垃圾填埋氣體發(fā)電技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

王候閩

（泉州市環(huán)境衛(wèi)生管理處， 福建 泉州 362000）

引言

垃圾填埋是我國(guó)城市解決生活垃圾的主要方法之一，室仔前生活垃圾填場(chǎng)是福建省第一座采用HDPE 膜防滲技術(shù)的無害化生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)，于2001 年11 月建成投用，是典型的山谷型填埋場(chǎng)，占地面積約383 畝，總庫(kù)容量為390 萬m3，目前已填埋處理400 萬t 左右的城市生活垃圾，約占用庫(kù)容370 萬m3，其中最大的填埋深度達(dá)45 m。按照《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》（CJJ17—2004），填埋場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)的HDPE 膜覆蓋、雨污分流、調(diào)節(jié)池覆蓋，滲濾液處理系統(tǒng)、庫(kù)區(qū)排水處理系統(tǒng)和導(dǎo)排氣系統(tǒng)。

2015 年至2019 年期間，泉州室仔前生活垃圾填場(chǎng)每天平均處理中心城區(qū)的垃圾約1 400 t，填埋氣體的產(chǎn)生量很大，實(shí)施填埋氣體的成功回收和利用，不僅能解決填埋場(chǎng)的安全隱患，也能使垃圾得到資源綜合利用。填埋氣體發(fā)電屬于朝陽(yáng)行業(yè)，填埋場(chǎng)生物質(zhì)發(fā)電實(shí)現(xiàn)垃圾由單一的無害化處理向資源回收利用固廢資源的轉(zhuǎn)變，真正實(shí)現(xiàn)了變廢為寶。

1 填埋氣體

填埋氣體發(fā)電廠是以垃圾填埋場(chǎng)的填埋氣體為原料。填埋氣體產(chǎn)生于填埋場(chǎng)的垃圾填埋過程，是垃圾中可以生物降解的有機(jī)物在降解過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品。垃圾填埋氣體的主要成分是甲烷（CH4）占30%～55%，二氧化碳（CO2）占30%～45%。在垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)，有機(jī)物的降解可分為好氧與厭氣兩種過程，在垃圾填埋期間，初始數(shù)用氧氣耗盡，厭氧階段就開始，可持續(xù)長(zhǎng)達(dá)10～20 年。據(jù)資料記載，垃圾填埋場(chǎng)的1 t 垃圾全部發(fā)酵后，產(chǎn)生填埋氣體可達(dá)200～400 m3[1]。

2 項(xiàng)目概況

泉州市室仔前填埋場(chǎng)填埋氣體發(fā)電項(xiàng)目（圖1）于2017 年11 月實(shí)施公開競(jìng)價(jià)拍賣售氣，由河南百川暢銀環(huán)保能源股份有限公司以填埋氣5 年資源使用費(fèi)452 萬元獲得項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)營(yíng)權(quán)。項(xiàng)目全部由企業(yè)投資、建設(shè)、運(yùn)行，建設(shè)有導(dǎo)氣管的安裝、負(fù)壓收集系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)，電力并網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)填埋氣上網(wǎng)售電。填埋氣體項(xiàng)目于2017 年12 月動(dòng)工，建設(shè)四臺(tái)1 000 kW 的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，前期氣體收集系統(tǒng)中建設(shè)有填埋氣豎井74 口、PE 管道1 410 M，此項(xiàng)目經(jīng)福建省工業(yè)和信息化廳確認(rèn)并網(wǎng)運(yùn)行后，于2018 年11 月20 日正式并網(wǎng)售電，滿負(fù)荷三臺(tái)機(jī)組時(shí)日處理填埋氣4.2 萬m3左右，正常年發(fā)電量可達(dá)1 615 萬kWh[2]。

圖1 泉州市室仔前填埋場(chǎng)填埋氣體發(fā)電項(xiàng)目地理位置航拍圖

3 填埋氣體發(fā)電技術(shù)的系統(tǒng)方案

3.1 發(fā)電廠生產(chǎn)流程

垃圾填埋發(fā)電廠生產(chǎn)流程包括：填埋氣體收集系統(tǒng)、氣體的脫水及脫硫凈化系統(tǒng)、氣體發(fā)電系統(tǒng)和變送電系統(tǒng)四大部分。其中關(guān)鍵是填埋氣體收集系統(tǒng)和氣體處理技術(shù)[3]，見下頁(yè)圖2。

