填埋氣再生能源發(fā)電有關(guān)技術(shù)

王曉彪　肖信昌

摘要：在生活中會出現(xiàn)生活垃圾，在很短時間內(nèi)超過自然界平衡處理能力，大量不能處理掉的垃圾會給社會造成公害。文章以填埋氣發(fā)電廠運行經(jīng)驗為基礎(chǔ)，介紹了填埋氣收集、開口率計算，以延長氣井使用壽命措施，推進生物質(zhì)再生能源發(fā)展及廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：再生能源；填埋氣收集；開口率；容量；電壓；發(fā)電技術(shù) 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：X705 文章編號：1009-2374（2016）23-0082-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.039

城鎮(zhèn)化人口高度不斷集中，必然會出現(xiàn)大量生活垃圾的累積，在很短時間內(nèi)超過自然界平衡處理能力，大量不能處理掉的垃圾會給社會造成公害。填埋氣（CH4）發(fā)電廠直接利用垃圾填埋場每年每噸產(chǎn)生80m3填埋氣，通過燃氣內(nèi)燃機燃燒發(fā)電。目前中國城市生活垃圾量超過1億噸以上，80%以上采用填埋方式處理，年填埋氣將超過84億m3，可見中國是生活垃圾再生能源填埋氣大國。填埋氣（CH4）還是可燃易爆物質(zhì)，安全隱患很大，國內(nèi)曾有明顯事故案件，可見此垃圾能源不采用太可惜。20世紀70年代發(fā)達國家開始研究利用生活垃圾再生能源——為人類造福，21世紀初利用垃圾資源建成垃圾焚燒發(fā)電廠及填埋氣（CH4）發(fā)電廠，并初見成效。但是還應(yīng)研究相關(guān)技術(shù)問題，才能發(fā)揮最佳工作狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范及經(jīng)驗，探討如下，僅供此方面有關(guān)人員參考借鑒。

1 沼氣（CH4）發(fā)電廠填埋氣體收集技術(shù)探討

根據(jù)生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范，結(jié)合長春市三道垃圾場新建環(huán)保生態(tài)公園概況，長春市填埋氣發(fā)電廠生產(chǎn)經(jīng)驗，綜合分析探討如下：

1.1 填埋氣（CH4）隱蔽工程三大系統(tǒng)

填埋氣收集輸氣系統(tǒng)；導(dǎo)排滲濾液系統(tǒng)；壓縮空氣系統(tǒng)。上述三大系統(tǒng)任何一處某元件管道、孔、閥門中存在腐蝕物、臟物、水、泥砂土，沉淀物都會填塞或滲漏，影響導(dǎo)排水份，收集輸送氣體質(zhì)量、數(shù)量。施工后，應(yīng)按設(shè)計圖紙進行氣流、水流通過逐個氣井、氣泵、閥門導(dǎo)通調(diào)試，按驗收規(guī)范驗收合格，否則會出現(xiàn)“有井無氣”“有氣無井”或系統(tǒng)使用壽命15年縮短為4年。

1.2 集氣導(dǎo)液豎井開口率

1.2.1 集氣導(dǎo)液豎井概述。集氣導(dǎo)液井采用聚乙烯管材，井內(nèi)管材四周應(yīng)開口變成多孔花管，按要求保證多孔花管強度情況下，開孔率不應(yīng)小于2%，詳見圖1某工程集氣導(dǎo)液豎井示意圖。一般情況多孔花管只承受自身壓力及均勻握力，在井內(nèi)沒有扭力，彎曲力、上拔拉力只有改造豎井時才會產(chǎn)生。建議開口率大于6%時最好進行拉力試驗。在不被拉裂、斷情況下，試驗最大允許開口率。因為開口率多少直接關(guān)系到收集填埋氣氣量多少、使用年限、氣井的壽命。

1.2.2 集氣導(dǎo)液豎井開口率計算。某垃圾場設(shè)計集氣井開口多孔花管如圖1繞管打孔4-φ10；開口具體位置布置如圖2豎井橫斷面圖、圖3花管開孔展開示意圖。

