垃圾可燃组分单一物质干基高位热值测定及元素分析

垃圾可燃组分单一物质干基高位热值测定及元素分析*
芦会杰1，赵瑞东1，张茜1，张贺1，宋华旸1，王中航2
（1.北京市城市管理研究院生活垃圾检测分析与评价重点实验室，北京100028；2.中机研标准技术研究院（北京）有限公司，北京100044）
【摘要】目前我国城市因土地资源紧张，生活垃圾的主流处理工艺已由填埋向焚烧转变，焚烧处置比例达50%以上，垃圾热值作为垃圾是否可以采用焚烧处理技术的关键因素，对其实现精准分析具有重要意义。

利用氧弹量热测量法和元素分析仪分析方法通则，完成了13种橡塑类、8种织物类、18种纸张类、30种厨余类以及8种木竹类单一成分物质干基高位热值测定及碳、氢、氧、氮、硫、氯元素分析。

热值检测实验结果显示，橡塑类、织物类、纸张类、厨余类及木竹类单一成分物质的干基高位热值数据范围分别是20790~48228、16903~37854、10046~16923、15704~26434、16082~26932kJ/kg。

研究还发现物质的干基高位热值主要与碳、氢元素的含量呈正相关性，与氧元素含量呈负相关性。

【关键词】生活垃圾；单一组分；热值；元素含量；相关性中图分类号：X799.3
文献标识码：A
文章编号：1005-8206（2024）02-0028-07
DOI ：10.19841/ki.hjwsgc.2024.02.004
High Calorific Value Determination and Elemental Analysis of Single Substance Dry Base of Combustible Components of Municipal Solid Waste
LU Huijie 1，ZHAO Ruidong 1，ZHANG Xi 1，ZHANG He 1，SONG Huayang 1，WANG Zhonghang 2（1.Beijing Key Laboratory of Municipal Solid Wastes Testing Analysis and Evaluation ，Beijing Municipal Institute of City
Management ，Beijing 100028；2.China Institute of Standardization &Technology for Machinery （Beijing ）Co.Ltd.，Beijing
100044）
【Abstract 】Due to the shortage of land resources in China，the mainstream treatment process of domestic waste has
changed from landfill to incineration，and the proportion of incineration disposal had reached more than 50%.The accurate analysis of calorific value of waste，as the key factor of whether waste could be incinerated，is of great significance.The dry-base high caloric value determination and C，H，O，N，S，Cl content analysis of thirteen kinds of rubber and plastic，eight kinds of fabrics，eighteen kinds of paper，thirty kinds of kitchen waste and eight kinds of wood and bamboo single components were realized by using bomb calorimetric method and analytical methods of elemental analyzer.The calorific value test results showed that the dry-base high calorific value data scale of rubber and plastic，fabric，paper，kitchen waste and wood and bamboo were 20790~48228、16903~37854、10046~16923、15704~26434、16082~26932kJ/kg，respectively.It was also found that the dry-base high caloric value was mainly positively correlated with the content of carbon and hydrogen，and negatively correlated with the content of oxygen.
【Key words 】domestic waste；single component；caloric value；element content；correlation
*基金项目：北京市科技计划项目（Z201100008220006）收稿日期：2023-11-15；录用日期：2024-03-19
文章栏目：固体废物源特征与收运系统文章类型：研究论文
芦会杰，赵瑞东，张茜，等.垃圾可燃组分单一物质干基高位热值测定及元素分析［J ］.环境卫生工程，2024，32（2）：28-33，38.LU H J ，ZHAO R D ，ZHANG X ，et al.High calorific value determination and elemental analysis of single substance dry base of combustible components
of municipal solid waste ［J ］.Environmental Sanitation Engineering ，2024，32（2）：28-33，38.
0引言
垃圾焚烧技术凭借高温无害化、减容和减量效
果明显等优势，在垃圾处理系统中的应用日益广
泛［1-2］。

我国城市垃圾处理模式正逐渐由填埋为主向焚烧为主、填埋兜底转变［3］。

截至2019年，全国生活垃圾焚烧处理量已超过1.21×108t ，约为2003年的32倍，焚烧处理占比已超过填埋，达到
50.7％［4］。

据不完全统计，北京市2021年清运量为
7.8422×106t ，其中焚烧处理量为4.9887×106t ［5］。

第32卷第2期2024年4月
环境卫生工程
Environmental Sanitation Engineering
Vol.32No.2
Apr.2024
城市生活垃圾的热值作为垃圾是否可以进行焚烧处理的一个重要前提条件，同时又是直接影响辅助燃料加入量的一个重要参数，采用科学合理的检测技术对生活垃圾热值进行精确分析，是城市生活垃圾焚烧处理工艺设计和运营管理中必不可少的基础性工作［6-7］。

