生活垃圾焚燒廠沼氣處理方案的比較分析

李 軍，陳 竹，王占磊

（南通天藍環(huán)保能源成套設(shè)備有限公司，江蘇 南通 226600）

生活垃圾焚燒廠沼氣處理方案的比較分析

李 軍，陳 竹，王占磊

（南通天藍環(huán)保能源成套設(shè)備有限公司，江蘇 南通 226600）

簡述了我國垃圾焚燒廠滲瀝液處理過程中產(chǎn)生的沼氣現(xiàn)有3種處理技術(shù)方案，即經(jīng)沼氣燃燒器回焚燒爐燃燒、排放至垃圾坑經(jīng)一次風(fēng)機回焚燒爐燃燒和利用沼氣發(fā)電燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組處理。并對各種方案的建設(shè)、安裝、運營費用進行了對比分析。結(jié)果表明，在現(xiàn)有的條件下，沼氣通過沼氣燃燒器回爐焚燒是最有效的處理方式。

生活垃圾；焚燒；沼氣；經(jīng)濟性

1 背景概述

生活垃圾焚燒廠沼氣在焚燒廠滲瀝液處理系統(tǒng)厭氧過程中產(chǎn)生。沼氣主要由CH4、CO2組成，還包括一些微量成分，其危害主要是加劇溫室效應(yīng)、發(fā)生爆炸和火災(zāi)等，從而威脅處理廠及其周圍人民生命財產(chǎn)的安全［1］。

沼氣各成分體積分數(shù)為CH4約45%、CO2約40%、N2約10%、H2S＜0．5%；供氣壓力為30 000～40 000 Pa；低位熱值約 18 MJ/m3。CH4具有很高的熱值，通常其低位熱值為17．0～23．9 MJ/m3［2-3］，其凈化處理后是一種較理想的氣體燃料。

本工程焚燒廠生活垃圾處理規(guī)模為2 000 t/d，考慮到生活垃圾特性的不穩(wěn)定性及應(yīng)對季節(jié)性突發(fā)情況，設(shè)定滲瀝液處理系統(tǒng)的處理規(guī)模為650 m3/d，滲瀝液處理系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣量為23 184 m3/d（966 m3/h），沼氣送入除濕裝置，除去沼氣中的水分，之后進入脫硫過濾裝置，過濾出沼氣中的顆粒雜質(zhì)。清潔沼氣通過壓縮機送入高壓沼氣儲罐，沼氣儲罐的容積為200 m3，壓力約0．6 MPa，可儲存1 000 m3的常壓沼氣。

2 3種沼氣處理方案

2.1 經(jīng)沼氣燃燒器回焚燒爐燃燒

該處理法是將滲瀝液厭氧處理過程中產(chǎn)生的沼氣經(jīng)沼氣燃燒器送入焚燒爐進行燃燒，它的能量作為額外的能量進入整個系統(tǒng)，以實現(xiàn)對資源的回收利用。沼氣直接送入焚燒爐位置有2個選擇，從干燥段/燃燒段落差段送入，或從輔助燃燒器附近送入，見圖1。

沼氣燃燒器處理的最大沼氣流量是230 m3/h。由于沼氣總量為966 m3/h，同時考慮到停爐檢修時，垃圾產(chǎn)生的沼氣必須得到有效的焚燒處理，因此采用每爐2臺的配置，3爐共配置6臺沼氣燃燒器。

沼氣噴入焚燒爐內(nèi)，與垃圾一起燃燒，增加鍋爐的蒸發(fā)量，相應(yīng)增加汽機的輸出，全廠熱效率按21．5%計算。由于沼氣低位熱值約為18 MJ/m3，則沼氣入爐燃燒的熱效率為18×966/3．6×21．5%=1 039 kW。扣除自用電率10%，沼氣上網(wǎng)發(fā)電量每小時約為935 kW·h，年上網(wǎng)發(fā)電量為748萬kW·h（每年工作8 000 h）?？紤]上網(wǎng)電價為0．5元，每年可以增加收入374萬元，25 a特許經(jīng)營期共計9 350萬元。

2.2 排放至垃圾坑經(jīng)一次風(fēng)機回焚燒爐燃燒

滲瀝液收集間設(shè)置通風(fēng)裝置將滲瀝液處理過程中產(chǎn)生的沼氣等有害氣體排至垃圾貯坑，垃圾坑內(nèi)保持負壓，經(jīng)一次風(fēng)機抽取后通過爐排下部送入焚燒爐燃燒。理論上，沼氣被送入焚燒爐后，經(jīng)焚燒會釋放自身所有的熱量。熱效率、年發(fā)電量等與經(jīng)沼氣燃燒器回焚燒爐混燒相同。25 a特許經(jīng)營期可增加收入9 350萬元。

垃圾坑中的生活垃圾也會產(chǎn)生沼氣。CH4與O2完全反應(yīng)：CH4+2O2=CO2+2H2O，1 L CH4燃燒需2 L O2，由于空氣中氧氣含量為21%，即1 L CH4燃燒需空氣9.5 L。因此甲烷占混合氣體的體積分數(shù)為 1/（1+9.5） =9.5%，當甲烷在空氣中體積分數(shù)達到9.5%時，會發(fā)生最強烈的爆炸。由于生活垃圾中有機物含量較高，集中堆放容易形成厭氧環(huán)境，致使垃圾產(chǎn)生的沼氣不斷積累，且不斷向外釋放，一旦其中的CH4在空氣中的含量達到其爆炸極限（有氧條件下，CH4爆炸極限為5%～15%）或遇到明火就極易引起爆炸。