從圖2可知在1、4、7、10位置開口φ10孔，從圖3可知，管壁四周開口位置，可計算開口率。

圖2 豎井橫斷面圖 圖3 花管開孔展開示意圖

第一，按周長、縱向二孔計算開口率。

φ200管周長為X=2πr=2·3.14·100=628mm。

當(dāng)縱間孔距為50mm，管壁面積為S1=a·b=628·（50+10）=37680mm2。

開孔面積為S2=8πr2=8·3.14·25=628mm2。

開口率為=S2/S1=628/37680=0.016，1.6%<2%（規(guī)范要求）。

第二，按相鄰四孔計算開口率。

如圖3周長1、4處，按4孔計算長方形面積（縱向間孔距為50mm）：

S1=628/4×50=157×50=7850mm2，開口面積正好相當(dāng)于一個開孔。

S2=πr2=3.14×52=78.5mm2，開口率r=S1/S2=0.01，1%<2%，集氣效果很差。

如果滿足開口率2%要求，建議在長方形面積中間加一孔，則開口率正好2%。孔距誤差[+0，-3]，否則開口率不夠。

第三，按橫、縱向孔排列計算開口率。

如果橫、縱向四個開口孔距均為60mm時（相當(dāng)橫、縱布7個孔，共49孔的面積）。φ10孔，孔距為10×5+10=60mm。

49孔面積：S1=60×60=3600mm2，一個開孔面積：S2=πr2=3.14×25=78.5mm2。

中間加一個孔，孔距誤差±2集氣效果最佳。

建議設(shè)計時開孔率應(yīng)大于2%。限制開孔率不應(yīng)大于5%，設(shè)計φ10孔，孔距為60mm，具體孔位均勻分布由施工單位決定，便利施工。

注：如果φ15孔時，孔距為15×5+15=90mm。

如果φ20孔時，孔距為20×5+20=120mm，開口率為2.2%>2%。

開孔直徑不能>φ20，太大的話泥土進入較多。

1.3 集氣導(dǎo)液豎井使用壽命的探索

1.3.1 花管開口Φ10，根據(jù)運行氣井經(jīng)驗，每年滲濾液及氣體腐蝕沉淀物能將孔壁貼附物約1mm厚，大孔變小孔，運行4年Ф10孔堵死，豎井變死井，此井壽命一般為3年，

垃圾場填埋氣能維持15年以上，使用壽命不能滿足要求。

1.3.2 集氣導(dǎo)液井設(shè)計導(dǎo)排滲濾液支管Ф50，根據(jù)導(dǎo)排滲濾液經(jīng)驗，一般約6個月導(dǎo)排滲濾液過程中腐蝕沉淀物相當(dāng)10mm厚，很堅硬。Ф50管變Ф30管，導(dǎo)排不到1.5年，Ф50管堵死，不能導(dǎo)排氣井中滲濾液，此集氣井變死井，使用壽命一般為1.5年。井內(nèi)導(dǎo)排管檢修容易，埋入地下封場導(dǎo)排管很難檢修。

1.3.3 集氣導(dǎo)液井頂部以下2.5m處連接三個方向水平集氣花管，為了增加產(chǎn)氣量，垃圾場產(chǎn)氣量一般在深處-2.3～-30m處，由于水平集氣孔花管周圍砂土較多，無碎石過濾，泥砂會從水平集氣管進入集氣井內(nèi)，將堵死井內(nèi)氣泵，使氣管縮短，影響氣泵正常工作，使集氣井壽命縮短。同時集氣井周圍垃圾土層下沉?xí)纬梢粋€地下空間，氣管會增加彎曲力影響強度，又很難上拔該氣管更新改造。

