热值整体较低,需要更多的发酵天数,因此渗滤液反而更高,南方地区入炉垃圾热值本身较高或处理压力较大,垃圾发酵时间普遍较短,出现了渗滤液指标倒挂的现象。
南方地区不同省份之间的垃圾热值也有差异,由图2可以看出,海南地区的垃圾热值为6 619 kJ/kg,其垃圾热值明显低于广东、江苏、浙江,虽然同为南方省份,但是海南地处热带季风区,受海洋性气候影响大,降雨量为中国最高的地区之一。除了降雨量的影响之外,海南的经济水平远低于广东、江苏、浙江地区,所以垃圾热值较低。
2.2 垃圾热值与季节的关系
四季分明的城市,生活垃圾的成分随季节变化较大。按春夏秋冬四季统计,3 ~ 5月为春季,6 ~ 8月为夏季,9 ~ 11月为秋季,12 ~ 2月为冬季。四个典型城市的垃圾热值按季节统计如图3所示,南京市和常州市的垃圾热值最高的季节为秋季,垃圾热值最低的季节为冬季,其中南京市秋季比冬季垃圾热值高10%,常州市秋季比冬季垃圾热值高8.6%。南京经济比较发达,垃圾热值比较高[4],垃圾吨发电量受季节的变化影响较大。济南市的垃圾热值最高的季节为夏季,发电量最低的季节为冬季,夏季比冬季的垃圾热值高21.4%。寿光市垃圾热值最高的季节为秋季,发电量最低的季节为春季,秋季比春季垃圾热值高15.7%。济南和寿光同属北方地区,垃圾热值受季节的影响较大。
Fig. 3 Garbage calorific value comparison of MSW in different seasons图3 不同季节垃圾热值的对比 |
由统计结果可知,春季和冬季的垃圾热值普遍要低于夏季和秋季,根据郭志军等的研究结论,这是由于夏、秋季的垃圾中有机物比冬季高10% ~ 15%,夏、秋季垃圾含水率比冬季高7% ~ 21%,夏、秋季垃圾中无机物比冬季低12% ~ 20%[2]。有机物含量越高,垃圾热值越高。夏、秋季的垃圾含水率比较高,由于夏、秋季温度要高于冬季,垃圾在垃圾仓中发酵较好,入炉垃圾含水率大幅度降低,从而垃圾热值较高,冬季环境温度低,导致垃圾发酵不足,垃圾热值低。
2.3 垃圾热值与年份的关系
统计垃圾焚烧厂从2014年到2019年的运行数据,结果如图4所示,随着年份的变化,各典型城市近年来垃圾的热值均呈增长趋势。南京市某厂2014年的垃圾热值为6 977 kJ/kg,2019年的垃圾热值增长到8 583 kJ/kg,五年内垃圾热值提高1 606 kJ/kg,增长了23%。江阴市某厂五年内垃圾热值增长了36.7%。济南市某厂五年内垃圾热值增长了30.4%。日照市某厂四年内垃圾热值增长了25.4%。这是由于随着经济的快速发展,垃圾中可燃物成分增加,有机物含量呈逐渐增长的趋势,无机物含量则逐年下降,垃圾热值有所提高[17]。在经济快速发展时期,城市生活垃圾热值增长也较快,当经济进入稳定发展时期,城市生活垃圾热值则相应稳定在某一较高范围内。目前我国城市生活垃圾热值仍处于提高阶段。
Fig. 4 Garbage calorific value variation trend of MSW in different years图4 不同年份垃圾热值变化趋势 |
3 结论
选取46个焚烧厂样本,研究国内城市生活垃圾热值和成分分布以及变化趋势。主要结论如下:
（1）目前南方典型省份入炉垃圾热值明显高于北方典型省份。这既与社会经济发展水平有关,也受地域差异、生活习惯等因素影响,其中经济最发达的东南沿海三省份的入炉垃圾热值均在7 400 kJ/kg以上,显著高于其他省份。
（2）不同地域的冬季和春季的垃圾热值普遍要低于夏季和秋季,且大部分项目冬季的垃圾热值最低,不同季节入炉垃圾的热值最大相差8% ~ 22%。
（3）近年来,随着经济发展,垃圾的热值呈逐年增长趋势,典型城市5年内其生活垃圾热值增长了20% ~ 40%。