徐振威等［8］通过“生活垃圾分类对垃圾主要参数的影响分析”研究发现，分类前，进入焚烧处理厂的混合垃圾热值为6208~7165kJ/kg ，均值为6634kJ/kg ；分类后，进入焚烧厂混合垃圾热值区间为7490~7997kJ/kg ，均值为7749kJ/kg 。

温冬等［9］预判，在《北京市生活垃圾管理条例》实施后，进入垃圾焚烧设施的生活垃圾的热值较之前提高了400~500kJ/kg 。

垃圾热值提高，最明显的特征就是吨垃圾发电量增加，其提升值为20~30kWh 。

目前的研究主要集中在混合垃圾热值测定及
元素分析［10-12］，但其具有一定的局限性，由于生活垃圾成分与采样时间和采样区域密切相关，故混合垃圾样品热值受季节、地域等采样因素影响较大。

因此，本研究参照CJ/T 313—2009生活垃圾采样和分析方法，利用氧弹量热测量法和元素分析仪分析方法通则，对13种橡塑类、8种织物类、18种纸张类、30种厨余类以及8种木竹类单一成分物质进行干基高位热值测定和碳、氢、氧、氮、硫、氯元素分析，以期在实际情况下，与混合垃圾样品的组成及含水率等数据相结合，估算出垃圾热值范围，为垃圾焚烧处理提供数据参考。

1材料与方法1.1
样品准备
在市面上收集厨余类、橡塑类、纸张类、织物类及木竹类单一成分样品，收集到的原始样品及部分厨余烘干后样品如图1
所示。

图1收集的各单一成分样品
Figure 1
Collected samples of each single component
1.2实验方法
厨余样品首先进行烘干处理，对烘干后的厨余样品及其他类别的样品进行热值测定和元素分析。

1.2.1
热值测定
热值的测定采用德国IKA C5000量热仪。

标准物质采用中国计量科学院的苯甲酸标准物质。

将1g 配制好的垃圾样品放置于坩埚中，在氧弹的点火丝上绑好棉线，并把棉线放入坩埚，使之与样品接触好，注意棉线不可弄湿，向弹桶内加入5mL 蒸馏水，装好氧弹。

在软件中输入样品质量、
样品编号和样品属性等信息后，挂好氧弹，开始实验。

1.2.2
元素分析
元素测定采用德国Elementar 公司vario
MACRO cube 型元素分析仪，采用CHNS 模式，氦气和氧气的压力分别为0.15MPa 和0.20MPa ，仪
器的一级燃烧管温度为960℃、还原管温度为
830℃。

将1g 配制好的垃圾样品用锡箔称量纸包裹好，挤出空气，放入元素分析仪自动进样器样品盘中，设置测试温度和时间，开始测定。

芦会杰，等.垃圾可燃组分单一物质干基高位热值测定及元素分析
·
·29
环境卫生工程
2024年4月第32卷第2期
2结果与讨论
2.1橡塑类
对收集到的不同类别的橡塑样品进行热值测
定和元素分析，其结果如图2和表1所示。

在采集到的不同类别的橡塑样品中，干基高位热值范围为20790~48228kJ/kg ，其中水果套的干基高位热值最大（图2）。

湿纸巾塑料盒中碳元素和氢元素的含量最高，分别为77.3%和13.5%；水果套中氧元素和硫元素含量最高，为9.85%和1.96%；矿泉水瓶中氮元素含量最高，为1.20%；
活页夹壳中氯元素含量最高，为0.313%。

2.2
织物类
对收集到的不同类别的织物样品进行热值测定和元素分析，其结果如图3和表2所示。

在采集到的不同类别的织物样品中，干基高位热值数据范围为16903~37854kJ/kg ，其中紫色长袜的干基高位热值最大（图3）。

红色护膝中碳元素含量最高，为57.8%；紫色长袜中氢元素含量最高，为6.92%；万网布中氧元素含量最高，为38.2%；红色护膝中氮、硫、氯元素含量高于其他
样品，分别为0.941%、1.77%以及0.147%。

