南方地區(qū)城市生活垃圾導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)研究

何春木，邱戰(zhàn)洪，陳合龍，熊 浩，朱兵見，劉子振

（1.臺州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺州 318000；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071）

1 引言

由于垃圾的降解作用，垃圾填埋體內(nèi)會產(chǎn)生大量的熱。垃圾填埋場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，填埋高度在20～60 m之間的填埋場，填埋體內(nèi)最高溫度可達(dá)40～65 ℃[1]。浙江大學(xué)巖土工程研究所在蘇州市七子山垃圾填埋場擴(kuò)建工程現(xiàn)場土工監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，填埋場內(nèi)存在較高的溫度場，溫度在30～50℃之間[2]。謝焰等[3]通過對淮南垃圾填埋場的現(xiàn)場監(jiān)測也發(fā)現(xiàn)，填埋體內(nèi)最高溫度大約發(fā)生在垃圾進(jìn)場 40 d后，可高達(dá)到56 ℃。

現(xiàn)有研究表明：溫度場對垃圾填埋場的襯墊工作性能、氣體運(yùn)移規(guī)律和垃圾土工程特性等存在顯著影響。在襯墊系統(tǒng)的服役過程中，過高的溫度會影響土工合成材料的使用壽命，也會造成襯墊黏土層的干燥、開裂，而引起滲濾液和填埋氣體的滲漏[4]；垃圾填埋場的最佳產(chǎn)氣溫度在34℃到45℃之間，當(dāng)溫度低于20 ℃或高于75 ℃，會明顯降低垃圾體的產(chǎn)氣率[5－9]；當(dāng)溫度從20 ℃提高到35℃時(shí)，垃圾的壓縮系數(shù)提高將近兩倍[10]。因此，在研究垃圾填埋場運(yùn)行中的滲流、沉降、穩(wěn)定及氣體運(yùn)移等問題時(shí)，考慮溫度場的影響具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

垃圾的導(dǎo)熱系數(shù)是研究垃圾填埋場溫度場的重要參數(shù)。目前尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于垃圾導(dǎo)熱系數(shù)研究的文獻(xiàn)，現(xiàn)有研究垃圾填埋場溫度場的文獻(xiàn)[1，11]大都是直接借鑒土的導(dǎo)熱系數(shù)，缺乏相應(yīng)的依據(jù)。同時(shí)，垃圾作為一種多組分、多相多孔介質(zhì)材料，導(dǎo)熱系數(shù)受到組分、含水率、孔隙率等多種因素的影響[12－13]。因此，對垃圾的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，具有非常重要的實(shí)際意義。

目前，巖土導(dǎo)熱系數(shù)測定還沒有統(tǒng)一的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)態(tài)熱流測試法是巖土類介質(zhì)常用的導(dǎo)熱系數(shù)測定方法，該方法可以測定不同濕度天然土體的導(dǎo)熱系數(shù)[12，14]。

本文以臺州盧岙里垃圾填埋場填埋初期生活垃圾(MSW)為研究對象，現(xiàn)場開挖取樣、手工分選確定垃圾組分，采用穩(wěn)態(tài)平板法測定不同孔隙率、不同含水率的垃圾導(dǎo)熱系數(shù)，給出了垃圾導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法。

2 試驗(yàn)原理及方案

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)測定方法

本試驗(yàn)采用DRCD-3030型智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量垃圾導(dǎo)熱系數(shù)，其工作原理是建立在一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱基礎(chǔ)上，將被測試件垂直放置在兩個(gè)相互平行具有恒定溫度的平板中，在穩(wěn)定狀態(tài)下，試件中心測量部分具有恒定熱流，通過測定穩(wěn)定狀態(tài)下流過計(jì)量單元的一維恒定熱流量Q 計(jì)算試件熱阻R，根據(jù)試件厚度可準(zhǔn)確計(jì)算試件材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