按泉州室仔前填填場(chǎng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)探索，填埋氣體收集系統(tǒng)采用3 種方式：豎井收集系統(tǒng)：垃圾在填埋場(chǎng)區(qū)內(nèi)分區(qū)填埋后，已經(jīng)完成表面的垃圾覆HDPE 膜，利用鉆機(jī)集中打井并設(shè)置收集管，再用支管將成組氣井聯(lián)結(jié)匯集到集氣總管；橫井收集系統(tǒng)：垃圾在分區(qū)填埋時(shí)，將收集氣管有規(guī)律地平放在垃圾填埋區(qū)內(nèi)，新垃圾將收集氣管埋在下層，分層設(shè)置支管并匯集到集氣總管；膜下淺挖采氣收集系統(tǒng)：在HDPE 膜下形成獨(dú)立、密閉的空間，填埋氣從垃圾堆體擴(kuò)散出來的填埋氣在膜下聚集，通過在膜下安裝填埋氣收集管道，將膜下氣體收集到集氣總管。因泉州市的降水量偏高，垃圾含水量多，滲濾液產(chǎn)生量較大，氨氮深度含量高，且垃圾填埋已具有一定深度，不利于甲烷的生成，實(shí)踐證明，該填埋場(chǎng)主要采用豎井收集系統(tǒng)為主，其他方式為輔，不僅有利于氣體收集、提高設(shè)備利用率，而且有利于垃圾滲濾液的抽取和排放。

垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的氣體處理技術(shù)，主要流程：借壓差流向特定的氣體收集井，將甲烷和二氧化碳及硫化氫等氣體輸送至集氣總管，送往氣體預(yù)處理裝置，利用三甘二醇和旋風(fēng)氣液分離進(jìn)行脫水和碳酸鉀凈化系統(tǒng)結(jié)合的方法，脫去水分、顆?；覊m和硫化氫，經(jīng)3 臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)抽氣及加壓輸送裝置，經(jīng)散熱器除濕降溫，經(jīng)濾器干燥過濾（見圖3），然后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)充分燃燒做功，將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，經(jīng)升壓、配電，并入電網(wǎng)售電，供生活和工業(yè)用電。

圖2 垃圾填埋發(fā)電廠生產(chǎn)流程圖

圖3 監(jiān)控平臺(tái)的氣體處理控制流程圖

3.2 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組系統(tǒng)包括填埋氣發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、聯(lián)軸器及控制柜等配套而成，實(shí)現(xiàn)燃燒、做功、產(chǎn)生電能、輸出的功能。發(fā)電機(jī)組原理：利用生活垃圾產(chǎn)生的沼氣（主要成分是甲烷）與一定比例的空氣壓入多個(gè)氣缸內(nèi)，燃燒后產(chǎn)生的熱力推動(dòng)帶有曲柄連桿機(jī)構(gòu)的火花塞往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，多個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將機(jī)械動(dòng)能傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)按照設(shè)定轉(zhuǎn)速通過聯(lián)軸器將動(dòng)能傳遞給同軸上的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割定子間產(chǎn)生的磁力線，從而輸出穩(wěn)定電能[4]。

3.2.1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組采用最先進(jìn)的空燃比控制系統(tǒng)、控制閥和混合器、電子調(diào)速器等高精確度的閉環(huán)電控式燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)（EGS），它的信息輸入系統(tǒng)是將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、尾氣中氧含量等信號(hào)傳遞給控制器，控制器進(jìn)行綜合處理后，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)最佳運(yùn)行的燃?xì)饬?，再將?jì)算出的信息傳遞給控制閥，由控制閥控制調(diào)整燃?xì)膺M(jìn)氣量，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制最佳空燃比的目的。通過控制執(zhí)行器來控制混合氣的流量，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?？杖急瓤刂萍夹g(shù)的閉環(huán)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)有效設(shè)定沼氣的濃度范圍，混合氣能一直處在最佳空燃比狀態(tài)，使燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組燃燒更合理，機(jī)組運(yùn)行更平穩(wěn)，輸出的功率更穩(wěn)定、連續(xù)。

3.2.2 智能點(diǎn)火系統(tǒng)

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組點(diǎn)火系統(tǒng)包括磁電機(jī)、低壓線、高壓點(diǎn)火線圈、高壓點(diǎn)火線、火花塞、點(diǎn)火控制器，其優(yōu)點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中可隨意調(diào)整點(diǎn)火提前角和點(diǎn)火能量火能量分三個(gè)等級(jí)，根據(jù)燃?xì)獾某煞謱?duì)點(diǎn)火能量進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最佳點(diǎn)火狀態(tài)，最高等級(jí)點(diǎn)火能量可高達(dá)5 萬V；點(diǎn)火系統(tǒng)具備超速保護(hù)功能。在點(diǎn)火控制系統(tǒng)中設(shè)置機(jī)組運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到超速時(shí)，點(diǎn)火控制器停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)停車；點(diǎn)火系統(tǒng)具有自身故障檢測(cè)及報(bào)警功能。如出現(xiàn)火花塞不點(diǎn)火、線路短路或線路接觸不良等故障，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，便于機(jī)組的維護(hù)，保證點(diǎn)火控制人性化。

3.2.3 進(jìn)氣系統(tǒng)

增壓、中冷型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組采用了高效率的復(fù)合式空氣濾清器、大流量渦輪增壓器和德國(guó)GEA 公司技術(shù)生產(chǎn)的圓管式高效中冷器，其中兩個(gè)增壓器共用一個(gè)中冷器，保證即使兩個(gè)增壓器效率不同步，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組左右兩側(cè)進(jìn)氣管中的混合氣特性也仍相同，實(shí)現(xiàn)左右兩排氣缸工況相同，使充氣效率提高，保證機(jī)組的輸出功率更持續(xù)、穩(wěn)定。