2.3
纸张类
对收集到的不同类别的纸张样品进行热值测定和元素分析，结果如图4和表3
所示。

5000040000300002000010000
干基高位热值/（k J /k g ）
塑料+绒（置物盒）图2不同类别橡塑样品的干基高位热值
Figure 2Dry-base high caloric value of different type of
rubber and plastic
samples 表1不同类别橡塑样品的元素含量
Table 1Element content of different type of rubber and
矿泉水瓶购物袋塑料泡沫泡泡膜打印纸包装湿纸巾塑料盒塑料+绒（置物盒）
水果套黑芝麻糊外包装怡宝塑料绿圈包装袋（里锡纸）
活页夹壳橡胶手套
57.560.660.654.877.367.455.245.845.859.253.659.0 6.6512.49.10
10.313.512.410.37.297.297.859.718.36
6.358.62
7.415.234.523.589.857.415.44
8.545.638.96
1.09
0.9210.7320.9330.8120.7640.8650.6910.8931.12
0.8011.14 1.911.520.954
1.911.911.861.961.251.251.080.7521.040.3020.3050.2150.3010.3030.3030.3030.2990.3070.2250.3130.207
类别
棉
布（白T ）
类别
点点布40000350003000025000200001500010000
干基高位热值/（k J /k g ）
蓝绳玫红布万网布红色护膝紫色长袜一次性头套
图3不同类别织物样品的干基高位热值
Figure
3Dry-base high caloric value of different type of
fabrics samples 表2不同类别织物样品的元素含量
蓝绳棉布（白T ）玫红布万网布点点布红色护膝紫色长袜一次性头套
48.357.443.643.357.840.742.7 5.435.084.826.656.686.925.79
35.7
31.438.229.928.532.129.9
0.7510.8640.7530.7120.9410.7560.7040.8040.8551.181.111.771.021.25
0.1280.1350.1260.1190.1470.1460.136图4不同类别纸张样品的干基高位热值
Figure 4Dry-base high caloric value of different type of
paper samples
80g 打印纸类别
报告用纸300g 哑光纸矿
泉
水
瓶购物袋塑料泡沫泡泡膜打印纸包装湿纸巾塑料盒水果套黑芝麻糊外包装怡宝塑料绿圈包装袋（里锡纸）活页夹壳橡胶手套
18000160001400012000100008000600040002000
干基高位热值/（k J /k g ）
包装盒薄牛皮纸70g 打印纸卫生间擦手纸250g 高光纸200g 高光纸157g 高光纸200g 哑光纸157g 哑光纸128g 哑光纸105g 哑光纸120g 胶板纸100g 胶板纸120g 彩机纸100g 彩机纸
·
·30
在采集到的不同类别的纸张样品中，干基高位热值范围为10046~16923kJ/kg ，其中卫生间擦手纸的干基高位热值最大（图4）。

纸张类样品与橡塑类及织物类样品对比发现，不同纸张类样品的干基高位热值差别不大，纸张类的干基高位热值除了与具体的纸张种类有关，也与纸张质量有一定关系。

157g 哑光纸中碳元素和氢元素的含量最高，分别为54.4%和11.2%；300g 哑光纸中氧元素含量最高，为33.6%；报告用纸中氮元素和硫元素的含量最高，分别为0.904%和2.46%；薄牛皮纸中氯元素含量为0.202%，为所有样品中最高。

2.4
厨余类
对收集到的不同类别的厨余样品进行热值测定和元素分析，结果如图5和表4所示。

在采集到的不同类别的厨余样品中，干基高位热值范围为15704~26434kJ/kg ，其中西红柿的干基高位热值最大（图5）。

不同厨余类样品的干基高位热值差别不大，主要与厨余样品种类有关，所有样品干基高位热值平均值为18909kJ/kg 。

不同种类的厨余样品中碳元素含量相差不大，主要集中在40%~50%，其中橙子皮中碳元素含量（23.1%）和氢元素含量（2.15%）最低，柿子椒中氢元素含量（6.88%）最高；不同类别的厨余样品中氧元素含量最大相差8%左右；柿子椒杆+籽中氮元素含量为2.64%，高于其他厨余垃圾；柿子椒中硫元素含量最高，为1.47%；不同种类的厨余样品中氯元素含量差别较小，其范围为0.516%~0.640%。