當(dāng)穩(wěn)態(tài)測試法用于測定含濕多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，在溫度梯度下產(chǎn)生的水分遷移，會對測試結(jié)果造成一定的影響。為了減小測試誤差，采取了兩種措施：①增大試樣橫向尺寸與厚度的比值。研究表明，當(dāng)試樣的橫向尺寸為厚度的6倍以上時(shí)，試樣的兩側(cè)散熱對試樣中心溫度的影響已在工程允許的誤差范圍之內(nèi)；同時(shí)試樣越薄，低含水率多孔介質(zhì)在溫度梯度下的水分遷移對測試結(jié)果的影響越小。②試樣的上、下底采用單層PE塑料薄膜（厚度0.1 mm）封裝，可以防止溫度梯度下的水分散失。

試驗(yàn)中設(shè)定熱板溫度為35℃，冷板溫度為15 ℃，防護(hù)溫度為35 ℃。為方便測量并確保測量精度，設(shè)計(jì)方形試模用以封裝垃圾。試模尺寸為30 cm×30 cm×3 cm，采用0.3 cm厚有機(jī)玻璃板制作，上、下底采用單層PE塑料薄膜（厚度0.1 mm）封裝，防止水分散失。根據(jù)傳熱導(dǎo)理論[15]，試樣導(dǎo)熱系數(shù)為垃圾與塑料薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的串聯(lián)疊加，可按下式計(jì)算：

式中：λ為試樣導(dǎo)熱系數(shù)；λPE為PE塑料薄膜導(dǎo)熱系數(shù)，取0.04 W/(m·℃)；λMSW為垃圾導(dǎo)熱系數(shù)；tPE和 tMSW為薄膜和垃圾層厚度，分別取0.2 mm和30 mm。根據(jù)式（1）可知，垃圾導(dǎo)熱系數(shù)越小，塑料薄膜的影響越大，本文實(shí)測垃圾試樣導(dǎo)熱系數(shù)λ最小值為0.053 W/(m·℃)，代入式（1）可計(jì)算出塑料薄膜對垃圾導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果的影響為0.16%，因此，可忽略塑料薄膜的影響，文中認(rèn)為試樣導(dǎo)熱系數(shù)即是垃圾導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 取樣與分選

試樣選自浙江省臺州市黃巖區(qū)盧岙里垃圾填埋場，以填埋齡期為1～2 a的填埋單元為采樣區(qū)域，隨機(jī)選擇5個(gè)開挖點(diǎn)，開挖深度為1.0～3.0 m，每個(gè)開挖點(diǎn)取樣100 kg，共計(jì)選取500 kg垃圾試樣，抽樣實(shí)測垃圾含水率為25%。

垃圾試樣經(jīng)室外攤鋪防曬后進(jìn)行手工分選，混合填埋垃圾分類為土石、塑料、玻璃、布、陶瓷、木頭、金屬、泡沫、骨頭等9大類[16]。分選后取不同組分稱重，烘干法測定風(fēng)干垃圾含水率，以計(jì)算不同組分的干基含量，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

根據(jù)各組分體積分?jǐn)?shù)和相對密度，可按下式計(jì)算出干垃圾的相對密度：

式中：dsi為垃圾中各組分的相對密度，θi為垃圾中各組分的體積分?jǐn)?shù)，經(jīng)計(jì)算得Gs=2.11。

2.3 試樣制作與試驗(yàn)方案

取足量垃圾各組分，采用四分法分堆，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱量相應(yīng)組分干拌。按試驗(yàn)方案含水率灑水，機(jī)械攪拌均勻后裝入塑料袋封裝備用。

表1 試樣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及相對密度Table 1 Mass fraction and relative density of the sample components

