中国城市生活垃圾燃烧的特性

摘要：根据我国23个主要城市约40组垃圾的统计数据（包括元素分析和工业分析及组分分析），较好地拟合了生活垃圾净热值、垃圾焚烧理论空气量的计算公式；在此基础上研究了垃圾净热值与绝热火焰温度的数学关系，进而分析了垃圾单独焚烧（无辅助燃料）所需的临界热值及过剩空气率、预热空气温度等参数对临界热值的影响。本研究为了解垃圾的燃烧特性及垃圾的焚烧利用提供分析依据。
关键词：城市生活垃圾；燃烧特性；临界热值
由于我国城市人口的生活习惯、经济水平、垃圾收集方式、气候条件等因素与国外存在较大的差异，城市垃圾的组成也必然与国外城市相差甚远，套用国外公式的计算结果势必会引起较大误差，这对垃圾焚烧的决策及焚烧炉的设计都极为不利，所以有必要针对我国的城市垃圾燃烧特性作分析研究。为此，本研究收集整理了我国20多个主要城市的近40组垃圾分析数据（包括元素分析、工业分析及物理组成），根据该分析数据回归了生活垃圾净热值和垃圾焚烧理论空气量的计算公式，在此基础上研究了垃圾净热值与绝热火焰温度的数学关系，进而分析了垃圾单独焚烧（无辅助燃料）所需的临界热值及过剩空气率、预热空气温度等参数对临界热值的影响。
1垃圾净热值
垃圾净热值是垃圾焚烧设计中最重要的基础数据，目前推估垃圾净热值的公式有根据元素分析和根据工业分析或物理组成2类经验公式。根据元素分析的有Dulong公式、日本环境卫生中心推估公式、Steuer公式、Scheurer-Kestner公式等，而根据工业分析或物理组成的有3成分、4成分等简化公式。然而，据笔者对我国23个主要城市的近40组垃圾数据（表1、表2仅为收集整理的部分典型城市垃圾的元素分析、工业分析及物理组成）的初步分析，由上述计算公式计算的结果与测试的净热值偏差很大，这说明有必要针对我国的城市垃圾特性进行分析研究。
城市生活垃圾工业分析的4种成分中，对净热值有贡献的主要是固定碳、水分和挥发份。固定碳的主要成分为碳，其热值为碳的燃烧热；水分对热值是负贡献，主要考虑其蒸发潜热；而挥发份的热值与垃圾中的塑胶份额有密切关系，因塑胶（特别是塑料）中的氢元素含量较高，所以塑胶份额越高，其挥发份热值越高。根据以上分析，由垃圾的工业分析及物理组成中的塑胶份额可回归出垃圾净热值的计算公式：
NHV＝（3P＋176）×V－25W＋340FC   （1）
NHV为垃圾净热值，kJ/kg；P为垃圾中塑胶份额，％；V为工业分析中挥发份份额，％；W为工业分析中水分份额，％；FC为工业分析中固定碳份额，％。
根据公式（1)计算的热值与实际测试的垃圾净热值的对比如图1和表3所示，从图表中可以看出，公式（1)可较为准确地预测我国城市垃圾的净热值，个别最大误差约10％，剩余标准差为235.2kJ/kg。
表1中国部分典型城市生活垃圾的组成

表2中国部分典型城市生活垃圾的工业分析和元素分析

2垃圾焚烧理论空气量
理论空气量是垃圾焚烧设计中不可缺少的参数，在精确设计中一般采用元素分析法，然而在工程计算或在缺少元素分析（这对于城市垃圾特殊燃料而言较为普遍）的情况下，也可采用近似计算法。本文主要研究垃圾焚烧理论空气量与垃圾净热值的数学关系。文献「2」曾提出下列公式：
Lo＝3.59×10-4NHV（2)
Lo为垃圾理论空气量，kg/kg。
表3垃圾净热值、理论空气量计算值与测量值的比较


图1垃圾净热值计算值与实测值比较

图2垃圾理论空气量拟合曲线
研究中发现，根据该公式计算煤炭类燃料有一定的准确性，而由于城市垃圾中较高的水分含量使根据公式（2）计算的理论空气量明显偏小。为此，笔者根据收集整理的城市垃圾数据，重新进行回归，得出如下公式：
Lo＝0.002NHV ^0.8197    R＝0.9863（3）
式中R为相关系数。
理论空气量的拟合曲线如图2所示。为了便于对比，图2也画出了根据公式（2）计算的理论空气量曲线。从图2或表3中可以看出，公式（3)计算理论空气量具有较高的精确度，而根据公式（2）计算的理论空气量大约要偏小20％。
3绝热火焰温度及临界热值