表3不同类别纸张样品的元素含量
包装盒薄牛皮纸
70g 打印纸80g 打印纸报告用纸卫生间擦手纸250g 高光纸200g 高光纸157g 高光纸300g 哑光纸200g 哑光纸157g 哑光纸128g 哑光纸105g 哑光纸120g 胶板纸100g 胶板纸120g 彩机纸100g 彩机纸
44.144.841.537.541.034.736.936.838.339.454.444.539.646.034.036.838.610.4
6.385.415.536.326.065.835.625.765.4111.25.844.85
7.304.654.935.6732.831.732.531.430.930.129.629.233.632.630.127.432.630.029.62
8.731.4
0.5710.5010.8430.9040.7510.7420.8540.7850.6860.7130.7020.7810.6050.5950.8130.6520.794 2.011.290.8922.461.071.201.251.111.160.9621.100.8310.9851.380.9140.9451.060.2020.1640.0612
0.1380.1350.1510.1560.1480.1400.06510.1220.08710.08150.1260.1360.1400.137图5不同类别厨余样品的干基高位热值
Figure 5Dry-base high caloric value of different type of
kitchen waste samples
表4不同类别厨余样品的元素含量
Table 4Element content of different type of kitchen
橙子肉橙子皮土豆土豆皮柿子椒柿子椒杆+籽
苹果苹果皮白薯肉白薯皮胡萝卜肉胡萝卜皮西红柿西红柿皮白菜叶白菜帮黄瓜皮山竹皮葱葱头圆白菜芥兰猪肉（生）干腐竹绿豆红豆紫米白米小米宽粉
23.144.239.444.448.245.436.137.129.147.535.047.148.943.841.843.837.130.942.745.545.241.242.546.845.246.445.745.144.9 2.155.825.746.885.856.056.245.764.415.746.005.835.476.845.956.476.314.816.126.155.966.146.356.256.176.336.356.125.99
31.032.931.532.136.234.634.134.233.532.430.528.633.136.829.431.135.229.432.233.635.231.732.734.032.433.133.732.932.6
1.041.580.642
1.58
2.640.605
1.201.301.650.8221.820.7420.7461.841.861.581.771.640.6030.6410.6310.8420.6820.6430.6740.6710.7460.7820.7050.942
1.121.001.470.9520.8311.141.100.9130.9811.09
0.8020.9831.301.201.281.130.8610.8120.8520.8140.8130.8210.9850.9870.9230.9821.240.8110.5160.5550.5950.5460.5670.5860.5690.5540.5620.5930.5520.5930.5910.5720.6400.5660.5890.5640.5860.5980.6140.5860.5930.6140.6040.5940.6010.5870.601
类别
30000250002000015000100005000
干基高位热值/（k J /k g ）
橙子肉
橙子皮土豆土豆皮柿子椒柿子椒杆+籽苹果苹果皮白薯肉白薯皮胡萝卜肉胡萝卜皮西红柿西红柿皮白菜叶白菜帮黄瓜皮山竹皮葱葱头圆白菜芥兰猪肉（生）干腐竹绿豆红豆紫米白米小米宽粉
芦会杰，等.垃圾可燃组分单一物质干基高位热值测定及元素分析
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环境卫生工程2024年4月第32卷第2期
2.5木竹类
对收集到的不同类别的木竹样品进行热值测
定和元素分析，结果如图6和表5所示。

在采集到的不同类别的木竹样品中，干基高位热值范围为16082~26932kJ/kg ，其中干树根的干基高位热值最大（图6）。

一次性筷子中碳元素
含量最高，为48.3%；干树根中氢元素和氧元素的含量最高，分别为6.81%和33.7%；所有木竹类样品中氮元素含量最高为1.40%、硫元素含量最高为1.24%，分别来自花生壳和杂草；菠萝叶中氯元素含量最高，为0.318%。

2.6干基高位热值与碳、氢、氧元素含量相关性
分析
垃圾中各个元素含量对垃圾热值有直接影响，已有研究显示［13］，可根据生活垃圾中碳、氢、氧、氮、硫等元素的测定结果，估算垃圾热值。

在已有的文献中提到，目前常见的几种根据元素含量估算垃圾湿基低位热值的模型包括Dulong 公式、Steuere 公式、Scheurer-Kestner 公式和Chang 公式。

在张旭［14］的研究中发现，通过Dulong 公式计算的垃圾理论热值与实测热值之间的相对误差范
围为1.0%~10.6%，基本满足估算要求。

在本研究中，为进一步探究垃圾单一组分的干基高位热值与碳、氢、氧元素含量的关系，分别以所有样品中碳、氢、氧元素含量为自变量，干基高位热值为因变量建立函数关系，具体分析结果如图7~图9所示。