在溫度變化不大的條件下，影響土壤導(dǎo)熱系數(shù)的因素可以歸結(jié)為土顆粒、水分和空氣間的比例關(guān)系[17]。鑒于試驗(yàn)條件和工程應(yīng)用，本文取孔隙率和含水率表征垃圾導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素。我國城市生活垃圾填埋場的實(shí)測垃圾孔隙率多在66.7%～80%之間，實(shí)測垃圾含水率多在25%～55%之間[18－21]。因此，本試驗(yàn)參數(shù)選取如下：孔隙率取66.7%～77.8%，含水率取0～50%，進(jìn)行正交試驗(yàn)研究導(dǎo)熱系數(shù)和影響因素之間的關(guān)系，每組3個(gè)試件、共44組132個(gè)試件。測試結(jié)果如表2所示。

表2 垃圾導(dǎo)熱系數(shù)的測試結(jié)果Table 2 Test results of thermal conductivity coefficient of MSW

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 孔隙率對干垃圾導(dǎo)熱系數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制干垃圾導(dǎo)熱與孔隙率關(guān)系圖如圖1。圖中，數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)為不同孔隙率垃圾的3個(gè)試件測試結(jié)果平均值。試驗(yàn)中，孔隙率分別取77.8%、75.0%、71.4%和66.7%。

圖1 干垃圾(ω=0)導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率關(guān)系曲線Fig.1 Curve of thermal conductivity coefficient and porosity in dry MSW

由圖1可知，干垃圾的導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增大而逐漸減小。本試驗(yàn)的干垃圾體積主要由土石、塑料、空氣3部分構(gòu)成，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[12，15，17]，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0 ℃，1個(gè)大氣壓）下三者的導(dǎo)熱系數(shù)分別取2.00、0.20、0.02 W/(m·℃)，實(shí)測干垃圾導(dǎo)熱系數(shù)在0.053～0.071 W/(m·℃)之間，孔隙率越大，空氣體積含量越高，干垃圾的導(dǎo)熱系數(shù)越小。

3.2 含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖2分別為n=77.8%、75.0%、71.4%和66.78%4種孔隙率下垃圾導(dǎo)熱系數(shù)（取3個(gè)試件測試結(jié)果的平均值）與含水率的關(guān)系。

圖2 垃圾導(dǎo)熱系數(shù)與含水率關(guān)系Fig.2 Variations of thermal conductivity coefficient with water content of MSW

由圖可知，垃圾導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增大而增大。水的導(dǎo)熱系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣導(dǎo)熱系數(shù)的30倍，加上水分在土體顆粒與氣體的接觸面上可形成水膜，減小接觸熱阻，導(dǎo)致當(dāng)松散土體孔隙中的氣體被水分代替后，整體的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大。

4 垃圾導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法

4.1 干垃圾導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式

混合物導(dǎo)熱系數(shù)的基本計(jì)算原理：由不同組分組成的混合物，各組分在空間上可以同時(shí)占有同一個(gè)域，且各組分都在該區(qū)域內(nèi)遵守統(tǒng)一的守恒方程，混合物的性質(zhì)則由各組分按體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均得到。根據(jù)各組分純物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)貢獻(xiàn)形式不同，主要有3種評價(jià)方法[15]：

（1）體積加權(quán)平均模型（串聯(lián)模型）：

（2）體積加權(quán)平均模型（并聯(lián)模型）：

（3）幾何加權(quán)平均模型：

式中：λe為混合物有效導(dǎo)熱系數(shù)；θi和λi為第i種物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。

考慮干垃圾3種主要組分（土石、塑料、空氣）的影響，把式（3）～（5）模型的預(yù)測結(jié)果和實(shí)測結(jié)果繪制在一起，如圖3所示。

圖3 3種模型預(yù)測結(jié)果的對比Fig.3 Comparison of predicted results from three models in literature[15]

由圖可見，與實(shí)測結(jié)果相比，體積加權(quán)平均模型（串聯(lián)模型）和體積加權(quán)平均模型（并聯(lián)模型）的預(yù)測結(jié)果偏差極大；幾何加權(quán)平均模型預(yù)測結(jié)果的精度較高，但在孔隙率較大或較小時(shí)，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果偏差較大，分別為13.7%和17.0%。