圖1 沼氣回路燃燒工藝示意

國內(nèi)正在運營的垃圾發(fā)電廠中，只有太倉協(xié)鑫生活垃圾發(fā)電廠的沼氣直接回送至垃圾坑。據(jù)焚燒廠人員介紹，滲瀝液厭氧產(chǎn)生的沼氣采用非連續(xù)方式經(jīng)Ф200 mm管道抽送至垃圾坑。由于滲瀝液系統(tǒng)輸送至垃圾坑的沼氣量遠小于垃圾坑自身產(chǎn)生的沼氣量，并且遠小于一次風(fēng)量（50 000 m3/h），因此焚燒廠并沒有針對滲瀝液系統(tǒng)輸送至垃圾坑的沼氣采取特別的防護措施，平時一般也不對沼氣濃度進行監(jiān)測，只有在人員進入垃圾坑時才采用移動檢測設(shè)備對沼氣含量進行檢測。

2.3 利用沼氣發(fā)電燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組

燃氣內(nèi)燃機適用于沼氣產(chǎn)生量較小的場所，以沼氣為燃料，帶動內(nèi)燃機和發(fā)電機發(fā)電。根據(jù)國內(nèi)已實施沼氣發(fā)電廠的運行經(jīng)驗，根據(jù)沼氣產(chǎn)氣量計算得到，本項目采用單臺發(fā)電功率1 000 kW燃氣內(nèi)燃機組，由于總發(fā)電功率為1 594 kW，因此共需2臺。由此選擇了2種進口機組的發(fā)動機型號，分別是卡特彼勒G3516 LE和GE顏巴赫J320 GS。

根據(jù)國內(nèi)外機組實際情況，燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組熱效率按33%計算，沼氣低位熱值約18 MJ/m3，則燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組熱效率為18×966/3.6×33%=1 594 kW。扣除預(yù)估自用電率15%，沼氣上網(wǎng)發(fā)電量每小時約為1 355 kW·h，年上網(wǎng)發(fā)電量為1 084萬kW·h。每年可以增加收入542萬元，25 a特許經(jīng)營期共計13 548萬元。

3 經(jīng)濟性比較

3.1 方案的主要費用對比

3種方案的主要費用對比如表1所示。

3.2 方案總成本對比分析

表2為3種方案的費用、收入和利潤?？梢钥闯觯桨?的費用最小、利潤最大，方案1次之，方案3最差。

表2 3種方案的利潤 萬元

4 結(jié)論

方案1沼氣經(jīng)沼氣燃燒器回爐燃燒一方面可增加收入，減少財政補貼，另一方面也節(jié)約了燃料。方案2沼氣抽送至垃圾坑雖然經(jīng)濟性最好，但安全性得不到保障。在垃圾焚燒廠的垃圾坑內(nèi)，垃圾在厭氧條件下已經(jīng)產(chǎn)生了大量沼氣，如果繼續(xù)通入沼氣，沼氣濃度將繼續(xù)增加，嚴重增加了爆炸事故的可能性，導(dǎo)致嚴重后果，因此沼氣回垃圾坑的方式存在安全隱患。方案3沼氣內(nèi)燃機初期設(shè)備費用以及維護管理費高，且沼氣進發(fā)電機前必須經(jīng)過預(yù)處理；由于發(fā)電機出口電壓為400 V，上網(wǎng)發(fā)電需要增加升壓裝置，并派專人維護；同時內(nèi)燃機噪聲較大。

通過以上的綜合分析，生活垃圾焚燒廠滲瀝液處理過程中產(chǎn)生的沼氣，采用經(jīng)沼氣燃燒器回爐燃燒的方案較佳。

［1］孫向軍，龍吉生，岳優(yōu)敏，等．滿足EU2000/76/EC標準的垃圾焚燒廠煙氣處理工藝探討［J］．環(huán)境衛(wèi)生工程，2007，15（5）：1-3．

［2］李瑞成．簡易生活垃圾填埋場污染的控制［J］．環(huán)境工程，2010，28（6）：59-62．

［3］張益，趙由才．城市生活垃圾焚燒技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000．

Comparison of Methane Treatment Plans in Domestic Waste Incineration Plants

Li Jun,Chen Zhu,Wang Zhanlei
（Nantong Tianlan Environmental Protection&Energy Equipment Co．,Ltd,Natong Jiangsu 226600）

Three kinds of treatment plans for methane generated from leachate treatment in waste incineration plants in China were sketched,including back to furnace through methane burner,transporting to furnace through waste pit and primary fan,and generating electricity by methane internal combustion engine．Costs of construction,installation,operation of the three plans were compared．The results showed that methane back to furnace through methane burner is the best choice at present．

domestic waste；incineration；methane；economy

X701

B

1005-8206（2011）04-0010-03

2011-03-29

李軍（1979—），工程師，主要從事生活垃圾焚燒項目主設(shè)備的設(shè)計。

E-mail：lljjjjj@126．com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）