所有样品的干基高位热值与碳元素、氢元素含量呈正相关性（图7~图8），这与覃卫星等［15］的研究结论一致，碳元素、氢元素是生活垃圾中主要的可燃元素，生活垃圾中干基碳元素、氢元素含量与干基高位发热量有较强的线性相关性。

本研究中，热值较大的样品的碳元素含量集中在
600005000040000300002000010000
0y =540.95x -3542.8
R 2=0.2811
垃圾热值
线性（垃圾热值）
图7干基高位热值与碳元素含量关系
Figure 7
Relationship between dry-base high caloric value and
carbon content
600005000040000300002000010000
0垃圾热值/（k J /k g ）
碳元素含量/%
图8干基高位热值与氢元素含量关系
Figure 8
Relationship between dry-base high caloric value and
hydrogen content
图9干基高位热值与氧元素含量关系
Figure 9
Relationship between dry-base high caloric value and
oxygen content
垃圾热值/（k J /k g ）
氢元素含量/%
氧元素含量/%
20
40
60
80
100
y =2091.8x
+7279.8
R 2=0.2154
垃圾热值
线性（垃圾热值）
15
5
10y =-649.68x +39
054
R 2=0.5145
600005000040000300002000010000
0垃圾热值/（k J /k g ）
1020304050
垃圾热值
线性（垃圾热值）
图6不同类别木竹样品的干基高位热值
Figure 6Dry-base high caloric value of different type of
wood and bamboo samples 表5不同类别木竹样品的元素含量
Table 5Element content of different type of wood and
木制包
装
箱
类别
杂
草
3000025000200001500010000
干基高位热值/（k J /k g ）
一
次
性
筷
子
干
落
叶
干
树
根
玉
米
芯
花
生
壳
菠
萝叶一次性筷子干落叶干树根玉米芯花生壳杂草菠萝叶木制包装箱
45.848.145.047.044.144.634.0 2.946.816.686.796.736.784.65
32.133.733.430.830.230.728.7
0.9621.241.051.401.141.120.6220.8721.111.141.211.241.161.020.1170.3060.3080.3070.3170.3180.113
·
·32
45%~60%，氢元素含量集中在6%~10%。

干基高位热值与氢元素含量的线性方程系数大于干基高位热值与碳元素含量的线性方程系数，说明氢元素的含量变化对干基高位热值的影响更大。

所有样品的干基高位热值与氧元素含量呈负相关性（图9），一般塑料制品的垃圾热值很高，刘跃勇等［16］在北京市生活垃圾成分及理化特性分析中也指出塑料制品类的热值最高。

塑料制品的主要成分为树脂，热值很高，但塑料制品中氧元素含量不高，这是本研究中样品的干基高位热值与氧元素含量呈负相关性的主要原因。

这与李晓东等［17］的研究中提到经计算氧含量与热值成反比相符合。

含水率是垃圾热值的关键影响因素之一，在唐素琴等［18］的研究中提到，杭州市生活垃圾热值随发酵时间的增加和含水率的下降而明显升高。

生活垃圾发酵时间超过10d后，含水率由最初的64.33%下降至54.80%，垃圾的低位发热量由最初的3170kJ/kg升高至6060kJ/kg。

李剑颖［19］的研究发现，垃圾含水率每提高1%，混合生活垃圾的热值就会降低118.693kJ/kg。

文章的重点在测试分析各种单一成分的干基高位热值，实际垃圾样品的湿基低位热值可参考以上样品的干基高位热值，并根据样品的含水率，最终估计出入炉垃圾低位热值范围，再与垃圾焚烧的热值要求进行比较。

3结论
1）在采集到的橡塑类、织物类、纸张类、厨余类以及木竹类可燃组分单一成分中，干基高位热值数据范围分别为20790~48228、16903~37854、10046~16923、15704~26434、16082~26932kJ/kg。

2）干基高位热值与碳元素、氢元素含量呈正相关性，热值较大的样品的碳元素含量集中在45%~60%、氢元素含量集中在6%~10%。

干基高位热值与氢元素含量的线性方程系数大于干基高位热值与碳元素含量的线性方程系数，说明氢元素的含量变化对干基高位热值的影响更大。

样品的干基高位热值与氧元素含量呈负相关性。

参考文献：
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第一作者：阚宝鹏（1988—），主要从事垃圾分类、固体废物处置及环
卫行业科研和服务工作。

E-mail ：132****************。

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