為了進(jìn)一步提高模擬精度，本文在幾何加權(quán)平均模型的基礎(chǔ)上引入α、β、γ 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，反映垃圾結(jié)構(gòu)和孔隙分布形式等復(fù)雜因素對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，給出修正的幾何加權(quán)平均模型為

式中：λdry為干垃圾導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·℃)）；n為孔隙率；λs、λp、λg分別為土石、塑料、空氣導(dǎo)熱系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下分別為2.0、0.2、0.02；θs、θp為垃圾中土石和塑料的體積分?jǐn)?shù)；α、β、γ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

采用式（6）擬合本文的試驗(yàn)結(jié)果，擬合結(jié)果見圖4，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值α=0.95，β=1.99，γ=0.81，相關(guān)系數(shù)R2=0.999。

圖4 本文模型與其他模型預(yù)測結(jié)果對比Fig.4 Comparison of the results between proposed and other models

由圖可知，現(xiàn)有的體積加權(quán)平均模型（并聯(lián)模型）和幾何加權(quán)平均模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有較大偏差。

4.2 非飽和垃圾導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式

根據(jù)表2，4種不同孔隙率的垃圾導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測值與含水率的關(guān)系如圖2所示。由圖可知：4種不同孔隙率的垃圾導(dǎo)熱系數(shù)都隨含水率的增加而增大，且基本服從線性關(guān)系；當(dāng)含水率相等時(shí)，孔隙率越小，垃圾的導(dǎo)熱系數(shù)越大。

因此，為了計(jì)算方便，本文采用以下線性方程擬合非飽和垃圾導(dǎo)熱系數(shù)和含水率的關(guān)系：

式中：λω為非飽和垃圾導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·℃)）；a、b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，考慮孔隙率對垃圾導(dǎo)熱系數(shù)的影響；ω為含水率（%）。

根據(jù)回歸分析結(jié)果，a=3.5×10-5、b=5.1×10-3，相關(guān)系數(shù)R2=0.997。擬合曲線如圖5所示，當(dāng)含水率ω=0時(shí)，圖中截距就是干垃圾的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖5 非飽和垃圾導(dǎo)熱系數(shù)與含水率擬合曲線Fig.5 Curves of thermal conductivity coefficient vs.water content of unsaturated MSW

5 結(jié)論

（1）盧岙里填埋場垃圾塑料類組分含量高，孔隙率大，實(shí)測干垃圾導(dǎo)熱系數(shù)在0.053～0.071 W/(m·℃)之間，僅為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣導(dǎo)熱系數(shù)的2.5～3.5倍；隨著孔隙率的增大，干垃圾導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小。

（2）非飽和垃圾導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增加而增大，基本呈線性關(guān)系；當(dāng)含水率相等時(shí)，孔隙率越小，垃圾的導(dǎo)熱系數(shù)越大；

（3）實(shí)測結(jié)果相比，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的體積加權(quán)平均模型（串聯(lián)模型）和體積加權(quán)平均模型（并聯(lián)模型）的預(yù)測結(jié)果偏差極大；在孔隙率較大或較小時(shí)，幾何加權(quán)平均模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果偏差較大，分別為13.7%和17.0%；

（4）根據(jù)修正幾何加權(quán)模型建立的垃圾導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，可較好地模擬垃圾導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果；經(jīng)擬合分析，模型參數(shù)可取α=0.95，β=1.99，γ=0.81，a=3.5×10-5、b=5.1×10-3。

由于試驗(yàn)方法術(shù)的限制，本文未測定高含水率、低孔隙比條件下垃圾的導(dǎo)熱系數(shù)，今后需繼續(xù)開展高含水率、不同填埋齡期、不同組分垃圾導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)研究，進(jìn)一步科學(xué)確定模型參數(shù)，完善垃圾導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法。

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