1.4 延長氣井使用壽命的措施

1.4.1 集氣導(dǎo)液井三個方向水平集氣孔花管取消，最好采用縮短氣井與氣井之間水平距離由原來50m改為35～40m，密集氣井增加產(chǎn)氣量，不會堵死氣泵，氣井花管不會變短，不會因下沉而形成一個空間，避免了氣井受彎曲力。

1.4.2 開口率始終保持≥2%時，設(shè)計時開口率應(yīng)按5%考慮。當(dāng)使用年限較長時，開口率變小，但還能大于2%，有利于集氣。

1.4.3 花管開口φ10孔應(yīng)改φ15～20孔比較好，考慮逐年腐蝕沉淀物作用，大孔變小孔。孔距按φ15～20計算，φ15孔，孔距為90mm，4孔中間增加一個孔，開口率為4.4%，擴大孔徑，可以延長氣井使用壽命，φ10孔壽命為3年，φ15孔壽命可延長7年，φ20孔壽命一般約9年。施工時敷設(shè)集氣多孔花管時，絕對不準許向垃圾內(nèi)打壓安裝花管，否則會堵死氣孔，必須先鉆井深度到位，才敷設(shè)垂直花管。

1.4.4 集氣導(dǎo)液井的導(dǎo)排滲濾液支管由Ф50改Ф120以上，變粗，考慮腐蝕沉淀物變細影響。當(dāng)氣井在低處，導(dǎo)排主管在高處，應(yīng)進行試驗氣泵能否將液體從低處推向高處或中間加泵導(dǎo)排，安裝逆止閥考慮更換，有利于疏通管道。

1.4.5 當(dāng)集氣導(dǎo)液井使用5～8年時，發(fā)現(xiàn)此井填埋氣良好，但集氣困難，可能集氣導(dǎo)液井變“死井”，此時對此井進行更換改造，在井內(nèi)敷設(shè)Ф160或Ф120多孔花管，將原來的Ф200管拔出，此井還可以延長使用壽命，一般15年以上，氣泵可改氣管導(dǎo)排滲濾夜（設(shè)計應(yīng)考慮輸氣支管及氣井的密封面更換）。

2 填埋氣發(fā)電機組容量、出口電壓選擇

2.1 發(fā)電機組容量估算

2.1.1 按氣井?dāng)?shù)量或垃圾面積估算發(fā)電機組容量。填埋氣的數(shù)量及濃度與垃圾深度、質(zhì)量、積疊時間長短、氣候（溫度）、封場質(zhì)量、燃氣收集輸送、導(dǎo)排滲濾液等有關(guān)，與設(shè)計、施工、檢修、運行維護質(zhì)量有直接關(guān)系，是變數(shù)，逐年減少。

根據(jù)長春市填埋氣發(fā)電廠運行經(jīng)驗，按一次約建60公頃面積垃圾場，垃圾平均深度約17m，一般約7年封場。采用Ф160氣井花管，沼氣（CH4）濃度≥50%時，一般情況30～34口氣井，產(chǎn)氣量能滿足容量為1000kW發(fā)電機組一臺燃氣內(nèi)燃機用的沼氣量。根據(jù)氣井?dāng)?shù)量選擇發(fā)電機組容量。

1公頃垃圾平均深度約17m時，設(shè)計約4口氣井，估算1公頃垃圾產(chǎn)氣量能生產(chǎn)80～120kW電量。根據(jù)垃圾場面積，選擇發(fā)電機組容量。

2.1.2 按垃圾數(shù)量估算發(fā)電機容量。根據(jù)長春市三道填埋氣發(fā)電廠一臺1000kW發(fā)電機組一年可消耗508萬m3填埋氣計算，填埋氣的發(fā)電效率約為799/508=1.57kWh/m3，基本接近標(biāo)準發(fā)電效率1.68～2kWh/m3。

