基于热力学平衡的废物热值表征新方法及其在自持燃烧评估中的应用

《Fuel》：A new method for the calorific characterization of wastes based on combustion calculations

为解决废物焚烧过程中传统热值指标无法全面反映燃烧特性及能量平衡的问题，研究人员开展了一项关于废物热值互补表征方法的研究。通过建立包含水分、灰分及过量空气等因素的热力学模型，提出了用于评估废物自持燃烧能力的能量盈亏参数（q～），为优化废物协同处置和能效管理提供了重要理论工具。

　　

随着城市化进程加速和工业发展，各类废弃物的产生量持续增长，如何实现废物的高效清洁处置成为环境工程领域的重大挑战。热处置技术（特别是焚烧）因其减量化彻底和能量回收潜力而被广泛应用，但废物组分复杂多变，其燃烧特性存在显著差异。传统上采用低位热值（LHV）或高位热值（HHV）来表征废物的能量特性，然而这些指标仅反映化学能含量，未能充分考虑水分蒸发、灰分热容以及实际燃烧条件（如过量空气系数和热损失）对燃烧温度的关键影响。这导致在实际焚烧炉设计中，单纯依靠热值往往无法准确判断某种废物能否实现自持燃烧，或者是否需要辅助燃料，造成能源浪费或运行不稳定。

为突破这一局限，来自同济大学的研究团队在《Fuel》期刊上发表了创新性研究成果，开发了一套基于热力学平衡的废物热值互补表征方法。该方法通过整合质量守恒、能量平衡及燃烧化学原理，建立了能够量化废物在特定焚烧条件下能量盈亏的数学模型，为废物协同处置和焚烧系统优化提供了科学依据。

研究采用的关键技术方法包括：1）热力学建模：基于燃料元素分析（C、H、O、N、S等）和工业分析（水分、灰分、挥发分和固定碳）数据，计算废物的理论需氧量（Ω～_waste）和空气需求（Λ～_waste）；2）参数化分析：引入氧过剩因子（ω～）和热损失因子（η_lf）来表征实际燃烧条件；3）迭代计算：通过编程求解非线性方程，确定在不同燃烧温度（如850°C、1000°C、1100°C）和烟气残氧量（如3%、6%、11%）下的能量盈亏值（q～）。研究依托典型废物组分数据（如市政垃圾、污泥、工业危险废物）进行模型验证。

2. Development of Equations

研究人员首先系统梳理了燃烧过程中的质量与能量平衡关系。通过引入氧过剩因子（ω～）来关联实际烟气量与最小理论烟气量，并推导出包含废物有机质、水分和灰分三要素的通用能量平衡方程。关键方程（16）和（20）首次将废物的净能量效应（q～）表达为低位热值（H～_LHV^waste）、水分含量（ξ_W）、灰分含量（ξ_A）及燃烧操作参数（ω～, η_lf）的函数。结果表明，q～ > 0表示废物能量过剩可支持共处置，q～ < 0则需补充燃料。

2.1. Consolidation of Balances of Total Mass and Oxygen

通过整合燃烧空气需求与废物组分的关系，建立了空气需求系数（f_LHV^air ≈ 0.33 kg_air/MJ）和水分修正系数（f_W^air ≈ 0.806 kg_air/kg_W）的实用计算公式。这揭示了水分不仅稀释能量，还通过蒸发耗热显著影响净能量输出。

2.2. Average Specific Heat Capacity of Flue Gas

研究发现烟气平均比热容（c～_p^FG）主要受干烟气、水蒸气及灰分的影响，其中水蒸气的比热容是干烟气的近两倍（f_Wv^Δc～ ≈ 0.93）。灰分的比热容修正系数（f_A^Δc～）通常可忽略，除非废物富含金属氧化物。

2.3. Consideration of Heat Losses

通过引入炉膛热损失因子（η_lf），模型量化了实际非绝热燃烧条件下的温度损失。η_lf 越大，达到相同燃烧温度所需废物热值越高。

2.4. Consolidation of Mass and Energy Balance, and Resulting Equations

最终推导的方程（20）表明，废物的能量盈亏（q～）取决于其固有特性（H～_LHV^waste, ξ_W, ξ_A）和操作条件（ω～, η_lf, ?_c）。例如，对于有代表性的有机组分（类似CH₂化合物），在?_c=1000°C、烟气氧含量6%时，ω～约为0.35。

3. Application of Developed Method and Interpretations

3.1. Practical Conditions of Waste Incineration

模型参数表显示，典型焚烧条件为：燃烧温度850–1100°C，烟气残氧量3–11%，热损失因子5–20%。这为模型的实际应用提供了参考范围。

3.2. Calculation of the Specific Energy Surplus

通过案例计算证实，传统热值相同的废物，因水分和灰分含量不同，其q～值可能差异巨大。高水分废物（如污泥）即使有机质热值达标，也可能无法自持燃烧。

3.3. Implications for Co-Incineration

该模型为多种废物的协同处置提供了量化工具。通过计算各废物的q～值，可优化配比，实现能量自平衡，降低辅助燃料消耗，提升整体能效。

4. Conclusions

研究得出结论，传统热值指标在评估废物燃烧特性时存在明显不足，尤其无法反映水分和灰分的“热惯性”效应。新提出的能量盈亏参数（q～）及其计算模型，能够更准确地预测废物在真实焚烧条件下的能量行为，解决了工程设计中“能否自燃”的关键问题。该方法普适性强，适用于从高热值溶剂到低热值废水污泥的广泛废物类型，为焚烧厂的进料调配、能效优化和减排降耗提供了可靠的理论工具和设计依据，对推动废物能源化利用的精准化和智能化发展具有重要意义。