3.2.4 排氣系統(tǒng)

排氣匯總管和渦輪增壓器包敷有絕熱層，排氣出口裝有波紋管等彈性排氣膨脹節(jié)，有效防止熱量向機(jī)房?jī)?nèi)釋放。

3.2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的使用保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)、采集、顯示、記錄、控制等功能，并且設(shè)有智能控制屏，用于控制及監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組的工作狀況，實(shí)現(xiàn)一旦發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，發(fā)電機(jī)組的啟停操作可在機(jī)旁完成操作控制，也可由控制屏上按鈕控制，保證近、遠(yuǎn)距離監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)操作人性化。

4 填埋氣體發(fā)電技術(shù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)泉州室仔前填埋場(chǎng)利用填埋氣體發(fā)電分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2019 年度累計(jì)填埋垃圾35 萬t，現(xiàn)對(duì)填埋分區(qū)的新垃圾堆體和之前已經(jīng)完成垃圾表面覆蓋HDPE 膜的垃圾堆體安裝氣體收集系統(tǒng)，從2018 年11 月份上網(wǎng)售電至今，累計(jì)處理填埋氣1 498 萬m3，保障了至少1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)三臺(tái)1 000 kW 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在正常功率運(yùn)行，見圖4，按照平均處理氣量約1 800 m3/h，運(yùn)行輸出功率約800 kW，上網(wǎng)售電價(jià)格0.629 元（/kW·h），每年實(shí)際正常運(yùn)行300 天計(jì)算，每年收益合計(jì)：800 kW/臺(tái)×3 臺(tái)×24/d×0.629 元/（kW·h）×300 d/年=1 086.91 萬元/年。目前氣體收集系統(tǒng)處理的甲烷濃度約為45%，累計(jì)處理填埋氣約1500 萬m3/年，每年可減少甲烷排放約675 萬m3。因此，填埋氣體燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):填埋氣體中甲烷成份30%～55%之間，甲烷是僅次于CO2的影響溫室效應(yīng)的氣體，該項(xiàng)目日處理最大能力約6 萬m3，減少了CH4氣體的排放。填埋氣體送入燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)后，減輕社會(huì)用電負(fù)荷，減少有害氣體排放，起到防治城市的大氣環(huán)境污染和節(jié)能減排的效果，同時(shí)產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益[5]。

5 火炬系統(tǒng)

泉州市室仔前填埋場(chǎng)填埋氣體采用集中收集方式燃燒發(fā)電，按照雙重預(yù)防機(jī)制體系建設(shè)及安生生產(chǎn)可行性，提出設(shè)置一臺(tái)封閉式燃燒火炬設(shè)備，在發(fā)電機(jī)組超壓、故障檢修、突發(fā)性增加導(dǎo)致超出發(fā)電機(jī)組負(fù)荷等情況下，總集氣管處采用三通閥門，一旦緊急情況，可啟用火炬系統(tǒng)燃燒填埋氣體，不僅避免填埋氣體直接排放造成環(huán)境的污染，而且減少了因甲烷聚集而產(chǎn)生爆炸。

圖4 垃圾填埋發(fā)電廠平面圖

6 結(jié)語(yǔ)

填埋氣體的甲烷是一種清潔燃料，其可燃性決定了填埋氣體的潛在價(jià)值，根據(jù)填埋場(chǎng)的垃圾量、填埋年限及衛(wèi)生填埋方式，未來在全國(guó)的垃圾填埋場(chǎng)完全可復(fù)制、可推廣進(jìn)行填埋氣的收集和發(fā)電利用。填埋場(chǎng)利用填埋氣體發(fā)電技術(shù)的實(shí)施，成功實(shí)現(xiàn)了城市垃圾衛(wèi)生填埋處理利用資源最大化，減少了環(huán)境污染，響應(yīng)了“垃圾分類就是新時(shí)尚”的行動(dòng)號(hào)召。作為一種新型的、綠色的電力來源，垃圾填埋氣體發(fā)電技術(shù)不僅節(jié)能減排起到重要作用，而且發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有示范作用，可推進(jìn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

參與文獻(xiàn)

[1] 馬慧，徐小剛.城市生活垃圾資源回收利用途徑綜述[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2007（4）：16-17.

[2] 陳志軒.實(shí)施HDPE 膜覆蓋雨污分流后的填埋場(chǎng)精細(xì)化作業(yè)探討[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2018（10）：45-47.

[3] 蘇展望.燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)在城市垃圾填埋治理上的應(yīng)用分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2012（1）：35-36.

[4] 朱辰元，馮大磊.燃燒垃圾填埋氣發(fā)電的熱氣機(jī)燃燒系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用[J].能源與環(huán)境，2012（5）：90-91.

[5] 賈學(xué)智，全珍，劉昌盛.城市垃圾廠填埋氣發(fā)電技術(shù)應(yīng)用與分析[J].生態(tài)與環(huán)境工程，2016（7）：3-4.