如果每噸垃圾年產(chǎn)生80m3填埋氣（最佳理想產(chǎn)氣量），因影響產(chǎn)氣量因素很多是變數(shù)，實際產(chǎn)氣量比80m3少很多。根據(jù)長春市三道垃圾場按日產(chǎn)垃圾約1000噸，一年垃圾為36.5萬噸，每年產(chǎn)氣量約為36.5×80=2920萬m3，根據(jù)各地垃圾場規(guī)范程度，垃圾質(zhì)量等因素，經(jīng)驗估算保守質(zhì)量系數(shù)取0.3～0.6為宜，實際產(chǎn)氣量約為2920×0.4=1168萬m3，裝機容量為1168/500≈2.4臺，按1000kW發(fā)電機組可選2臺機組。

一般年約18萬噸垃圾能安裝一臺1000kW發(fā)電機組。為了防止盲目投資，造成浪費，保守點無害處。垃圾積累三年以后，七年之前，產(chǎn)氣量最佳。8～15（20）年之間產(chǎn)氣量下降很多，只能維持原發(fā)電機組容量的1/3～2/4發(fā)電量。裝機容量與城市人口關(guān)系詳見表1。一般垃圾堆積三年以后應(yīng)建吃掉沼氣（CH4）發(fā)電廠。

如考慮垃圾積累時間影響，應(yīng)加時間經(jīng)驗修正系數(shù)，詳見表2：

20年以上為0.08（無開采價值），長春市三道垃圾存放時間從2003～2014年已10年以上，取產(chǎn)氣時間修正系數(shù)為0.2為宜。此時垃圾總量為375萬噸，考慮垃圾質(zhì)量系數(shù)為0.4，則每噸年產(chǎn)氣量由80m3變?yōu)?0×0.4×0.2=6.4m3，總氣量375×6.4=2400萬m3，可選1000kW發(fā)電機組，為2400/500=4.8臺，保守可選3臺機組。因填埋氣產(chǎn)量是變數(shù)，影響因素很多，只能參考經(jīng)驗估算。

2.2 填埋氣發(fā)電廠同期并列點與電廠并網(wǎng)點電壓的選擇

2.2.1 電廠同期并列點一般選擇發(fā)電機組出口斷路器，此處裝有相位檢測自動同期并列裝置。發(fā)電機組出口電壓一般為0.4kV或10kV。

2.2.2 電廠并網(wǎng)點是電廠與電網(wǎng)的連接點，一般是電廠升壓變電站的出口斷路器，此處不裝相位檢測自動同期并網(wǎng)裝置，而裝有方向保護。電壓一般高于發(fā)電機組出口電壓一個檔次。發(fā)電機組經(jīng)升壓變壓器與電網(wǎng)連接有二點優(yōu)點，因并網(wǎng)線路一般在野外，事故機會較多，一旦事故發(fā)生，對發(fā)電機組沖擊電流減少，有利于發(fā)電機組熱、動穩(wěn)定，降低損壞設(shè)備。發(fā)電機組事故對電網(wǎng)沖擊降低，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

3 結(jié)語

希望有關(guān)部門加快研制國產(chǎn)化設(shè)備，將填埋氣（沼氣）發(fā)電廠由燃氣發(fā)電機組、填埋氣預(yù)處理、箱變?nèi)齻€模塊（箱體）組成。統(tǒng)一由制造廠制造（包檢修調(diào)試）。運到現(xiàn)場用吊車穩(wěn)在設(shè)備基礎(chǔ)上，用電纜及管道連接組裝。一般15年以后可移動到新的垃圾場上發(fā)電，增長設(shè)備使用年限，起到增效作用。每處填埋氣發(fā)電廠的容量有限（累計起來可觀），為了減少投資，與調(diào)度聯(lián)系應(yīng)改為電信局通訊。填埋氣發(fā)電有利于消除當(dāng)?shù)匕踩[患，有利于降低中國的年碳排放量、改善全球氣候變化，會有力地推動環(huán)保、安保、節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

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作者簡介：王曉彪，長春供電公司電力工程高級工程師；肖信昌，長春供電公司電力工程高級工程師，吉林省世捷再生能源有限公司顧問。

（責(zé)任編輯：王 波）